Pokud lze opravdu o někom říct „pan hromosvodář“, pak o Wolfovi Marksovi zcela určitě. Wolf je tělem i duší nerozbitně svázán se vším, čemu říkáme přepětí. Není to pouhý prodavač či podavač zboží, jde o vědce v praxi, který zkoumá elektromagnetickou kompatibilitu v praxi. A tak se mnozí diví jak to, že právě on o tom ví tolik … (více ve videu)
Článek i video byly zveřejněny na serveru elektrika.cz.
To, že lze udělat klasický hromosvod dobře a funkčně, o tom už jsme se několikrát přesvědčili. Jak ale udělat hromosvod, aby nedevastoval fasádu domu a byl přesto funkční? Právě před takový problém byl postaven Wolfgang Marks, a jak elegantně tento problém neviditelného hromosvodu vyřešil?
Je běžnou praxí, že se dnes montují hromosvody na domy, hotely, kancelářské budovy a podobně. Každý hromosvod musí mít patřičný počet svodů, tak aby dosáhnul impedance dané normou.
Hotel GRANDEZZA v Brně na Zelném trhu je památkově chráněný objekt v centru města a patří mezi ty stavby, kde se standardním způsobem nedá nic dělat.
Přání památkářů bylo nepoškodit chráněné fasády žádnými skobami, držáky a ničím co by se do zdi muselo přivrtat. Dalším důležitým bodem bylo vymyslet svody od hromosvodů tak, aby byly co nejméně viditelné nebo lépe, aby nebyly vidět vůbec. Další problém, který snadnému řešení zavírá dveře, je celkově zastavěná plocha vnitřního dvora, kde je sotva nějaký ten metr místa.
Teď si možná většina z vás říká, že takový hromosvod nejde realizovat. Překvapením pak je, že tyto požadavky opravdu mají své technické řešení. To zde představil Wolfgang Marks.
Jako neviditelné svody byly využity okapové trubky o průměru 180mm, které ve spojích několikrát pronýtoval a na několika místech provedl vyrovnání potenciálu. Veškeré kovové části byly spojeny a připojeny ke svodům. Těmito kroky splnil body stanovené památkáři, architektem a zároveň bylo docíleno funkčního zařízení.
Článek i video byly zveřejněny na serveru elektrika.cz dne 12.10.2012.
Obsah
1 Nebezpečí způsobené úderem blesku
1.1 Jaké škody vznikají?
1.2 Jaká nebezpečí ohrožují člověka?
2 Účinky blesku na živé bytosti
2.1 Jaká zranění mohou vzniknout?
2.2 Jak lze pomoci postiženému?
3 Chování při bouřce
3.1 Kde hledat bezpečný úkryt?
3.2 Jak se zachovat v pevných budovách při bouřce?
3.3 Překvapeni bouřkou ve volné přírodě – co teď?
3.4 Jaká nebezpečí vznikají v silničním provozu při bouřce?
3.5 Jak se zachovat při bouřce během kempování?
3.6 Jak nebezpečné jsou bouřky v horách?
3.7 Co musí být respektováno při vodních sportech?
3.8 Jak se chovat během podniků pořádaných pod širým nebem?
4 Ochrana objektů před bleskem
4.1 Je hromosvod nezbytný?
4.2 Z čeho se skládá ochrana obytného domu před bleskem?
V naší atmosféře neustále probíhají elektrostatické výboje, viditelné v podobě blesku mezi
mraky nebo mezi mraky a povrchem země. Například v Německu dochází během letních měsíců (červenec a srpen) průměrně k pětinásobnému počtu bouřek než v zimních měsících (prosinec až únor). Počet ročních bouřkových dnů a počet úderů blesku na čtverečný kilometr se přitom zvyšuje směrem od severu na jih. Nad Německem je počítáno v průměru s více než 750 000 blesky za rok.
Ačkoli blesky obsahují jen relativně nízkou energii, v průměru několik kilowatthodin, mohou při jednom úderu v délce trvání jedné tisíciny sekundy vznikat v zařízeních velmi vysoká napětí způsobená bleskem a protékat bleskové proudy vyšší než 200000 ampérů.
Tyto proudy mohou roztavit tenké dráty nebo jiné předměty ohřát na tolik, že se lehce vznětlivé látky v budovách nebo technických zařízeních vznítí nebo explodují.
Když blesk zvolí cestu vlhkým zdivem, trámy nebo stromy, dojde k prudkému uvolnění vodní páry, která jako při výbuchu mechanicky poškodí nebo zničí části střechy, zdiva, ale i stromy, aniž by došlo k jejich zapálení.
Se stále rostoucím zaváděním elektroniky ve všech oblastech průmyslu drasticky stoupá počet výpadků a poruch zaviněných bleskem.
Navíc jsou všechny napájecí a řídicí systémy a sdělovací systémy propojeny velmi choulostivou výpočetní technikou, a mohou být tedy úderem blesku vážně poškozeny, což může, v případě nedostačující ochrany, vést dokonce ke katastrofám (elektrárny, chemická zařízení, nemocnice, letiště atd.).
