Menu

Instalacje odgromowe

Wstęp

 

W artykul omówiono zasady projektowania i montażu instalacji piorunochronnych ze szczególnym uwzględnieniem budynków z zamocowanymi panelami fotowoltaicznymi. Informuję, że zakres wiedzy i jej merytoryczność nie mogę stanowić jakiejkolwiek wykładni prawnej. Artykuł powstał na bazie materiałów dostępnych w sieci i może już w chwili tworzenia nie być aktualny pod względem prawnym. Jakiekolwiek uwagi do jego treści należy kierować na konto administratora.

 

Normy

 

Podstawowe informacje o nowych wymaganiach stawianych przed urządzeniem piorunochronnym obiektu
budowlanego oraz zmianach w dotychczasowych zaleceniach zawarto w normach serii EN 62305, które
wprowadzono w Polsce w latach 2008 – 2009 (całość około 450 stron). Normy te zostały zmienione w maju 2011 roku, a norma "Zarządzanie ryzykiem w 2012r.
· PN-EN 62305-1:2011, Ochrona odgromowa - Część 1: Zasady ogólne.
· PN-EN 62305-2:2012,, Ochrona odgromowa - Część 2: Zarządzanie ryzykiem.
· PN-EN 62305-2:2011, Ochrona odgromowa - Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenie życia.
· PN-EN 62305-4:2011, Ochrona odgromowa - Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach.
są wynikiem restrukturyzacji norm serii PN-IEC 61024, PN-IEC 61312 oraz normy IEC 61662+A1.
W otrzymanych w ten sposób normach zawarto wcześniej obowiązujące wymagania dotyczące zewnętrznej i wewnętrznej ochrony odgromowej. Początkowo informacje o zastępowaniu dotychczasowych norm przez
normy serii PN-EN 62305 przedstawiał tylko Polski Komitet Normalizacyjny. Obecnie normy serii PN-EN 62305 zastępują dotychczasowe normy dotyczące ochrony odgromowej obiektów budowlanych, które były w wykazie Polski Norm w rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. W nowych normach zwrócono uwagę na konieczność profesjonalnego wykonania projektu oraz samego urządzenia piorunochronnego. 

 

Trochę statystyki

Wyładowania atmosferyczne w naszym kPV34551.jpgraju występują z różną częstotliwością w zależności od regionu, a także pory roku. Najbardziej narażone na wyładowania są regiony górskie i pogórze, jak i region Gór Świętokrzyskich. Znacznie mniej wyładowań zaobserwujemy w Polsce środkowej i na wybrzeżu. jak widać z zamieszczonej mapki największa liczba dni burzowych występuje w Tatrach Wysokich, w rejonie Babiej Góry i w Bieszczadach (34 rocznie), najmniej w Polsce północno-zachodniej, w okolicach Szczecina i w pasie przybrzeżnym Bałtyku. Tam liczba dni burzowych z reguły nie przekracza 18 w ciągu roku.

W przypadku Lubelszczyzny (to mój region) możemy mówić o średniej intensywności burz. Najbardziej zjawiska te występują na wschodzie regionu w okolicach Zamościa.

Jak ma się burzowość regionu czy ogólnie wyładowania atmosferyczne do awaryjności modułów PV? Według badań niemieckich uszkodzenia instalacji fotowoltaicznych spowodowane przepięciami po wyładowaniach atmosferycznych lub bezpośrednimi uderzeniami pioruna stanowią około 26% wszystkich zdarzeń (Ryc. poniżej)

PV34552.jpg

Ryc. Różne przyczyny uszkodzeń modułów fotowoltaicznych.

 

Jak widać ze wszystkich zdiagnozowanych przyczyn uderzenia pioruna są najczęstszą przyczyną awarii modułów.

