URZ
DZENIE PIORUNOCHRONE
Badania elementów urządzenia
piorunochronnego
Andrzej Sowa
Poprawne zaprojektowanie i wykonanie insta- rowego symulującego przepływ prądu pioru-
lacji piorunochronnej staje siÄ™ sprawÄ… coraz nowego.
bardziej skomplikowanÄ…. RosnÄ… wymagania
dotyczące zarówno estetyki jej wykonania, jak
Oddziaływanie prądu piorunowego
i trwałości oraz pewności działania podczas
na elementy urzÄ…dzenia
bezpośredniego wyładowania piorunowego w
piorunochronnego
obiekt budowlany. Niestety częste są jeszcze
przypadki lekceważenia zagadnień ochrony
Zwody na dachach oraz, w przypadku obiek-
odgromowej oraz traktowania wykonawstwa
tów wysokich (ponad 20 m), na ścianach
instalacji piorunochronnej jako sprawÄ™ prostÄ…,
obiektów budowlanych powinny wytrzymać
niewymagającą praktycznie żadnego przygo-
zagrożenie jakie występuje podczas przepływ
towania i doświadczenia .
prądu piorunowego. Zwodami mogą być
Wśród podstawowych przyczyn takiej niefra-
przewodzÄ…ce elementy konstrukcyjne obiektu,
sobliwości należy wymienić:
tzw. zwody naturalne, lub przewody umiesz-
" niewielkie, w naszym klimacie, prawdopo-
czone tylko w celach ochrony odgromowej,
dobieństwo bezpośredniego wyładowania
tzw. zwody sztuczne.
piorunowego w obiekt budowlany i sto-
W tym drugim przypadku zwody mogą być
sunkowo rzadkÄ… weryfikacjÄ™ poprawnego
złożone z dowolnej kombinacji prętów, poje-
rozwiÄ…zania i wykonania urzÄ…dzenia pioru-
dynczych przewodów lub tworzonych z prze-
nochronnego,
wodów sieci. Dobierając elementy do montażu
" przekonanie, że montaż urządzenia pioru- zwodów należy uwzględnić zagrożenie jakie
nochronnego jest prostą sprawą, którą prak- wywołuje przepływ prądu piorunowego pod-
tycznie może wykonać dowolna firma,
czas bezpośredniego wyładowania w obiekt.
W większości typowych obiektów budowla-
" częste kłopoty finansowe inwestorów w
nych na bezpośrednie działanie prądu pioru-
końcowej fazie budowy obiektu, w której
nowego narażone są zwody poziome i pio-
montowane jest urzÄ…dzenie piorunochron-
nowe niskie.
ne, i poszukiwania najtańszych materiałów
Ocena zagrożenia piorunowego elementów
oraz wykonawców.
urzÄ…dzenia piorunochronnego wymaga okre-
Wzrostowi wymagań stawianych przed pro-
ślenia następujących wartości charakteryzują-
jektantami i wykonawcami musi towarzyszyć
cych prÄ…d piorunowy :
dostępność do różnorodnych i pewnych w
- wartości szczytowej Im
działaniu elementów instalacji piorunochron-
- Å‚adunku przenoszonego przez prÄ…d udarowy
nych. Fakt ten stwarza konieczność tworzenia
Qimp = +" ipdt
nowych wymagań określające zasady badań
-impulsu kwadratu prÄ…du W=+" ip2 dt
poszczególnych elementów instalacji, włącz-
(energia właściwa wydzielona przez
nie z symulację zagrożenia stwarzanego pod-
prÄ…d piorunowy na rezystancji 1 &!).
czas bezpośrednie oddziaływanie prądu uda-
W niektórych przypadkach są wykorzysty- Podczas bezpośredniego wyładowania w elementy
wane również parametry uzupełniające do któ- urządzenia piorunochronnego narażone są na:
rych należą:
" erozjÄ™ termicznÄ… w miejscu kontaktu prze-
wodu z kanałem wyładowania pioruno-
" czas trwania czoła prądu piorunowego,
wego,
" czas do półszczytu na grzbiecie fali prądu
" rozżarzenie przewodów wywołane przez
piorunowego,
przepływ prądu piorunowego,
" liczba udarów prądowych w wyładowaniu
" działania dynamiczne pomiędzy przewo-
wielokrotnym.
dami, w których płynie prąd piorunowy.
