4.6
Ochrana budov proti přepětí
Ochranu před bleskem řeší soubor norem ČSN EN 62 305, které jsou harmonizované s evropskými normami. Jsou v nich vymezeny základní pojmy a stanoveny postupy pro zajištění ochrany budov před bleskem.
4.6.1
Třídy ochrany LPS
Pro každý objekt je potřeba nejprve určit třídu rizika. Riziko je popsáno jako pravděpodobnost průměrných ročních ztrát. Na základě toho je možné zařadit objekt do určité třídy ochrany LPS (Lightning Protection System), viz tab. 8. Pro každou třídu ochrany LPS je stanovena velikost maximálního a minimálního bleskového výboje, před kterým musí být objekt ochráněn.
Třída LPS | Druh objektu | Maximálně [kA] | Minimálně [kA] |
I | Budovy s velmi náročnou výrobou, energetické zdroje, budovy s prostředím s nebezpečím výbuchu, provozovny s chemickou výrobou, nemocnice, jaderné elektrárny, automobilky, plynárny, vodárny, elektrárny, banky, stanice mobilních operátorů, výpočetní centra, řídící věže letiště. | 200 | 3 |
II | Supermarkety, muzea, rodinné domy s nadstandardní výbavou, katedrály, prostory s nebezpečím požáru (výroba a zpracování dřeva, barev, laků, plastů), stavby vyšší než 100 m, akvaparky, dřevostavby, operační a provozní pracoviště hasičů a policie, spediční sklady. | 150 | 5 |
III | Rodinné domy zděné, administrativní budovy, obytné budovy, zemědělské stavby. | 100 | 10 |
IV | Budovy stojící v ochranném prostoru jiných objektů (bez vlastního hromosvodu), obyčejné sklady, hospodářské budovy a haly bez výskytu osob a vnitřního vybavení. | 100 | 16 |
4.6.2
Zóny ochrany před bleskem LPZ
Norma vymezuje několik zón ochrany před bleskem, neboli LPZ (Lightning Protection Zone), z hlediska přímého a nepřímého účinku blesku. Každá zóna je charakterizována určitými podmínkami elektromagnetického pole. Na hranicích zón se tedy podmínky mění a je vhodné tam instalovat určitý typ přepěťové ochrany. Obecně platí, čím vyšší číslo zóny, tím nižší jsou parametry okolního elektromagnetického prostředí. Zóny LPZ jsou na obr. 34.
- LPZ0A představuje volné prostranství, kde je možnost přímého úderu blesku, LEMP je netlumený;
- LPZ0B je ochranný prostor jímače hromosvodu, prostor je tedy chráněn před přímým úderem blesku, ale může se projevit ještě stále netlumený LEMP;
- LPZ1 je vnitřek objektu (budovy), tento prostor není zasažen přímým úderem blesku a proudy ve všech vodivých částech jsou již značně redukovány oproti proudům v zónách 0A a 0B, elektromagnetické pole je tlumené, hranice mezi zónami 0 a 1 je obvykle plášť budovy;
- LPZ2 je zóna s dalším útlumem LEMP v souvislosti s dalším stupněm odstínění (hranicí bývá místo, kde se mění impedance přívodního vedení, tedy např. rozvaděč);
- LPZ3 představuje tzv. vnitřek kovové skříně, což už může být chráněný spotřebič. V této zóně je nejvyšší stupeň ochrany před LEMP.
Obr. 34. Zóny ochrany před bleskem LPZ
4.6.3
Ochranná opatření
Pro ochranu před bleskem a přepětím se používají v zásadě dva systémy:
- vnější – hromosvodní ochrana;
- vnitřní – ekvipotenciální pospojování a přepěťové ochrany.
Základním ochranným opatřením pro vnitřní systém je ekvipotenciální pospojování všech vodivých částí v objektu na ochranné ekvipotenciální přípojnici, čímž dojde k vyrovnání jejich potenciálů. Ekvipotenciální přípojnice je spojena se systémem uzemnění a jsou k ní připojeny uzemněné části veškerých vedení přicházejících do objektu (ochranné vodiče silových kabelů, pláště kabelů, stínění sdělovacích vedení, potrubí). Aby při úderu blesku nevznikala nebezpečná napětí mezi uzemněnými částmi a živými vodiči, připojují se vodiče k ochranné ekvipotenciální přípojnici přes svodiče přepětí.
Pro budovy se používají tři stupně přepěťových ochran (T1, T2 a T3), viz kap. 4.7.
4.6.4
Hromosvodní ochrana
Úkolem hromosvodní ochrany je snižování rizik škod způsobených bleskem a ochrana proti přepětí. ČSN EN 62 305-3 se zabývá návrhem hromosvodu.
Základní části hromosvodu jsou:
- Jímací zařízení umístěné na střeše.
- Svody, které zajišťují vodivé připojení jímacího zařízení na uzemnění. Pro jeden tyčový jímač je možné provést jeden svod. Ovšem v řadě případů jeden jímač nepokryje dostatečně celý chráněný prostor, proto se často ještě přidávají pomocné jímače. Počet svodů se také navrhuje s ohledem na možnou elektromagnetickou indukci do kovových vedení v objektu.
- Uzemnění pro přechod blesku do země – tvoří ho zemniče a zemnící vedení. Přechodový odpor mezi zemničem a prostředím, a zrovna tak odpor zemniče, by měl být minimální. Obvykle se za dostačující považuje odpor do 10 Ω. Pro nové stavby se provádí základový zemnič, který je zalitý do betonu pod budovou v celé ploše jejího půdorysu.