 

 

Wymagania od projektantów

Projekt urządzenia piorunochronnego LPS powinien być wykonany zgodnie z powyższymi normami w sposób profesjonalny. Od projektantów wymaga się:

- posiadania umiejętności oceny zarówno elektrycznych, jak i mechanicznych skutków wyładowania piorunowego i znajomości zasad kompatybilności elektromagnetycznej (EMC)
-umiejętności oceny skutków korozji urządzeń piorunochronnych i w uzasadnionych przypadkach zwrócenia się o pomoc do eksperta

 

Przebieg projektowania

Przebieg projektowania LPS odbywa się według pewnego schematu blokowego który przedstawiam poniżej. Kropki na schemacie oznaczają miejsca w których potrzebna jest ścisła współpraca projektanta, inżyniera i architekta

PV34553.jpg

 

1. Określenie własności obiektu podlegającego ochronie oraz skutków uderzenia pioruna
Dokładnie definiujemy obiekt, który podlega ochronie, pod względem:
- konstrukcyjno-budowlanym,
- przeznaczenia,
- pełnionej funkcji,
- użytkowania,
- wartości finansowej.

2. Ocena ryzyka i określenie wymaganego poziomu ochrony

 

PV34554.jpg

Rys. Typy strat i odpowiadające im ryzyko związane z różnymi typami szkód

 

Potrzeba ochrony odgromowej
Aby ustalić, czy ochrona odgromowa obiektu jest potrzebna, należy ocenić ryzyko zgodnie
z procedurami:
 R1: ryzyko utraty życia ludzkiego,
 R2: ryzyko utraty usług publicznych,
 R3: ryzyko utraty dziedzictwa kulturowego,
 R4: ryzyko utraty dóbr materialnych.
Ochrona odgromowa jest potrzebna, jeżeli ryzyko R jest większe niż tolerowany jego poziom RT.
R > RT
W takim przypadku należy zastosować środki ochrony, by zredukować ryzyko R (R1,R2, R3) do
tolerowanego poziomu RT.

 

Ze względów ekonomicznych ochrona odgromowa jest opłacalna, jeżeli suma kosztu CRL strat
resztkowych ze środkami ochrony i kosztu CPM środków ochrony jest mniejsza niż koszt CL
całkowitych strat w przypadku braku środków ochrony:

CRL + CPM < CL

 

3. Wybór zewnętrznego urządzenia piorunochronnego LPS
Poziom ochrony odgromowej (LPL)
W normie wprowadzono cztery poziomy ochrony odgromowej oznaczone I, II, III, IV,
uzależnione od wartości parametrów pioruna powiązanych z LPL.
Klasa LPS
Cechy charakterystyczne LPS wynikają z właściwości poddawanego ochronie obiektu
i z rozpatrywanego poziomu ochrony odgromowej.
Powiązanie poziomów ochrony odgromowej (LPL) z klasami LPS:

PV34555.jpg

Obiekt poddawany ochronie powinien znajdować się wewnątrz chronionej strefy. Strefę ochronną uzyskuje się przez zastosowanie urządzenia piorunochronnego. LPS składa się z urządzenia zewnętrznego i wewnętrznego.

Zadania LPS zewnętrznego:
- przejęcie wyładowania piorunowego skierowanego w obiekt za pomocą układu zwodów
- odprowadzenie prądu pioruna bezpiecznie do ziemi za pomocą układu przewodów odprowadzających
- rozproszenie go w ziemi za pomocą układu uziomów
Zadania LPS wewnętrznego:
- zapobieganie niebezpiecznemu iskrzeniu w obiekcie z zastosowaniem:
   - połączeń wyrównawczych
   - odstępu izolacyjnego s (elektrycznej izolacji) pomiędzy elementami LPS, a innymi przewodzącymi elektrycznie elementami wewnątrz obiektu

Materiały do budowy ochrony odgromowej

W normie PN-EN 62305-3 zestawiono szczegółowe wymagania dotyczące minimalnych wymiarów poszczególnych elementów urządzenia piorunochronnego w zależności od zastosowanego materiału

 

Tabela. Materiał, kształt i minimalne wymiary uziomów

PV34556.jpg

 

Tabela. Minimalna grubość warstw metalowych lub rur metalowych w układzie zwodów

PV34557.jpg

 

