WYŁADOWANIA ATMOSFERYCZNE I OCHRONA ODGROMOWA

Streszczenie:

Wykład obejmuje krótką teorię zjawiska wyładowań atmosferycznych z uwzględnieniem

skutków

oddziaływania

pioruna,

oraz

zasady

doboru

i

konstrukcji

urządzeń

piorunochronnych.

Wstęp

Wyładowanie atmosferyczne jest wyładowaniem elektrycznym, które może wystąpić:

wewnątrz chmury burzowej, między chmurami lub między chmurą burzową a ziemią.

Warunkiem niezbędnym do wystąpienia wyładowania atmosferycznego, zwanego też

wyładowaniem piorunowym, jest naładowanie elektryczne chmur.

Ładowanie się chmur burzowych

Pierwotną przyczyną ładowania się chmur burzowych jest silne nagrzewanie się mas

powietrza pod wpływem cieplnego promieniowania słonecznego.

Temperatura mas powietrza jest zróżnicowana. Powietrze przemieszcza się zarówno w

poziomie jak i w pionie. W skład atmosfery oprócz gazów wchodzi para wodna, która w

zależności od warunków atmosferycznych może być rosą, mgłą, deszczem lub gradem. Prądy

ciepłego powietrza łączą kłębiaste chmury (cumulusy) w ciężkie i gęste chmury burzowe

(cumulonimbusy), które stanowią najpotężniejszy rodzaj chmur. Chmura taka może mieć

wysokość 20km. W skład chmury wchodzą krople wody, kryształy lodu i grad.

Najbardziej rozpowszechnione są dwie teorie wyjaśniające, w jaki sposób powstają ładunki

elektryczne w chmurach. Według jednej przy spadaniu większych kropel deszczu następuje w

powietrzu ich rozrywanie połączone z elektryzacją. Elektryzacja ta polega na ładowaniu się

kropelek ładunkiem dodatnim, a otaczającego powietrz w postaci pyłu wodnego-ładunkiem

ujemnym. Ładunki ujemne oddzielają się od ładunków dodatnich pod wpływem prądów

powietrza, które unoszą ładunek ujemny do dolnej części chmury, a górna część uzyskuje

ładunek dodatni.

Druga teoria podaje inny sposób ładowanie się chmur. Mianowicie krople deszczu spadając

ku ziemi poruszają się w polu elektrycznym kuli ziemskiej. Pole to powoduje polaryzację

kropel, polegająca na tym, że w dolnej części każdej kropli gromadzi się ładunek dodatni, a w

górnej części takiej samej wartości ładunek ujemny. W otaczającym powietrzu znajdują się

zawsze jony dodatnie i ujemne, które powstają wskutek jonizacji obcej, np.: jonizacja ta może

1

być

spowodowana

promieniowaniem

ciał

promieniotwórczych,

promieniowaniem

kosmicznym. Ładunki znajdujące się na spolaryzowanej kropli oddziaływują na jony

znajdujące się w powietrzu, przyciągając jony dodatnie w części górnej kropli, a jony ujemne

w części dolnej kropli. Ponieważ jony dodatnie są znacznie mniej ruchliwa od jonów

ujemnych, tylko jony ujemne zdążą dotrzeć do dolnej części kropli i połączyć się z nią,

natomiast jony dodatnie nie mogą jej dogonić, gdyż kropla porusza się szybciej. W ten sposób

krople spadające w obrębie chmury sprowadzają ładunki ujemne do dolnej jej części, a

ładunki dodatnie pozostaję w górnej części chmury.

Wyładowania piorunowe

Z punktu widzenia zagrożeń stwarzanych przez wyładowania atmosferyczne praktyczne

zastosowanie mają wyładowania między chmurą a ziemią.

W miarę ładowania się chmury burzowej wzrasta różnica potencjałów oraz natężenie pola

elektrycznego między chmurą a ziemią. Gdy natężenie pola elektrycznego w jakimkolwiek

miejscu osiągnie wartość około 30 kV/cm, rozpoczyna się w tym miejscu wyrywanie

elektronów z atomów powietrza. Elektrony te uzyskują w polu elektrycznym energię zdolną

przy zderzeniu z następnymi atomami wybijać elektrony będące kolejnymi nośnikami prądu.

