4.1

Cap. 4 InstalaŃii de protecŃie împotriva trăsnetului 4.1 DefiniŃii. Trăsnetul – trăsnet, fulger, tunet Lider superior, inferior Efecte primare, secundare ProtecŃie împotriva trăsnetului –exterioară, interioară Trăsnetul este o descărcare electrică între nor şi pământ determinată de supratensiuni atmosferice. Există un lider superior (de la nor spre pământ) şi un lider inferior (de la pământ spre nor). Curentul de trăsnet are valori de ordinul a 10.000-100.000 A. Cu cât mai mare este valoarea curentului, cu atât mai puternice sunt efectele sale asupra mediului înconjurător. Efectele directe ale trăsnetului: -efect de distrugere asupra materialelor nemetalice ale structurii de rezistenŃă a clădirii – evaporare a apei cu efecte similare unei explozii; - efect dinamic asupra a două căi de curent de scurgere spre pământ, ce vor fi deformate prin îndepărtare; - producerea focului şi topirii materialelor prin care se scurge curentul de trăsnet. Efectele indirecte: - tensiuni induse în structura metalică învecinată (Ńevi ale instalaŃiilor de ventilare, sanitare, încălzire), în reŃeaua electrică de putere şi de transimitere de date şi în echipamente electrice

Figura 4.1 Formarea descărcării electrice nor-pamânt

4.2

După catalog ProeEnerg Oradea

4.3

ProtecŃia împotriva trăsnetului (PT) - este un sistem de protecŃie constituit dintr-o instalaŃie exterioară şi/sau măsuri interioare de protecŃie împotriva trăsnetului şi care permite reducerea riscurilor de deterioare a construcŃiilor şi a riscurilor de accidentare a persoanelor. InstalaŃie de protecŃie împotriva trăsnetului (instalaŃie de paratrăsnet - IPT) - instalaŃie care realizează protecŃia unei construcŃii sau a unei zone deschise împotriva efectelor trăsnetului. Este formată dintr-o instalaŃie exterioară de protecŃie la trăsnet (IEPT), compusă din unul sau mai multe dispozitive de captare, unul sau mai multe conductoare de coborâre şi una sau mai multe prize de pământ care serveşte pentru protecŃia împotriva efectelor directe ale trăsnetului şi, dacă este necesar, şi o instalaŃie interioară de protecŃie la trăsnet (IIPT), compusă din dispozitive care reduc efectele electromagnetice ale curentului de descărcare atmosferică în interiorul construcŃiei respective.

Figura 4.2 Structura unei instalaŃii de protecŃie contra trăsnetului Măsuri de protecŃie împotriva trăsnetului (MPT) - măsuri de protecŃie împotriva efectelor indirecte ale trăsnetului în spaŃiul protejat (egalizarea potenŃialelor, distanŃarea elementelor IPT faŃă de elemente metalice, limitarea supratensiunilor atmosferice). Nivel de protecŃie la trăsnet - termen de clasificare a unei PT exprimând eficacitatea sa (probabilitatea de a proteja un spaŃiu împotriva trăsnetului) - nivel normal de protecŃie, nivel întărit de protecŃie. Indice (nivel) keraunic (Nk) – numărul mediu anual de zile cu furtuni cu descărcări electrice, stabilit pentru o anumită zonă sau localitate (pe baza datelor obŃinute în cel puŃin 10 ani consecutivi).

