Lead

o c h r o n a o d g r o m o w a i p r z e p i ę c i o w a

41

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 5 / 2 0 0 4

S

zczególnie narażone na uderze-
nia są przede wszystkim obiekty

położone najwyżej na danym tere-
nie. Uderzenie pioruna w drzewa po-
woduje ich rozerwanie i pęknięcie,
metalowe przedmioty i przewody
ulegają stopieniu, a uderzenie pioru-
na w przewody linii elektrycznej
może spowodować w sąsiednich
transformatorach, generatorach i od-
biornikach przebicie izolacji, powsta-
nie łuków elektrycznych i w konse-
kwencji pożar.

Szczególnie zagrożone są obiekty

nieposiadające odpowiednich insta-
lacji zabezpieczających. Pioruny wy-
wołują często duże uszkodzenia po-
wstające zarówno przez bezpośrednie
działanie wynikające z ich natury, jak
i np. przez wtórne przepięcia. Uderze-
niom piorunów towarzyszy wiele zja-
wisk bardzo niekorzystnych z punk-
tu widzenia bezpieczeństwa poża-
rowego. W szczególności można do
nich zaliczyć:

konuje piorun, wyznaczyć stosując pra-
wo Joulle’a:

P

I Rt

=

2

gdzie:
P - praca w [W],
I -

natężenie prądu w [A],

R - rezystancja drogi prądu w [W],
t - czas trwania przepływu prądu
w [s].

Ze wzoru wynika, iż w czasie prze-

pływu prądu przez przedmiot o małej
rezystancji wydziela się niewielka ilość
ciepła. Inaczej jest, jeżeli mamy do czy-
nienia z przedmiotem o dużej rezystan-
cji. Wówczas ilość wydzielonego ciepła
jest znaczna. Przepływ prądu przez prze-
wodniki o małym przekroju, np. pręty,
blachę, drut, może spowodować ich sto-
pienie. Natomiast, jeżeli piorun uderza
w materiał o dużej rezystywności, taki
jak beton czy drewno, wydzielające się
w nich ciepło powoduje, iż woda w nim
zawarta w krótkim czasie zostaje ogrza-
na do wysokiej temperatury i gwałtow-
nie odparowuje powodując nagły wzrost
ciśnienia. Proces ten ma charakter wy-
buchu, jego wynikiem jest pękanie pni
drzew i rozsypywanie się betonowych
konstrukcji.

Bardzo niebezpieczne są też wszel-

kiego rodzaju zestyki i przerwy na dro-
dze przepływu prądu piorunowego. Po-
nieważ powstająca w tych miejscach re-
zystancja powoduje dodatkowy opór,
mogą w tych miejscach powstać iskry,
łuki i miejscowe wytopienia materiałów.
Jeżeli w ich pobliżu znajdą się materiały
palne, wówczas dochodzi do ich zapale-
nia, tym bardziej że w czasie przepływu

Przekrój

w mm

2

Aluminium

Stal

Miedź

Poziom ochrony

I

II

III+IV

I

II

III+IV

I

II

III+IV

4

10

564

542

169

16

454

146

1120

309

143

56

25

283

132

52

913

211

98

51

22

50

52

28

12

211

96

37

22

12

5

100

12

7

3

37

20

9

5

3

1

- zniszczenie przewodu

Tab. 1 Przyrost temperatury przewodów przy przepływie prądu piorunowego, w zależności

od średnicy i materiału, z jakiego są wykonane, oraz przyjętego stopnia ochrony

zagrożenie pożarowe

pochodzące od wyładowań

atmosferycznych

mgr inż. Edward Skiepko

cieplne i dynamiczne działanie ener-

gii wyładowania;

wysokie napięcie;
wtórne działanie pioruna.

