Elementy urządzenia piorunochronnego powinny zapewnić niezawodną ochronę obiektów budowlanych przed działaniem prądu piorunowego. Spełnienie takich warunków wymaga przeprowadzenia przez producentów badań, podczas których w laboratoriach symulowane są zagrożenia stwarzane przez przepływ prądu piorunowego.

Poprawne zaprojektowanie i wykonanie urządzenia piorunochronnego na obiekcie budowlanym staje się sprawą coraz bardziej skomplikowaną. Rosną wymagania dotyczące zarówno estetyki jego wykonania, jak i trwałości oraz pewności działania poszczególnych elementów urządzenia piorunochronnego podczas bezpośredniego wyładowania piorunowego w obiekt budowlany. Podczas takiego zjawiska poszczególne elementy urządzenia piorunochronnego mogą być narażone na:
• erozję termiczną w miejscu kontaktu przewodu z kanałem wyładowania piorunowego,
• rozżarzenie przewodów wywołane przez przepływ prądu piorunowego,
• działania dynamiczne pomiędzy przewodami, w których płynie prąd piorunowy.

Rys. 1. Zaniedbane elementy instalacji odgromowej na dachach obiektów budowlanych

Błędy wykonawcze i zaniedbania

Niestety, częste są jeszcze przypadki lekceważenia zagadnień ochrony odgromowej. Wśród podstawowych przyczyn takiego podejścia należy wymienić:
• niewielkie, w naszym klimacie, prawdopodobieństwo bezpośredniego wyładowania piorunowego w obiekt budowlany i stosunkowo rzadką weryfikację poprawnego rozwiązania i wykonania urządzenia piorunochronnego,
• istniejące przekonanie, że projekt i montaż urządzenia piorunochronnego jest prostą sprawą i może być ono wykonane przez dowolną, często przypadkową firmę,
• częste kłopoty finansowe inwestorów w końcowej fazie budowy obiektu, w której montowane jest urządzenie piorunochronne, i poszukiwanie najtańszych materiałów oraz wykonawców.
Wzrostowi wymagań stawianych przed projektantami i wykonawcami urządzeń piorunochronnych musi towarzyszyć dostępność do różnorodnych i pewnych w działaniu elementów urządzenia piorunochronnego. W przeciwnym wypadku na obiekcie budowlanym tworzony jest układ przewodów, który:
• nie spełnia swojego podstawowego zadania, jakim jest ochrona obiektu, ludzi oraz urządzeń przed zagrożeniami wywołanymi przez prąd piorunowy,
• swoim wyglądem szpeci chroniony obiekt.
Niska jakość elementów bardzo często połączona jest także z brakiem konserwacji urządzenia piorunochronnego, co dodatkowo obniża estetykę budynku (rys. 1).
W przeciwieństwie do łatwo widocznych skutków zastosowania złej jakości elementów, bardziej skomplikowana jest ocena skuteczności ochrony urządzenia piorunochronnego oraz ustalenie, że zastosowane elementy wytrzymają przepływ prądu piorunowego. Stworzenie pewnego i niezawodnego urządzenia piorunochronnego wymaga zastosowania produktów, które przeszły badania laboratoryjne symulujące zagrożenie stwarzane podczas bezpośredniego oddziaływania prądu udarowego.

Rys. 2. Przykładowe układy połączeń przewodów podczas badań złączek na działanie prądu udarowego

Badania elementów połączeniowych

Do opracowania badań sym ulujących występujące zagrożenie piorunowe wykorzystane zostały wyniki analiz teoretycznych, pomiarów laboratoryjnych oraz obserwacji prowadzonych podczas bezpośrednich wyładowań w urządzenia piorunochronne. W celu ujednolicenia zakresów badań laboratoryjnych poszczególnych elementów stosowanych do budowy urządzeń piorunochronnych (wsporniki ścienne, uziomy, złączki, liczniki impulsów, studzienki rewizyjne itd.) opracowano wieloczęściową normę EN 50164, określającą wymagania i sposoby prowadzania pomiarów. Części normy, zawierające zasady prowadzenia badań poszczególnych elementów urządzenia piorunochronnego, zestawiono poniżej:
• PN-EN 50164-1: 2009, Elementy urządzenia piorunochronnego (LPS) – Część 1: Wymagania stawiane elementom połączeniowym (oryg.),
• PN-EN 50164-2: 2009, Elementy urządzenia piorunochronnego (LPC) – Część 2: Wymagania dotyczące przewodów i uziomów (oryg.),
• PN-EN 50164-3: 2007, Elementy urządzenia piorunochronnego (LPC) – Część 3: Wymagania dotyczące iskierników izolacyjnych (oryg.),
• PN-EN 50164-4: 2009, Elementy urządzenia piorunochronnego (LPC) – Część 4: Wymagania dotyczące elementów mocujących przewody (oryg.),
• PN-EN 50164-5: 2009, Elementy urządzenia piorunochronnego (LPC) – Część 5: Wymagania dotyczące uziomowych studzienek kontrolnych i ich uszczelnień (oryg.),
• PN-EN 50164-6: 2009, Elementy urządzenia piorunochronnego (LPC) – Część 6: Wymagania dotyczące liczników udarów piorunowych (oryg.),
• PN-EN 50164-7: 2009, Elementy urządzenia piorunochronnego (LPC) – Część 7: Wymagania dotyczące środków polepszających uziemienie (oryg.).