4.4

Figura 4.3 Harta keraunică a României FrecvenŃa loviturilor directe de trăsnet (Nd) – numărul mediu annual de lovituri de trăsnet care pot să apară în regiunea geografică în care este amplasată o construcŃie şi care depinde şi de geometria construcŃiei. FrecvenŃa anuală acceptată de lovituri de trăsnet (Nc) – valoarea maximă acceptată a numărului mediu annual de lovituri directe de trăsnet care pot cauza avarii într-o construcŃie. Zonă de protecŃie - spaŃiul în care probabilitatea loviturilor de trăsnet este redusă (corespunzător nivelului de protecŃie la trăsnet prevăzut) şi a cărei întindere depinde de nivelul protecŃiei. Efecte ale trăsnetului - efectele directe, datorate contactului direct dintre construcŃia lovită de trăsnet şi canalul de descărcare a trăsnetului, manifestate prin efecte termice, mecanice, electrice şi chimice; efectele indirecte, datorate fenomenelor electromagnetice produse de curentul de descărcare de origine atmosferică în interiorul construcŃiei protejate. 4.2 Principiul protecŃiei împotriva trăsnetului. ApariŃia unui trăsnet nu poate fi prevenită, dar pentru a evita producerea unor efecte nedorite trebuie ca trăsnetul să fie condus spre pământ pe o cale care să nu deterioreze clădirea, oamenii sau echipamentul existent şi să nu perturbe activitatea din clădire. InstalaŃia exterioară de protecŃie este realizată în acest scop, de protecŃie contra efectelor directe, prin captarea şi conducerea trăsnetului spre pământ. InstalaŃia interioară de protecŃie este destinată protejării împotriva efectelor indirecte (prin limitarea supratensiunilor ce pătrund spre echipamente). InstalaŃia de paratrăsnet protejează clădirea doar cu o oarecare probabilitate, asigurând perioade mai îndelungate în care clădirea nu este supusă trăsnetului şi reducând riscurile de deteriorări.

4.5

4.3 Obligativitatea prevederii protecŃie la trăsnet. Normativul I20-00 (art. 2.2) menŃionează, printre alte situaŃii, pe cele referitoare la clădirile de locuit: - clădiri bloc pentru spitale, sanatorii etc. cu mai mult de 75 paturi; - hoteluri, cămine, cazărmi cu mai mult de 400 paturi; - construcŃii de locuit cu mai mult de P+11E (în cazul în care la aceste construcŃii, deasupra ultimului nivel se mai află o construcŃie cu un singur nivel ce ocupă până la 50% din aria construită a clădirii şi este compusă numai din încăperi pentru spălătorii, uscătorii sau maşini ale ascensoarelor, PT se prevede şi la această construcŃie); - construcŃii amplasate izolat, în zone cu indicele K mai mare de 30, cum sunt cabanele sau construcŃiile similare amplasate izolat. 4.4 Stabilirea necesităŃii prevederii unei IPT pentru o construcŃie şi alegerea nivelului de protecŃie împotriva trăsnetului Stabilirea necesităŃii de a se prevedea IPT pentru un caz dat, cu excepŃia celor 14 situaŃii obligatorii menŃionate de I 20-00 art. 2.2, şi alegerea nivelului de protecŃie pentru IPET se bazează pe determinarea frecvenŃei prevăzute de lovituri de trăsnet directe pe construcŃie sau pe volumul protejat Nd şi a frecvenŃei anuale acceptate de lovituri de trăsnet Nc, urmată de compararea valorilor obŃinute. La evaluarea riscului de trăsnet se Ńine seama de următorii factori:

a) mediul înconjurător al construcŃiei – coeficientul C1; b) tipul construcŃiei - coeficientul C2; c) conŃinutul construcŃiei - coeficientul C3; d) gradul de ocupare al construcŃiei - coeficientul C4; e) consecinŃele trăsnetului - coeficientul C5. Notă: Valorile acestor coeficienŃi sunt menŃionate în normativul I 20. FrecvenŃa prevăzută de lovituri de trăsnet directe Nd pe construcŃie sau pe volumul

