URZĄDZENIE PIORUNOCHRONE

Badania elementów urządzenia

piorunochronnego

Andrzej Sowa

rowego symulującego przepływ prądu pioru-
nowego.

Poprawne zaprojektowanie i wykonanie insta-
lacji piorunochronnej staje się sprawą coraz
bardziej skomplikowaną. Rosną wymagania
dotyczące zarówno estetyki jej wykonania, jak
i trwałości oraz pewności działania podczas
bezpośredniego wyładowania piorunowego w
obiekt budowlany. Niestety częste są jeszcze
przypadki lekceważenia zagadnień ochrony
odgromowej oraz traktowania wykonawstwa
instalacji piorunochronnej jako sprawę prostą,
niewymagającą praktycznie żadnego przygo-
towania i doświadczenia .

Oddziaływanie prądu piorunowego

na elementy urządzenia

piorunochronnego

Zwody na dachach oraz, w przypadku obiek-
tów wysokich (ponad 20 m), na ścianach
obiektów budowlanych powinny wytrzymać
zagrożenie jakie występuje podczas przepływ
prądu piorunowego. Zwodami mogą być
przewodzące elementy konstrukcyjne obiektu,
tzw. zwody naturalne, lub przewody umiesz-
czone tylko w celach ochrony odgromowej,
tzw. zwody sztuczne.

Wśród podstawowych przyczyn takiej niefra-
sobliwości należy wymienić:
• niewielkie, w naszym klimacie, prawdopo-

dobieństwo bezpośredniego wyładowania
piorunowego w obiekt budowlany i sto-
sunkowo rzadką weryfikację poprawnego
rozwiązania i wykonania urządzenia pioru-
nochronnego,

W tym drugim przypadku zwody mogą być
złożone z dowolnej kombinacji prętów, poje-
dynczych przewodów lub tworzonych z prze-
wodów sieci. Dobierając elementy do montażu
zwodów należy uwzględnić zagrożenie jakie
wywołuje przepływ prądu piorunowego pod-
czas bezpośredniego wyładowania w obiekt.
W większości typowych obiektów budowla-
nych na bezpośrednie działanie prądu pioru-
nowego narażone są zwody poziome i pio-
nowe niskie.

• przekonanie, że montaż urządzenia pioru-

nochronnego jest prostą sprawą, którą prak-
tycznie może wykonać dowolna firma,

• częste kłopoty finansowe inwestorów w

końcowej fazie budowy obiektu, w której
montowane jest urządzenie piorunochron-
ne, i poszukiwania najtańszych materiałów
oraz wykonawców.

Ocena zagrożenia piorunowego elementów
urządzenia piorunochronnego wymaga okre-
ślenia następujących wartości charakteryzują-
cych prąd piorunowy :

Wzrostowi wymagań stawianych przed pro-
jektantami i wykonawcami musi towarzyszyć
dostępność do różnorodnych i pewnych w
działaniu elementów instalacji piorunochron-
nych. Fakt ten stwarza konieczność tworzenia
nowych wymagań określające zasady badań
poszczególnych elementów instalacji, włącz-
nie z symulację zagrożenia stwarzanego pod-
czas bezpośrednie oddziaływanie prądu uda-

- wartości szczytowej

I

m

- ładunku przenoszonego przez prąd udarowy

Q

imp

=

∫ i

p

dt

-impulsu kwadratu prądu W=

∫ i

p

2

dt

(energia właściwa wydzielona przez
prąd piorunowy na rezystancji 1

Ω).

Podczas bezpośredniego wyładowania w elementy
urządzenia piorunochronnego narażone są na:

W niektórych przypadkach są wykorzysty-
wane również parametry uzupełniające do któ-
rych należą:

• erozję termiczną w miejscu kontaktu prze-

wodu z kanałem wyładowania pioruno-
wego,

• czas trwania czoła prądu piorunowego,
• czas do półszczytu na grzbiecie fali prądu

piorunowego,

• rozżarzenie przewodów wywołane przez

przepływ prądu piorunowego,

• liczba udarów prądowych w wyładowaniu

wielokrotnym.

• działania dynamiczne pomiędzy przewo-

dami, w których płynie prąd piorunowy.

Zalecane przez normy międzynarodowe i eu-
ropejskie, wartości podstawowych parame-
trów charakteryzujących prąd piorunowy w
przypadku czterech poziomów ochrony od-
gromowej zestawiono w tablicy 1.

Podczas bezpośredniego wyładowania w urzą-
dzenie piorunochronne w miejscu styku prze-
wodu z kanałem wyładowania następuje na-
grzanie się metalu co może spowodować jego
erozję.