Zalecane przez normy międzynarodowe i eu-
Podczas bezpośredniego wyładowania w urzą-
ropejskie, wartości podstawowych parame-
dzenie piorunochronne w miejscu styku prze-
trów charakteryzujących prąd piorunowy w
wodu z kanałem wyładowania następuje na-
przypadku czterech poziomów ochrony od-
grzanie się metalu co może spowodować jego
gromowej zestawiono w tablicy 1.
erozjÄ™.
Tablica 1. Wartości podstawowych parametrów charakteryzujących prąd piorunowy wyładowania
doziemnego
Wartość Czas Czas do Całkowity A
adunek im- Energia Efektywność
Składowa Poziom
szczytowa czoła półszczytu ładunek pulsowy właściwa ochrony
wyładowania ochrony
kA C ** C * %
µs µs MJ/&!
I 200 10 350 300 100 10 98
pierwsza
II 150 10 350 225 75 5,6 95
składowa
II i IV 100 10 350 150 50 2,5 90 i 80
I 50 0,25 100 -- --- --- 98
kolejne
II 37,5 0,25 100 -- --- --- 95
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,
** - A
adunek całkowity - suma ładunku krótkotrwałego i ładunku składowej długotrwałej prądu.
Krytyczną wartość ładunku wymaganą do wy-
Erozja termiczna prowadzi do perforacji cien-
topienia takiej ilości metalu określa równanie
kich blach, wytapiania przewodów i ich ewen-
[1,3]:
tualnego przerywania.
W przypadku klasycznego urzÄ…dzenia pioru-
Ä„ Å" r3
nochronnego zagrożeniem może być zarówno Qw =
rozgrzany przewód jaki i wytopione z niego Ke
krople metalu.
Ke  współczynnik erozji,
Określając kryteria opadania kropel wytopio-
r - promień przewodu.
nego metali z przewodu przyjęto [1,2,3] , że
Uwzględniając, przedstawione w tablicy 1,
wystÄ…pienie tego zjawiska wymaga ubytku po-
wartości ładunków przenoszonych przez prąd
łowy masy przewodu na długości równej jego
piorunowy można określić średnice przewo-
średnicy.
dów, w których na skutek erozji termicznej
Tablica 3. Wartości współczynników występu-
może wystąpić zagrożenie stwarzane przez
jących w równaniu
opadajÄ…ce krople metalu.
Przykładowe wyniki obliczeń dla przewodów
Materiał
stalowych, aluminiowych i miedzianych ze-
Współczynnik
stawiono w tablicy 2.
Aluminium Stal Miedz
Tablica 2. Krytyczne wartości ładunku dla
kg
2 700 7 700 8 920
przewodów wykonanych z różnych materiałów
Å‚ ( )
m3
A
adunek Q (As)
Åšrednica
J
908 469 385
przewodu cw( )
Stal Miedz Aluminium
kg Å" K
5 mm 32,72 18,11 9,82
Á(&!m) 29 10-9 120 10-9 17,8 10-9
6 mm 56,64 31,29 16,96
4,0 10-3 6,5 10-3 3,92 10-3
Ä…(1/ K)
7 mm 89,79 49,70 26,93
8 mm 134,04 74,19 40,21
Wykorzystując przedstawione wartości można
określić przyrost temperatury różnorodnych
9 mm 190,85 105,63 57,25
przewodów o różnych średnicach przy prze-
10 mm 261,79 144,90 78,53
pływie prądu piorunowego o kształcie
10/350µs i wartoÅ›ciach szczytowych uzależ-
11 mm 348,45 192,87 104,53
nionych od przyjętego poziomu ochrony od-
gromowej (tablica 4).
Charakter zmian temperatury przewodów z
Obliczone wartości porównano z wartością ła-
różnych materiałów wywołany przez przepływ
dunku impulsowego jaki jest zalecany przy
prądu udarowego o wartości szczytowej 100
tworzeniu urzÄ…dzenia piorunochronnego za-
kA i ksztaÅ‚cie 10/350 µs [2] przedstawiono na
pewniajÄ…cego I poziom ochrony odgromowej
rys.2.
(Å‚adunki impulsowe 100As).
AnalizujÄ…c wyniki przedstawione w tablicy 2 i
Uniknięcie spadania kropel wytopionego me-
4 należy stwierdzić, że uniknięcie opadania
talu wymaga zastosowania przewodów, dla
kropel metalu lub jego przerwania wymaga
których krytyczne wartości ładunku są więk-
stosowania przewodów o średnicach więk-
sze od 100As (obszar zacieniony na tablicy
szych niż te, które są zalecane przez obowią-
2.).
zujÄ…ce normy krajowe (tablica 5 - [4,5]).
