DEHN: Nové evropské normy v oblasti ochrany před bleskem (2.část)

Připravované mezinárodní a evropské normy IEC / EN 62305

První část norem 62305 (obecné zásady) obsahuje:

• termíny a definice;
• parametry bleskového proudu (přílohy A, B ,C, D);
• škody způsobené bleskovým proudem;
• nutnost a ekonomická výhodnost ochrany před bleskem;
• rozsah ochrany před bleskem;
• základní kritéria ochrany před bleskem pro objekty a zařízení.

PARAMETRY BLESKOVÉHO PROUDU
Parametry bleskového proudu jsou důležité nejen pro dimenzování, ale také pro správnou instalaci součástí hromosvodu (vnější ochrana před bleskem) (obr. 1).

Klik pro větší náhled.
Obr.1 Maximální parametry bleskového proudu podle úrovně bleskové ochrany

Úder blesku je možno chápat v dané oblasti jako zkrat mezi mrakem a zemí. Při tomto jevu dochází k vyrovnání potenciálů. Rozdíl potenciálů mezi mrakem a zemí může činit až desítky MV. V přírodě vznikají negativní (90 % výskyt) a pozitivní (10 % výskyt) výboje (rozhodující je polarita mraku). Z mraku sestupuje tzv. vůdčí výboj (leader) blesku a ze země (objektu) vstřícný výboj. Dojde-li ke spojení těchto dvou výbojů, vytvoří se hlavní kanál potřebný pro průchod bleskového proudu. Dlouhodobými měřeními bylo zjištěno, že cca 50% úderů blesku se skládá jen z jednoho (prvního) výboje a cca 50% úderů blesku je složeno z prvního a následujících výbojů (obr. 2).

Klik pro větší náhled.
Obr.2 Průběhy bleskových proudů

V přírodě se nejčastěji vyskytují negativní sestupné výboje. V rovinatých oblastech nebo u nízkých budov je možno očekávat sestupné výboje. U vysokých objektů (telekomunikačních vysílačů, stanic mobilních operátorů, věží kostelů) převládají vzestupné výboje s širokým rozvětvením.

Vrcholová hodnota bleskového proudu
Bleskové proudy si lze představit jako proudy z ideálního zdroje proudu. Pokud poteče bleskový proud vodivými částmi, vznikne úbytek napětí v závislosti na vrcholové hodnotě bleskového proudu a na impedanci vodivých částí. Zjednodušeně můžeme tuto souvislost popsat Ohmovým zákonem:
    U = I . R
Vstoupí-li proud v jednom jediném bodu do homogenní plochy, vznikne známý gradient potenciálů (potenciálový trychtýř). Tento efekt vznikne také při úderu blesku do homogenní půdy. Pokud se živé organizmy (osoby, zvířata) nacházejí uvnitř gradientu potenciálů, mohou být ohroženy osoby (zvířata) krokovým napětím. Čím je větší vodivost půdy, tím je plošší tento gradient. Riziko nebezpečných krokových napětí se zmenšuje.
Udeří-li blesk do budovy, která je vybavena hromosvodem, vznikne na rázovém zemním odporu RSt úbytek napětí způsobený průchodem bleskového proudu. Pokud je vyrovnán potenciál všech vodivých částí uvnitř objektu na stejnou hodnotu, nedojde k ohrožení osob nacházejících se uvnitř této budovy. Zvýší-li se potenciál na zemniči v důsledku průchodu bleskového proudu, budou ohrožena také elektrická zařízení (obr. 3).

Klik pro větší náhled.
Obr.3 Ohrožení elektrických zařízení způsobené zvýšením potenciálů na uzemnění

V uvedeném příkladu vznikne úbytek napětí na ochranném uzemnění RSt sítě nn (při úderu blesku do budovy). Rozdíl potenciálů pracovního uzemnění RB a potenciálů ochranného uzemnění budovy činí až 1 000kV. Tím může být ohrožena nejen izolace elektroinstalace, ale také izolace elektrických zařízení.

Strmost bleskového proudu
Strmost bleskového proudu vzniklá v průběhu intervalu Δi / Δt určuje velikost elektromagneticky indukovaných napětí. Tato napětí se indukují do všech otevřených nebo uzavřených instalačních smyček, které se nacházejí v blízkosti svodů hromosvodu. Během intervalu Δt je indukované obdélníkové napětí U v instalační smyčce:
    U = M . Δi / Δt
M vzájemná indukčnost (koeficient přepočtu smyčky)
Δi / Δt strmost bleskového proudu
Na obrázku č.4 je uveden konkrétní příklad výpočtu maximálního napětí v instalační smyčce.