Nezávisle na těchto technicky podmíněných situacích, potenciálně ohrožujících lidský život, existují nebezpečí, která vyplývají z působení blesku na člověka samotného.
To se netýká pouze případu, kdy je člověk zasažen bleskem přímo. Osoby, které se zdržují v bezprostřední blízkosti bleskem zasaženého objektu jsou ohroženy přeskokem blesku nebo mohou být poraněny při explozi nebo požáru.
Proto jsou osoby, které se zdržují pod korunami stromů, vedle dřevěných stožárů nebo v blízkosti vnějších zdí zvláště ohroženy.
Nebezpečí vzniká také nepřímým působením blízkého úderu blesku. Bleskový proud se rozšíří
v půdě z místa úderu všemi směry. S přibývající vzdáleností, radiálně od bodu úderu, se stále snižuje napětí mezi dvěma body se stejným odstupem. Na povrchu země tak může mezi nohama vzniknout vysoké krokové napětí. Tím je člověk ohrožen bleskovými proudy, i když se nachází ve větší vzdálenosti od místa úderu. Zóna ohrožení představuje kruh o poloměru nejméně 20 m, ve skalnaté oblasti může ovšem dosáhnout značně větších rozměrů. Toto napětí vyvolá nebezpečně vysoký proud, který může projít lidským tělem .
To je hlavní důvod, proč je při bouřkách ve volné přírodě bezpodmínečně nutné přejít do dřepu s nohama těsně u sebe, tak aby se minimalizovalo možné krokové napětí. Také při doteku skalní stěny rukou, nohou nebo jinými části těla může část bleskového proudu projít lidským tělem a vyvolat nekontrolovatelné svalové reakce. Osoby mohou být odmrštěny i do několika metrů.
Ročně je v Německu, v Rakousku a ve Švýcarsku zabito bleskem několik osob, větší počet lidí je zraněn; a neustále se objevují také zprávy o škodách na hospodářských zvířatech.
Je-li člověk zasažen bleskem přímo, stoupá během strmého nárůstu proudu napětí na odporu těla (500 až 1000 ohmů) na vysoké hodnoty řádově 100 kilovoltů, čímž může dojít ke klouzavému přeskoku po povrchu lidského těla. Drtivá většina bleskového proudu pak neprochází lidským tělem, nýbrž jako klouzavý elektrický oblouk po povrchu těla. Tomuto „kožnímu efektu“ (skinefektu) vděčí mnozí lidé za to, že přežili i přímý zásah bleskem.
Rozsah zranění a následků způsobených bleskovým proudem záleží především na místě těla, kam byl člověk zasažen a kudy prošel proud tělem nebo po jeho povrchu.
Zpravidla vznikají zřetelná místa a popáleniny prvního až třetího stupně na kůži na místech vstupu a výstupu bleskového proudu; někdy také mohou úplně scházet. Mokré šaty se roztrhnou a kovové předměty nošené na těle zanechají na kůži zřetelné stopy po průchodu proudu.
Ve všech částech těla a také v centrálním nervovém systému, kudy prošel elektrický proud, může dojít k následkům podrážděním a teplem. Ochrnutí nervů a svalů mizí bez vážnějších následků zpravidla po několika hodinách až dnech. Často vzniknou poruchy zraku a sluchu, zvýšený krevní tlak se udrží i po řadu měsíců. Podstatně nebezpečnější než dočasné bezvědomí a poruchy vědomí je zástava dechu a poškození mozku nebo centrálního nervového systému v důsledku průchodu proudu mozkem.
Elektrický proud působí přímo i na srdce, což může vést k jeho dlouhodobému poškození, rozkmitání srdečních komor, srdeční zástavě a nakonec i k smrti. Při pádech v důsledku ochrnutí nebo šoku může dojít ke zlomeninám.
Je nanejvýše nepravděpodobné, že udeří blesk znovu do stejného místa. Výboj netrvá více než 1-2 sekundy, okamžitá pomoc postiženému proto není pro zachránce nebezpečná.
Okamžitá první pomoc na místě může zachránit život, protože zástava srdeční činnosti a dechu vede ke zhroucení krevního oběhu; už po 3- 4 minutách výpadku zásobování mozku kyslíkem nastává jeho trvalé poškození.
Ihned zahájíme neodkladnou resuscitaci. Postiženého položíme na záda a začneme neprodleně s umělým dýcháním a nepřímou masáží srdce.
Ve umělém dýchání a nepřímé masáži srdce se musí pokračovat bez přestání i během transportu postiženého, a bude-li to zapotřebí i po delší čas až do doby, dokud se neukáže úspěch nebo lékař definitivně zkonstatuje smrt.
Zjistíme-li zástavu dýchání, ale přitom lze nahmatat tep na krční tepně, provedeme pouze umělé dýchání z úst do úst. V jeho průběhu pravidelně tep kontrolujeme.
