Długoletnia bezpieczna praca instalacji zewnętrznej ochrony odgromowej zależy od jej zaprojektowania, wykonania zgodnie z wymaganiami norm i przepisów oraz od jakości wykorzystanych materiałów i elementów

Zadaniem zewnętrznej ochrony odgromowej obiektu budowlanego jest przyjęcie wyładowania piorunowego w obiekt, łącznie z wyładowaniami bocznymi, i bezpieczne odprowadzenie prądu pioruna do ziemi, bez szkody dla chronionego obiektu budowlanego i zagrożenia dla osób przebywających w tym obiekcie lub w jego pobliżu.

Ochrona odgromowa obiektu budowlanego obejmuje ochronę zewnętrzną przed bezpośrednim uderzeniem pioruna i ochronę wewnętrzną w celu ograniczenia możliwości wystąpienia przepięć wskutek przepływu prądu w zewnętrznej instalacji odgromowej i w innych częściach przewodzących chronionego obiektu.

Rys. 1. System zwodów odsuniętych – ochrona central klimatyzacyjno-wentylacyjnych za pomocą drążków izolacyjnych poziomych i pionowych. Montaż systemu bezpośrednio do urządzenia chronionego. Drążki izolacyjne AN-83G, AN-83F oraz osprzęt (fot. An-Kom)

1 – przestrzeń chroniona
2 – płaszczyzna odniesienia
R – promień toczącej się kuli
OC – promień chronionego obszaru
A – punkt na zwodzie poziomym
h – wysokość zwodu pionowego, wysokość zwodu poziomego nad płaszczyzną odniesienia
Rys.2. Przestrzeń chroniona przez zwód pionowy, maszt lub zwód poziomy wg, metody toczącej się kuli

Zewnętrzna ochrona odgromowa

Instalacja odgromowa obiektu budowlanego (LPS) (zewnętrzna ochrona odgromowa) składa się z części naziemnej w postaci:
• zwodów – przeznaczonych do bezpośredniego przyjęcia wyładowania piorunowego,
• przewodów odprowadzających – łączących część naziemną z częścią podziemną urządzenia piorunochronnego,
• przewodów uziemiających – łączących przewody odprowadzające z uziemieniem,
• uziomów – części metalowych lub ich zespołów umieszczonych w gruncie lub w fundamentach obiektu i służących do rozproszenia w ziemi prądu wyładowania piorunowego.

a – kąt ochrony zależy od poziomu ochrony odgromowej
1 – przestrzeń chroniona
2 – płaszczyzna odniesienia
H – wysokość zwodu
A – wierzchołek zwodu
B – C – podstawa przestrzeni chronionej
Rys. 3. Przestrzeń chroniona w stożku utworzonym przez pojedynczy punkt, np. wierzchołek A zwodu pionowego, zgodnie z metodą projektowania zwodów za pomocą kąta ochrony

Podstawowe kryteria zewnętrznej ochrony odgromowej obiektów budowlanych

Poziomy ochrony
W celu uzyskania optymalnych warunków ochrony określone są cztery klasy LPS (I, II, III i IV), będące zestawem cech konstrukcyjnych opartych na odpowiadających im poziomach ochrony odgromowej (LPL). Dla każdego LPL ustalono zestaw minimalnych i maksymalnych parametrów prądów pioruna. W tabeli 1 podane są parametry zagrożenia w zależności od poziomu ochrony odgromowej. Odpowiedni poziom ochrony odgromowej jest przyjmowany na podstawie analizy ryzyka wystąpienia szkody lub doświadczenia.

Zewnętrzna ochrona odgromowa – warunki podstawowe
W normie przyjęto, że poszczególnym poziomom ochrony LPL odpowiadają klasy LPS (tabela 2). Charakterystyka LPS zależy od właściwości obiektu chronionego i od przyjętego poziomu ochrony. Każda klasa ochrony LPS jest charakteryzowana przez parametry określające klasę (zależne od klasy LPS) i przez parametry niezależne od klasy LPS. Parametry zależne od klasy LPS, to: parametry pioruna, promień toczącej się kuli, wymiary siatki zwodów lub kąt ochrony, odległość między przewodami odprowadzającymi i uziemieniem otokowym, minimalna długość. Parametry niezależne od klasy LPS obejmują materiały i wymiary elementów LPS.