Warunki badania
Zakres badań metalowych elementów połączeniowych, które stanowią części urządzenia piorunochronnego LPS (Lightning Protection System), takich jak złączki, elementy łączące i mostkujące, elementy rozprężane i złącza pomiarowe, zawarto w PN-EN 50164-1. Zgodnie z zaproponowanymi procedurami badawczymi, we wstępnej fazie elementy LPS należy poddać kondycjonowaniu / starzeniu obejmującemu oddziaływanie mgły solnej, a następnie oddziaływaniu wilgotnej atmosfery siarki. Dodatkowo, w przypadku próbek wykonanych ze stopu miedzi z zawartością miedzi mniejszą niż 80%, są one poddawane oddziaływaniu atmosfery amoniakalnej. Po zakończeniu oddziaływań kondycjonujących, badany element, bez oczyszczenia, powinien być trzykrotnie poddany działaniu prądu o parametrach zamieszczonych w tablicy 1.

Prąd probierczy jest definiowany przez wartość szczytową Imax, energię właściwą W/R, czas czoła T₁ i czas trwania t_d. Parametry prądu udarowego zamieszczone w tablicy 1 można osiągnąć stosując prąd udarowy o kształcie 10/350 µs (czas czoła T₁ = 10 µs i czas do półszczytu T₂ = 350 µs), który jest zgodny z zaleceniami normy ochrony odgromowej EN 62305-1. Do wytworzenia prądu udarowego można zastosować typowy generator prądowy. Przykładowe schematy zastępcze takich generatorów przedstawiono w tabeli 2. Odstęp czasu pomiędzy poszczególnymi impulsami prądów udarowych powinien umożliwić ochłodzenie próbki do mniej więcej temperatury otoczenia.

Wyniki
Element połączeniowy uważa się za spełniający wymagania badań z wynikiem pozytywnym, jeśli:
• rezystancja połączenia mierzona przy prądzie o wartości co najmniej 10 A, możliwie jak najbliżej miejsca połączenia, jest równa lub mniejsza 1 mΩ, tylko w szczególnym przypadku – dla stali nierdzewnej 2,5 mΩ,
• nie wykazuje on żadnych uszkodzeń zauważalnych gołym okiem, bez zastosowania powiększenia, ani nie ma części poluzowanych lub zdeformowanych pogarszających warunki normalnej eksploatacji,
• dla połączeń skręcanych moment obrotowy luzowania jest większy niż 0,25 i mniejszy niż 1,5 wartości momentu obrotowego stosowanego przy dokręcaniu. W przypadku połączeń wykonanych za pomocą więcej niż jednej śruby dla niniejszej próby ważny jest moment obrotowy luzowania pierwszej śruby.

Rys. 3. Badanie elementów urządzenia piorunochronnego: a – widok generatora stosowanego do prób, b – element przed badaniem, c – element po badaniu

W celu otrzymania jednoznacznych wyników dokładnie określono układy połączeń przewodów podczas badania oddziaływania prądu udarowego na złączki (rys. 2). Widok ogólny generatora probierczego oraz układu połączeń przewodów i badanych elementów przedstawiono na rys. 3. Poszczególne typy złączek, w zależności od swojego przeznaczenia, badane są w różnych układach połączeń (rys. 4).
Kompletne wykonanie badań dla jednego typu złączki nie jest tanie. Koszt testu przeprowadzonego w laboratoriach krajów Unii Europejskiej może przekroczyć nawet 1000 euro.