Działanie prądu pioruna można po-

dzielić na bezpośrednie i pośrednie.
W czasie bezpośredniego uderzenia
pioruna w jakiś obiekt, styka się on
z głównym kanałem wyładowczym
lub z kanałem bocznym. Przez przed-
miot, w który uderzył piorun, w bar-
dzo krótkim czasie płynie prąd pioru-
nowy o dużym natężeniu. Prąd ten wy-
wołuje zjawiska cieplne: dynamiczne,
chemiczne i elektromagnetyczne. W za-
leżności od tego, z jakiego materiału jest
wykonany obiekt, efekt końcowy wyła-
dowania jest inny. Najbardziej niebez-
pieczne, a zarazem najbardziej zauwa-
żalne, jest oddziaływanie cieplne prą-
du piorunowego. Jego charakter i prze-
bieg są zupełnie inne niż prądu o czę-
stotliwości przemysłowej, przepływają-
cego przez przewodnik. Stosując pew-
ne uproszczenie, można pracę, jaką wy-

Wyładowanie atmosferyczne tym różni się od iskry elektrycznej, że jest od niej o wiele
silniejsze. Natężenie prądu powstającego przy uderzeniu pioruna dochodzi do 250 kA,
a ciepło wytworzone przepływem prądu bezpośrednio lub pośrednio powoduje zapa-
lenie się palnych materiałów znajdujących się w pobliżu.

takiego prądu powstają temperatury rzę-
du kilku tysięcy stopni.

Podczas przepływu prądu wyładowa-

nia atmosferycznego największe zagro-
żenie pożarowe stwarzane jest przez:

erozję termiczną;

nagrzanie przewodów metalowych

wzdłuż drogi przepływu prądu;

zapłon materiałów palnych w bezpo-

średnim sąsiedztwie kanału pioruno-
wego oraz w miejscach nadmiernie
rozgrzanego metalu;

zainicjowanie wybuchu mieszanin ga-

zów i pyłów z powietrzem oraz mate-
riałów wybuchowych;

zapalenie się materiałów palnych znaj-

dujących się w bezpośrednim kontak-
cie z kanałem piorunowym;

uszkodzenie i zapalenie się materia-

łów izolacyjnych;

zapalenie się i/lub wybuch par cieczy

i gazów w zbiornikach i butlach.
Erozja termiczna metalu polega na

nagrzewaniu się metalu w miejscu sty-
ku z kanałem wyładowania piorunowe-
go. Ma ona szczególne znaczenie w przy-
padku, kiedy piorun uderza w blachy lub
cienkie przewody, wówczas wytopione
cząstki metalu rozbryzgują się, a samo
miejsce nagrzewa się. Głównym czynni-
kiem, który prowadzi do wzrostu tempe-
ratury w miejscu stykowym, jest energia
związana z ładunkiem wyładowania Q
i przyelektrodowym spadkiem napięcia.
Przyrost temperatury rozgrzanego me-
talu nie jest jednakowy w całym prze-
kroju materiału. Inna jest temperatu-
ra na powierzchni, a inna po przeciw-
nej stronie punktu uderzenia pioruna.
Wzrasta ona z pewnym opóźnieniem,
zależnym od grubości blachy i od cza-

42

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 5 / 2 0 0 4

su, w jakim działa impuls nagrzewający
materiał. Maksymalny przyrost tempe-
ratury blachy jest w przybliżeniu propor-
cjonalny do ładunku. Osiągnięcie tem-
peratury stanowiącej próg topliwości
metalu świadczy o zapoczątkowanej
jego erozji. W przypadku ciężkich blach
prowadzi ona do ich perforacji, a cien-
kie przewody ulegają przerwaniu (sto-
pieniu). Ilość energii potrzebna do prze-
dziurawienia blachy w przeliczeniu na
1mm jej grubości rośnie wraz z jej gru-
bością. Zjawisko to może być przyczyną
pożaru. Ze względu na powszechność
stosowania jako elementów wykoń-
czeniowych blach oraz drutów odgro-
mowych, które w przypadku styku
z kanałem wyładowczym osiągają tem-
peraturę rzędu 1500°C, może to spowo-
dować ich miejscowe wytopienie. Dal-
sze zetknięcie się takich elementów
z materiałem palnym może być przy-
czyną zapalenia.

Nagrzewanie przewodów przy prze-

pływie prądu wyładowania atmosfe-
rycznego ma miejsce głównie w przy-
padku drutów wykorzystywanych jako
instalacja odgromowa. Samonagrzewa-
nie się wynika z faktu, iż przewody te
stawiają pewien opór przy przepływie
prądu, czego skutkiem jest ich nagrze-
wanie się.