Rys. 4. Ochrona odgromowa anteny satelitarnej – elementy instalacji firmy OBO Bettermann

Rys. 5. Ochrona odgromowa rurociągu zrealizowana za pomocą rozwiązań firmy Elko-Bis

Zwody
Zwody instalacji piorunochronnej mogą być mocowane do chronionego obiektu budowlanego (zwody nieizolowane) lub instalowane obok niego, tzw. zwody izolowane. Zwody izolowane stosowane są wtedy, gdy cieplne skutki przepływu prądu pioruna     mogą powodować uszkodzenie chronionego obiektu lub jego zawartości, a także gdy wymagana jest redukcja pola elektromagnetycznego.
Zwodami mogą być przewodzące części obiektu budowlanego, nazywane zwodami naturalnymi, lub przewody albo konstrukcje metalowe umieszczone na obiekcie budowlanym lub obok niego tylko w celu ochrony odgromowej – tzw. zwody sztuczne. Zwody sztuczne wykonuje się wtedy, gdy przewodzące struktury budowlane nie mogą być wykorzystywane, np. z powodu ich nieciągłości. W większości obiektów budowlanych są to zwody poziome niskie, tworzące na dachu budynku siatkę o odpowiednich wymiarach ok. Zwody niskie mogą być instalowane bezpośrednio na powierzchni dachu lub w pewnej odległości ponad nim, pod warunkiem, że przepływ prądu piorunowego nie spowoduje cieplnych uszkodzeń pokrycia dachowego. Na dachach z pokryciem z materiałów nieprzewodzących zwody mogą być tworzone z dowolnych kombinacji prętów lub drutów ułożonych w postaci siatki o wymaganych wymiarach pojedynczego oka.
We wcześniejszych normach zalecano łączenie ze zwodami instalacji piorunochronnej wszelkich metalowych przedmiotów, konstrukcji i części na dachach obiektów budowlanych. Takie połączenia podczas bezpośredniego wyładowania atmosferycznego mogą spowodować wpłynięcie części prądu piorunowego do instalacji wewnętrznych chronionego obiektu. Jednym ze sposobów uniknięcia takiej sytuacji jest zastosowanie do ochrony przedmiotów na dachach obiektów budowlanych zwodów pionowych. Zasady tworzenia stref ochronny zwodów pionowych lub zespołów zwodów podane są w normie [3]. Zwody pionowe powinny tworzyć strefę ochronną oraz uniemożliwić przeskoki iskrowe między zwodami lub przewodami instalacji piorunochronnej i chronionymi urządzeniami.

Rys. 6. Zwód poziomy podwyższony izolowany – ochrona obiektu oraz urządzeń znajdujących się na dachu. Zwód poziomy podwyższony został wyizolowany za pomocą wspornika izolacyjnego pionowego. W ten sposób wyeliminowano możliwość przeskoków prądu pioruna do chronionych urządzeń oraz konstrukcji obiektu. Maszty seria AN-82, AN-83 (fot. An-Kom)

Strefy ochronne zwodów
W większości przypadków obiekty budowlane chronione są zwodami nieizolowanymi. Powinny być one instalowane w narożnikach budynku, w miejscach wystających ponad fasadę obiektu oraz w pobliżu wszelkich urządzeń i elementów umieszczonych na dachach zgodnie z jedną lub większą liczbą następujących metod (metod ochrony), określających pozycję zwodów na chronionym obiekcie (strefy ochronne):
• toczącej się kuli,
• kątów ochrony,
• wymiarów oczek siatki zwodów.
Metoda toczącej się kuli jest odpowiednia we wszystkich przypadkach (rys. 2). Metoda kątów ochrony (rys. 3) jest odpowiednia przy ochronie pojedynczych budynków, zbiorników lub innych urządzeń wolnostojących oraz elementów lub urządzeń na dachach obiektów budowlanych, zaś metoda wymiarów siatki zwodów jest właściwa przy ochronie płaskich powierzchni, np. płaskich dachów.
Przy wyznaczaniu wysokości zwodów pionowych i strefy chronionej metodą promienia toczącej się kuli określa się długość promienia w zależności od przyjętego poziomu ochrony odgromowej obiektu (tabela 3). Metodę tę można stosować do wyznaczania wysokości zwodów pionowych pojedynczych, zespołów zwodów, zwodów na dachach budynków chroniących nadbudówki lub urządzenia techniczne zainstalowane na dachu, stref ochronnych budynków z instalacją odgromową itp.
Przy wyznaczaniu wysokości zwodów pionowych, np. do ochrony urządzeń i nadbudówek na dachach budynków, kąty ochrony ustala się z krzywych podanych w normie w zależności od poziomu ochrony odgromowej obiektu. Przy powszechnie stosowanych zwodach pionowych o wysokości do 3 m kąty ochrony podane są w tabeli 4. Przy układaniu siatki zwodów poziomych niskich na dachach płaskich wymiary boków ok siatki zależą od poziomu ochrony obiektu – tabela 5.