Postižený je při vědomí, má zachován krevní oběh a dýchá: postiženého pohodlně uložíme tak, aby byl chráněn před povětrnostními vlivy, chladem a přehřátím. Těsné části oděvu kolem krku a hrudníku uvolníme. Opakovaně kontrolujeme stav jeho vědomí.
Postižený je v bezvědomí, dostatečně dýchá a má dobře hmatatelný tep. Postiženého položíme do stabilizované polohy, přitom pravidelně kontrolujeme vědomí, dýchání a tep.
Spáleniny pokryjeme sterilním obvazem. Zlomené končetiny nenapravujeme.
V každém případě je nezbytné přivolat neprodleně lekařskou pomoc a příslušnou záchrannou službu. Při nehodách ve volné přírodě by měly být tyto kroky podniknuty teprve tehdy, dokud osoba, která má přivolat pomoc, nebude vystavena příliš velkému riziku.
Přes vysoké napětí a silný proud, který vzniká úderem blesku, existuje řada ochranných opatření, které působení blesku snižují. Určitá pravidla chování zase pomáhají zmenšovat míru ohrožení lidí.
Bezpečnou ochranu před úderem blesku poskytují zásadně budovy s hromosvodem, vozidla s celokovovou karoserií, kabiny stavebních strojů, železniční vagóny, karavany anebo kovové kabiny lanové dráhy.
Blíží-li se bouřka, neměli bychom se zdržovat venku, ale včas vyhledat chráněná místa. Každý, bez ohledu na to, jestli jde pěšky, jede na koni, na kole, motorce, či v otevřeném voze, je ohrožen úderem blesku.
Předzvěstí blížící se bouřky jsou vystupující kupovitá oblačnost, dusno se zvedajícím se větrem, vzdálené hřmění a blýskání. Vzdálenost bouřky od místa pozorování lze snadno odhadnout pomocí rychlosti zvuku, to znamená z časového intervalu mezi zábleskem a následným zahřměním. Při časové prodlevě pod 10 sekund je bouřka nebezpečně blízko, ale také při intervalech mezi 10 a 20 sekundami je situace nebezpečná.
V budovách vybavených ochranou před bleskem, které odborníci naprojektovali a nainstalovali podle posledních technických poznatků, nepředstavují blesky v zásadě žádné nebezpečí ani pro člověka, ani pro techniku. Přesto je na místě doporučit několik rozumných pravidel chování při bouřce v bezprostřední blízkosti, a to zvláště v budovách se zastaralým hromosvodem nebo tam, kde úplně chybí:
Překvapí-li Vás bouřka ve volné přírodě, snažte se především o to, abyste nebyli nejvyšším bodem v okolní krajině. Koryto v terénu, hluboká cesta, dno kamenolomu nebo pata skalního vyběžku už poskytují jistou ochranu.
Nevyhledávejte tyto skrýše v uzavřených skupinách!
Neopírejte se o zdi. Dřepněte si s nohama těsně u sebe, obejměte přitom kolena oběma rukama. V nouzi se posaďte s nohama těsně u těla, ale v žádném případě si nelehejte na zem s nataženými končetinami. Zachovávejte odstup od jiných osob!
Ve stodolách, v dřevěných nebo kamenných boudách bez hromosvodu se uchylte doprostřed budovy a rovněž si dřepněte.
Není-li v blízkosti vhodný úkryt, vyhněte se těm místům, která jsou podle zkušeností zvláště ohrožená: osaměle stojící stromy a skupiny stromů, vrcholky hor, pahorky, vyhlídkové věže, sloupy nadzemního vedení, antén apod. Udržujte odstup od kovových plotů, mříží a jiných kovových konstrukcí.
Uprostřed lesa s rovnoměrnou výškou stromů se můžete cítit celkem bezpečně. Vyhněte se okraji lesa a vyčnívajicím stromům. Dřepněte si v minimální vzdálenosti 3 metry od kmenů stromů a špiček větví a raději oželte úkryt před deštěm pod nízkými větvemi!
Nevěřte pověrám: Pod bukem nebo lípou jste ve stejném nebezpeči, jak pod jinými stromy.
Auta s celokovovou karoserií vytvářejí „Faradayovou klec“ a poskytují osádce především jistou ochranu před přímým úderem blesku.
Kabriolety bez kovové střešní kostry nebo rámu jsou i při zavřené střeše méně bezpečné. Při přímém úderu blesku proteče bleskový proud vnější karoserií do země.
Problémy vznikají ovšem při přechodu bleskového proudu z kovového pláště do dobře izolovaných ploch pneumatik.
Experimenty dokázaly, že v důsledku enormního oteplení mohou vznikat značné škody na pneumatikách.
Silné elektromagnetické pole provázející bleskový proud ale může ovlivnit citlivé elektronické konstrukční celky a za určitých okolností způsobit poruchu.
Moderní motorová vozidla jsou vybavena ochrannými zařízeními, které zabrání funkčním poruchám při blízkém úderu blesku.
Řidič může být na okamžik silně oslněn prudkým zábleskem. Na světelných křižovatkách, na železničních přejezdech a jiných signalizačních zařízeních je místě zvýšená opatrnost, neboť zařízení mohou působením blesku vypadnout, případně nespolehlivě pracovat.