Klik pro větší náhled.
Obr.4 Maximální indukované napětí v instalační smyčce

Jak již bylo popsáno, skládá se úder blesku z určitého počtu dílčích výbojů. Z časového hlediska rozlišujeme první a následný výboj. Hlavní rozdíl mezi oběma výboji je ve velikosti strmosti bleskového proudu. Při prvním výboji vzniká nižší strmost vzestupu bleskového proudu (vlna 10/350). Při následném výboji je strmost vyšší (vlna 0,25/100). Proto bude strmost následného výboje použita k odhadu maximálního napětí v instalačních smyčkách.

Náboj bleskového proudu
Náboj bleskového proudu se skládá z impulzního náboje a náboje oblasti dlouhého proudu.
Náboj bleskového proudu
    Q = ſ i . dt
je dán plochou křivky, která je uzavřena vlnou bleskového proudu (vlna 10/350). Náboj je určující pro množství energie bezprostředně v místě úderu blesku a na všech místech, kde je možný přeskok bleskového proudu ve formě oblouku. Na patě oblouku přeměněná energie W vzniká jako výsledek náboje Q a napětí U_A,K , které vzniká na přechodu mezi anodou a katodou. Hodnota U_A,K činí v průměru několik 10V a je závislá na velikosti a tvaru proudu.
    W = Q . U_A,K
Náboj bleskového proudu může způsobit roztavení součástí hromosvodu, které byly zasaženy přímým úderem blesku (obr. 5).

Klik pro větší náhled.
Obr.5 Škody způsobené úderem blesku na atice rodinného domu

Náboj je také určující pro namáhání oddělovacích a ochranných jiskřišť. Nejnovější výzkumy ukázaly, že především náboj dlouhého výboje je schopen roztavit nebo odpařit velké množství materiálu na základě dlouhého působení oblouku v daném místě.

Specifická (měrná) energie
Specifická energie W/R impulzního proudu je dána energií, která přeměněna impulzním proudem na odporu o hodnotě 1Ω. Přeměněná energie je integrálem druhé mocniny impulzního proudu v časovém úseku trvání tohoto proudu.
    W/R = ſ i² . dt
Je určující pro oteplení nebo silové (vzájemné) působení součástí hromosvodu, které je způsobeno průchodem bleskového proudu.
Pro přeměněnou energii ve svodu o odporu R platí:
    W = R ſ i² . dt = R . W/ R
R       stejnosměrný odpor vodiče závislý na teplotě
W/R  specifická energie
Výpočet oteplení způsobeného bleskovým proudem z hlediska návrhu hromosvodu je nutný, je-li potřeba brát zřetel na odhad rizika ohrožení osob, nebezpečí požáru nebo výbuchu. Při výpočtu se vychází z celkové tepelné energie, která vznikne na ohmickém odporu součástí hromosvodu. Součástí výpočtu je i předpoklad, že nedojde k žádné znatelné výměně tepla s okolím (krátká doba přechodného děje).

Elektrodynamická síla F
Elektrodynamické síly F vznikají mezi vodiči při jejich vzájemném paralelním souběhu.

F(t) = µ₀ . i² (t) . l
            --             --
            2∏            d
F(t)   elektrodynamická síla
i         proud
µ₀     permeabilita vzduchu (4∏ . 10^-7 H/m)
l         délka vodiče
d      vzdálenost mezi paralelními vodiči
Nejen při vzájemném souběhu vodičů, ale také při ohybech vodičů vznikají elektrodynamické síly.

Je-li směr průchodu v paralelních vodičích souhlasný, vodiče se navzájem přitahují. Je-li směr proudů opačný nebo dojde-li k zahnutí vodiče, vodiče se navzájem odpuzují nebo se vodič bude snažit napřímit. Síla F je úměrná druhé mocnině procházejícího proudu.
Specifická energie impulzního proudu určuje zatížení, které může způsobit vratné nebo nevratné deformační účinky součástí hromosvodu.Tyto účinky jsou zohledněny při kusových a typových zkouškách komponentů a spojovacích součástí hromosvodu.

Přiřazení parametrů bleskového proudu k ochranným úrovním
Aby bylo možno blesk definovat jako rušivou veličinu, jsou stanoveny ochranné úrovně I až IV.
Pro každou ochrannou úroveň je potřeba znát sadu:

• maximálních hodnot
  (kritéria, která jsou nutná pro dimenzování a projektování součástí ochrany před bleskem a přepětím tak, aby odpovídaly očekávaným požadavkům);
• minimálních hodnot
  (kritéria pro určení ochranných prostorů vnější jímací soustavy, aby byla zaručena ochrana před přímými údery blesku (poloměr valící se koule)).

Klik pro větší náhled.
Obr.5 Škody způsobené úderem blesku na atice rodinného domu

Tabulka 1 ukazuje přiřazení ochranných úrovní k maximálním a minimálním hodnotám parametrů bleskového proudu.