Piorunochrony aktywne w świetle obowiązujących w Polsce norm i przepisów prawnych

fot. sxc.hu

Na przestrzeni ostatnich dwóch dekad na światowym rynku można zauważyć ekspansję producentów urządzeń przeznaczonych do tzw. aktywnej ochrony odgromowej, którzy swoim urządzeniom przypisują większą skuteczność w stosunku do powszechnie stosowanych instalacji piorunochronnych wykonanych wg zasad przedstawionych w normach dotyczących ochrony odgromowej, nazywanej przez oferentów „zwodów aktywnych” ochroną tradycyjną. Instalacje odgromowe wykorzystujące takie „aktywne piorunochrony” z uwagi na małą liczbę elementów składowych są znacznie tańszymi rozwiązaniami.

Także w Polsce temu zagadnieniu towarzyszy od pewnego czasu nieustanna dyskusja dotycząca skuteczności takiej ochrony oraz podstaw prawnych uprawniających do zastąpienia tradycyjnej instalacji odgromowej „urządzeniem aktywnym”.

Stan prawny w Polsce w zakresie ochrony odgromowej 

Zgodnie z rozporządzeniem ministra infrastruktury z 12 kwietnia 2002 r. [5] w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie: Budynek należy wyposażyć w instalację chroniącą od wyładowań atmosferycznych. Obowiązek ten odnosi się do budynków wyszczególnionych w Polskiej Normie dotyczącej ochrony odgromowej obiektów budowlanych (§ 53 ust. 2), a instalacja piorunochronna, o której mowa w § 53 ust. 2, powinna być wykonana zgodnie z Polską Normą dotyczącą ochrony odgromowej obiektów budowlanych (§ 184 ust. 3). Zmiany z 10 grudnia 2010 r. wprowadzone do powyższego rozporządzenia [6] (weszły w życie 21 marca 2011 r.) zawierają wykaz norm przywołanych do wymienionych paragrafów, z których wynika, że polskimi normami odgromowymi w zakresie ochrony obiektów budowlanych (łącznie z ich instalacjami, wyposażeniem i personelem) oraz przyłączonych do nich urządzeń usługowych (linii elektroenergetycznych, telekomunikacyjnych, radiokomunikacyjnych, rurociągów) są wyłącznie normy serii PN-EN 62305: Ochrona odgromowa, zawierającej cztery oddzielne arkusze:

• PN-EN 62305-1:2008 Część 1: Zasady ogólne,
• PN-EN 62305-2:2008 Część 2: Zarządzanie ryzykiem,
• PN-EN 62305-3:2009 Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenie życia,
• PN-EN 62305-4:2009 Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach.

Zgodnie z treścią części 1. normy serii 62305 [1] (...) aby ustalić, czy ochrona odgromowa obiektu jest potrzebna, czy nie, należy ocenić ryzyko zgodnie z procedurami opisanymi w IEC 62305-2. Przeprowadzona na tej podstawie analiza zagrożenia piorunowego ma na celu nie tylko ocenę potrzeby stosowania ochrony odgromowej, ale także – w przypadku, jeżeli jest ona wymagana – dobór odpowiednich środków ochrony. Z 3. części normy 62305 [3] wynika z kolei, że Klasa wymaganego LPS [lightning protection system – system ochrony odgromowej – aut.] powinna być wybierana na podstawie oceny ryzyka (patrz IEC 62305-2). Odnosząc się do wymienionych zapisów podstawą do stosowania i ustalenia klasy instalacji piorunochronnej na terenie Polski jest zatem analiza ryzyka przeprowadzona zgodnie z normą PN-EN 62305-2 [2], a instalacja odgromowa powinna być wykonana zgodnie z PN-EN 62305-3 [3].

Tradycyjne instalacje odgromowe 

Optymalna procedura dla praktycznej realizacji podziału prądu piorunowego opisana jest w normach ochrony odgromowej za pomocą klas instalacji odgromowej, którym przyporządkowano następujące parametry: maksymalny wymiar oka siatki zwodów odgromowych, maksymalne odległości między przewodami odprowadzającymi oraz wymiary kątów osłonowych.

Zadaniem zewnętrznej instalacji piorunochronnej LPS wg [1] jest:

• przejąć wyładowanie piorunowe skierowane w obiekt (za pomocą układu zwodów),
• odprowadzić prąd pioruna bezpiecznie do ziemi (za pomocą układu przewodów odprowadzających),
• rozproszyć go w ziemi (za pomocą układu uziomowego).