Z těchto důvodů je radno jízdu na bezpečném místě pokud možno daleko od exponovaných míst přerušit. Nejsou-li nablízku jiná chráněná místa (např. motorest) neměli byste vozidlo opustit. Než pokračujete v jízdě, proveďte kontrolu vozidla.
Řidiči jednostopých vozidel mohou být v otevřené krajině přímo zasaženi bleskem. Měli by proto jízdu při bouřce bezpodmínečně přerušit, vozidlo odstavit a vzdálit se.
Doporučujeme najít úkryt v domě nebo pod ocelovým, popř. železobetonovým mostem.
Stany, obytné přívěsy a karavany by neměly být nikdy postaveny na exponovaných místech (vedle tyčí a stožárů, na okraji lesa, pod osaměle stojícími stromy nebo na pahorcích).
Jste-li při bouřce ve stanu, dřepněte si na izolujicí a suchou rohož nebo matraci, zachovejte co největší odstup k stanovým tyčím a nedotýkejte se stěn stanu.
Tím se minimalizuje nebezpečí krokového napětí, které se může vyskytnout při úderu v blízkosti stanu. Pobyt ve stanu nebo v obytném přívěsu bez kovové konstrukce je stejně nebezpečný jako pobyt pod širým nebem.
Obytné přívěsy a obytné automobily s kovovým pláštěm poskytují stejné bezpečí jako motorová vozidla.
K minimalizaci rizika dbejte následovných rad:
Uhodí-li blesk do odstaveného obytného přívěsu, lze bleskový proud účinně odvést do země přes zatlučené uzemňovací kolíky, které jsou galvanicky spojené s karoserií, a tím dále snížit ohrožení osob uvnitř. U standardních obytných přívěsů je toto vodivé spojení mezi karoserií a zemí většinou zaručeno opěrnou konstrukcí.
Pokud není karoserie obytného vozu z kovu, je možné vyrobit hromosvod z ocelového nebo hliníkového drátu (o průřezu 6 mm2):
K zajištění účinné ochrany obytných vozů s rozsáhlými a nekovových nástavbami si vyžádejte konzultaci u odborníků.
Kdo už na vlastní kůži zažil nezkrotnou moc bouřek ve velehorách, ví že pro turisty a horolezce představuje pobyt na horách během bouřky mimořádné nebezpečí, především pro velký počet exponovaných míst ( vrcholy hor, kříže na vrcholcích apod.),ale také pro rychle se měnící povětrnostní podmínky.
Poznáte-li proto, že se blíží bouřka, ukončete včas tůru, tak abyste se ještě před bouřkou dostali do bezpečí horské chaty (s hromosvodem) nebo výchozího tábora v údolí .
Pokud by už nezbyl čas, poskytnou určitou ochranu kovové bivaky postavené na některých cestách.
Relativní bezpečí naleznete také v jeskyních, pod převisy skal a na úpatí skalních stěn. Kovových lan a mokrých horolezeckých lan byste se neměli dotýkat, protože část bleskového proudu si může najít cestu tělem. Nezanedbatelný je i fakt, že při bouřce se zvyšuje nebezpečí pádu kamení a lavin.
Plavci, vodáci a rybáři by měli už při prvních náznacích blížící se bouřky opustit vodu, přirazit ke břehu, případně se od něj vzdálit a ukrýt se v domech nebo vozidlech.
Plavat nebo brouzdat se při bouřce ve vodě je životně nebezpečné. Ve vodě se šíří bleskový proud podobně jako v půdě na rozsáhlé ploše. Už nízký bleskový proud může u plavců vyvolat šok v jehož důsledku se mohou utopit.
Plavidla se stožárem, ale i rýbařské pruty představují na poměrně rovné vodní ploše body se zvýšenou intenzitou pole a tím i místa se zvýšenou pravděpodobností úderu blesku.
Na rozdíl od malých plavidel jako surfová prkna, kajaky nebo šlapací loďky,u kterých je ochrana před bleskem nemožná, může být na plachetnici instalována nouzová ochrana před bleskem: Na spodním konci lodních úponů a stěhů se připojí prostřednictvím stabilních svorek dvě měděná lana o průřezu alespoň 16 mm2 a zavedou se přes palubu do vody tak, aby se ponořila alespoň 1,5 metru do hloubky. I do vody pověšený kotevní řetěz, který je připevněn k patě stěžně poskytuje určitou ochranu.
Zásadně platí: Nezůstávejte během bouřky stát na palubě a dřepněte si se skrčenýma nohama co nejhlouběji do lodi a vyhýbejte se doteku všech kovových části lodí.
Na rovných a rozsáhlých plochách jsou diváci a účinkující zábavných nebo sportovních podniků vystaveni stejnému ohrožení bleskem jako v otevřeném terénu. Platí zde stejná pravidla chování, jaká jsme popsali v úvodu.
