2.4 OCHRANA PRED BLESKOM

V tejto kapitole je vysvetlená podstata blesku ako prejavu atmosférickej elektriny. Uvedené sú tiež fyzikálne prejavy bleskového výboja a jeho účinky na objekty na zemskom povrchu. Vysvetlený je vonkajší a vnútorný systém ochrany pred bleskom. Podrobne sa zaoberá zachytávacou sústavou, sústavou zvodov a uzemňovacou sústavou vonkajšieho systému ochrany. Na záver sú vysvetlené princípy ochrany objektu aktívnymi zachytávačmi ako jedným z typov zachytávacích sústav.

Obsah kapitoly 2.4

2.4.1 Z HISTÓRIE O BLESKU

Blesk ako prejav atmosférickej elektriny je známy spolu s vývojom ľudskej spoločnosti. Prvý oheň, ktorý človek poznal, bol pravdepodobne plameň vzniknutý úderom blesku do kra alebo suchej trávy. Podľa báje prišiel z neba. Starodávne národy uctievali boha hromu a blesku. U Germánov sa volal THOR a DONAR, Egypťania mali v kalendári mesiac AMŠIR (8. február – 9. marec) pomenovaný na počesť boha búrok. V starom Grécku to bol vládca Olympu – hromovládny ZEUS.

Boh hromu a blesku sa u starých Slovanov volal PERÚN (Parom). Aj dnes sa v prenesenom slova zmysle používa „Parom aby ťa vzal !“.

V ruskom ľudovom podaní vládne búrkou prorok ILJA (Eliáš), ktorý sa vozí vo svojom kočiari po nebi. Aristoteles v 4. st. pred n. l. považoval blesk za horľavé výpary zeme, ktoré sa náhle zapália a vzbĺknu.

V roku 1752 Američan Benjamin Franklin, vedec a politik, dokázal, že blesk nie je nič iné ako elektrická iskra. Búrkové mraky majú elektrický náboj a blesk je elektrický výboj medzi oblakom a zemou.

Solídne vedomosti o priebehu bleskového výboja však prinieslo až 20. storočie. Príčina vzniku tohto výboja je dodnes zahalená do hypotéz a fikcií. Prírodné laboratórium je príliš rozmerné na praktické možnosti a umelo vyvolané blesky nedosahujú prírodnú mohutnosť. Pokusy predbiehali teóriu.

Blesk je silný prírodný elektrostatický výboj produkovaný počas búrky. Bleskový elektrický výboj – „blesk“ je sprevádzaný emisiou svetla.

Hrom je charakteristický zvuk vznikajúci tým, že elektrický výboj blesku zahrieva okolitý vzduch, ktorý sa rozpína. Tento dej je veľmi rýchly a pripomína výbuch. Po skončení blesku sa teplota prudko znižuje, pritom sa vzduch prudko sťahuje a to spôsobuje otrasy a vytvára sa ohlušujúci zvuk.

2.4.2 FYZIKÁLNE PREJAVY BLESKU

Vznik elektrických nábojov v atmosfére sa vysvetľuje rýchlym vzostupom ohriateho vzduchu nasýteného vodnou parou. Vzhľadom na svoje okolie je stúpajúci prúd teplejší a rastie dovtedy, kým sa svojimi rozmermi nepremení na búrkový oblak. V búrkových oblakoch neustále víria vodné kvapky a ľadové kryštáliky, teda zložky, z ktorých tieto oblaky pozostávajú. Tie sa vzájomne stretávajú, narážajú na seba, pričom sa spájajú alebo rozbíjajú na menšie čiastočky. Trením a rozbíjaním vznikajú kladné a záporné elektrické náboje.

Vplyvom gravitácie dochádza k oddeľovaniu nábojov. V jednej časti mraku sa hromadí kladný náboj a pôsobením elektrostatickej indukcie získava druhá časť mraku rovnako veľký záporný náboj. Elektrické náboje mrakov potom pôsobia na seba navzájom, na zemský povrch a na predmety na ňom umiestnené. V atmosfére vznikajú ohraničené zóny s elektrickými nábojmi a medzi nimi priestory elektricky silne namáhané. Ak sa búrkový mrak veľmi rozrastie (cca 10 km), stúpajúci vzduch nemá dosť sily, aby uniesol množstvo ľadu, snehu a vodných kvapiek a nastane dážď, prípadne krupobitie. S tým je tiež spojené oddelenie nábojov a rozdiel potenciálov.

