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

Nové evropské normy v oblasti ochrany před bleskem (2. část)
Připravované mezinárodní a evropské normy IEC/EN 62305

Ing. Jiří Kutáč, zastoupení DEHN + SÖHNE

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) – tab. 1.

Tab. 1. Maximální parametry bleskového proudu podle úrovně bleskové ochrany

Blesk je elektrický výboj atmosférické elektřiny bouřkových mraků mezi mraky navzájem nebo mezi mraky a zemí, obvykle doprovázený zvukovou kulisou (hřměním). Při úderu blesku se vyrovnávají napěťové potenciály. Rozdíl potenciálů mezi mrakem a zemí může činit až desítky megavoltů. V přírodě vznikají negativní (výskyt 90 %) a pozitivní (výskyt 10 %) výboje (rozhodující je polarita mraku). Blesk je tvořen vůdčím výbojem (leader) a jedním nebo několika hlavními výboji (vůdčí výboj postupuje k zemi cestou nejmenšího odporu) a vstřícným výbojem ze země (objektu). Spojí-li se tyto dva výboje, vytvoří se hlavní kanál, potřebný pro průchod bleskového proudu. Dlouhodobými měřeními bylo zjištěno, že asi 50 % úderů blesku tvoří jen jeden (první) výboj a asi 50 % úderů blesku se skládá z prvního a následujících výbojů (obr. 1). Většina blesků se šíří shora dolů (sestupné výboje), pouze ve vyšších polohách nebo na velmi vysokých budovách (např. telekomunikační vysílače, stanice mobilních operátorů, věže kostelů apod.) někdy vznikají výboje směrem nahoru (vzestupné) s širokým rozvětvením.

Vrcholová hodnota bleskového proudu

Bleskové proudy si lze představit jako proudy z ideálního zdroje proudu. Jestliže poteče bleskový proud vodivými částmi, vznikne úbytek napětí v závislosti na vrcholové hodnotě bleskového proudu a na impedanci vodivých částí zasaženého objektu. Zjednodušeně je možné tuto souvislost popsat Ohmovým zákonem: U = IR

Obr. 1. Průběhy bleskových proudů

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. Jestliže se živé organismy (osoby, zvířata) nacházejí uvnitř gradientu potenciálů, mohou být ohroženy (osoby, zvířata) krokovým napětím. Čím je vodivost půdy větší, tím je tento gradient plošší – riziko nebezpečného krokového napětí se zmenšuje.

Obr. 2. Ohrožení elektrických zařízení způsobené zvýšením potenciálů na uzemnění

Udeří-li blesk do budovy, která je vybavena hromosvodem, vznikne na zemním odporu R_St úbytek napětí způsobený průchodem bleskového proudu. Je-li potenciál všech vodivých částí uvnitř objektu vyrovnán na stejnou hodnotu, nejsou ohroženy osoby nacházející se uvnitř této budovy. Zvýší-li se potenciál na zemniči v důsledku průchodu bleskového proudu, jsou ohrožena také elektrická zařízení (obr. 2) uvnitř prostoru. Při úderu blesku do budovy vznikne na ochranném uzemnění R_St úbytek napětí v síti nn. Rozdíl potenciálů pracovního uzemnění R_B a potenciálů ochranného uzemnění budovy je až 1 000 kV. Tím může být ohrožena izolace elektroinstalace, ale i izolace elektrických zařízení.

Strmost bleskového proudu

Strmost bleskového proudu, vzniklá v průběhu intervalu Di/Dt, určuje hodnotu elektromagneticky indukovaných napětí. Tato napětí se indukují do všech otevřených nebo uzavřených instalačních smyček, které jsou v blízkosti svodů hromosvodu. Během intervalu Dt je indukované obdélníkové napětí U v instalační smyčce: U = M(Di/Dt), kde M je vzájemná indukčnost (koeficient přepočtu instalační smyčky), Di/Dt strmost bleskového proudu.

Obr. 3. Maximální indukované napětí v instalační smyčce

Na obr. 3 je znázorněn konkrétní příklad výpočtu maximálního napětí v instalační smyčce.

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

Náboj bleskového proudu

Náboj bleskového proudu je tvořen impulsním nábojem a nábojem oblasti dlouhého proudu.