Tabela. Materiał, kształt i minimalna powierzchnia przekroju przewodów i prętów na zwody oraz
przewodów odprowadzających

PV34558.jpg

 

4. Układ zwodów
W skład zwodów wchodzą:
- pręty (łącznie z wolno stojącymi masztami),
- przewody zawieszone,
- przewody w układzie oczkowym.
Metody określania pozycji zwodów:
- metoda kąta ochronnego
- metoda toczącej się kuli
- metoda oczkowa
Metoda kąta ochronnego jest odpowiednia dla budynków o prostych kształtach.
Metoda toczącej się kuli jest odpowiednia w każdym przypadku.
Metoda oczkowa jest właściwa tam, gdzie są poddawane ochronie płaskie powierzchnie.

 

Wykorzystując metodę toczącej się kuli, strefę bezpieczeństwa określa się poprzez wirtualne toczenie się kuli o odpowiednim promieniu po powierzchni instalacji. W miejscach na płaszczyźnie elementów instalacji, w których nie dochodzi do ich dotyku przez kulę, nie zachodzi zagrożenie bezpośredniego uderzenia pioruna. Maksymalne wartości promienia toczonej kuli, wymiarów siatki i kąta ochronnego
odpowiadające klasom LPS:

PV34559.jpg

PV34560.jpg

PV34561.jpg

Rys. Wykorzystanie metody toczącej się kuli do ochrony instalacji PV na dachu płaskim. Wszystkie elementy instalacji muszą się znaleźć poniżej promienia R. PV345510.jpg

 

Przestrzeń chroniona przez zwód pionowy:

A - wierzchołek zwodu
B - płaszczyzna odniesienia
OC - promień przestrzeni chronionej
h1 - wysokość zwodu od płaszczyzny odniesienia przestrzeni poddawanej ochronie
α - kąt ochronny

 

Przy obiektach wyższych niż 60 m mogą pojawiać się wyładowania boczne, trafiające zwłaszcza
w narożniki i krawędzie płaszczyzn.
Układ zwodów powinien być zainstalowany tak, aby ochronił górną część wysokich obiektów
(tj. 20 % wysokości obiektu od góry) i zainstalowane na niej urządzenia.
Zwody LPS nieizolowane od poddawanego ochronie obiektu mogą być instalowane, jeżeli:
- dach jest wykonany z materiału niepalnego – w takiej sytuacji zwody mogą być
umieszczane na powierzchni dachu,
- dach jest wykonany z materiału łatwopalnego – należy zwrócić szczególną uwagę
na odległość pomiędzy przewodami zwodów a materiałem.

PV345511.jpg

 

W obiektach wyższych od 120 mPV345512.jpg ochrona przed wyładowaniami bocznymi powinna być zapewniona powyżej 120 m. Przykładowe rozwiązanie takiej ochrony dla obiektu o wysokości 100 m przedstawiono na rys.

 

 

 

 

 

 

 

Rys. Przykład ochrony obiektu wysokiego przed wyładowaniami bocznymi (I poziom ochrony)

 

 

 

 

Tabela. Zasady montażu zwodów na dachach płaskich

PV345513.jpg

 

5. Układ przewodów odprowadzających
Przewody odprowadzające należy rozmieścić w taki sposób, aby od punktu uderzenia do ziemi:
- istniało kilka równoległych dróg prądowych,
- długość dróg prądowych była jak najmniejsza,
- zostały wykonane połączenia wyrównawcze z przewodzącymi częściami obiektu.

Zalecane jest zachowanie jednakowych odległości pomiędzy przewodami odprowadzającymi. Jeśli jest to
niemożliwe należy przewody odprowadzające umieszczać w pobliżu narożników budynków.
Podstawowe informacje niezbędnie przy ich montażu zestawiono w tabeli poniżej.
Średnie odległości pomiędzy przewodami odprowadzającymi nie powinny być większe od:
· 10 m – I i II poziom ochrony odgromowej,
· 15 m – III poziom ochrony,
· 20 m – IV poziom ochrony.