Przewody odprowadzające
Liczba przewodów odprowadzających wynika z wielkości chronionego obiektu ale w żadnym przypadku nie może być mniejsza od 2. Drogi prądu piorunowego powinny być jak najkrótsze, bez pętli. Odległości między przewodami odprowadzającymi zależą od poziomu ochrony, są podane w tabeli 6. Przewody odprowadzające powinny być instalowane w pobliżu narożników obiektu budowlanego. W celu uzyskania optymalnego rozpływu prądu piorunowego konieczne jest równomierne rozmieszczenie przewodów odprowadzających wzdłuż obwodu zewnętrznych ścian obiektu chronionego.

Rys. 7. Prawidłowe połączenie uziomu naturalnego fundamentowego z uziomem sztucznym pomiedziowanym firmy Galmar

Rys. 8. Drut bimtaliczny – miedziany z rdzeniem stalowym, o właściwościach elektrycznych drutu miedzianego i mechanicznych drutu stalowego. Nie rdzewieje i jest korzystniejszy cenowo od produktu z czystej miedzi (fot. FHU Partner)

Odstępy izolacyjne
Jeżeli istnieje odpowiednio duża odległość między zwodami i przewodami odprowadzającymi, którymi płynie prąd piorunowy, a metalowymi elementami budynku, np. zbrojeniami, instalacjami metalowymi, urządzeniami, to powstawanie iskier jest praktycznie niemożliwe. Odległość ta stanowi odstęp izolacyjny „s” obliczany metodami podanymi w normie.

Rys. 9. Puszka do złącza odgromowego firmy Pawbol. Dzięki płynnej regulacji głębokości można ją dostosować do każdej grubości elewacji budynku