Podwyższenie temperatury przewodu o "Å
DobierajÄ…c elementy urzÄ…dzenia pioruno-
pod wpływem przepływającego prądu pioru-
chronnego należy dodatkowo uwzględnić za-
nowego można wyznaczyć z zależności [1,3]:
grożenia wywołane przez siły elektrodyna-
W
miczne wywołane przez rozpływający się prąd
Å"Ä… Å" Á
1
R piorunowy (rysunek 3).
"Ń = (exp -1)
2
Siły elektrodynamiczne pomiędzy dwoma
Ä… S Å"Å‚ Å" cw
równoległymi przewodami, w których płyną
gdzie :
prądy, opisuje równanie:
Á - rezystywność metalu (&!Å"m),
µ0 l
Å‚ - gÄ™stość metalu (kgÅ"m-3 ), F = ( ) Å" i1 Å" i2 Å" l = 2 Å" i1 Å" i2 Å" ( ) Å"10-7 [N]
2 Å"Ä„ Å" a a
cw  ciepÅ‚o wÅ‚aÅ›ciwe (JÅ" kg-1Å" K-1 ),
gdzie: i1 · i2 - chwilowe wartoÅ›ci prÄ…dów
ą - współczynnik temperaturowy (K-1),
płynących w przewodach [A],
S2  przekrój przewodu (m2).
a - odstęp między przewodami,
Przybliżone wartości współczynników wystę-
l - długość przewodów ułożonych
pujących w powyższym równaniu dla różnych
równolegle.
materiałów zestawiono w tablicy 3.
Tablica 4. Przyrost temperatury przewodów przy przepływie prądu piorunowego w zależności
od ich średnicy i materiały z którego są wykonane
przekrój Aluminium Stal Miedz
w
Przyjęty poziom ochrony
mm2
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 eksplozjÄ™ 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 miedz

drut 6 - 10 6
taśma -
20× 3 20× 4 20× 3
linka - -
7× 2,5 7 ×3
bez wyszczególnienia 50mm2 70mm2* 35mm2*
25mm2 ** 16mm2**
* , ** - przekroje dotyczą odpowiednio zwodów i przewodów odprowadzających.
a) b)
i
i
i
F
i
F
F
F
F1
Rys.3. Przy-
F2
kłady rozkładu
i
sił działających
na elementy
i
Rys.2. Przyrosty temperatury przewodów ( "
instalacji pio-
8mm ) wywołane przez przepływ prądu uda-
runochronnej
F1
rowego o wartości szczytowej 100 kA i kształ-
cie 10/350 µs.
Należy zaznaczyć, że działanie sił elektrody- Tablica 6. Podstawowe parametry prądu uda-
rowego stosowanego do badań elementów in-
namicznych na przewody w układach ochron-
stalacji piorunochronnej
nych ogranicza się tylko do krótkiej chwili
czasowej, np. w przypadku prądów udarowych
Klasa Imax W/R td
siły będą działały na przewody tylko przez
Wysoka
kilkadziesiÄ…t  kilkaset µs. Jest to czas zbyt 100 kA Ä… 10% 2,5MJ/&! Ä… 20% d" 2 ms
krótki w porównaniu z wywołanymi przez te
Niska
50 kA Ä… 10% 0,63MJ/&! Ä… 20% d" 2 ms
siły drganiami mechanicznymi.
Podejmowane są również próby wyznaczania
sił elektrodynamicznych wykorzystując zależ-
Badane elementy urzÄ…dzenia piorunochronnego
ności określające tzw. energię właściwą prądu
powinny być narażone na trzykrotny przepływ
udarowego W wynoszÄ…cÄ…:
prÄ…du udarowego o przedstawionych parame-
trach. Czas pomiędzy poszczególnymi próbami
2
W = dt
+"i
powinien być na tyle długi, żeby było możliwe
ostygnięcie badanego elementu do temperatury
Jednostkowe impulsy sił są proporcjonalne do
otoczenia przed kolejną próbą
energii właściwej prądu udarowego
Dodatkowo należy przeprowadzić pomiary re-
2
zystancji styku elementów instalacji pioruno-
Fdt = f dt
+" +"i
chronnej, przy przepływie prądu 10A. Pomiary
gdzie f jest współczynnikiem proporcjonalno- powinny być prowadzone możliwie najbliżej
ści, którego wartości uzależnione od wzajem- badanego styku, a zmierzona wartość powinna
nego ułożenia przewodów wynoszą odpo-
być mniejsza lub równa 1 m&!. Zalecenia za-
wiednio :
wierają również układy połączeń, do jakich
układ dwu przewodów równoległych (rys3a)
należy doprowadzić udar prądowy (rys.4.).