Keď gradient elektrostatického poľa prekročí izolačnú schopnosť vzduchu, dochádza k silnému výboju, preskočí elektrická iskra − blesk. Rozdiely potenciálov sa potom vyrovnajú a búrkový oblak zaniká. Najčastejšie sú blesky medzi oblakmi. Len každý tretí až štvrtý udiera do Zeme.

Vývoj blesku

Prvá etapa vzniku blesku je prípravná – stupňovitý vedúci výboj − leader. Leader sa pohybuje od búrkového oblaku k zemi v rýchlo za sebou nasledujúcich žiarivých kvantách, ktoré sú dlhé asi 50 m. Časový rozdiel medzi jednotlivými kvantami je asi 2.10^-4 s. Keď sa začne blesk vyvíjať, dosiahne ionizované stredné pásmo jeho kanála v priebehu niekoľkých tisícin sekundy teplotu až 33 000 °C.

Negatívny náboj leadra indukuje na zemskom povrchu silný kladný náboj, a to najmä na predmetoch, ktoré z neho vyčnievajú. Pretože sa nesúhlasné náboje priťahujú, kladný náboj na povrchu zeme ide v ústrety zápornému náboju leadra a pritom vznikajú vzostupné výboje. Jeden zo vzostupných výbojov kladného náboja zeme sa dostane do styku s leadrom a tak určí miesto, kde udrie blesk − vytvorí kanál. Vzostupné výboje dosahujú výšku 30 až 50 m.

Druhá etapa priebehu blesku sa nazýva hlavná etapa. Keď dospeje kanál blesku k zemi, začne ním pretekať elektrický náboj oveľa rýchlejšie a prudšie. Je to mohutný výboj záporného elektrického náboja nahromadeného v oblaku a kladného elektrického náboja nahromadeného elektrostatickou indukciou na zemskom povrchu.

Obr. 2.4.1. Vznik bleskového výboja

Blesky a ich účinky

Druhy bleskového výboja:

• Tlejivý (sršanie na špicatých vodivých predmetoch – oheň sv. Eliáša). Tieto výboje ešte nemajú dostatočne veľké napätie a preto nemôžu vytvoriť iskrový výboj.

• Iskrový (medzi mrakmi alebo mrakom a zemou) – blesk.

Tvar bleskového výboja:

• Čiarový, postupujúci cestou najmenšieho elektrického odporu a vytvárajúci úzku ionizovanú cestu, ktorou prechádza jasne svietiaci biely alebo ružový výboj.

• Plošný, vo forme tichých, nehlučných svietiacich elektrických výbojov v oblakoch. Javí sa ako vzplanutie oblaku v celom jeho objeme bez hrmenia. Elektrický náboj nestačí na vznik blesku.

• Ružencový (perlový), majúci tvar postupujúcich guličiek, ktoré ležia na jednej čiare vo vzdialenosti 7 až 12 m. Väčšinou prechádza po dráhe, ktorou predtým prešiel čiarový blesk.

• Guľový, javiaci sa ako žiarivá červená alebo žltá guľa s priemerom 10 až 20 cm, ktorá sa pomaly pohybuje a mizne s prudkou explóziou. Pravdepodobne je to útvar elektrónovej plazmy v takmer ustálenom štádiu, ktorý vzniká v ohnisku čiarového blesku.

Doba trvania čiarového blesku je asi 10^-3 s, s rýchlosťou 100 000 až 200 000 km.s^-1. Dráha býva niekoľko kilometrov dlhá, prúdy blesku môžu byť až 200 kA. Indukované hodnoty prepätia môžu byť až 300 kV. Energia môže byť až niekoľko tisíc kWh. V našich krajoch je však 90 % výbojov menších než 20 kV a asi 1 % väčších než 100 kV.