Na nekrytých tribunách jsou diváci zásadně ohroženi, nejsilněji ovšem v horních řadách.
Na otevřených tribunách bez hromosvodů by se měli diváci včas odebrat směrem ke chráněným prostorům.
Jsou-li však tribuny zastřešeny ocelovou střechou nebo střechou s železobetonovou konstrukcí, mohou se považovat za bezpečné.
Uhodí-li blesk do volného prostranství nebo do stožárů, vznikne v okolí místa úderu blesku životu nebezpečné krokové napětí.
Rozhodne-li se pořadatel ukončit akci, musí postupovat tak, aby v takovém případě nenastala mezi diváky panika, která by si mohla vyžádat větší počet obětí na lidských životech než samotný zásah blesku.
Golfová hřiště patří při bouřce z důvodů osaměle stojících stromů nebo skupin stromů, volně stojících kovových golfových tyčí a i použitých kovových holí k nejnebezpečnějším místům vůbec.
V USA dochází ke 20% všech nehod s následkem zranění nebo smrti způsobených úderem blesku právě na golfových hřištích. Při blížící se bouřce přerušte okamžitě hru. Vyhněte se osaměle stojícím stromům, okrajům lesa nebo otevřenému terénu. Hráči a diváci by měli neprodleně vyhledat bezpečná místa.
Myslivci by si měli uvědomit, že posed představuje místo zvlášť ohrožené úderem blesku.
Při blížící se bouřce musí proto včas vyhledat bezpečné místo.
U posedů postavených na stromech si můžete nainstalovat nouzový hromosvod tím, že se na straně kmenu stromu odvrácené od posedu odvrácené natáhne měděný drát o průřezu alespoň 16 mm2. „Hromosvod“ by měl začínat několik metrů nad posedem a končit v zemi, zakopán alespoň do hloubky rýče. Tím se bleskovému proudu nabídne nízkoohmický svod a teměř se vyloučí, že si dílčí bleskový proud vyhledá cestu lidským tělem nebo že dojde k roztříštění chráněné části stromu.
Už téměř 250 let se na budovách instalují hromosvody. Jejich úkolem je v případě úderu blesku odvést bleskový proud bezpečně do země, aniž by docházelo k požárům nebo jiným škodám.
Bez ohledu na zákonná ustanovení by se hromosvody měly instalovat vždy v těchto případech:
Pokud zákon neukládá jinak, je instalace hromosvodu dobrovolným rozhodnutím majitele objektu.
V Německu hradí pojištovny zpravidla jen ty škody, které vznikly přímým působením blesku (požáry, exploze, destrukce). Nepřímé následky úderu blesku a z toho vyplývající škody na elektrických a elektronických přístrojích, způsobené zkratem nebo přepětím se přitom nezohledňují.
Do úplné ochrany před bleskem patří zařízení vnější i vnitřní ochrany před bleskem.
Pod pojmem vnější ochrany před bleskem lze zahrnout všechna instalovaná zařízení, která vně, ale částečně i uvnitř chráněného objektu slouží k zachycení a odvádění bleskového proudu do uzemnění (hromosvod). Kovovými vodiči (FeZn, Cu, AlMgSi) se ve velkých smyčkách opíše hrubý obrys budovy.
Jímací zařízení se zpravidla skládá z hřebenového vedení a/nebo jímacího vedení položeného na ploše střechy eventuálně doplněného jímacími tyčemi. Všechny kovové prvky na budově (anténní trubky, okapy atd.) se spojí nejkratší cestou s hromosvodem.
Na komíny, větrací potrubí, světlíky a pododné nástavby vyčnívající nad střechu se instalují jímací tyče spojené s jímacím vedením. Z jímací soustavy vedou vně nebo uvnitř budovy kolmo dolů svody do uzemnění, kde na co největší ploše přechází bleskový proud do země. Obrázek názorně ukazuje princip instalace vnější ochrany před bleskem obytného domu. Anténní a datové kabely musí být též připojeny k ochraně před bleskem, a to buď uzemněním vnějšího stínění nebo podle potřeby pomocí další stínicích trubek.
Chrání-li vnější ochrana před bleskem především před požárem, spočívá úloha vnitřní ochrany v omezení následků bleskového proudu a jeho elektromagnetických polí na osoby, kovové instalace, elektrické spotřebiče a elektronické přístroje. Moderní koncepce ochrany před bleskem počítá vždy s vnější a vnitřní ochranou.
Nejdůležitější opatření ochrany před bleskem je ochranné vyrovnání potenciálů.
Pomocí přepěťových ochran v nejrůznějším provedení je přepětí omezeno na tak nízké hodnoty, že přestává být nebezpečné dokonce i pro velmi citlivá elektronická zařízení.
Projekcí a instalací ochran před bleskem by se měli zásadně zabývat uznávaní odborníci, kteří respektují platná technická pravidla.
Doplnění článku naleznete v našem článku Blesk – nebeské kladivo.