Tablica 1. Wartości podstawowych parametrów charakteryzujących prąd piorunowy wyładowania
doziemnego

Składowa
wyładowania

Poziom

ochrony

Wartość

szczytowa

kA

Czas
czoła

µs

Czas do

półszczytu

µs

Całkowity

ładunek

C **

Ładunek im-

pulsowy

C *

Energia

właściwa

MJ/

Ω

Efektywność

ochrony

%

I

200 10 350 300 100 10 98

II

150

10

350

225 75 5,6 95

pierwsza

składowa

II i IV

100

10

350

150

50

2,5

90 i 80

I

50 0,25 100 --

---

--- 98

II

37,5 0,25 100 --

---

---

95

kolejne

składowe

III i IV

25

0,25

100

--

---

---

90 i 80

* - Ponieważ zasadnicza część całkowitego ładunku jest zawarta w pierwszym udarze to uznaje się, że poda-
ne wartości zawierają ładunek wszystkich udarów krótkotrwałych,

** - Ładunek całkowity - suma ładunku krótkotrwałego i ładunku składowej długotrwałej prądu.

Krytyczną wartość ładunku wymaganą do wy-
topienia takiej ilości metalu określa równanie
[1,3]:

Erozja termiczna prowadzi do perforacji cien-
kich blach, wytapiania przewodów i ich ewen-
tualnego przerywania.

e

w

K

r

Q

3

⋅

=

π

W przypadku klasycznego urządzenia pioru-
nochronnego zagrożeniem może być zarówno
rozgrzany przewód jaki i wytopione z niego
krople metalu.

K

e

– współczynnik erozji,

Określając kryteria opadania kropel wytopio-
nego metali z przewodu przyjęto [1,2,3] , że
wystąpienie tego zjawiska wymaga ubytku po-
łowy masy przewodu na długości równej jego
średnicy.

r - promień przewodu.

Uwzględniając, przedstawione w tablicy 1,
wartości ładunków przenoszonych przez prąd
piorunowy można określić średnice przewo-
dów, w których na skutek erozji termicznej

Tablica 3. Wartości współczynników występu-
jących w równaniu

może wystąpić zagrożenie stwarzane przez
opadające krople metalu.

Przykładowe wyniki obliczeń dla przewodów
stalowych, aluminiowych i miedzianych ze-
stawiono w tablicy 2.

Tablica 2. Krytyczne wartości ładunku dla
przewodów wykonanych z różnych materiałów

Ładunek Q (As)

Średnica
przewodu

Stal Miedz

Aluminium

5 mm

32,72

18,11

9,82

6

mm 56,64 31,29 16,96

7

mm 89,79 49,70 26,93

8 mm

134,04

74,19 40,21

9 mm

190,85

105,63

57,25

10 mm

261,79

144,90

78,53

11 mm

348,45

192,87

104,53

Materiał

Współczynnik

Aluminium Stal Miedz

)

(

3

m

kg

γ

2 700

7 700

8 920

)

(

K

kg

J

c

w

⋅

908 469 385

)

( m

Ω

ρ

29 10

-9

120

10

-9

17,8

10

-9

)

/

1

( K

α

4,0 10

-3

6,5

10

-3

3,92

10

-3

Wykorzystując przedstawione wartości można
określić przyrost temperatury różnorodnych
przewodów o różnych średnicach przy prze-
pływie prądu piorunowego o kształcie
10/350

µs i wartościach szczytowych uzależ-

nionych od przyjętego poziomu ochrony od-
gromowej (tablica 4).

Charakter zmian temperatury przewodów z
różnych materiałów wywołany przez przepływ
prądu udarowego o wartości szczytowej 100
kA i kształcie 10/350

µs [2] przedstawiono na

rys.2.

Obliczone wartości porównano z wartością ła-
dunku impulsowego jaki jest zalecany przy
tworzeniu urządzenia piorunochronnego za-
pewniającego I poziom ochrony odgromowej
(ładunki impulsowe 100As).

Analizując wyniki przedstawione w tablicy 2 i
4 należy stwierdzić, że uniknięcie opadania
kropel metalu lub jego przerwania wymaga
stosowania przewodów o średnicach więk-
szych niż te, które są zalecane przez obowią-
zujące normy krajowe (tablica 5 - [4,5]).

Uniknięcie spadania kropel wytopionego me-
talu wymaga zastosowania przewodów, dla
których krytyczne wartości ładunku są więk-
sze od 100As (obszar zacieniony na tablicy
2.).
Podwyższenie temperatury przewodu o

∆υ

pod wpływem przepływającego prądu pioru-
nowego można wyznaczyć z zależności [1,3]:

Dobierając elementy urządzenia pioruno-
chronnego należy dodatkowo uwzględnić za-
grożenia wywołane przez siły elektrodyna-
miczne wywołane przez rozpływający się prąd
piorunowy (rysunek 3).