Meteorológovia majú vypracované mapy búrkových oblastí - izokeraunické mapy (odvodené od gréckych slov IZOS − rovnaký, KERAUNION − hromová strela), z ktorých vyplýva napr. že V. Tatry a údolie Hornádu má 35 búrkových dní v roku a 70 – 75 búrok za rok. O niečo menej majú N. Tatry. (Nad Tatrou sa blýska, hromy divo bijú... súhlasí s bežnou štatistikou.) Nad Zemou je za rok asi 16 miliónov búrok. Každú sekundu vzniká nad Zemou asi 100 bleskov.

Obr. 2.4.2. Počet búrkových dní v roku

Blesk má účinky:

Najškodlivejšie sú účinky tepelné (rýchle oteplenie vodičov) a elektromagnetické (dynamické deformačné sily, prepätia).

2.4.3 SYSTÉMY OCHRANY PRED BLESKOM

Výbojom bleskov sa principiálne nedá zabrániť. Údery bleskov do stavieb alebo v ich blízkosti sú veľmi nebezpečné nielen pre samotné stavby, ale aj pre ľudí, inštalácie a inžinierske siete. Preto je potrebné ich chrániť. Na ochranu pred bleskom a ostatnými škodlivými účinkami atmosférických výbojov (napr. indukcia, prepätia) slúži systém ochrany pred bleskom. Jeho základom je bleskozvod, ktorý vynašiel v roku 1754 český kňaz a vynálezca Prokop Diviš (1697−1765). Základnými predpismi, podľa ktorých sa u nás od roku 2007 projektuje a konštruuje ochrana pred bleskom, sú STN EN 62305-1 až 4. Platnosť pôvodných noriem STN 34 1390 a STN 13401391 končí 1. 2. 2009, pokiaľ nedôjde k ich revízii.

Podľa „STN EN 62305-2 Ochrany pred bleskom“ je prvým krokom pri projektovaní a budovaní ochrany pred bleskom posúdenie rizika pravdepodobných škôd ľudských a na majetku. Na základe analýzy rizika sa určí úroveň ochrany stavby pred bleskom (LPL – lightning protection level) a príslušné parametre systému ochrany pred bleskom (LPS – lightning protection system).

Systém ochrany pred bleskom je zvyčajne zložený z dvoch systémov zariadení a opatrení:

• vonkajšieho,

• vnútorného.

2.4.3.1 VONKAJŠÍ SYSTÉM OCHRANY PRED BLESKOM (BLESKOZVOD)

Je určený na zachytávanie priamych úderov bleskov a zvedenie bleskových prúdov od bodu úderu do zeme. Systém je určený na rozvedenie bleskového prúdu v zemi bez toho, aby vznikli tepelné a mechanické škody alebo nebezpečné iskrenie, ktoré môže vyvolať požiar alebo explóziu. Vonkajší systém ochrany pred bleskom obsahuje tri časti:

1. zachytávaciu sústavu, ktorá slúži na zachytenie úderu blesku do stavby. Ukončuje žeravú časť bleskového výboja nad chráneným objektom a tým likviduje nebezpečie požiaru od blesku. (podnecuje silné vzostupné výboje a tak umožňujú blesku bezpečnú cestu k zemi). Na správne určenie rozsahu zachytávacej sústavy sa môže použiť metóda ochranného uhla, metóda valivej gule, prípadne sa použije metóda mrežovej sústavy, podľa STN EN 62305-3.

2. sústavu zvodov, ktorá slúži na bezpečné zvedenie prúdu blesku do zeme. Zvody tvoria vodivé spojenie medzi zachytávacou a uzemňovacou sústavou.

3. uzemňovaciu sústavu, ktorá umožňuje prechod a rozptýlenie prúdu blesku v zemi.

Vonkajší systém ochrany pred bleskom sa môže vo väčšine prípadov prichytiť ku chránenej stavbe a tak tvorí vonkajší LPS neizolovaný (neoddialený) od chránenej stavby – je to systém, ktorý je v dotyku s chránenou stavbou.

