Normy ochrony odgromowej stanowią zapisy historii techniki stosowanej do projektowania nowych instalacji odgromowych i dopuszczają nieskuteczność ochrony podstawowej nawet w przypadku 10% uderzeń. Nie przeszkadza to ani projektantom, ani naukowcom. Należy jednak pamiętać, że normy są dobrowolne i zawsze ustępują miejsca nowej technice – nowej wiedzy.
Moje wieloletnie doświadczenia w stosowaniu rozwiązań ochrony odgromowej, które do dziś funkcjonują ze skutecznością 100% skłaniają do porównania i pytania. Dlaczego jednak inne normalizowane rozwiązania ochrony odgromowej są tak nieskuteczne? Odpowiedź na to pytanie zawarłem w referacie wygłoszonym na Konferencji ELSAF 2011. W artykule przedstawiam skromny fragment referatu dotyczący Teorii Krytycznej Koncentracji Ostrzy Odgromowych z wnioskami.
Instalacja Franklina i jej modyfikacje
Podstawą każdej ochrony odgromowej jest klasyczna instalacja Franklina z ostrzem punktowym typu tyczka, którą Beniamin Franklin przedstawił 260 lat temu (rys. 1). Była to skuteczna ochrona obiektów współczesnych wynalazcy. Postęp w budownictwie spowodował potrzebę ochrony obiektów wielokrotnie większych niż te, które chroniła instalacja B. Franklina.
Do określenia przestrzeni chronionej stosuje się uproszczenie tzw. stożka ochrony, którego podstawę określa promień ochrony Rp od osi stożka – ostrza odgromowego. Układ stożka pojedynczego obejmuje wewnątrz przestrzeń chronioną do podstawy stożka. Potrzeba ochrony większej powierzchni wymusza zastosowanie wyższego ostrza h nad płaszczyzną chronioną.
Stosowane jest też inne rozwiązanie polegające na wielokrotnym powieleniu układu Franklina z domniemaniem, że będzie on funkcjonował jak wielokrotna kalka pojedynczego układu. Odległość ostrzy w układzie wieloostrzowym jest zazwyczaj większa od wysokości h, a to może być układ niebezpieczny, bo stwarza warunki opisane Teorią Krytycznej Koncentracji Ostrzy Odgromowych.
Teoria Krytycznej Koncentracji Ostrzy Odgromowych
Kilka lat temu zauważyłem, że uderzenia pioruna w obiekt chroniony trafiają czasami w miejsca otoczone instalacją, która ma chronić ten obiekt. Wówczas w oparciu o analizę różnic emisji streamera w układzie jedno- i wieloostrzowym powstał zarys teorii opisujący mechanizm takiego uderzenia piorunowego.
Stosowanie układu kilku ostrzy wokół jednego obiektu chronionego oparte jest na założeniu, że układ dwóch lub więcej ostrzy Franklina będzie tak samo działał jak pojedyncze ostrze, a ich funkcje i pola ochrony będą się pokrywały i uzupełniały, zachowując ciągłość ochrony.
Tak nie jest. Analizując proces sumowania się streamerów albo prościej analizując stożki emisji z ostrzy odgromowych (żółte pola) lokalnie skoncentrowanych, można zauważyć, że w określonej odległości pomiędzy ostrzami istnieją warunki większej przewodności powietrza. Spowodowane jest to wielopunktową emisją streamerów i występującym zagęszczeniem jonów pomiędzy tymi ostrzami. Uderzenie nastąpi w punkt, nad którym pojawi się największe zagęszczenie jonów, a powietrze ma największą przewodność elektryczną. Warunki takie mogą powstać pomiędzy ostrzami odgromowymi.
Teorię tę potwierdzają przypadki uderzeń pioruna w obiekt chroniony odgromowo kilkoma ostrzami wokół tego obiektu. Brak czynnika zakłócającego – wiatru – dokumentują fotografie palącego się zbiornika po uderzeniu piorunowym. Słup dymu potwierdza względnie statyczne powietrze nad zbiornikiem.
Zakłócenia w kształtowaniu się kanału piorunowego sprzyjają losowo procesowi ochrony, ale jest to raczej łut szczęścia, a nie reguła techniczna. W tym przypadku zabrakło czynnika zakłócającego i uderzenie nastąpiło w zbiornik.
Przypadki uderzeń omijających instalacje wielopunktowych ostrzy odgromowych potwierdzają występowanie zjawiska w warunkach krytycznej koncentracji ostrzy.
Wnioski – ostrzeżenia
Sytuacja jest poważna, bo podważa normowaną teorię ochrony, a dotyczy nie tylko układów wieloostrzowych, ale też ostrzy liniowych w układzie równoległym i tzw. siatki Faradaya.
Ta analiza wykazuje, że teoretyczne podstawy stosowania dużych układów odgromowych z siatką Faradaya mogą być technicznie wadliwe, a ochrona dużych powierzchni o przewodności powierzchniowej większej niż lokalnego powietrza nie powinna być stosowana. Wnioski te burzą fundament ochrony otokowej – jako skutecznej w zakresie deklarowanym normami.
Dlaczego nie jest to tak oczywiste? Czynniki takie jak wiatr, pył zakłócają proces fazy kształtowania się kanału piorunowego i dzięki temu następuje przesunięcie zjonizowanego powietrza. Wówczas piorun może uderzyć w jedno z kilku lokalnych ostrzy pasywnych.
Jeżeli jednak nie wystąpi dostatecznie silne zakłócenie czynnikiem zewnętrznym, pojawi się wysoka koncentracja jonów dodatnich z bardzo silnym streamerem pomiędzy ostrzami. Przesądzi to o kierunku trasowania i w efekcie wystąpi uderzenie piorunowe pomiędzy ostrza odgromowe.
Do czytelników należy decyzja, czy potraktować to jako wnioski, czy ostrzeżenie o zagrożeniu.
Polecam rozwiązania ochrony bez wielopunktowych ostrzy pasywnych. Osobiście stosuję instalacje odgromowe z ostrzem aktywnym SE i osiągam skuteczność ochrony 100%.
W kolejnych numerach magazynu Inteligentny Budynek będziemy kontynuować tematykę ochrony odgromowej. Czytelników zainteresowanych rozwiązywaniem konkretnych problemów zachęcamy do zadawania pytań pod adresem redakcji.
Autor: Krzysztof Mietelski, członek I.L.P.A. International Lightning Protection Association, Megatech PL