Ilość ciepła wydzieloną przez prąd

pioruna w czasie można wyznaczyć
ze wzoru:

Q

I Rt

=

2

gdzie:
Q – ilość ciepła [J],
I – natężenie prądu [A],
R – oporność czynna przewodu [W],
t – czas [s].

We wzorze tym wartość prądu

i czas jego przepływu są wartościami loso-
wymi, dlatego też ilość wydzielonego cie-
pła zależy głównie od rezystancji przewo-
du, przez który płynie prąd. Ze względu
na fakt, iż czas przepływu prądu pioru-
na jest bardzo krótki, można przyjąć, że
cały przewód jest nagrzewany jednako-
wo w całym przekroju, a samonagrzewa-
nie się przebiega pod wpływem impulsu
energii elektrycznej wyładowania.

Działanie elektrodynamiczne prą-

du pioruna ma miejsce w uziemio-

nych i usytuowanych równole-
gle przewodnikach, przez które pły-
nie prąd wyładowania. Zgodnie
z prawem Laplace’a, dwa przewody,
przez które przepływa prąd elektrycz-
ny, ułożone do siebie równolegle od-
działywają na siebie siłą proporcjonal-
ną do natężenia obu prądów i odwrotnie
proporcjonalną do odległości pomiędzy
nimi. Jeżeli kierunki przepływu prądu są
zgodne, to przewody przyciągają się, na-
tomiast, jeżeli są przeciwne, wówczas się
odpychają. Ponieważ prąd płynący pod-
czas wyładowania osiąga wartość kilku-
set kA, mając przewodniki, przez które
płynie prąd pioruna, ułożone zbyt blisko
siebie, można spowodować ich zerwanie
lub uszkodzenie, co w skrajnych przy-
padkach może np. naruszyć konstruk-
cję budynku (jeżeli są to np. pręty zbro-
jeniowe). Kolejnym zagrożeniem zwią-
zanym z elektrodynamiką przepływu
prądu pioruna jest to, iż siły powstają-
ce podczas wyładowań są bardzo krót-
kie w porównaniu z okresami wywoła-
nych przez nie drgań mechanicznych.
W praktyce oddziaływanie takie ma zna-
czenie tylko przy bardzo małych odle-
głościach pomiędzy przewodami. Wów-
czas, gdy mamy np. do czynienia z prze-
pływem prądu wyładowania w instala-
cji elektrycznej, powstające siły przycią-
gania mogą doprowadzić do zniszcze-
nia izolacji.

W przypadku gdy wyładowanie at-

mosferyczne przebiega przez mate-
riał izolacyjny lub materiał, który jest
słabym przewodnikiem, jak np. be-
ton, mur, drewno, kanał wyładowa-
nia może przejść przez ten materiał
lub przebiegać na jego powierzch-
ni. Oddziaływanie kanału na mate-
riał - o czym była mowa wcześniej -
z reguły wywołuje wysokie ciśnienie,
które w przypadku przebicia materia-
łu może być stosunkowo groźne. Po-
wstające ciśnienie może osiągać war-
tość rzędu kilkuset tys. N/cm

2

– znacz-

nie większe niż ciśnienie atmosferycz-
ne. Jego przyrost wpływa na otoczenie
jak fala uderzeniowa ulegająca szyb-
kiemu wytłumieniu. Wartość i pręd-
kość tej fali może spowodować lokal-
ne uszkodzenia: zerwanie dachów,
pęknięcia, naruszenie konstrukcji bu-
dynku, uszkodzenia drzew. W skraj-

nych przypadkach może dojść nawet
do zawalenia się konstrukcji. Wartości
prądu decydujące o rozmiarach uszko-
dzeń zależą głównie od grubości prze-
bijanego materiału, co wiąże się z dłu-
gością kanału wyładowania, ilością od-
parowanej wilgoci i kierunkiem działa-
nia sił. W przypadku przebiegu kanału
piorunowego bezpośrednio przez ma-
teriał palny, następuje z reguły jego za-
płon, co jest konsekwencją bardzo szyb-
kiego rozgrzania się materiału palnego,
odparowania wody oraz pirolizy. Samo
zapalenie się w dużej mierze zależy od
pojemności cieplnej danego materiału,
jego struktury, szybkości pochłaniania
i magazynowania ciepła.