Zgodnie z założeniami modelu elektrogeometrycznego przyjętego w normie PN-EN 62305 skuteczność przejmowania wyładowań przez LPS jest zależna od parametrów prądu pioruna. Strefa chroniona przez układ zwodów powinna być wyznaczana metodą toczącej się kuli o promieniu r, dobieranym w zależności od przyjętego poziomu ochrony odgromowej (LPL – lightning protection level) lub na podstawie określonych kątów ochronnych w przypadku zwodów pionowych. Wartość promienia r została ustalona na podstawie minimalnych wartości prądu pioruna przypisanych poszczególnym poziomom LPL .

Wybrane parametry przypisane poziomom LPL:

Rys. 1. Wyznaczanie stref chronionych: a) na podstawie modelu elektrogeometrycznego toczącej się kuli stosowanej w normach odgromowych, b) strefa chroniona „piorunochronu aktywnego”.

Według normy PN-EN 62305-3:2009 [3] w celu zredukowania prawdopodobieństwa wystąpienia szkody wskutek przepływu prądu pioruna przez elementy LPS, przewody odprowadzające powinny być rozmieszczone w taki sposób, aby istniało kilka równoległych dróg prądowych (nie mniej niż dwie), a ich długość była możliwie jak najkrótsza. Preferowane jest równomierne rozmieszczenie przewodów odprowadzających wokół obwodu budynku w odległościach przedstawionych w tabeli. Dodatkowo, w przypadku wysokich budynków, zaleca się stosowanie połączeń wyrównawczych poziomych wzdłuż obwodu budynku. Takie rozwiązanie umożliwia równomierne podzielenie prądu pioruna na jak najmniejsze części.

Należy pamiętać, że przepływ prądu pioruna o znacznych wartościach szczytowych może powodować niebezpieczne iskrzenie oraz oddziaływanie termiczne na konstrukcję budynku. Aby zapobiec przeskokom iskrowym z elementów LPS do wszelkich urządzeń lub okablowania instalacji montowanych na zewnątrz lub wewnątrz chronionego budynku należy zachować bezpieczne odstępy s. Im wartość szczytowa prądu płynącego w przewodzie odprowadzającym jest większa, tym większa powinna być odległość bezpieczna. Norma PN-EN 62305-3:2009 uzależnia te odległości m.in. od klasy LPS oraz liczby przewodów odprowadzających.

„Piorunochrony aktywne” 

„Piorunochronom aktywnym” z tzw. wczesną emisją strimera ESE (early streamer emission) przypisuje się większą skuteczność w stosunku do instalacji tradycyjnych, związaną z szybszym (zdaniem ich producentów) wychwytywaniem wyładowań piorunowych. W naszym najbliższym obszarze geograficznym zwody ESE z wczesną emisją strimera dopuszczane są do stosowania m.in.: przez normę francuską NF C 17-102 [7] oraz wzorowaną na niej normę hiszpańską UNE 21186 [8]. Dokumenty te nie mają żadnych odpowiedników wśród polskich norm. Inicjatywa przyjęcia normy francuskiej NF C 17-102 jako normy europejskiej EN nie spotkała się ze zrozumieniem państw członkowskich Europejskiego Komitetu Normalizacyjnego Elektrotechniki (CENELEC ) i została odrzucona w głosowaniu w roku 2010. W związku z tym w serii polskich norm odgromowych PN-EN 62305 [1 - 4] dopuszczonych do stosowania rozporządzeniem ministra infrastruktury [5] o zwodach ESE nie ma żadnej wzmianki, która by zezwalała na ich stosowanie. Tak więc – z prawnego punktu widzenia – urządzenia te nie mogą być projektowane, montowane i stosowane na terenie Polski jako elementy instalacji piorunochronnej dla obiektów budowlanych.

Deklarowane strefy ochronne tworzone przez urządzenia ESE nie są zgodne ze strefami wyznaczanymi wg przywołanych w rozporządzeniu [5, 6] norm PN-EN 62305 [1 - 4]. Zgodnie z obowiązującymi w Polsce normami „piorunochrony aktywne” mogą być traktowane jedynie jako pojedyncze zwody pionowe, tworzące strefy osłonowe określane na podstawie kąta ochronnego zależnego od wysokości zwodu względem płaszczyzny odniesienia oraz od przyjętego poziomu ochrony odgromowej LPL i jako takie mogą być stosowane, jeśli spełniają wymogi tych norm poparte wynikami badań przeprowadzonych wg procedury opisanej w normie PN-EN 50164-2:2010 [11] zawierającej wymagania dotyczące przewodów i uziomów urządzenia piorunochronnego.