)

1

(exp

1

2

−

⋅

⋅

⋅

⋅

=

∆

w

c

S

R

W

γ

ρ

α

α

ϑ

Siły elektrodynamiczne pomiędzy dwoma
równoległymi przewodami, w których płyną
prądy, opisuje równanie:

gdzie :

ρ - rezystywność metalu (Ω⋅m),

7

2

1

2

1

0

10

)

(

2

)

2

(

−

⋅

⋅

⋅

⋅

=

⋅

⋅

⋅

⋅

⋅

=

a

i

i

l

i

i

a

F

π

l

µ

[N]

γ - gęstość metalu (kg⋅m

-3

),

c

w

– ciepło właściwe (J

⋅ kg

-1

⋅ K

-1

),

gdzie: i

1

· i

2

- chwilowe wartości prądów

płynących w przewodach [A],

α - współczynnik temperaturowy (K

-1

),

S

2

– przekrój przewodu (m

2

).

a - odstęp między przewodami,

Przybliżone wartości współczynników wystę-
pujących w powyższym równaniu dla różnych
materiałów zestawiono w tablicy 3.

l - długość przewodów ułożonych

równolegle.

Tablica 4. Przyrost temperatury przewodów przy przepływie prądu piorunowego w zależności
od ich średnicy i materiały z którego są wykonane

Aluminium Stal Miedz

Przyjęty poziom ochrony

przekrój

w

mm

2

III+IV II

I III+IV II

I III+IV II

I

4

* * * * * * * * *

10

564 * * * * *

169

542

*

16

146 454 * 1120 *

* 56 143 309

25

52 132 283 211 913 * 22 51 98

50

12 28 52 37 96 211 5 12 22

100

3 7 12 9 20

37 1 3 5

* - wzrost temperatury powoduje eksplozję lub stopienie przewodu.

Tablica 5. Najmniejsze wymiary elementów stosowanych do odprowadzania prądu pioruno-
wego

Rodzaj wyrobu

Materiały (wymiary znamionowe w mm)

stal ocynkowana

cynk

aluminium

miedź

drut

6 -

10

6

taśma

20

× 3

-

20

× 4

20

× 3

linka

7

× 2,5

- - 7

×3

bez wyszczególnienia

50mm

2

70mm

2

*

25mm

2

**

35mm

2

*

16mm

2

**

* , ** - przekroje dotyczą odpowiednio zwodów i przewodów odprowadzających.

a)

b)

F

F

i

i

F

i

i

F

F

1

F

1

F

2

i

i

Rys.3. Przy-
kłady rozkładu
sił działających
na elementy
instalacji pio-
runochronnej

Rys.2. Przyrosty temperatury przewodów (

∅

8mm ) wywołane przez przepływ prądu uda-
rowego o wartości szczytowej 100 kA i kształ-
cie 10/350

µs.

Tablica 6. Podstawowe parametry prądu uda-
rowego stosowanego do badań elementów in-
stalacji piorunochronnej

Należy zaznaczyć, że działanie sił elektrody-
namicznych na przewody w układach ochron-
nych ogranicza się tylko do krótkiej chwili
czasowej, np. w przypadku prądów udarowych
siły będą działały na przewody tylko przez
kilkadziesiąt – kilkaset

µs. Jest to czas zbyt

krótki w porównaniu z wywołanymi przez te
siły drganiami mechanicznymi.

Klasa Imax

W/R

t

d

Wysoka 100 kA

± 10%

2,5MJ/

Ω ± 20% ≤ 2 ms

Niska

50 kA

± 10%

0,63MJ/

Ω ± 20% ≤ 2 ms

Podejmowane są również próby wyznaczania
sił elektrodynamicznych wykorzystując zależ-
ności określające tzw. energię właściwą prądu
udarowego W wynoszącą:

Badane elementy urządzenia piorunochronnego
powinny być narażone na trzykrotny przepływ
prądu udarowego o przedstawionych parame-
trach. Czas pomiędzy poszczególnymi próbami
powinien być na tyle długi, żeby było możliwe
ostygnięcie badanego elementu do temperatury
otoczenia przed kolejną próbą

W =

∫

dt

i

2

Jednostkowe impulsy sił są proporcjonalne do
energii właściwej prądu udarowego

Dodatkowo należy przeprowadzić pomiary re-
zystancji styku elementów instalacji pioruno-
chronnej, przy przepływie prądu 10A. Pomiary
powinny być prowadzone możliwie najbliżej
badanego styku, a zmierzona wartość powinna
być mniejsza lub równa 1 m

Ω. Zalecenia za-

wierają również układy połączeń, do jakich
należy doprowadzić udar prądowy (rys.4.).