Prowadzi to do procesu jonizacji lawinowej. Zwykle miejsce początku jonizacji lawinowej

znajduje się w obszarze chmury. Obszar jonizacji lawinowej wydłuża się w kierunku ziemi,

tworząc kanał wyładowania o kształcie linii łamanej. Szybkość przesuwania się czoła (lidera)

tego wyładowania wynosi około 0,15m/µs . Wyładowanie to nazywa się wyładowaniem

wstępnym lub pilotującym. W czasie jego zbliżania się do ziemi ładunek chmury

przemieszcza się w dół, wzdłuż kanału wyładowania. Gdy wyładowanie wstępne dosięgnie

ziemi rozpoczyna się wyładowanie główne, które z dużą szybkością około 30m/µs przesuwa

się wzdłuż kanału wyładowania wstępnego od ziemi do chmury. Następuje spłynięcie do

ziemi ładunków znajdujących się w kanale w czasie trwania wyładowania wstępnego.

Wyładowaniu głównemu towarzyszą:

- efekty świetlne (błyskawice) w postaci kwantów światła związane z oddawaniem energii

poprzez pobudzone elektrony powracające do swych stanów energetycznych,

- efekty dźwiękowe (grzmoty) wywołane wysoką temperaturą około 30.000 oC kanału

pioruna, która powoduje rozprężanie się powietrza wewnątrz kanału, a sprężanie na zewnątrz

z ponaddźwiękową prędkością.

2

Prąd pioruna przepływający przez trafiony obiekt do ziemi osiąga bardzo duże wartości od 1

kA do 200 kA , z tym że dla 80% wyładowań prąd pioruna nie przekracza 50 kA.

Przebieg w czasie tego prądu ma charakter udarowy.

Rys. 1. Przykładowy przebieg prą du pioruna

Często się zdarza, że po zakończeniu wyładowania głównego, następuje drugie wyładowanie

wstępne, które sprowadza do tego samego kanału ładunki z sąsiedniego obszaru chmury, a

następnie występuje wyładowanie główne. Przebieg taki może powtarzać się wielokrotnie.

Ze względu na duże odstępy czasu między kolejnymi wyładowaniami głównymi całkowity

czas trwania pioruna wielokrotnego może dochodzić do 1 sekundy lub więcej. Istnieją

również tzw. pioruny gorące, które charakteryzują się długotrwałym ( kilkaset µs)

przepływem stosunkowo niewielkich prądów powodujących wydzielanie się dużej ilości

ciepła. Pioruny te stwarzają duże zagrożenie pożarowe.

Dotychczas omówione wyładowania noszą nazwę piorunów liniowych. Piorun liniowy jest

najczęściej spotykanym rodzajem wyładowania i powoduje najwięcej szkód. Oprócz pioruna

liniowego występują w czasie burzy błyski zwane ogniami św. Elma. Zjawisko polega na

tym, że w czasie burzy wierzchołki wież, masztów, szczyty górskie, korony drzew świecą

słabym światłem. Jednakże sposób powstawania tego zjawiska i jego właściwości są

nieznane. Innym wyładowaniem, również niewyjaśnionym, jest piorun perełkowy. Powstaje

on w kanale pioruna liniowego. Posiada jednak widoczne ciemne przerwy i części świecące

jednakowej długości. Poza tym odróżnia go od normalnego pioruna liniowego dużo dłuższy

czas świecenia, sięgający nawet 3 s. Kolejnym, także mało znanym jest piorun kulisty. Nie

3

ma on właściwości magnetycznych, nie przyciągają go urządzenia piorunochronie. Piorun

kulisty ma średnicę od 10 do 15 cm., świeci jaskrawym światłem i wydaje z siebie trzaski.

Może wpaść przez otwarte, jak również zamknięte okno, drzwi lub komin. Po uderzeniu w

przeszkodę często eksploduje.

Aktywność burzowa i miejsce uderzenia pioruna.