Použitá literatura:
[1] Rous Z., Sedláček S., Marks W.: Hromosvody a zemniče, STRO.M Praha 1996
[2] DIN VDE 0185/11.82: Blitzschutzanlage – Teil 1: Allgemeines für das Errichten – Teil 2: Errichten besonderer Anlagen. VDE-Verlag, Berlin.
[3] IEC 1024-1/03.90: Protection of structures against lightning. Part 1: General principles. International Electrotechnical Commission, 3, Rue de Varembe, 1211 Geneva, Switzerland.
[4] Hasse, P.; Wiesinger, J.: Handbuch für Blitzschutz und Erdung. 3., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage (1989), R. Pflaum Verlag KG, München; VDE-Verlag, Berlin.
[5] Firemní materiály firmy Dehn + Söhne
[6] Časopis GEO svazek 6/94
Každou hodinu udeří na zemi ca.1 milion blesků (denně 25 milionů).
Blesk – slovo pocházející z indogermánského slova bhlei = svítit je fascinující fenomén, se kterým se lidstvo zabývá od počátku své existence.
Snaha o jeho pochopení se promítla v mytologii z období starověku. V ní byl zničující účinek blesku prezentován jako ohnivý paprsek doprovázený vše rozmetajícím hromovým klínem, který je vrhán rozhněvaným božstvem.
Prvními kroky vedoucími k vědeckému poznání mechanismu bleskového výboje byly pokusy s elektřinou, vzniklé třením dvou předmětů z rozličných materiálů. Elektrický účinek vzniklý třením jantaru byl znám ve starověkém Řecku již kolem roku 600 př. n. l.
Teprve vynálezy rotačního elektrostatického generátoru, zdroje elektrického náboje, a Leydenské láhve, zásobníku elektrického náboje, tedy energie, umožnily získanou elektřinu koncentrovat, tak že bylo možné pozorovat praskající jiskření.
V roce 1670 sestavil Otto von Guericke první generátor se sirnou koulí, stroj znázorňoval analogii laboratorního elektrostatického výboje a skutečného bleskového výboje.
V roce 1698 představil William Wall ucelenou hypotézu, že pokud se bude třít dostatečně velký kus jantaru vznikne, obdobně jako při bouřce, blesk a hrom. Profesor Johann Heinrich Winkler publikoval v roce 1746 názor, že příčinou bouřky je elektrický výboj mezi mrakem a zemí.
Teprve americký politik, spisovatel a badatel Benjamin Franklin navrhl v dopise, který zaslal 29. července 1750 Peteru Collinsonovi z Royal Society London, slavný experiment dokazující elektrický původ bouřky a blesku: Osoba stojící na izolační podložce se během bouřky nabíjí pomocí kovové tyče a začne generovat jiskrové výboje.
Při obdobných pokusech se ukázalo, že jiskry vznikající tímto způsobem byly ve všech ohledech identické s jiskrami způsobenými třením.
Ačkoliv již B. Franklin varoval před možným nebezpečím, došlo při pokusech k těžkým úrazům, následkem kterých, např. v srpnu 1753 zahynul petěrburgský fyzik Georg Wilhelm Richmann: blesk udeřil do kovové tyče a přes tělo vědce prošel do země.
Pokusy s tyčemi poskytly mnoho vědeckých podkladů a vedly ke vzniku fyzikálně zdůvodněných opatření na ochranu osob a objektů před bleskem.
Obdivuhodné ochranné účinky kovového pláště jsou známy dříve než elektrická podstata bleskového výboje.
Podle židovské legendy je Mojžíš (ca 1300 před n. l.) líčen jako velký „experimentátor“, neboť nabil velký kondenzátor atmosférickou elektřinou a jehož výboje trestaly hříšníky. V období velkých svátků usedl do pozlacené truhly umístěné v kovové kleci a nechal se nést okolo tohoto kondenzátoru. Přeskakující jiskry mu neublížily. Další informaci o ochranné kovové konstrukci lze nalézt ve Flaviově knize ( 100 – 37 př. n. l.) „Dějiny židovského národa“. Nedlouho po objevu vodičů a nevodičů Stephenem Grayem předložil v roce 1753 Heinrich Winkler první návrhy hromosvodů.
V dějinách hromosvodů však na prvním místě stojí Prokop Diviš (1696 -1765) a Benjamin Franklin (1706 -1790).
Zkušenosti získané výzkumem vedly východočeského premonstrátského mnicha Prokopa Diviše v roce 1754 ke zřízení stroje na odvracení bouří. 10 m vysoký dřevěný stožár byl osazen systémem 216 hrotů, které byly uzemněny řetězem. Sloužily k trvalému „vysávání“ elektrického náboje z mraků. Podle nejnovějších znalostí o blesku by však tento „stroj“ dokázal ochránit objekty i před „nejsilnějšími“ blesky. Prvenství Prokopa Diviše je bezesporu v použití uzemnění jímače při ochraně před bleskem.