protejat se determină cu relaŃia: Nd= Ng·Ae·C1·10-6 lovituri/an, unde: - Ng=0,04 Nk1,25, număr de impacturi/km2 an, este densitatea trăsnetelor la sol exprimată în număr de lovituri de trăsnet pe km2 şi an, ce se poate determina utilizând harta keraunică – figura 4.3 (I20-00 anexa 2) pentru aflarea indicelui keraunic Nk; valorile Ng=f(Nk) sunt date în tabelul 4.6; - Ae – suprafaŃa echivalentă de captare a construcŃiei, m2. Pentru o construcŃie dreptunghiulară izolată, de lungime L, lăŃime l şi înălŃime H, Ae=L·l+6H(L+l)+9πH2; când suprafaŃa de captare echivalentă a unei construcŃii acoperă complet pe cea a altei construcŃii, aceasta din urmă nu se ia în considerare; dacă suprafeŃele de captare ale mai multor construcŃii se suprapun, suprafaŃa comună rezultată se consideră ca o singură suprafaŃă de captare; - C1 – coeficientul ce Ńine seama de mediul înconjurător. FrecvenŃa anuală acceptată de lovituri de trăsnet Nc se determină cu relaŃia Nc=5,5·10-3/C, unde C = C2·C3·C4·C5 sunt coeficienŃii de evaluare menŃionaŃi anterior. Dacă Nd ≤Nc, atunci NU este necesară prevederea unei IPT sau se prevede la cererea expresă a beneficiarului. Dacă Nd >Nc, atunci ESTE necesară prevederea unei IPT a cărei eficacitate se determină cu relaŃia E≥1- Nc/ Nd. Nivelul de protecŃie – întărit (I sau II) sau normal (III sau IV) se determină în funcŃie de mărimea valorii eficacităŃii E – tabelul 4.7. Tabelul 4.7 Nivelul de protecŃie al IPT în funcŃie de eficacitatea E

4.6

În Tabelul 4.8 este prezentat un Model de calcul pentru determinarea necesităŃii prevederii IPT Tabelul 4.8 Model de calcul. Determinarea necesităŃii prevederii IPT şi alegerea nivelului de protecŃie

Formule şi date de intrare Calcule Rezultate SuprafaŃa echivalentă de captare - pentru volume paralelipipedice: Ae = L x l + 6 x H x (L + l) + 9 x 3,14 x H2

- pentru construcŃii cu proeminenŃe: Ae = 9 x 3,14 x H2

L = 30 l = 12 H = 15 H2 = 225

Ae = 10498,5

Nd = Ng x Ae x C1 x 10-6

Nk = 50 Ng = 5,318295897 Ae = 10498,5 C1 = 0,25

Nd = 0,013958532

Nc = (5,5 x 10-3) / C C = C2 x C3 x C4 x C5

C2 = 2,5 C3 = 1 C4 = 1 C5 = 5

Nc = 0,0011

Dacă Nd ≤ Nc - IPT nu este necesară sau se prevede la cererea expresă a beneficiarului Dacă Nd > Nc - IPT este necesară şi se calculează eficacitatea: E = 1 - Nc / Nd = 0,921195154 În acest caz se recomandă IEPT neizolată cu caracteristicile indicate mai jos: Nivelul de protecŃie întărit (II) Dimensiunile reŃelei de captare, m x m 10 x 10 Raza sferei fictive R, m 30 Unghiul de protecŃie al IPT la înălŃimea egală cu H clădire, grd 35

4.7

4.5 Legături pentru egalizarea potenŃialelor În interiorul spaŃiului protejat împotriva efectelor indirecte ale trăsnetului, în vederea reducerii riscului de incendiu, de explozie şi de electrocutare se execută legături pentru egalizarea potenŃialelor formând centuri închise, pe orizontală, între elementele metalice (ale IPT, ale cosntrucŃiei sau din construcŃie - echipamente metalice, instalaŃii). Conductoarele pentru egalizarea potenŃialelor, pentru legarea la pământ şi pentru protecŃie la instalaŃiile electrice se leagă la bara de egalizare a potenŃialelor (BEP) a construcŃiei - figura 4.4. Pentru fiecare centură de egalizare a potenŃialelor se prevede câte o BEP, care se execută şi se amplasează astfel încât să permită un acces uşor pentru verificări. Aceste legături se realizează la subsol sau aproximativ la nivelul solului la construcŃii cu înălŃimea până la 20 m; la înălŃimi mai mari de 20 m, din 20 în 20 m, BEP-urile se leagă la conductoarele orizontale care leagă între ele conductoarele de coborâre ale IPT.