∫

∫

=

dt

i

f

Fdt

2

gdzie f jest współczynnikiem proporcjonalno-
ści, którego wartości uzależnione od wzajem-
nego ułożenia przewodów wynoszą odpo-
wiednio :
układ dwu przewodów równoległych (rys3a)

a

f

⋅

=

−

2

10

7

Płaszczyzna
izolacyjna

500

20

20

500

Prąd
udarowy

Badany
element

gdzie : a – odstęp pomiędzy przewodami,
układ przewodu zgiętego (rys.3b)

r

r

l

f

+

⋅

=

−

ln

10

7

gdzie : l – długość przewodu liczona od środka
promienia krzywizny,

r – promień krzywizny zagięcia prze-
wodu.

Płaszczyzna
izolacyjna

400

20

500

20

100

Uwzględniając przedstawione zależności i pa-
rametry prądu piorunowego można określić si-
ły działające na przewody i wyznaczyć wy-
stępujące zagrożenie.
Badanie elementów urządzenia piorunochron-
nego
Analizy teoretyczne zjawisk zachodzących
podczas bezpośrednich wyładowań w urzą-
dzenia piorunochronne wykorzystano do opra-
cowania zaleceń określających zakres badań
symulujących w warunkach laboratoryjnych
występujące zagrożenie [7].

Rys. 4. Przykładowe układy połączeń prze-
wodów podczas badań złączek na działanie
prądu udarowego

Źródłem zagrożenia jest prąd udarowy o pa-
rametrach zestawionych w tablicy 6.

W zależności od swojego przeznaczenia, po-
szczególne typy złączek badane są w różnych
układach połączeń (Rysunek 5.).

Metalowa
instalacja

Metalowa

rura

Metalowa
instalacja

Metalowa

rura

Badany
element

Rys.5. Podstawowe układy do badań wytrzyma-
łości elementów urządzenia piorunochronnego

Wnioski

Elementy urządzenia piorunochronnego po-
winny zapewnić pewną i niezawodną ochronę
obiektów budowlanych przed działaniem prą-
du piorunowego. Spełnienie takich warunków
wymaga przeprowadzenia przez producentów

badań, podczas których w laboratoriach symu-
lowane są zagrożenia stwarzane przez prze-
pływ prądu piorunowego.
Montując urządzenie piorunochronne z bada-
nych elementów można zapewnić ochronę
obiektu i uniknąć sytuacji, w której układy ma-
jące zapewnić bezpieczeństwo nie tylko nie
spełnią swojego zadania ale jako pierwsze ule-
gną uszkodzeniu.
Dodatkowo należy zwrócić uwagę na jakość
wykonania urządzenia piorunochronnego na
obiekcie budowlanym

Literatura

1. Flisowski Zd. : Trendy rozwojowe ochrony

odgromowej budowli. Część 1. Wyładowa-
nia piorunowe jako źródło zagrożenia.
PWN 1986.

2. Hampe E.A., Trommer W.: Blitzschutzan-

lagen. Planen, Bauen, Prüfen. Huthing
1997.

3. Hasse P., Wiesinger J.: EMV Blitz –

Schutzzonnen Konzept . Pflaum Verlag
1994.

4. PN-86/E-05003/01: Ochrona odgromowa

obiektów budowlanych. Wymagania ogólne.

5. PN-86/E-05003/02: Ochrona odgromowa

obiektów budowlanych. Ochrona podsta-
wowa

6. prEN 50164-1. Lightning Protection Com-

ponents (LPC). Part 1. Requirements for
Connection Components.

7. PN-IEC 61024-1. Ochrona odgromowa

obiektów budowlanych. Zasady ogólne.
2001.

8. PN-IEC 61312-1. Ochrona przed pioru-

nowym impulsem elektromagnetycznym.
Zasady ogólne. Marzec 2001

9. PN-IEC 61024-1-2. Ochrona odgromowa

obiektów budowlanych. Zasady ogólne.
Przewodnik B – Projektowanie, montaż,
konserwacja i sprawdzanie urządzeń pio-
runochronnych.

10. Noack F., Schönau J., Aumeier W.,

Trinkwald H.: Blitzstromtragfähigkeit von
Verbindungsbauteilung für Blitzschutzan-
lagen. Der Blitzschutz in der Praxis, 1999