Izolované hromosvody rychle a jednoduše za pomoci vodičů HVI již patnáct let

Ochrana před bleskem má svá jednoduchá pravidla, jejichž byť nepatrné porušení zbortí celou konstrukci ochrany jako pyramidu z pivních tácků. Vnější ochrana před bleskem – LPS (Lightning Protection System) – má dvě základní cesty k řešení.

Jednou cestou, jak dosáhnout co nejkvalitnější ochrany před bleskem, je postupovat podle ČSN EN 62305-2. Zde je její definice z ČSN EN 62305-3:

3.4 vnější LPS neizolovaný od chráněné stavby; vnější LPS neoddálený od chráněné stavby (external LPS not isolated from the structure to be protected),

LPS, jehož jímací soustava a svody jsou umístěny tak, že dráha bleskového proudu může být v dotyku s chráněnou stavbou.

V praxi to znamená vodivě propojit ideálně 100 % vodivých prvků vyskytujících se v objektu a nasadit svodiče bleskových proudů na všechny vstupující vodiče.

Obr. 1. Ochrana průmyslového objektu (foto: Marek Hoffman)

Druhou cestou je vytvoření izolované jímací soustavy.

Izolovaná jímací soustava je definována v souboru norem ČSN EN 62305. Zde je její definice z ČSN EN 62305-3:

3.3 vnější LPS izolovaný od chráněné stavby; vnější LPS oddálený od chráněné stavby (external LPS isolated from the structure to be protected), LPS, jehož jímací soustava a svody jsou umístěny tak, aby dráha bleskového proudu nebyla v dotyku s chráněnou stavbou.

Pozn.: U izolovaného (oddáleného) hromosvodu bude zabráněno nebezpečným jiskřením mezi LPS a stavbou.

Obr. 2. Instalace svodu s vodičem HVI (foto: Lukáš Rotrekl)

Izolované hromosvody jsou v podstatě stejně staré jako sama ochrana před bleskem, protože v prvopočátcích byly všechny izolované, než do objektů začaly přibývat jak vodivé kovové konstrukce, tak přivedené systémy s jiným potenciálem, než jaký byl potenciál budovy. Pro zabránění přeskoků z jímací soustavy na tyto kovové prvky postupovali naši předkové nejdříve empiricky, kdy v první polovině 20. století se jako dostatečná vzdálenost bralo dodržení alespoň 2,5 m mezi jímací soustavou a nejbližším kabelem či kovovým prvkem. Jakmile narostl objem znalostí o parametrech blesku, přišly první výpočty dostatečných vzdáleností. V našich podmínkách to byl vzoreček uvedený v článku 112. Izolace kovových předmětů od hromosvodu normy ČSN 34 1390.

V řadě norem ČSN EN 62305-4 je toto řešeno v části 3, konkrétně v bodě 6.3 Elektrická izolace vnějšího LPS.
s = (k_i × k_c × l)/k_m
kde:
k_i je koeficient závislý na zvolené třídě LPS (viz tabulka 10),
k_m koeficient závislý na materiálu elektrické izolace (viz tabulka 11),
k_c koeficient závislý na (částečném) bleskovém proudu tekoucím jímači a svody (viz tabulka 12 a příloha C),
l délka v metrech podél jímací soustavy a svodu, od bodu, kde je zjišťována dostatečná vzdálenost, k nejbližšímu bodu ekvipotenciálního pospojování nebo zemnicí soustavy (viz E.6.3 přílohy E).