Rys. 10. Szyna wyrównania potencjałów firmy OBO Bettermann

Uziemienia
Rozróżnia się trzy sposoby wykonywania uziomów do uziemień:
• uziom pionowy – uziom, który z zasady montowany jest pionowo w gruncie, często na dużych głębokościach; jest to najprostsze rozwiązanie przy wykonywaniu instalacji odgromowych,
• uziom otokowy – uziom poziomy układany w gruncie w odległości 1 m od fundamentu chronionego obiektu na głębokości co najmniej 0,5 m,
• uziom fundamentowy – uziom, który jest umieszczany w nowo wykonywanym fundamencie betonowym obiektu budowlanego; jest on uznawany za uziom odgromowy, jeżeli z fundamentu wyprowadzone są metalowe końcówki do połączenia z przewodami odprowadzającymi.
Rezystancja uziemienia uziomów powinna być możliwie jak najmniejsza, ale nie może być większa od 10 Ω. Uziemienia mogą być typu A lub typu B.
Uziemienia typu A obejmują uziomy (elektrody) płaskie lub pionowe instalowane na zewnątrz obiektu chronionego, połączone z każdym przewodem odprowadzającym. Liczba uziomów nie może być mniejsza niż 2. Minimalna długość elektrod l₁ zależy od klasy LPS i od rezystywności gruntu. Klasy III i IV nie zależą od rezystywności gruntu.
Minimalna długość każdej ziemnej elektrody (uziomu) nie może być mniejsza od długości bazowej:
• l₁ – uziomów poziomych,
• 0,5 l₁ – uziomów pionowych.
Długość l₁ przy poziomym ułożeniu ustala się za pomocą krzywych podanych w normie. Minimalna długość określona z wykresu może być zignorowana pod warunkiem, że rezystancja uziemienia uziomu będzie mniejsza od 10 Ω. Zmniejszenie rezystancji uziemienia uziomu jest możliwe przy jego długości większej od 60 m.
Uziemienia typu B to uziomy otokowe, fundamentowe i kratowe. Przy uziomach otokowych lub fundamentowych średni promień re obszaru zamkniętego przez uziom otokowy lub fundamentowy nie powinien być mniejszy niż wartość l₁:
r_e ≥ l₁
gdzie l1 jest określona z wykresu podanego w normie.
Gdy wymagana wartość l1 jest mniejsza niż re, to uziemienie powinno być uzupełnione uziomami poziomymi o długości:
l_r = l₁ – r_e
lub pionowymi o długości
l_r = (l₁ – r_e) / 2
Liczba elektrod nie powinna być mniejsza od liczby przewodów odprowadzających – minimum 2. Połączenie z dodatkowymi elektrodami powinno być wykonane w tych samych miejscach co połączenia z przewodami odprowadzającymi, w miarę możliwości w równych odstępach. Długość uziomu otokowego (typu B) nie powinna być mniejsza niż 5 m. Uziom otokowy powinien być układany w odległości około 1 m od zewnętrznych ścian chronionego obiektu. Uziomy pionowe i poziome (typu A) powinny być umieszczane na głębokości nie mniejszej niż 0,5 m.
Uziemienie może być wykonane w jeden z podanych sposobów lub z ich kombinacji. Każdy system uziomowy musi być połączony z szyną wyrównywania potencjałów chronionego budynku.

Rys. 11. Elementy osprzętu odgromowego firmy Erico:
a – złączka nierdzewna i złączka miedziana zaprojektowana do dachów gontowych, pozwala prowadzić drut w bezpiecznej odległości od poszycia dachu,
b – kompletne złącze krzyżowe nierdzewne do łączenia uziomów prętowych pomiedziowanych Erico z bednarką (do szer. 40 mm) lub drutem (do  średnicy 10 mm)
(fot. FHU Partner)

Wyrównywanie potencjałów
Jednym z podstawowych zadań instalacji odgromowej obiektu budowlanego jest wyrównywanie potencjałów między uziomami i między uziemionymi punktami wewnątrz obiektu budowlanego. System wyrównywania potencjałów powinien zapewnić:
• niedopuszczenie do przeskoków iskrowych w wyniku wyładowań atmosferycznych,
• skuteczne działanie układów ochrony przed przepięciami.
Rozróżnia się dwa rodzaje połączeń wyrównawczych: połączenia bezpośrednie przewodowe i połączenia za pomocą SPD (ograniczników przepięć). Z uziomem lub z szyną wyrównawczą powinny być bezpośrednio połączone: zbrojenia budynku, kanały kablowe, szyny dźwigów, metalowe ramy okienne i ościeżnice drzwi oraz wszelkie inne elementy metalowe znajdujące się w obiekcie.
Podstawowym wymaganiem jest połączenie z szyną wyrównawczą potencjałów w miejscu wprowadzenia do obiektu wszelkich instalacji metalowych: wodociągowych, gazowych, rur ciepłowniczych itp., instalacji elektrycznych, telekomunikacyjnych, systemów informatycznych. Metalowe rury osłonowe przewodów i ekrany łączy się z szyną wyrównawczą bezpośrednio, natomiast żyły przewodów będące w stosunku do ziemi pod napięciem łączy się za pomocą iskiernikowych ograniczników przepięć. Niekiedy na połączenie instalacji z szyną wyrównawczą potrzebne jest uzyskanie zgody właściciela tej instalacji, np. instalacji gazowych.