V roce 1750 dospěl B. Franklin k závěru, že budovy, kostely a lodě musí být na nejvyšších místech vybaveny tyčemi s ostrými hroty, které se musí spojit se zemí drátem vedoucím mimo budovu. Toto uspořádání má za úkol nejen pouze vybíjet bouřkový mrak, nýbrž zachytit blesk a bezpečně jej svést mimo budovu do vlhké země. Předepisovaná délka tyčí a nutnost propojení dvou tyčí hřebenovým drátem dokazuje, že Franklin měl představu o omezeném ochranném účinku jímacích tyčí. První Franklinova jímací tyč byla sestrojena v roce 1760.
Po počátečních pokusech se konstrukce hromosvodu ustálila na systému jímače-svody-zemniče, jak je patrné na obr 1 a 2. Kromě ochrany budov byla od konce 19. století věnována pozornost elektrickým zařízením.
Skutečný zlom v hromosvodní technice nastal v druhé polovině našeho století, kdy nastalo masové nasazení elektroniky. Elektronické prvky a součásti jsou neobyčejně citlivé na změny elektrického pole a mohou být zničeny přepětím o hodnotě několika voltů; prudký růst škodních událostí vedl k poznatku, že běžný hromosvod nestačí tato zařízení chránit, a proto vznikl požadavek doplnění hromosvodu o další stupeň, vnitřní ochranu před bleskem.
Souvislost nárůstu škod vzniklých přepětím a se zvyšováním integrace polovodičových prvků je znázorněna na obr. 3 a 4.
Ochrana před bleskem se prudce vyvíjí a neustále nové poznatky vedou k nutnosti rozšiřovat základní vědomosti. Čistě řemeslný obor se mění na vysoce specializovaný elektrotechnický obor.
Dříve než přistoupíme k diskusi o ochraně před bleskem, připomeneme mechanismy vedoucí ke vzniku bouřky a blesku.
Ve všech těchto případech dochází ke vzniku bouřkových buněk v mracích (typický bouřkový mrak, kumulonimbus, má květákový tvar), protože vertikální pohyb vzduchu je dále zesilován dvěma jevy. Stoupající vzduch je ochlazován, až dosáhne teploty nasycení vodních par; dochází k vytvoření kapek a při kondenzaci se vzduch znovu ohřeje, takže znovu začíná stoupat. Dalším ochlazováním dochází k poklesu teploty pod nulu; mrznutí znamená nové uvolnění tepla a stoupání vzduchu se dále zrychluje až k rychlostem okolo 10 km/hod.
Přitom dochází ke vzniku a rozdělování elektrických nábojů v kapičkách vody nebo ledu. Kladně nabité částečky jsou zpravidla „lehčí“ než záporné, a to znamená, že se v bouřkovém mraku oddělí oblasti s kladným nábojem nahoře (část jich však zůstává úplně dole) a záporným nábojem uprostřed. Z fyzikálního hlediska je bouřkový mrak obrovský generátor elektrostatické elektřiny, kde každá buňka je schopná produkovat průměrně dva až čtyři blesky za minutu, intenzita elektrického pole dosahuje řádově stovky kV/m.
Počet bouřek je různý v závislosti na mechanismu vzniku. Obecně klesá s rostoucí zeměpisnou šířkou; vysvětlení lze najít ve skutečnosti, že pravděpodobnost bouřky při teplotě 27°C je vyšší než při 25°C. V hornatém terénu je počet bouřek též vyšší než na rovině.
Blesky lze rozdělit do čtyř skupin, které se liší jak v mechanice, tak v parametrech viz. obr.
Nejčastějším a nejznámějším atmosférickým výbojem je čárový blesk, negativní výboj mezi mrakem a zemí (obr. 5.A).
Ze záporného centra náboje ve spodní části mraku se při napětí mezi mrakem a zemí dosahujícím několika stovek milionů voltů posouvá směrem k zemi válcovitá „hadice“ o průměru až několik desítek metrů naplněná nábojem, uvnitř s plazmovým jádrem o průměru okolo 1 cm. Tento vůdčí výboj postupuje rychlostí asi 300 km/s, a to trhaně po desítkách metrů s pauzami několika desítek mikrosekund (obr. 6.1). Když se přiblíží k zemi na vzdálenost několika desítek a stovek metrů, zvýší se na špičkách blízkých stromů nebo domů intenzita elektrického pole natolik, že dojde k překročení elektrické pevnosti vzduchu a vzhůru vyrazí vstřícný výboj (obr. 6.2), který se setká se sestupujícím vůdčím výbojem a vytvoří bleskový kanál (obr. 6.3). Tím je určena dráha blesku a místo úderu. Vstřícný výboj se takto vytvořenou drahou „prokusuje“ vzhůru do mraků rychlostí asi jedné třetiny rychlosti světla. Teprve tento jev je vnímán jako viditelný světelný bleskový výboj (hlavní bleskový výboj, obr. 6.4). Bleskový kanál se zahřívá na teplotu několika desítek tisíc stupňů Celsia a má průměr několika centimetrů. Tlak vzduchu se zvýší na stonásobek normálního tlaku, což vnímáme jako zahřmění.