Pro konkrétní představu lze zjednodušeně uvést, že tato potřebná vzdálenost je dána velikostí očekávaného bleskového proudu (100 až 200 kA) a impedancí cesty od úrovně zjišťování vzdálenosti po místo vyrovnání potenciálu. Tedy čím bude blesk větší, cesta po svodu na zemnicí soustavu delší a méně se bude rozdělovat, tím bude vypočítaná vzdálenost větší. Izolovaná jímací soustava se nevytváří na celé napětí blesku, což jsou megavolty až gigavolty, ale pouze na úbytek potenciálu mezi vyšetřovaným místem a místem, kde je srovnán potenciál. Elektrické izolace lze dosáhnou velmi jednoduše tím, že se vedle chráněného zařízení vztyčí samostatný jímač, který nejenom zajistí potřebný ochranný prostor, ale díky odstupu zajistí i to, že bleskový proud poteče mimo chráněný objekt. Jakmile ale bude takovýto objekt větší než pověstná psí bouda, bude to nejenom komplikované provést, ale i financovat, o celkovém vzhledu nemluvě. Prvotní provedení takovéto ochrany před bleskem se na rozdíl od současné obecné terminologie, kdy se takovémuto hromosvodu říká izolovaný hromosvod, nazývalo podepřený hromosvod, což vystihuje jeho povedení jazykově trefněji, ale neujalo se. Logickým krokem tedy bylo umísťování jímací soustavy na podpěry z izolantů, které bylo možné kotvit přímo na chráněný objekt. Z materiálu se osvědčil sklolaminát, který je v češtině znám pod jeho německou zkratkou GFK. Tento materiál se v elektrotechnice používá velmi dlouhou dobu a osvědčil se jak svými vlastnostmi, tak i životností. Materiál DEHNiso společnosti DEHN má deklarovanou izolační schopnost k_m = 0,7, což odpovídá izolačním vlastnostem zhruba mezi vzduchem a pevným nevodivým materiálem. Přestože bylo možné vytvářet jímací soustavu subtilnější a menší než s jiným materiálem, nebylo to moc praktické. Dlouho byl na trhu požadavek na vodič, který by byl izolovaný a nevyžadoval by vedení ve fyzické vzdálenosti od chráněného zařízení.

Vývoj izolovaného vodiče byl u DEHN + SÖHNE zahájen v roce 2000, kdy ve spolupráci s Universität der Bundeswehr München začala společnost pracovat na vývoji izolovaného svodu. Mezi zavržená řešení patřily jak vodiče s pouhou elektrickou izolací, tak vodiče koaxiální konstrukce s vodivým stíněním. Velkou výzvu představovala potřeba nejenom dosáhnout takové elektrické izolace, aby vodič v praxi nemusel být ve fyzické vzdálenosti od chráněného zařízení, ale i jak zabránit vzniku povrchového klouzavého výboje.

Klouzavé výboje vznikají na povrchu izolantů mezi dvěma kovovými plochami. Jejich vznik je podmíněn kapacitou izolační plochy (mezi kovovým jádrem a povrchem obalu). Napomáhají mu nečistoty nebo vlhkost (orosení) na vnějším povrchu izolačního obalu. Prostřednictvím tohoto jevu může klouzavý výboj překlenout vzdálenost až několika metrů a přenést v podstatě celou energii bleskového proudu (tj. až celý bleskový proud).

Znamená to tedy, že běžný vodič s izolací vvn by mohl po svém povrchu z vnější hromosvodní soustavy přenést celý bleskový proud dovnitř do budovy a tam ohrozit osoby, části stavebních prvků a připojená zařízení, především elektronická.

Speciální plášť DEHNconductoru HVI zabraňuje vzniku klouzavého výboje (mírně zjednodušeně) takto:
Při vniknutí bleskového proudu v místě ukončení vodiče na kovové konstrukci připojené k vnější ochraně před bleskem dojde k vyrovnání potenciálů mezi touto kovovou konstrukcí a kovovou konstrukcí připojenou k vyrovnání potenciálů uvnitř budovy. Bleskový proud se v tomto místě (kde jsou vnitřní vodič i speciální obal propojeny) rozdělí do vnitřního vodiče Cu a vnějšího pláště tak, že vnějším pláštěm teče jen zlomek celkového proudu. Ten však postačuje k tomu, aby došlo k vyrovnání potenciálů na konci připevněném k vnější konstrukci a v místě připojení speciálního pláště k vnitřní konstrukci. Rozdíl potenciálů se zmenší natolik, že vznik klouzavého výboje je vyloučen. Bleskový proud poteče jen vnitřním, kvalitně izolovaným vodičem. [1]

K vyvinutí vodiče HVI (High Voltage Isolation) vedla dlouhá cesta, na které se vyskytovaly i prototypy, které nezaručovaly to samé, jako kdyby byl vodič veden bezpečně fyzicky oddálen.