Při bouřce (nebo obdobných atmosférických podmínkách) vzrůstá intenzita elektrického pole mezi zemí a mrakem. Bouřkové mraky vznikají obvykle ve výšce 2 až 5 km a bývají poměrně rozsáhlé (výška 5 až 12 km, průměr 5 až 10 km). V bouřkových mracích dochází k oddělení elektrických nábojů. Kladně nabité částečky jsou zpravidla nahoře a dole jsou záporné náboje. Z fyzikálního hlediska můžeme považovat bouřkový mrak za obrovský elektrostatický generátor, kde je každá buňka schopná produkovat průměrně 2 – 4 blesky za minutu, které vznikají při intenzitě elektrického pole řádově stovky kV/m. Mezi mrakem a zemí je oblast rozptýleného kladného náboje, napětí zde dosahuje až 105 voltů. Mohou nastat čtyři případy výboje: pozitivní a negativní buď od mraku k zemi, nebo od země k mraku. V naší zeměpisné poloze je nejčastější negativní blesk mrak – země, což znamená, že blesk míří od záporně nabitého mraku ke kladně nabité zemi.
Ze záporného centra náboje ve spodní části mraku se posouvá k zemi vysokou rychlostí (až 300 km/s) tzv. vůdčí výboj, který má válcovitý tvar o průměru v řádu desítek metrů. Uvnitř něj je plazmové jádro o průměru kolem 1 m. Když se přiblíží k zemi na vzdálenost několika desítek až stovek metrů, zvýší se na vrcholech blízkých objektů intenzita elektrického pole natolik, že dojde k překročení elektrické pevnosti vzduchu a vzhůru vyrazí vstřícný výboj, který se setká se sestupujícím vůdčím výbojem. Tím je určena dráha blesku a místo úderu.
Negativní výboj mezi mrakem a zemí je velmi rychlý, do 50 μs dosáhne svého maxima a dozní obvykle do 20 μs.
Zajímavost
Podle statistik probíhá na Zemi najednou zhruba až 5 000 bouřek. Průměrný proud blesku se odhaduje na 20 kA. Byly však zaznamenány i blesky o proudu až 200 kA.
Základním úkolem hromosvodu je spolehlivé svedení přímého úderu blesku do země tak, aby se zamezilo nebezpečným přeskokům na vodivé části v objektu. Jímací systém a svody vyrovnávají potenciál všech vodivých stavebních částí a technologických zařízení objektu jejich připojením na společnou uzemňovací soustavu.
Hromosvody dělíme do 2 kategorií:
- klasický „pasivní“ hromosvod;
- aktivní hromosvod, který vysíláním pulsů vytváří preferenční cestu pro svedení případného blesku. Funguje na principu nabíjení kondenzátoru a násobiče napětí. Pomocí napájecího zařízení vysílá do okolí vysokonapěťový signál s určitou frekvencí, amplitudou a opačnou polaritou, než je polarita mraku. Tím „nabízí“ vzestupnou cestu k sestupné dráze úderu blesku. To se též označuje jako urychlené vyvolání vstřícného výboje – ESE (Early Streamer Emission).
Hromosvod může být umístěn přímo na chráněném objektu, nebo může být oddálený, což znamená, že je s chráněným objektem spojený distanční tyčí.
Pro hromosvodní soustavu se používají následující materiály:
- v žáru pozinkovaná ocel (FeZn) – je odolná proti korozi, používá se hlavně na zemniče;
- FeZn s PVC pláštěm pro uložení do omítky, používá se pro průchody zdí a kryté svody;
- měď, která je dražší, ale značně odolná proti korozi;
- hliník také nekoroduje, nedoporučuje se ale v zemi a betonu, ani pro velké namáhání;
- slitina AlMgSi0,5, která má velmi dobré vlastnosti;
- nerezová ocel pro spojovací a upevňovací materiály, dráty, pásky.
Metody pro návrh hromosvodní ochrany dle normy [18]:
- Metoda ochranného úhlu, ve které se počítá ochranný úhel pomocí výšky budovy tak, aby objekt ochránil. Jímač na střeše je tvořen svislou částí (stožárem) a částí vodorovnou (vodič). Metoda vychází z toho, že svislý jímač (stožár) vytváří kolem sebe ochranný prostor ve tvaru kužele, jehož vrcholový úhel je právě ochranný úhel, a vodorovný vodič zajišťuje ochranný prostor ve tvaru půdy pod sedlovou střechou, jejíž sklon je opět určen ochranným úhlem. Obecně platí, že čím je ochranný úhel menší, tím je ochranný prostor bezpečnější. Návrh jímací soustavy pak spočívá ve vhodném uspořádání svislých a vodorovných vodičů, aby při určitém vypočítaném ochranném úhlu ochranné prostory soustavy pokryly celý objekt.
- Metoda valící se koule je založena na odvalování kolem daného poloměru. Poloměr koule se stanovuje dle hladin ochrany před bleskem LPS, viz tab. 9. Metoda vychází ze zjednodušeného elektromechanického modelu pro dráhu blesku, podle kterého se dráha blesku posouvá od čela blesku do míst tvořících kulovou plochu se středem v čele blesku. Po objektu se tedy virtuálně (nejlépe pomocí softwarového programu) odvaluje koule příslušného poloměru opsaná z místa ve volném nechráněném prostoru a tam, kde se objektu dotkne, může do objektu uhodit blesk. Cílem je navrhnout jímací soustavu tak, aby se koule dotýkala pouze jímačů.
- Metoda mřížové soustavy je vhodná pro objekty s plochou střechou. Ze střechy ale nesmí nic vyčnívat o více než 0,5 m. Pro jednotlivé třídy LPS je spočítáno, jaké rozměry mohou mít oka mříže. Např. pro objekty v LPS I je to maximálně 5x5 metrů.
Třída LPS | Poloměr valící se koule [m] |
I | 20 |
II | 30 |
III | 45 |
IV | 60 |