Zagrożenie pożarowe i wybuchowe

zbiorników z cieczami i gazami palny-
mi powodowane przez wyładowania
atmosferyczne jest bardzo różne, za-
leży w głównej mierze od konstruk-
cji zbiornika i rodzaju przechowywa-
nego materiału. Zbiorniki z gazami
palnymi z reguły nie mają połączenia
z atmosferą, nie ma w nich możliwo-
ści powstania mieszaniny wybucho-
wej. Inaczej przedstawia się sytuacja
ze zbiornikami z ruchomą pokrywą,
tam występuje w pewnych okolicz-
nościach mieszanina wybuchowa.
W zbiornikach z cieczami palnymi
i dachami występuje wolna prze-
strzeń pomiędzy powierzchnią cieczy
a dachem. Przestrzeń ta połączona jest
z otaczającą atmosferą przez komin-
ki oddechowe, co pozwala na wypływ
par i gazów na zewnątrz i do środka. Po-
nieważ występuje wymiana powietrza
i par na zewnątrz i do wewnątrz zbior-
nika, może tam wytworzyć się miesza-
nina wybuchowa.

W zależności od zawartości i kon-

strukcji zbiornika różne są też skut-
ki uderzenia pioruna. Jeżeli uderzenie
ma miejsce w blachę będącą poszyciem
zbiornika, to w punkcie zetknięcia się
kanału iskry z metalem występuje na-
grzewanie się blachy i możliwość po-

wstania łuku elektrycznego - w konse-
kwencji może dojść do wytopienia się
metalu i rozszczelnienia zbiornika. Jeżeli
w zbiorniku znajduje się gaz palny, wów-
czas może dojść do jego zapalenia się, na-
tomiast jeżeli jest w nim ciecz - grozi to
zapłonem mieszaniny jej par z powie-
trzem, wybuchem, zniszczeniem zbior-
nika i pożarem.

W celu zminimalizowania zagro-

żeń pożarowych powstających pod-
czas wyładowań atmosferycznych na-
leży przede wszystkim zwrócić uwagę
na poprawnie zaprojektowaną i wyko-
naną instalację odgromową, a w szcze-
gólności na:

stosowanie odpowiednich przekro-

jów przewodów odprowadzających;

właściwą jakość łączeń między nimi;
odpowiedni dobór ilości przewodów

odprowadzających;

zachowanie odpowiedniej odległości

materiałów palnych od instalacji od-
gromowych.

literatura

1. Szpor St., „Jak ustrzec się pioruna”,

WNT, Warszawa 1971.

2. Flisowski Zb., „Trendy rozwojowe

ochrony odgromowej budowli”, PWP
Warszawa 1986.

3. Materiały z konferencji naukowo-tech-

nicznej SEP 1996 r.: Flisowski Zb.,
„Standardowe modyfikacje urządzeń
piorunochronnych”, Sowa A., „Roz-
pływ prądu piorunowego w instalacji
odgromowej oraz w przewodzących
elementach konstrukcyjnych obiektu
budowlanego”, Skibiński A., „Urządze-
nia piorunochronne w projektowaniu
i budowie w obiektach zagrożonych
pożarem i wybuchem”.

4. Materiały dostępne na stronie

www.ochrona.net.pl

5. Foks B., „Zagrożenie pożarowe od

bezpośredniego wyładowania at-
mosferycznego” – praca dyplomowa
SGSP 1998 r.

Materiały

Minimalne grubości blachy [mm]

wg PN-86/E-05003/01

wg PN-IEC 61024-1

Stal ocynkowana

0,5

0,5

Stal nierdzewna

—

Miedź

0,5

Aluminium

1

Cynk

0,5

Ołów

—

Tab. 2 Minimalne grubości blach stosowane do odprowadzania prądu piorunowego

o c h r o n a o d g r o m o w a i p r z e p i ę c i o w a