Figura 4.4 Bara de egalizare a potenŃialelor - BEP

4.8

4.6 Paratrăsnet cu dispozitiv de amorsare - PDA

4.9

4.7 Traducere modul UTSEB ProtecŃia la trăsnet Trăsnetul. Trăsnetul este un curent generat de diferenŃele de potenŃial de origine atmosferică, descărcările dintre nori şi pământ. Există trăsnete ascendente şi descendente. Curentul unui trăsnet are valori cuprinse între 10-100.000 A. Cu cât este mai mare curentul cu atât mai puternic este efectul trăsnetului asupra mediului înconjurător. Efectele directe (primare) ale trăsnetului: - Efectul distructiv: apare în cazul în care curentul trăsnetului trece prin structuri nemetalice ale clădirilor, cum ar fi şemineul cu horn din cărămidă; în acest caz, curentul trăsnetului evaporă rapid apa, distrugând materialul ca în cazul unei explozii. - Efectul dinamic: curentul trăsnetului care trece printr-un element al clădirii, cu schimbări bruşte de direcŃie, duce la ruperea acestuia. - Efectul de incendiere şi topite: este rezultatul supraîncălzirii materialului prin care trece curentul trăsnetului.

Efectele indirecte (secundare) ale trăsnetului: - Lovituri de trăsnet indirecte: în acest caz curentul trăsnetului trece printre structuri nemetalice. Poate fi nociv, deoarece curentul poate distruge, aprinde sau topii materialele prin care trece - InducŃia unei tensiuni: în componentele metalice care nu sunt atinse direct de curentul trăsnetului (sisteme de Ńevi, reŃele de ventilare, componente metalice ale lifturilor), în reŃeaua de distribuŃie a energiei, reŃelele de curenŃi slabi şi în aparatură. Tensiunea indusă poate atinge valori foarte mari (supratensiuni), nepermise de aparatură sau de modul de funcŃionare al reŃelelor. Aceasta poate duce la distrugerea sau defectarea acestora. Principiile protecŃiei împotriva trăsnetelor. Formarea trăsnetelor nu poate fi prevenită. Pentru evitarea efectelor nocive curentul generat de acestea trebuie condus în pământ prin intermediul unor elemente care să elimine provocarea daunelor la nivelul clădirilor, locuitorilor şi activităŃiilor desfăşurate de aceştia. În acest scop au fost create dispozitive exterioare de protecŃie a clădirilor, împotriva trăsnetelor; aceasta au menirea de a proteja construcŃia de efectele distructive directe ale trăsnetului. Dispozitivele interioare asigură protecŃia împotriva efectelor indirecte. Aceste dispozitive protejează clădirea cu maximă probabilitate. Aceasta înseamnă că perioada de timp fără trăsnete să devină semnificativ de lungă. În concordanŃă cu aceasta scopul dispozitivelor de protecŃie este de a reduce riscul producerii pagubelor cauzate de trăsnete. ProtecŃia la exterior împotriva trăsnetelor. Este bine să se pornească întotdeauna de la cele două caracteristici de bază ale trăsnetului:

- Trăsnetul loveşte în general în materiale bune conducătoare de electricitate care sunt legate la pământ. - Curentul trăsnetului nu se propagă direct şi cu viteză constantă către pământ, ci face salturi mari de cca. 20-

100 m; se presupune că trăsnetul îşi alege la fiecare astfel de salt noua direcŃie de propagare. Dacă construim o sferă de rază R, cu centrul în locul de pornire al trăsnetului şi de dimensiunea saltului efectuat de acesta, atunci doar un paravan protector ar putea proteja eficient clădirea. Sau putem rosrogoli această sferă de rază R, în aşa fel încât să nu atingă imobilul. Cu cât raza R este mai mică cu atât saltul trăsnetului este mai mic, o grilă de captare mai densă oferind o protecŃie mai mărită. În locul acestei metode de rotire a sferei, problema poate fi studiată şi cu ajutorul unui disc de diametru D. În acest caz, dispozitivul de protecŃie nu are voie să atingă acoperişul.