Mezi tyto nevyhovující konstrukce patří jak vodič pouze s izolací vvn z již citovaného článku Zdeňka Rouse, tedy bez polovodivého pláště, tak i vodič dovybavený metalickým stíněním, kde je největším problémem to, že se na stínění může naindukovat proud skoro o stejném napětí a proudu, jaký teče vnitřním vodičem. Takovýto vodič nezaručí to podstatné: elektrickou izolací od účinků bleskového proudu zabránit požárům objektu.

Vodiče řady HVI společnosti DEHN + SÖHNE bezezbytku splňují požadavky vyplývající ze známých a normativně určených parametrů blesku. Vodiče poskytují kromě elektrické izolace, která je v závislosti na jejich provedení stejná jako ekvivalentní vzdušná vzdálenost, také jistotu zabránění vzniku povrchového výboje po jejich plášti.

Jak byly tyto hodnoty ověřeny? Vodič byl paralelně připojen (stejně jako se ověřují izolační vlastnosti vzpěr) ke vzdušnému jiskřišti a z generátoru byl do tohoto zkušebního obvodu pouštěn zkušební impulz. Vzdálenost mezi elektrodami jiskřiště se postupně zvětšovala, až nenastal přeskok jiskrou na tomto vzdušném jiskřišti, ale proražení izolace zkoušeného vzorku. Vlastnosti tedy může ověřit každý, kdo má k dispozici odpovídající zkušební generátor (obr. 3).

Obr. 3. Testování vodiče HVI (foto: DEHN + SÖHNE)

Současnost

V současné době, tedy již patnáct let po uvedení prvního vodiče HVI na trh (obr. 4), je oblast jejich použití mnohonásobně širší, než bylo na počátku zamýšleno. Jejich doménou není pouze průmysl, ale i občanská výstavba, včetně rodinných domů. Jaké jsou tedy hlavní výhody, když je problém s dostatečnou vzdáleností řešen vodiči HVI, oproti řešení s klasickým materiálem.

Obr. 4. Vývoj vodiče HVI

Jednoduchost návrhu

Kdo navrhoval byť na pouhém rodinném domě jímací soustavu klasickým způsobem, může potvrdit, že moderní stavební materiály situaci s ochranou před bleskem pouze komplikují a rozhodně neulehčují. Typickým příkladem rodinných domů jsou dřevostavby, které mají poměrně tenké stěny. Ty nedokážou zajistit požadovanou vzdálenost pro izolaci svodu a mnohdy jsou doplněny dalšími „lahůdkami“, jako jsou plechová střecha nebo komín z korozivzdorné oceli končící uprostřed domu v obývacím pokoji. V takto komplikovaných situacích opravdu není možné zajistit ochranu před bleskem klasickým materiálem. Návrh s použitím vodičů HVI se soustředí na zjištění výšky a počtu jímacích tyčí, které jsou prostřednictvím izolovaných vodičů HVI spojeny se zemnicí soustavou. Jediné, na co je třeba nezapomenout, je skutečnost, že stejně jako v případě neizolovaných vodičů bude i kolem vodičů HVI při zásahu domu bleskem silné elektromagnetické pole, a proto je vhodné je vést co nejdále od ostatních vodičů instalace domu.