Skuteczność „zwodów aktywnych” typu ESE 

Kwestią sporną jest sama skuteczność zwodów typu ESE . „Piorunochronom aktywnym” przypisuje się wyższą skuteczność rzędu 99 lub 99,9% odpowiednio dla określonych wyższych poziomów ochrony LPL I+ i LPL I++. O ile skuteczność tradycyjnych instalacji odgromowych (tab.) została oszacowana na podstawie prawdopodobieństwa wystąpienia minimalnych wartości szczytowych prądu pioruna oraz parametrów instalacji piorunochronnych przypisanych poszczególnym poziomom ochrony odgromowej w odniesieniu do modelu elektrogeometrycznego, to w przypadku „piorunochronów aktywnych” brakuje naukowego uzasadnienia przyjmowania tak wysokich skuteczności ochrony, zaakceptowanego przez środowisko naukowe.

Skuteczność zwodów ESE jest kwestionowana ponadto na podstawie odnotowanych licznych przypadków wyładowań bezpośrednich w obiekty, które potencjalnie miały być chronione przez „piorunochrony aktywne”. Dobrym przykładem może być przypadek, który miał miejsce w Czechach w 2011 r., gdzie pomimo zastosowania „aktywnej ochrony” z wykorzystaniem zwodów ESE , piorun uderzył w zbiornik stacji biopaliw, doprowadzając do jego eksplozji [9]. Podobne przypadki łatwo znaleźć w Internecie, gdzie również doszukać się można informacji [10] o tym, że po odrzuceniu przez NFPA (Narodowy Związek Ochrony Przeciwpożarowej w USA ) wstępnej wersji normy 781 o zasadach stosowania urządzeń ESE i wniesieniu w roku 1996 powództwa przez grupę producentów urządzeń ESE , sąd federalny stanu Arizona odrzucił w roku 2003 to powództwo, konstatując m.in., że twierdzenie o wyższej skuteczności urządzeń ESE nie jest poparte wystarczająco pewnymi testami.

Praktyczne spojrzenie na „piorunochrony aktywne” 

Podstawowym celem realizowanym przy projektowaniu tradycyjnych (normatywnych) instalacji odgromowych jest optymalne podzielenie prądu kanału piorunowego na jak najmniejsze części za pośrednictwem specjalnie projektowanych elementów instalacji odgromowej – zwodów i przewodów odprowadzających. Optymalna procedura dla praktycznej realizacji podziału prądu piorunowego jest opisana w normach ochrony odgromowej za pomocą odpowiednich klas instalacji odgromowej, którym przyporządkowano dopuszczalne maksymalne: wymiary oka siatki zwodów odgromowych, odległości między przewodami odprowadzającymi oraz kąty osłonowe. Stosując tę procedurę, projektant dąży do osiągnięcia bezpiecznych napięć rażeniowych dotykowych i krokowych oraz bezpiecznych odstępów izolacyjnych od elementów instalacji odgromowej. Ogólna zasada – im gęstsza siatka zbudowana z elementów instalacji odgromowej tym mniejsze zagrożenie – znana jest wszystkim praktykom i specjalistom. Umiejętna optymalizacja liczby tych elementów pozwala doświadczonemu projektantowi na osiągnięcie odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa istot żywych i instalacji obiektowych dla określonego wcześniej poziomu zagrożenia piorunowego obiektu.

Według norm [7, 8] przy zwodach aktywnych typu ESE zaleca się stosować typowo tylko jeden lub dwa przewody odprowadzające, co uzależnia się od wysokości budynku (dla bardzo wysokich budynków – 4 przewody odprowadzające). Prowadzi to do oczywistej sytuacji, w której przy wyładowaniu bezpośrednim w przypadku zastosowania tylko jednego przewodu odprowadzającego płynie w nim całkowity prąd wyładowania piorunowego, a przy dwóch przewodach odprowadzających – w każdym z nich prąd ten będzie tylko o połowę mniejszy (rys. 2). Skutkuje to koniecznością zachowywania większych, bezpiecznych odstępów izolacyjnych w celu zapobieżenia przeskokom iskrowym do znajdujących się w pobliżu istot żywych, urządzeń i instalacji.

Rys. 2. Podział prądu pioruna w przypadku: a) instalacji odgromowej zgodnej z PN-EN 62305 i aktywnej ochrony odgromowej z b) jednym, c) dwoma przewodami odprowadzającymi (I_p – całkowity prąd pioruna, n – liczba przewodów odprowadzających LPS)

Istotne znaczenie mogą mieć także termiczne następstwa przepływu prądów o tak wysokich wartościach. Warto też zauważyć, że przepływ prądu pioruna jedną drogą skutkuje maksymalnymi wartościami natężenia pola magnetycznego w pobliżu przewodu odprowadzającego.