V prípade, že tepelné a výbušné účinky v mieste úderu alebo vo zvodoch môžu spôsobiť škody na stavbe, použije sa vonkajší LPS izolovaný (oddialený) od chránenej stavby – je to systém ochrany, ktorý nie je v dotyku s chránenou stavbou.

2.4.3.1.1 ZACHYTÁVACIA SÚSTAVA

Druhy zachytávacích sústav

Náhodné súčasti

Súčasti stavby z vodivých materiálov (oplechovania, kovové diely, kovové strešné konštrukcie) sa môžu použiť ako náhodné zachytávače, ak spĺňajú požiadavky na minimálnu hrúbku a prierez daný STN EN 62305-3.

Umiestnenie zachytávacích sústav

Súčasti zachytávacej sústavy sa umiestňujú na stavbách podľa:

• metódy ochranného uhla, ktorá je vhodná na jednoduché tvary budov, ale je ohraničená výškou zachytávacej sústavy. Fyzikálna podstata ochranného uhla spočíva v tom, že blesk blížiaci sa k chránenej budove si „vyberá miesto úderu“ až na posledných 30 až 50 metroch.

Ochranný priestor zvislej zachytávacej tyče má tvar pravouhlého kužeľa s vrcholom V umiestneným v osi zachytávacej tyče.

Obr. 2.4.3. Vyšetrovanie ochranného priestoru metódou ochranného uhla

Príklad závislosti uhla α na výške zachytávacej tyče nad rovinou ochranného priestoru je v tab. 2.4.1. V tejto tabuľke je rozdelenie uvedené podľa príslušnosti k triede ochrany pred bleskom (LPS). Trieda LPS predstavuje priradenie stupnici hodnôt, v ktorej sa podľa pravdepodobnosti úderu blesku, podľa ekonomického významu stavby a podľa následkov možného výpadku určí kompromis medzi rizikom a požiadavkou na náklady na realizáciu sústavy ochrany pred bleskom. Účinnosť priradená triedam ochrany pred bleskom je I až IV.

V STN EN 62305-2 je uvedené, ako možno zistiť požadovanú triedu ochrany pred bleskom na základe výpočtu predpokladaného rizika a predpokladaných škôd a strát. V STN EN 62305-1 sú udané parametre bleskového prúdu, ktoré sa používajú pri dimenzovaní ochrany pred bleskom podľa zodpovedajúcej triedy ochrany pred bleskom.

       Tab. 2.4.1. Veľkosti uhlov α v závislosti na výške

• metódy valivej gule, ktorá je vhodná vo všetkých prípadoch. Návrh zachytávacej sústavy podľa metódy valivej gule je uvedený na obr. 2.4.4. Použitie tejto metódy na umiestnenie zachytávacej sústavy je dostatočné, ak nie je žiadny bod chránenej stavby v dotyku s polomerom valivej gule r, ktorá sa valí okolo chránenej stavby všetkými možnými smermi. Guľa sa tak dotýka len zachytávacou sústavou a jej polomer je závislý od triedy LPS podľa tab. 2.4.2.

Obr. 2.4.4. Vyšetrenie metódou valivej gule

r − polomer valivej gule, H − výška objektu

Tab. 2.4.2. Maximálne hodnoty polomeru valivej gule a veľkosti oka

• metódy mrežovej sústavy, ktorá je vhodná na ochranu rovinných plôch. Rozmery ôk mreže sústavy nie sú väčšie ako hodnoty uvedené v tab. 2.4.2. Sieť zachytávacej sústavy je urobená tak, že prúd blesku môže tiecť vždy minimálne dvoma vodivými cestami do uzemňovacej sústavy. Žiadne kovové inštalácie nesmú vyčnievať mimo chráneného priestoru vytvoreného zachytávacou sústavou.