Figura 4.5 SuprafaŃa de acoperiş protejată

4.10

Sistemele de protecŃie cu o grilă de captare a trăsnetului sunt mai eficiente deoarece nu pot trece de acestea nici trăsnetele cu raza salturilor mică. Aşadar, cu cât elementele de protecŃie plasate pe acoperiş sunt mai dese, cu atât mai bună şi mai eficientă este protecŃia. InstalaŃia de paratrăsnet trebuie montată la o distanŃă bine definită faŃă de acoperiş şi pereŃii laterali. Elementele unei instalaŃii de paratrăsnet exterioare sunt: dispozitivul de captare, dispozitivul conductor şi cel care realizează legătura la sol a instalaŃiei. Operatorul trebuie să urmărească ca:

- funcŃionarea instalaŃiei să nu se modifice; aceasta include şi mentenanŃa sistemului. - modificarea sistemului de protecŃie la trăsnet în concordanŃă cu modificările de orice fel aduse destinaŃiei

imobilului. Dispozitivele de captare şi de conducere a trăsnetului spre sol trebuie montate în exteriorul clădirii; în anumite cazuri particulare acestea pot şi montate în spatele anumitor elemente de protecŃie (mascare). Priza la pământ a instalaŃiei este întotdeauna ascunsă. Conexiunea la priza de pământ poate fi pozată în aer sau în spatele anumitor carcase. Aceste condiŃii de montaj au două consecinŃe: Prima, dispozitivul de captare a trăsnetului, expus intemperiilor vremii, poate fi distrus cu uşurinŃă de factori mecanici şi coroziune - furtuni şi ploi (părŃile structurale ale acestor instalaŃii nu sunt proiectate pentru condiŃii climatice extreme). Pe de altă parte însă aceste dispozitive montate aparent pot fi verificate vizual cu uşurinŃă. Este uşor de înŃeles că sistemul de paratrăsnet trebuie verificat vizual în toate cazurile în care vremea, mentenanŃa sau renovarea clădirii pot duce la distrugerea acestuia. Se vor observa orice modificări ale geometriei dispozitivului de captare şi conducere, cum ar fi îndoirea sau ruperea captatorului, ruperea elementelor de susŃinere a acestuia, distrugerea conexiunilor electrice sau a conexiunii de legare la priza de pământ. În cazul distrugerii instalaŃiei de paratrăsnet, aceasta trebuie readusă la forma iniŃială. Repararea instalaŃiei poate fi făcută în general de către oricine, existând şi cazuri în care este necesar un expert. În momentul proiectării trebuie avut în vedere factorul de coroziune, aceasta ducând la folosirea unor materiale mai groase sau mai subŃiri. Astfel de probleme intervin însă doar în cazurile instalaŃiilor vechi. Starea instalaŃiei de paratrăsnet exterioare trebuie verificată periodic de către un expert. ProtecŃia la interior împotriva trăsnetelor. Scopul acestor dispozitive este acela de a evita efectele novive indirecte (secundare) ale loviturilor de trăsnet în interiorul clădirilor. InstalaŃia interioară trebuie să asigure:

- să nu apară un arc electric produs de trăsnet între elemente metalice; - tensiunea indusă cauzată de trăsnet să nu distrugă reŃelele electrice şi aparatele din clădire

ProtecŃia interioară împotriva trăsnetului nu reprezintă o instalaŃie independentă, o reŃea continuuă la fel ca cea exterioară, dar realizează o legătură între reŃeaua de distribuŃie electrică interioară, construcŃiile metalice, instalaŃia de paratrăsnet exterioară şi elementele adiŃionale. Pentru realizarea instalaŃiei de protecŃie interioare este necesară cunoaşterea aranjamentului geometric exterior al instalaŃiei de paratrăsnet, al tuturor reŃelelor metalice din interiorul clădirii, al structurilorr metalice ale clădirii şi a reŃelei de distribuŃie electrică. Având aceste date putem realiza conexiunile elementelor metalice pentru a preveni apariŃia unui arc electric; în unele cazuri protecŃia se poate realiza prin însăşi amplasarea acestor echipamente în interiorul clădirilor (de exemplu, sistemele magnetice de stocare a datelor nu pot fi amplasate la mai puŃin de 1 m de componentele instalaŃiei exterioare de paratrăsnet). Componente ale installaŃiei interioare de protecŃie împotriva loviturilor de trăsnet:

- legătura metalică, directă sau cu descărcător de supratensiune, dintre elementele exterioare ale instalaŃiei de paratrăsnet şi elementele metalice ale clădirii, ce se realizează în apropiere de priza de pământ;

- echipamente de protecŃie a instalaŃiei electrice interioare şi a reŃelelor de curenŃi slabi care să limiteze supratensiunile la valori ce nu pot cauza defecŃiuni.

InstalaŃia de protecŃie interioară împotriva loviturilor de trăsnet se poate realiza cu sau fără echipamente de protecŃie la supratensiuni.

4.11

Figura 4.6 PoziŃionarea descărcătorului de supratensiune în tabloul de distribuŃie Componentele acestei instalaŃii sunt vizibile doar parŃial, deoarece sunt plasate în punctele de conexiune a reŃelelor electrice şi de curenŃi slabi (tablouri electrice)

Figura 4.7 ProtecŃia la supratensiune combinată pentru echipamente electrice şi de curenŃi slabi MentenanŃa sistemului de protecŃie interior la loviturile de trăsnet este mentenanŃa operabilităŃii planificate. Aceasta înseamnă, pe de o parte, verificarea periodică a instalaŃiei de către un expert şi, pe de altă parte, verificarea parŃială. Este nevoie de verificarea parŃială a echipamentelor de protecŃie din interiorul clădirii în urma unei lovituri de trăsnet, deoarece, în general, survin defecŃiuni ca urmare a acestor descărcări. De aceea trebuie verificată integritatea legăturilor metalice directe şi distanŃa dintre descărcătoare. Dacă există o defecŃiune, aceasta trebuie remediată în cel mai scurt timp. Verificarea dispozitivelor de protecŃie la supratensiuni înseamnă schimbarea protecŃiilor care au o unică folosinŃă. În mod adiŃional, în urma unei lovituri de trăsnet, dispozitivele de protecŃie la supratensiuni trebuie verificate vizual, iar echipamentele protejate de acestea trebuie inspectate cu grijă; în caz de anomalii se apelează la serviciile unui expert.

4.12

4.8 Întrebări 1. Paratrăsnetul cu dispozitiv de amorsare - PDA a) protejează construcŃia prin eliminarea producerii trăsnetului b) porneşte un lider ascendent şi devine punctul de impact privilegiat de lovitura de trăsnet în zona protejată c) se utilizează numai pe clădirile înalte sau foarte înalte 2. Indice (nivel) keraunic Nk reprezintă: a) valoarea curentului de descărcare de trăsnet b) rezistenŃa echivalentă a unei prize de pământ ce deserveşte o instalaŃie de protecŃie contra trăsnetelor, priză realizată cu elemente metalice naturale ale construcŃiei c) numărul mediu anual de zile cu furtuni cu descărcări electrice 3. Pentru o construcŃie de locuit cu 5 niveluri, prevederea unei instalaŃii de protecŃie contra trăsnetelor - IPT a) este obligatorie conform normativului I20-00 b) se decide pe baza determinării frecvenŃei loviturilor directe de trăsnet Nd şi a frecvenŃei anuale acceptate de lovituri de trăsnet Nc c) este la aprecierea beneficiarului sau proiectantului 4. O instalaŃie de protecŃie împotriva trăsnetului IPT conferă construcŃiei: a) siguranŃa că nu va fi lovită de trăsnet b) atenuarea efectelor unei lovituri de trăsnet directe c) reducerea probabilităŃii de a fi lovită de trăsnet 5. O clădire - consumator electric – va fi prevăzută cu: a) instalaŃie de protecŃie contra trăsnetului exterioară b) instalaŃie de protecŃie contra trăsnetului interioară – bara de egalizare a potenŃialelor şi dispozitive de protecŃie contra supratensiunilor atmosferice c) protecŃie cu dispozitiv de amorsare