Rys. 12. Uziom składany, ze stali cynkowanej ogniowo. W komplecie 3-płytkowe złącze kontrolne ze śrubą M10 pozwalające łatwo podłączyć uziom do pozostałej części instalacji odgromowej (fot. Pawbol)

Rys. 13. Wazelina techniczna chroni elementy osprzętu odgromowego przed działaniem czynników atmosferycznych (fot. Elko-Bis)

Osprzęt odgromowy

Do budowy systemów zwodów i uziemień wykorzystywane są materiały przewodowe i konstrukcyjne – druty, taśmy, pręty, elementy mocujące, łączące, krzyżujące itp. Podstawowym warunkiem ich długotrwałego, skutecznego funkcjonowania jest trwałość użytych materiałów. Parametr ten pozwala na uzyskanie niezmiennego poziomu zabezpieczenia przez cały okres eksploatacji. Osprzęt do instalacji odgromowych wykonywany jest zazwyczaj ze stali węglowej. Aby uzyskać jego odpowiednią odporność korozyjną stosuje się cynkowanie ogniowe (zanurzanie w roztopionym cynku), galwaniczne w procesie elektrolizy, miedziowanie elektrolityczne lub metodą bezprądową.
Rodzajem osprzętu do instalacji odgromowych są iskierniki izolacyjne (separacyjne). Mogą być użyte do pośredniego połączenia urządzenia piorunochronnego z innym pobliskim urządzeniem metalowym, którego połączenie bezpośrednie jest, ze względów funkcjonalnych, niedopuszczalne. Do typowych zastosowań iskierników izolacyjnych należą połączenia z uziomami instalacji elektroenergetycznych i telekomunikacyjnych, z uziomami pomocniczymi pobudzanych napięciowo wyłączników zwarć doziemnych, z urządzeniami wyposażonymi w ochronę katodową bierną, ze słupami wprowadzanych do obiektu budowlanego linii napowietrznych. W instalacjach technologicznych iskiernikami izolacyjnymi bocznikuje się kołnierze i wstawki izolacyjne w rurociągach.
Zestawienie najważniejszych elementów wykorzystywanych do budowy części naziemnej instalacji odgromowej zawiera tabela 7.

Uziomy
Do celów ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej należy w pierwszej kolejności wykorzystywać uziomy naturalne. Tam, gdzie nie mogą być wykorzystywane uziomy naturalne lub jest to niecelowe, należy stosować uziomy sztuczne. Powinny one być wykonywane ze stali, o przekroju 80 mm², lub z miedzi, o przekroju 50 mm², jako poziome otokowe, promieniowe, pionowe lub fundamentowe. W obiektach nowobudowanych zalecane są uziomy fundamentowe.
Do wykonywania systemów uziomowych, których elementy narażone są na silne działania korozyjne gruntu, stosuje się materiały i osprzęt miedziany lub stalowy pokryty miedzią albo cynkowany ogniowo. Przykładem mogą być uziomy pionowe z prętów miedzianych lub stalowych z powłoką miedzianą, połączone termicznie z przewodami uziemiającymi miedzianymi. Sztuczne uziomy fundamentowe są rodzajem uziomów otokowych. Układane w dolnej warstwie ławy fundamentowej pod ścianami zewnętrznymi umożliwiają wyrównywanie potencjałów wewnątrz obiektu budowlanego oraz uzyskanie niewielkich wartości rezystancji uziemienia uziomów. Do wykonywania uziomów fundamentowych stosuje się zazwyczaj płaskownik stalowy ocynkowany. Żelazo w betonie ma w przybliżeniu taki sam potencjał galwaniczny szeregu elektrochemicznego, jak miedź w gruncie. Dlatego uziomy umieszczone w gruncie i łączone z płaskownikiem stalowym w betonie powinny być wykonane z miedzi lub stali nierdzewnej. Trwałość takiego uziomu jest praktycznie nieograniczona. Do osprzętu uziomowego należą:
• taśmy, pręty, druty ze stali węglowej ocynkowanej lub nierdzewnej,
• taśmy, pręty i druty miedziane, z miedzi ocynowanej lub pokrytej stopem aluminiowym,
• złącza probiercze.

Opracowano na podstawie
materiałów firmowych
i powołanych norm

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 zagrożenia życia,
[4] PN-EN 62305-4:2009: Ochrona odgromowa. Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach,
[5] PN-EN 62561-1:2012E Elementy urządzenia piorunochronnego (LPSC) – Część 1: Wymagania dotyczące elementów połączeniowych,
[6] PN-EN 62561-2:2012E Elementy urządzenia piorunochronnego (LPSC) – Część 2: Wymagania dotyczące przewodów i uziomów.