2.4.3.1.2 SÚSTAVA ZVODOV

Na vodiči (bleskozvode) vzniká pri údere blesku napätie

,

2.4.3.1.3 UZEMŇOVACIA SÚSTAVA

Uzemňovacia sústava umožňuje rozdelenie bleskového prúdu do zeme a tým zmenšenie nebezpečia prepätia. Podľa STN EN 62305-3 sa odporúča, aby odpor uzemňovacej sústavy, ak je to možné, bol menší než 10 Ω.

Pri uzemňovacej sústave sa rozlišujú dva základné typy usporiadania uzemňovačov:

Pre výpočet zemného odporu uzemňovača jedného zvodu pri frekvencii 50 Hz sa používa vzorec

	kde je	ℓ	hlavný rozmer elektródy,
		ρ	merný odpor pôdy, obvyklé hodnoty sú uvedené v tab. 2.4.5,
		k	konštanta vyjadrujúca tvar uzemňovača (k = 2 pre pásik alebo drôt, 0,9 pre tyč alebo trubku, 0,5 pre široký pás, 0,25 pre zvislú dosku).

 

Tab. 2.4.5. Merné odpory pôdy

Tab. 2.4.6. Zemné odpory uzemňovačov

Príklad

Zemný odpor R pása dlhého 25 m zakopaného v ornici s merným odporom 100 Ω.m bude

Náhodné uzemňovače

Ako náhodný uzemňovač sa má prednostne použiť vzájomne spojené oceľové armovanie v základovom betóne. Prechodový odpor spojenia vrchného a spodného dielca oceľových prútov nemá byť väčší ako 0,2 Ω.

Obr. 2.4.5. Usporiadanie systému ochrany pred bleskom rodinného domu

2.4.3.1.4 PRICHYTENIA A SPOJE

Zachytávacia sústava a zvody musia byť prichytené tak pevne, aby nedošlo elektrodynamickými alebo mechanickými silami k zlomeniu alebo uvoľneniu vodičov. Počet spojov na zvodoch by sa mal obmedziť na nutné minimum. Spoje musia byť spoľahlivé a časovo stále (zvárané, spájkované na tvrdo, lisované, skrutkované, svorkované, nitované a pod.). Spoj oceľového armovania stavieb zo železobetónu sa môže použiť ako náhodný.

Vnútorný systém ochrany pred bleskom je určený na zabránenie nebezpečnému iskreniu vo vnútri stavieb spôsobenému prúdom blesku vo vonkajších LPS alebo v iných častiach stavby (kovové inštalácie, vnútorné systémy, vedenia pripojené k stavbe). Nebezpečnému iskreniu sa môže zabrániť ekvipotenciálnym pospájaním alebo elektrickou izoláciou medzi časťami.

Dosiahne sa vzájomným spojením kovových častí stavby, kovových konštrukcií, vnútorných systémov, vonkajších vodivých častí a inžinierskych sietí pripojených k stavbe. Vzájomné pospájanie je realizovateľné:

• vodičom vyrovnania potenciálov ,ak sa nedosiahne elektricky vodivé spojenie náhodným pospájaním.
  Ekvipotenciálne pospájanie proti blesku pri kovových inštaláciách sa v prípade izolovaného vonkajšieho LPS musí urobiť len na úrovni terénu. Pri neizolovanom vonkajšom LPS sa ekvipotenciálne pospájanie urobí v suteréne alebo na úrovni terénu. Vodiče vyrovnania potenciálu sa pripoja k prípojnici vyrovnania potenciálu, ktorá môže byť centrálna alebo usporiadaná ako vnútorný obvodový vodič (obr. 2.4.6 a 2.4.7) a je spojená s uzemňovacou sústavou.