Ogólnie wiadomo, iż wg wymagań przyjętego do stosowania 3. arkusza norm serii PN-EN 62305 zawsze należy stosować nie mniej niż dwa przewody odprowadzające. Przewody te rozmieszcza się równomiernie na obwodzie budynku w odległościach zależnych od przyjętego poziomu LPL (tab.) – tym mniejszych, im bardziej skuteczna ma być instalacja odgromowa. Rozwiązanie zgodne z PN-EN 62305 ma na celu podzielenie prądu pioruna na jak najmniejsze wartości, w celu minimalizacji skutków jego przepływu. Równomierne rozmieszczenie przewodów odprowadzających wzdłuż obwodu budynku poprawia równomierność rozkładu natężenia pola magnetycznego wewnątrz chronionego obiektu, a przy odpowiednim ich zagęszczeniu (LPL I) daje dodatkowo lepsze właściwości ekranujące [4]. W rezultacie stosowanie normatywnych instalacji odgromowych zmniejsza wartości energii przepięć indukowanych w wyniku oddziaływania prądu kanału piorunowego w wewnętrznych instalacjach obiektu przy bezpośrednim lub pobliskim wyładowaniu atmosferycznym.

Należy także wyraźnie podkreślić, że w przypadku zastosowania tylko jednego przewodu odprowadzającego, co jest możliwe przy „zwodach aktywnych”, wartość napięcia rażeniowego dotykowego i napięcia krokowego w miejscu spłynięcia całego prądu do ziemi będzie największa z możliwych. Największe są też w takim przypadku wymagane odstępy izolacyjne, trudne do uzyskania w praktyce ze względu na oczywiste zbliżenia do instalacji obiektowych, przez co stają się one bardzo kosztowne.

Wypada zwrócić także uwagę na jeden z głównych marketingowych argumentów producentów „zwodów aktywnych”, wg których ich rozwiązanie jest tańsze od rozwiązań tradycyjnych. W rzeczywistości takie rozwiązanie jest najczęściej droższe, gdy jest stosowane do ochrony niedużych gabarytowo obiektów.

Podsumowanie 

Wszelkiego rodzaju „piorunochrony aktywne”, w świetle obowiązujących w Polsce norm i przepisów prawnych, mogą być wykorzystane jedynie jako pojedyncze zwody pionowe wchodzące w skład instalacji piorunochronnej, wykonanej w zgodzie z wymaganiami serii norm odgromowych 62305. W świetle litery prawa strefa ochronna, przy stosowaniu zwodów typu ESE powinna być wyznaczona wyłącznie na podstawie zasad opisanych w obowiązujących w Rzeczpospolitej Polskiej normach [1-4] zgodnie z wartościami kątów ochronnych wnoszonych przez zwody pionowe, przypisanych poszczególnym poziomom instalacji ochrony odgromowej. Gdyby można było założyć, że takie urządzenia rzeczywiście szybciej „zwodzą” prąd piorunowy niż klasyczny zwód Franklina, to można byłoby je wykorzystać do umiejętnego kierowania wyładowania w konkretny punkt obiektu, wybrany na etapie projektowania, w celu odprowadzenia prądu pioruna trasą najbardziej bezpieczną zarówno dla urządzeń jak i dla ludzi, jednak takie rozwiązanie nie może stać w sprzeczności z wymaganiami serii norm PN-EN 62305.

LITERATURA:

[1] PN-EN 62305-1:2008 Ochrona odgromowa – Część 1: Zasady ogólne

[2] PN-EN 62305-2:2008 Ochrona odgromowa – Część 2: Zarządzanie ryzykiem

[3] PN-EN 62305-3:2009 Ochrona odgromowa – Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenie życia

[4] PN-EN 62305-4:2009 Ochrona odgromowa – Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach

[5] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. 2002 nr 75 poz. 690)

[6] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 10 grudnia 2010 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. 2010 nr 239 poz. 1597)

[7] NF C 17-102:1995 Lightning protection. Protection of structures and open areas against lightning using early streamer emission air terminals

[8] UNE 21186:2011 Protection Against Lighting: Surge Arresters Using Early Streamer Emission Air Terminals

[9] Kutáč J. et al.: Pożar na stacji biopaliw Malšice. Elektro.info 2012 nr 5

[10] Pedersen A.E.: The result of: a court case concerning ESE devices, http://www.lightningsafety.com/nlsi_lhm/ESE_court_case.pdf

[11] PN-EN 50164-2:2010 Elementy urządzenia piorunochronnego (LPC ) – Część 2: Wymagania dotyczące przewodów i uziomów