 

Tabela. Zasady montażu przewodów odprowadzających

 

 

PV345515.jpg

Rys. Przykład ochrony kolektorów PV na dachu stromym.

 

Błędy montażowe

 

Konieczność zapewnienia wymaganej odległości separacyjnej "s" nie zawsze jest dobrze rozumiana przez wykonawców. Odległość ta dotyczy wszystkich elementów obiektu chronionego. W przypadku instalacji PV dotyczy zarówno paneli jak i sieci przewodów. Poniżej przedstawiam kilka najczęstszych błędów popełnianych przez wykonawców i rozwiązania prawidłowe.

PV345516.jpg

Fot. Niezachowany odstęp zwodów poziomych od sieci przewodów instalacji PV.

PV345517.jpg

Rys. Prawidłowe rozwiązanie powyższego problemu, uziom wyniesiony na odległość separacyjną.

PV345518.jpg

 

Wyznaczanie odstępu separacyjnego

 

W normach ochrony odgromowej obiektów budowlanych do przybliżonego określania odstępu izolacyjnego s zaproponowano zależność:

PV345519.jpg

gdzie:

L - długość mierzona wzdłuż przewodu odprowadzającego od punktu rozpatrywanego zbliżenia do punktu najbliższego połączenia wyrównawczego w metrach.
ki i km i kc – współczynniki, których wartości zestawiono w tabeli

PV345520.jpg

 

W rzeczywistych warunkach urządzenia wymagające ochrony przed bezpośrednim oddziaływaniem prądu
piorunowego mogą znajdować się w dowolnym punkcie na powierzchni dachu.
W takich przypadkach prąd piorunowy rozpływa się w urządzeniu piorunochronnym i zmieniają się wartości
współczynników kc dla poszczególnych przewodów tego urządzenia na odcinku pomiędzy miejscem, w którym wyznaczamy odstęp izolacyjny a najbliższym połączeniem wyrównawczym. Uwzględniając fakt rozpływu prądu piorunowego w elementach LPS odstęp izolacyjny wynosi:

PV345521.jpg

gdzie : l1, l2,… lm - odcinki przewodów LPS w których płyną prądy o wartościach określanych przez
współczynniki kc1, kc2, …kcm.

 

Przykład obliczeniowy dla dachu dwuspadowego. Ochronie podlega antena, instalacja LPS ma 4 przewody odprowadzające zamocowane na narożach budynku. Schemat rysunkowy poniżej.

PV345522.jpg

Na rys, C oznacza długość zwodu poziomego, h - długość przewodów odprowadzających.

 

Podział prądu piorunowego w tym przykładzie pokazuje rys. poniżej.

PV345523.jpg

Całkowity ładunek Ip zostaje rozłożony po połowie przy przepływie w obu kierunkach zwodami poziomymi, a następnie ponownie podzielony przy rozpływie przewodami odprowadzającymi. Do wyznaczenie odstępu "s" przyjęto dane:

· poziom ochrony IV, ki1 = 0,04,
· długość l = 5 m (odcinek zwodu pionowego i odległość od zwodu pionowego do zwodu poziomego)
· długość c = 30 m, (całkowita długość zwodu poziomego)
· długość h1 = 14 m,
· odstępu izolacyjnego w powietrzu km1 = 1,

Uwzględniając przedstawiony rozpływ prądu piorunowego w przewodach uwzględnianych przy określaniu L,
wymiary obiektu oraz wartości współczynników ki i km, odstęp izolacyjny określany jest z zależności:

PV345524.jpg

Uwzględniając rozpływ prądu przedstawiony na rys., wartości współczynników kc wynoszą odpowiednio:
kc0 = 1,0
kc1 = 0,5
kc2 = 0,25
Wymagany odstęp izolacyjny wynosi:

PV345525.jpg

Przy bardziej rozbudowanych dachach obliczanie jest skomplikowane, dlatego wprowadza się uproszczenie w określaniu wartości współczynników kc, według rys.

PV345526.jpg

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});