• prepäťovými ochrannými zariadeniami (SPD), keď nie je možné urobiť priame pripojenie vodičov vyrovnania potenciálov.
  Prepäťové ochrany musia byť koordinované, skúšané pre triedu I a úroveň ochrany Up musí byť nižšia ako je úroveň impulznej odolnosti medzi časťami, pozri [312].
  Ak sú vodiče vnútorných systémov tienené alebo v kovových trubkách, stačí pospájať tienenie a trubky. Ak nie sú tienené, ani uložené v kovových trubkách, musia sa pospájať cez prepäťové ochrany. Vodiče PE alebo PEN sa musia pripojiť k prípojnici vyrovnania potenciálov priamo alebo cez prepäťové ochrany.
  Všetky kovové potrubia kúrenia, plynu, vody, vodiče elektrických a telekomunikačných zariadení pripojených k stavbe sa musia pripojiť k prípojnici vyrovnania potenciálov priamo alebo cez prepäťové ochrany. Živé vodiče len cez prepäťové ochrany, vodiče PE alebo PEN sa musia pripojiť k prípojnici vyrovnania potenciálov priamo alebo cez prepäťové ochrany. Tienenia a úložné kovové trubky týchto vedení sa musia pospájať.

2.4.3.2.2 ELEKTRICKÁ IZOLÁCIA VONKAJŠIEHO LPS

Elektrická izolácia sa dosiahne dostatočnými vzdialenosťami medzi vonkajším systémom a inými vodivými časťami vo vnútri stavby. Vzdialenosť závisí od triedy LPS, prúdu blesku, materiálu elektrickej izolácie a dĺžky pozdĺž zachytávacej sústavy (podrobnejšie pozri v STN EN 62305-3).

Aby sa dosiahla elektrická izolácia zachytávacej sústavy a zvodov od kovových častí stavby, inštalácií a vnútorných systémov, musí sa dodržať vzdialenosť medzi týmito časťami, ktorá je väčšia ako dostatočná vzdialenosť „s“,

Aktívne zachytávače

Aktívne zachytávače môžu nahradiť zachytávacie sústavy tyčové, hrebeňové a mrežové a umožniť tak šetriť kovové materiály. Všetky ostatné časti (spojenia, zvody a uzemňovače) zodpovedajú vonkajším systémom ochrany pred bleskom. Predstavujú nový trend ochrany objektov pred bleskom pri využití najnovších poznatkov vedy a techniky. Sú zdrojom vysokonapäťových impulzov s vrcholovou hodnotou až do 20 kV a presne určeným a riadeným časom, ktoré ionizujú okolie hrotu zachytávača. Neobsahujú žiaden napájací zdroj a energiu pre svoju činnosť čerpajú z okolitého elektrického poľa existujúceho počas búrky. Pracujú na princípe elektromagnetickej indukcie a násobiča napätia s kondenzátormi. Pretože pracujú na impulzovom princípe, sú v odbornej literatúre väčšinou nazývané a popisované ako Pulsar (Dynashere, Prevectron). Upozorňujeme, že STN EN 62305 nepozná pojem aktívny zachytávač a preto je ho potrebné hodnotiť ako ďalší typ zachytávacej sústavy podľa kap. 2.4.3.1.1.

Aktívny zachytávač je konštruovaný tak, aby sa skrátil čas potrebný na inicializáciu vzostupného výboja v porovnaní s klasickým tyčovým zachytávačom o 25 až 60 ms. Dosiahne sa tým zväčšenie dĺžky vzostupného výboja a zvýšenie miesta úderu blesku nad zemou. Vzniká tak viacnásobné zväčšenie celkového chráneného priestoru v porovnaní s inými zachytávačmi.

Prispievajú tým aj k zlepšeniu vzhľadu reprezentačných, historických a pamiatkovo chránených budov, pri ktorých sú estetický vzhľad alebo bezpečnosť dôležitejšie ako cena investície. Na obr. 2.4.8 sú uvedené rozdiely medzi spôsobmi chránenia budovy proti blesku. Vľavo je budova chránená aktívnym zachytávačom, vpravo tyčovými zachytávačmi a mrežovou sieťou.

Obr. 2.4.8. Spôsoby chránenia budovy proti blesku

2.4.4 OTÁZKY KU KAPITOLE 2.4

1.      Ako vzniká elektrický náboj v atmosfére?

2.      Aké sú etapy vývoja blesku?

3.      Aké účinky má blesk?

4.      Na čo je určený vonkajší systém ochrany pred bleskom a aké má časti?

5.      Na čo je určený vnútorný systém ochrany pred bleskom a aké má časti?