Rys. 4. Przykładowe układy połączeń stosowane w badaniach różnorodnych uchwytów na oddziaływanie sił elektrodynamicznych wywołanych przez przepływ prądu udarowego

Wymagania norm

Należy zauważyć, że problem jakości złączek i innych elementów konstrukcyjnych LPS będzie pojawiał się w projektach coraz częściej, ponieważ normy serii PN-EN 62305 [1, 2, 3, 4] dotyczące ochrony odgromowej są bardziej rygorystyczne w porównaniu do wycofanych przez PKN w roku 2009 norm serii PN-/E05003 [5, 6, 7] oraz PN-IEC 61024 [8, 9]. Zalecenia dla projektantów i wykonawców zawarte zostały w trzecim arkuszu normy PN-EN 62305-3 i dodatkowo w ustanowionej w maju 2009 r. przez PKN zmianie A11 do PN-EN 62305-3. W normie PN-EN 62305-3 charakteryzując właściwości LPS stwierdzono, że elementy LPS powinny wytrzymać skutki elektrodynamiczne prądu pioruna i przewidywane przypadkowe naprężenia bez ulegania uszkodzeniu (pkt 5.5). Podobny zapis: Elementy LPS powinny wytrzymać bez uszkodzenia elektromagnetyczne skutki prądu pioruna i przewidywane przypadkowe naprężenia pojawia się w punkcie E.5.5. Jednocześnie wskazuje się, że można to osiągnąć przez dobór elementów, które przeszły pomyślnie badania zgodne z normą wieloczęściową EN 50164. Kolejny zapis w tym punkcie jest już, biorąc pod uwagę reguły normalizacyjne, nakazem i stwierdza, że wszystkie elementy powinny odpowiadać normie wieloczęściowej EN50164. Podobnie stanowi zapis w punkcie E.5.6.2 mówiący, że materiały i komponenty stosowane do budowy LPS (zaciski i pręty) winny spełniać wymagania wieloarkuszowej normy PN-EN 50164.
Szczególna rola, według zapisów regulacji, przypada projektantom i wykonawcom, którzy powinni (pkt. E.5.6.1):
• zweryfikować właściwości użytych materiałów. Można to osiągnąć, na przykład, żądając certyfikatów probierczych i raportów od producentów, wykazujących, że materiały przeszły pomyślenie próby jakości,
• wyszczególnić elementy połączeń i mocować, które mają wytrzymać siły elektrodynamiczne prądu pioruna w przewodach i pozwolić również na rozciąganie i kurczenie przewodów wskutek stosownego wzrostu temperatury wg normy wieloczęściowej EN 50164.
W zmianie A11 wprowadzonej do PN-EN 62305-3 dodatkowo stwierdzono, że urządzenie piorunochronne wytrzyma skutki przepływu prądu piorunowego, jeśli do jego wykonania zastosowane zostaną elementy, które przeszły pomyślnie badania prowadzone zgodnie z wymaganiami wieloarkuszowej normy EN-50164.

Podsumowanie

Montując urządzenie piorunochronne z elementów badanych zgodnie z zaleceniami norm i posiadających odpowiednią certyfikację, można zapewnić ochronę obiektu i uniknąć sytuacji, w której układy mające zapewnić bezpieczeństwo nie tylko nie spełnią swojego zadania, ale jako pierwsze ulegną uszkodzeniu. Dodatkowo należy zwrócić uwagę na jakość i estetykę wykonania urządzenia piorunochronnego na obiekcie budowlanym.

Andrzej Sowa
Autor jest pracownikiem naukowym
Politechniki Białostockiej

Krzysztof Wincencik
Autor jest pracownikiem
firmy Dehn Polska

Literatura:
[1] PN-EN 62305-1: 2008, Ochrona odgromowa – Część 1: Wymagania 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 budowlanych i zagrożenie życia.
[4] PN-EN 62305-4: 2009, Ochrona odgromowa – Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach budowlanych.
[5] PN-86/E-05003/01: Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Wymagania ogólne.
[6] PN-89/E-05003/03 Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Ochrona obostrzona.
[7] PN-92/E-05003/04: Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Ochrona specjalna.
[8] PN-IEC 61024-1: 2001, Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne (oraz Poprawka PN-IEC 61024-1: 2001/Ap1: 2002).
[9] PN-IEC 61024-1-2: 2002, Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. Przewodnik B – Projektowanie, montaż, konserwacja i sprawdzanie urządzeń piorunochronnych.
[10] Materiały informacyjne firmy Dehn.