Obr. 5. Varianty vodičů HVI a jejich ekvivalentní vzdušné vzdálenosti

Jednoduchost dalšího vybavování domu technologiemi

„Ne, na střeše nebude nic.“ Toto je většinou slyšet v počátku práce na ochraně před bleskem od klienta či zadavatele zakázky této části projektové dokumentace. To se však do data předání dokumentace změní o dodatky typu: pouze pár panelů na ohřev vody nebo fotovoltaika a jedna či více venkovních jednotek klimatizace. Takže projektant může začít znovu. Při výchozí revizi revizní technik vydá nevyhovující revizi, protože mimo ochranný prostor jsou antény a jejich vodiče jsou v blízkosti nebo přímo v dotyku s jímací soustavou. Nejlepší místo pro umístění kamer nebo venkovní sirény je také většinou hned vedle holého svodu. Je to sice problém stavitele a chybějící koordinace mezi profesemi, ale taková je běžná situace na většině staveb. Ne že by v případě volby řešení za pomoci vodičů HVI podobná situace nenastala, avšak problém to je jen ve velmi malém množství případů. Jestliže je na vodičích HVI korektně vytvořen začátek, tedy tzv. oblast koncovky, nehrozí už v trase přeskok bleskového proudu na jiné vodivé součásti objektu.

Obr. 6. Maximální délky HVI při jednom svodu

Jednoduchost vyrovnání potenciálu

Moderní technologie instalované na objektech s ochranu před bleskem zajištěnou neizolovaným hromosvodem, Faradayovou klecí, je velmi složité chránit svodiči bleskových proudů. Jestliže se povede najít pro daný systém vhodný svodič bleskových proudů, může se stát, že útlum způsobený vloženým svodičem je natolik velký, že si vyžádá další nutná opatření. Jsou ovšem i technologie, u kterých je z jejich podstaty nedosažitelné vyrovnat potenciál na úrovni bleskového proudu. Řešení s izolovaným svodem HVI zajistí by- -pass kolem chráněného zařízení a ochrana je možná pouze za pomoci svodičů přepětí – to je již mnohem jednodušší.

Jednoduchost ochrany stávajících objektů

Co se týče již vybudovaných objektů, je téměř vždy dána přednost variantě ochrany před bleskem za pomoci izolované jímací soustavy. Dotvářet na starém železobetonovém objektu vodivé spojení – Faradayovu klec, je spolehlivě nejdražší možná varianta, jak zajistit ochranu před bleskem. Oproti tomu vytvoření izolované jímací soustavy a její umístění na objektu je mnohonásobně jednodušší a úsporné. To se ukazuje hlavně nyní, kdy při akutním nedostatku pracovních sil je uvedená varianta preferována jako rychlejší a ekonomičtější i u nových objektů, které by sice bylo možné vyřešit jako Faradayovu klec, ale trvalo by to déle a bylo by to dražší. [5]

Obr. 7 Použitelnost vodičů HVI

Závěr

Ochrana s použitím vodičů řady HVI si nejenom dokáže poradit s ochranou před bleskem na jinak obtížně chránitelných objektech, ale také poskytuje jednoduché a bezpečné řešení pro citlivé aplikace moderní doby.

Zdroje a citace:
[1] ROUS, Z. Řešení důležitého problému ochrany před bleskem. Elektro, 2004, (4).
[2] ČSN EN 62305-3 ed. 2. Ochrana před bleskem – Část 3: Hmotné škody na stavbách a ohrožení života.
[3] ČSN 34 1390. Elektrotechnické předpisy ČSN. Předpisy pro ochranu před bleskem.
[4] ČSN EN 62305-3 ed. 2. Ochrana před bleskem – Část 3: Hmotné škody na stavbách a ohrožení života.
[5] PLCH, J. Expertíza o posouzení nákladovosti možných způsobů provedení ochrany proti blesku vzorové budovy. 2018.

---

Vyšlo v časopise Elektro č. 8-9/2018, na straně 28. 
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.