Negativní blesk je výboj mezi nižší vrstvou mraků a zemí, pozitivní blesk vyšlehne mezi vyšší vrstvou mraků (spodní vrstva bývá odfouknuta) a zemí, proto má zpravidla vyšší energii (obr. 5).
Bleskový kanál funguje jako „silový kabel“ a vyzařuje elmag. pole. Jedním kanálem proběhne často několik dílčích výbojů postupně vybíjejících další oblasti mraku.
****info parametry bleskového proudu*********
Parametry bleskového proudu se vypočítávají z jeho časového průběhu . Typický průběh výboje je znázorněn na obr. 1. (obr. 3.2f a 3.2g)
V laboratorních podmínkách je bleskový výboj simulován pomocí rezonančních obvodů jako souhr impulsních a dlouhotrvajících proudů. Principiální schémata zkušebních obvodů a laboratorních průběhů jsou znázorněny na obr. 2. (obr. 15.3abcd)
Maximální hodnota proudu 1. dílčího výboje dosahuje řádově desítek kA a jeho doba trvání je kratší než 2 ms.
Proudy následných dílčích výbojů mají již maximální hodnotu nižší. Jednotlivé prodlevy mezi dílčími výboji jsou zhruba 100 ms.
„Proudový ocas “ je definován jako dlouhotrvající „stejnosměrný“ proud s dobou trvání do 500 ms.
**************************
Měřítkem pro posouzení bouřkové činnosti je počet bouřkových dní, tzv. keraunická úroveň. Její hodnota je stanovena dlouholetým pozorováním, avšak značné okamžité odchylky si vynutily přesnější způsob měření.
Jedním z nich je systém monitorování blesků pracující na principu změn elektromagnetického pole (BLIDS – Blitz Informations Dienstleistung Siemens) :
Elektromagnetické pole bleskového výboje vytvoří vlnu, která je zaregistrována přijímacími anténami vzájemně propojených monitorovacích stanic. Podle vzdáleností od jednotlivých stanic dorazí vlna s různým zpožděním a na základě této časové diference lze spočítat místo úderu blesku s přesností na 100 m.
Systém nejen že lokalizuje blesky, ale dokáže je analyzovat s obdivuhodnou přesností: Např. výpadek řídicí věže způsobil blesk, který sjel ve vzdálenosti 100 m od věže; v bleskovém kanálu proběhlo 5 výbojů, které se opticky jevily jako jeden silný blesk. Monitor centrálního počítače navíc monitoruje bouřkovou frontu a křížky označují blesk. Databáze slouží pojišťovnám k ověřování oprávněnosti hlášení pojistných událostí a montážním organizacím k lokalizaci závad na vedeních způsobených úderem blesku.
Na základě analýzy účinků bleskového proudu lze odvodit i hlavní úkoly hromosvodní ochrany.
Úder blesku se zpravidla skládá z více dílčích výbojů. Během hlavního výboje protéká zasaženým objektem vysoký krátkodobý rázový proud (desítky až stovky kA), v dalším průběhu pak další dílčí výboje a mezi nimi „stálý“ proud hodnoty stovek ampérů, který odpovídá proudu při svařování.
Nenajde-li blesk při své cestě k zemi žádné elektricky vodivé spojení se zemí, mohou se předměty jím protékané zahřát natolik, že dosáhnou teploty zapálení (zapalující blesk). Zvláště lehce mohou vznítit doškové střechy, uskladněné hořlavé látky apod.
Prochází-li blesk např. vlhkým dřevem (stromy, trámy) nebo zdivem (komíny, střechami, zdivem), mohou explodovat rychle se vyvíjející páry a tím dojít nejen k poškození nebo zničení komínů, střešních tašek, ale též celých střech, zdí a kmenů.
Rovněž elektrická instalace v budově a k ní připojená zařízení bývají poškozována jak silovým působením bleskového proudu, tak přepětím indukovaným do instalačních smyček.
Paradoxem je, že následné škody velmi často převyšují škody přímé.
Úkolem tradiční hromosvodní ochrany je obecně snižovat rizika škod způsobených bleskem:
V moderním pojetí ochrany před bleskem je navíc obsažen požadavek snižování rizika poškození elektronických zařízení uvnitř objektu.
Článek byl zveřejněn v časopise Český instalatér.
Použitá literatura:
[1] Rous Z., Sedláček S., Marks W.: Hromosvody a zemniče, STRO.M Praha 1996
[2] DIN VDE 0185/11.82: Blitzschutzanlage – Teil 1: Allgemeines für das Errichten – Teil 2: Errichten besonderer Anlagen. VDE-Verlag, Berlin.
[3] IEC 1024-1/03.90: Protection of structures against lightning. Part 1: General principles. International Electrotechnical Commission, 3, Rue de Varembe, 1211 Geneva, Switzerland.
[4] Hasse, P.; Wiesinger, J.: Handbuch für Blitzschutz und Erdung. 3., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage (1989), R. Pflaum Verlag KG, München; VDE-Verlag, Berlin.
[5] Firemní materiály firmy Dehn + Söhne
[6] Časopis GEO svazek 6/94