Náboj bleskového proudu: Q = ňi dt je dán plochou křivky, která je uzavřena vlnou bleskového proudu (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. Přeměněná energie W na patě oblouku je výsledkem náboje Q a napětí U_A,K, které vzniká na přechodu mezi anodou a katodou. Hodnota U_A,K v průměru činí několik desítek voltů a je závislá na velikosti a tvaru proudu. W = QU_A,K

Obr. 4. Škody způsobené úderem blesku na atice rodinného domu

Náboj bleskového proudu může způsobit roztavení součástí hromosvodu, které byly zasaženy přímým úderem blesku (obr. 4). 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 po dlouhém působení oblouku v daném místě.

Specifická (měrná) energie

Specifická energie W/R impulsního proudu je dána energií, která je přeměněna impulsním proudem na odporu o hodnotě 1 W.

Přeměněná energie je integrálem druhé mocniny impulsního proudu v časovém úseku trvání tohoto proudu. W/R = ňi²dt.

Pro přeměněnou energii ve svodu o odporu R platí: W = R ňi²dt = R (W/R), kde R je stejnosměrný odpor vodiče závislý na teplotě, W/R specifická (měrná) energie impulsního proudu.

Výpočet oteplení, které je způsobeno bleskovým proudem, je nutný z hlediska návrhu hromosvodu, je-li třeba 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 nenastane žádná znatelná výměna tepla s okolím (tzn. přechodný děj trvá krátce).

Elektrodynamická síla

Elektrodynamické síly F vznikají mezi vodiči při jejich vzájemném paralelním souběhu. F(t) = (m₀/2p)i²(t)l/d, kde F(t) je elektrodynamická síla, I proud, m₀ permeabilita vzduchu (4p10^–7 H/m), l délka vodiče, d vzdálenost mezi paralelními vodiči.

Elektrodynamické síly vznikají nejen při vzájemném souběhu vodičů, ale také při ohybech vodičů.

Je-li směr průchodu v paralelních vodičích souhlasný, vodiče se navzájem přitahují. Jestliže je 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 impulsního proudu určuje zatížení, které může mít vratné nebo nevratné deformační účinky na součásti hromosvodu. Tyto účinky jsou brány v potaz při kusových a typových zkouškách komponent a spojovacích součástí hromosvodu.

Přiřazení parametrů bleskového proudu k ochranným úrovním

Aby bylo možné blesk definovat jako rušivou veličinu, jsou stanoveny ochranné úrovně I až IV.

Pro každou ochrannou úroveň je třeba znát množinu:

• maximálních hodnot (kritéria, která jsou nutná pro dimenzování a projektování součástí ochrany před bleskem a přepětím tak, aby odpovídala očekávaným požadavkům),

• minimálních hodnot (kritéria pro určení ochranných prostorů vnější jímací soustavy, aby byla zaručena ochrana před přímými údery blesku (poloměr valící se koule).

Poznámka redakce:
Výbor IEC/TC 81 mezinárodní elektrotechnické komise začal počátkem 80. let dvacátého století na základě potřeby nebo nutnosti vypracovávat technické normy v oblasti ochrany před bleskem a přepětím.

Tab. 2. Mezní parametry a pravděpodobnost bleskového proudu podle IEC 62305

Ty vznikaly bez pevné organizační struktury, a proto byly pro uživatele velmi nepřehledné.

V říjnu 2001 na mezinárodní konferenci ve Florencii vydal výbor IEC/TC 81 nový publikační plán, podle kterého by měl být připomínkován nový soubor norem všemi národními normalizačními instituty. Paralelně s prací na tomto souboru norem v mezinárodní elektrotechnické komisi postupují přípravné práce i v evropském výboru pro normalizaci v elektrotechnice CENELEC. V průběhu roku 2005 by měl být tento soubor přijat – pravděpodobně jako soubor norem IEC 62305 – a současně schválen i jako evropské normy EN. Z toho bude pro členské země CENELEC vyplývat povinnost zavést zmíněné normy do národních normalizačních soustav a postupně zrušit platnost dosud existujících národních norem v ochraně před bleskem.

Seriál článků uveřejňovaných od č. 1/2005 v ELEKTRO tedy neuvádí konečnou a definitivní strukturu norem ochrany před bleskem a přepětím, ale popisuje situaci v této oblasti normalizace koncem roku 2004.

(pokračování)