10-7
f =
PÅ‚aszczyzna
2 Å" a
izolacyjna
gdzie : a  odstęp pomiędzy przewodami,
PrÄ…d
udarowy
układ przewodu zgiętego (rys.3b)
500
l + r
f = 10-7 Å" ln
r
Badany
20
element
gdzie : l  długość przewodu liczona od środka
promienia krzywizny,
500
20
r  promień krzywizny zagięcia prze-
wodu.
Uwzględniając przedstawione zależności i pa-
rametry prądu piorunowego można określić si-
PÅ‚aszczyzna
izolacyjna
ły działające na przewody i wyznaczyć wy-
stępujące zagrożenie.
500
Badanie elementów urządzenia piorunochron-
nego
Analizy teoretyczne zjawisk zachodzÄ…cych 20
podczas bezpośrednich wyładowań w urzą-
20
dzenia piorunochronne wykorzystano do opra- 400
100
cowania zaleceń określających zakres badań
symulujÄ…cych w warunkach laboratoryjnych
występujące zagrożenie [7]. Rys. 4. Przykładowe układy połączeń prze-
y
ródłem zagrożenia jest prąd udarowy o pa- wodów podczas badań złączek na działanie
prÄ…du udarowego
rametrach zestawionych w tablicy 6.
W zależności od swojego przeznaczenia, po- badań, podczas których w laboratoriach symu-
szczególne typy złączek badane są w różnych lowane są zagrożenia stwarzane przez prze-
układach połączeń (Rysunek 5.). pływ prądu piorunowego.
MontujÄ…c urzÄ…dzenie piorunochronne z bada-
nych elementów można zapewnić ochronę
Badany
element
obiektu i uniknąć sytuacji, w której układy ma-
jące zapewnić bezpieczeństwo nie tylko nie
spełnią swojego zadania ale jako pierwsze ule-
gnÄ… uszkodzeniu.
Dodatkowo należy zwrócić uwagę na jakość
wykonania urzÄ…dzenia piorunochronnego na
obiekcie budowlanym
Literatura
1. Flisowski Zd. : Trendy rozwojowe ochrony
odgromowej budowli. Część 1. Wyładowa-
nia piorunowe jako z
ródło zagrożenia.
PWN 1986.
2. Hampe E.A., Trommer W.: Blitzschutzan-
lagen. Planen, Bauen, Prüfen. Huthing
Metalowa
1997.
instalacja
3. Hasse P., Wiesinger J.: EMV Blitz 
Schutzzonnen Konzept . Pflaum Verlag
1994.
Metalowa
4. PN-86/E-05003/01: Ochrona odgromowa
rura
obiektów budowlanych. Wymagania ogólne.
5. PN-86/E-05003/02: Ochrona odgromowa
obiektów budowlanych. Ochrona podsta-
wowa
6. prEN 50164-1. Lightning Protection Com-
Metalowa
ponents (LPC). Part 1. Requirements for
instalacja
Connection Components.
7. PN-IEC 61024-1. Ochrona odgromowa
obiektów budowlanych. Zasady ogólne.
2001.
Metalowa
8. PN-IEC 61312-1. Ochrona przed pioru-
rura
nowym impulsem elektromagnetycznym.
Zasady ogólne. Marzec 2001
9. PN-IEC 61024-1-2. Ochrona odgromowa
Rys.5. Podstawowe układy do badań wytrzyma-
obiektów budowlanych. Zasady ogólne.
łości elementów urządzenia piorunochronnego
Przewodnik B  Projektowanie, montaż,
konserwacja i sprawdzanie urządzeń pio-
Wnioski
runochronnych.
Elementy urzÄ…dzenia piorunochronnego po-
10. Noack F., Schönau J., Aumeier W.,
winny zapewnić pewną i niezawodną ochronę
Trinkwald H.: Blitzstromtragfähigkeit von
obiektów budowlanych przed działaniem prą-
Verbindungsbauteilung für Blitzschutzan-
du piorunowego. Spełnienie takich warunków
lagen. Der Blitzschutz in der Praxis, 1999
wymaga przeprowadzenia przez producentów