Ze względu na skuteczność stosowanej ochrony przed skutkami uderzeń piorunów liniowych,

ważna jest znajomość częstotliwości występowania burz i piorunów oraz miejsce

wyładowania piorunowego. Liczbę dni burzowych w roku na danym obszarze określa się na

podstawie obserwacji meteorologicznych. Materiały z wielu punktów obserwacyjnych

stanowią podstawę do sporządzania map burzowych. W Polsce liczba dni burzowych w roku

zawiera się w granicach od 15 do 25. W krajach o cieplejszym klimacie jest dużo większa i

może przekraczać 100 dni burzowych. Aktywność burzowa zależy od wielu czynników,

takich jak warunki geologiczne, topograficzne, zawartości wody w gruncie, itp. Miejsce

uderzenie pioruna zależy od kilku czynników. Przede wszystkim zależy ono od odległości

czoła wyładowania wstępnego od przedmiotów znajdujących się na powierzchni ziemi,

następnie od odległości, jaka istnieje wtedy, gdy czoło to jest już stosunkowo blisko ziemi.

Czoło wyładowania wstępnego można uważać za ostrze przewodzące, które stara się

przebiegać po najkrótszej drodze i obiera na ogół przedmiot najbliższy. Obiekty wysokie są

dlatego najbardziej narażone na uderzenie pioruna. Ponadto wybór obiektu przez piorun

zależy od rezystancji uziemienia tego obiektu. Gdy obiekt jest dobrze uziemiony,

prawdopodobieństwo trafienia przez piorun wzrasta.

Skutki oddziaływania pioruna.

Działanie prądu pioruna można podzielić na bezpośrednie i pośrednie.

1. Działanie bezpośrednie – występuje, gdy prąd pioruna przepływa przez obiekt. Występują

wówczas skutki cieplne i dynamiczne. Ilość ciepła wydzielonego w obiekcie przez prąd

pioruna można wyznaczyć ze wzoru

Q= 0,24 I2 R t [J]

gdzie: R – rezystancja obiektu w Ω

I – prąd pioruna w A

t – czas przepływu pioruna przez obiekt w sekundach

4

Z podanego wzoru wynika, że ilość wydzielanego ciepła zależy głównie od rezystancji

obiektu, przez który przepływa prąd piorunowy. Wartość prądu pioruna I oraz czas t jego

przepływu są wielkościami losowymi, na które nie mamy wpływu.

Działanie dynamiczne występuje w przedmiotach metalowych uziemionych i usytuowanych

równolegle, przez które przepływa prąd pioruna. Zgodnie z prawem Laplacce’a, dwa

przewody równoległe, wiodące prąd, oddziaływają na siebie z siłą proporcjonalną do iloczynu

natężenia obu prądów, a odwrotnie proporcjonalną do odległości między przewodami.

Kierunek działania siły zależy od tego, czy zwroty prądu są zgodne, czy przeciwne. Działanie

bezpośrednie prądu pioruna związane jest również z porażeniem prądem ludzi lub zwierząt.

Porażenie żywego organizmu może wystąpić również pod wpływem napięcia krokowego,

które pojawia się na powierzchni ziemi w czasie rozpływu w niej prądu pioruna.

2. Działanie pośrednie – spowodowane jest przez indukcję elektromagnetyczną i

elektrostatyczną.

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej polega na indukowaniu się w przedmiotach i

obwodach elektrycznych sił elektromotorycznych pod wpływem zmiennego pola

magnetycznego. W tym przypadku szybkozmienne pole magnetyczne wytwarzane jest przez

prąd pioruna.

Indukcja elektrostatyczna jest przyczyną powstawania ładunków na niedostatecznie

uziemionych obiektach pod wpływem pola elektrycznego chmur burzowych.

Ochrona odgromowa

Wyładowania piorunowe między chmurą a ziemią stanowią istotne zagrożenie dla ludzi i

zwierząt, a także urządzeń elektrycznych i elektronicznych oraz budynków. W celu

ograniczenia skutków szkodliwego działania pioruna stosuje się odpowiednie urządzenia

ochronne zwane urządzeniami piorunochronnymi. Podstawowym zadaniem urządzenia

piorunochronnego (nazywanego też ochroną odgromową) jest przejęcie i odprowadzenie do

ziemi prądu piorunowego w sposób bezpieczny dla ludzi oraz niedopuszczenie do

uszkodzenia chronionego obiektu budowlanego i zainstalowanych wewnątrz urządzeń

elektrycznych i elektronicznych oraz niedopuszczenie do wyładowań iskrowych mogących

spowodować pożar lub wybuch. Urządzenie piorunochronne składa się z następujących

części:

• zwodów, przeznaczonych do bezpośrednio przyjmowania prądów piorunowych

wyładowań atmosferycznych,

5

• przewodów odprowadzających, łączących zwody z przewodami uziemiającymi,

• zacisku

probierczego-rozłączalnego

połączenia

śrubowego

przewodu

odprowadzającego z przewodem uziemiającym umożliwiającego skontrolowanie

poprawności funkcjonowania instalacji

• przewodów uziemiających, łączących przewód odprowadzający z uziomem

• uziomów, elementów metalowych lub zespołu elementów metalowych umieszczonych

w gruncie i zapewniających z nim dobre połączenie

Przykłady urządzeń piorunochronnych

Rys.2. Urzą dzenie piorunochronne o zwodzie pionowym umieszczonym na obiekcie

6

Rys.3. Urzą dzenie piorunochronne o zwodzie pionowym umieszczonym poza obiektem

Rys.4. Urzą dzenie piorunochronne o zwodzie poziomym niskim

7

Rys.5. Urzą dzenie piorunochronne o zwodzie poziomym wysokim umieszczonym na obiekcie

Instalacje piorunochronne powinny być wykonane zgodnie z zaleceniami Polskich Norm.

Aktualnie obowiazują następujące normy:

• PN-86/E-05003/01 Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Wymagania ogólne

• PN-89/E-05003/03 Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Ochrona obostrzona

• PN-92/E-05003/04 Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Ochrona specjalna

• PN-IEC 61024-1 Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. 2001

Kryteria stosowania ochrony odgromowej

Ochronę odgromową podzielono na trzy rodzaje:

- podstawową,

- obostrzoną,

- specjalną.

Różnice między tymi ochronami określają Polskie Normy.

Z kolei obiekty budowlane można podzielić na obiekty, które wymagają i nie wymagają

ochrony odgromowej.

Nie wymagają ochrony odgromowej obiekty:

- usytuowane w strefie ochronnej sąsiadujących obiektów,

- obiekty, dla których tzw. wskaźnik zagrożenia piorunowego „W” jest mniejszy od

10-5 zgodnie z normą PN-86/E-5003/01.

Obiekty, które wymagają ochrony odgromowej podstawowej to:

- obiekty produkcyjne i magazynowe nie zagrożone wybuchem,

8

- obiekty o dużej wartości historycznej, materialnej i kulturowej,

- budynki mieszkalne i użyteczności publicznej,

- budynki przeznaczone dla ludzi o ograniczonej zdolności poruszania się,

- obiekty z materiałami łatwozapalnymi oraz budynki wykonane z materiałów

łatwozapalnych,

- budynki wolnostojące o wysokości powyżej 15m i powierzchni ponad 500m2,

- rozległe hale o wymiarach przekraczających 40x40m mające żelbetowe lub

stalowe wewnętrzne słupy wsporcze,

Ochrona odgromowa obostrzona powinna być stosowana w obiektach zagrożonych

wybuchem: materiałów wybuchowych, mieszanin gazów par i pyłów palnych z powietrzem

oraz w obiektach zagrożonych pożarem.

Ochrona w wykonaniu specjalnym jest wymagana dla: kolejek linowych, mostów,

dźwigów, stacji przekaźnikowych, stadionów, domków letniskowych i pól kempingowych.

Pytania testowe:

1. Ile wynosi wartość prądu głównego wyładowania atmosferycznego?

a) od 5 do 10 A

b) od 1kA do 250kA

c) 1MA do 10MA

2. Z jaką prędkością przesuwa się czoło wyładowania głównego?

a) 0,15m/µs

b) 30m/µs

c) 300m/µs

3. Jaki element urządzenia piorunochronnego przejmuje bezpośrednio uderzenie

pioruna?

a) przewód odprowadzający

b) przewód uziemiający

c) zwód

Literatura:

1. Flisowski Z., Trendy rozwojowe ochrony odgromowej budowli Część 1 Wyładowania

piorunowe jako źródło zagrożenia. Warszawa 1986.

2. Sowa A. Kompleksowa ochrona odgromowa i przepięciowa, Biblioteka COSiW SEP;

Warszawa 2005.

3. Szpor. St. Ochrona odgromowa, t.3 Piorunochrony, WNT 1978.

4. Skiepko E. Mechanizm powstawania pożarów od wyładowań atmosferycznych;

Zabezpieczenia nr 3 z 2006r.

9