Metoda toczącej się kuli: jak rozmieszcza się zwody odgromowe

Instalacja odgromowa działa tylko wtedy, gdy piorun trafi w zwód, a nie w dach, komin czy klimatyzator obok niego. Dlatego najważniejsze pytanie przy projekcie zwodów brzmi: które miejsca obiektu piorun może trafić? Najbardziej uniwersalną odpowiedź daje metoda toczącej się kuli (nazywana też metodą kuli tocznej). Część 3 normy PN-EN 62305 wymienia ją obok metody kąta ochronnego i metody oczek siatki.

Skąd wzięła się kula

Wyładowanie doziemne zaczyna się od lidera schodzącego z chmury skokami po kilkadziesiąt metrów. Gdy jego czoło zbliży się do ziemi na pewną odległość, z najbliższych wystających punktów (zwodu, krawędzi dachu, drzewa) wyrasta mu naprzeciw lider oddolny i to ten punkt zostaje trafiony. Tę odległość nazywa się odległością przeskoku. Im słabszy prąd pioruna, tym jest ona mniejsza, a model elektrogeometryczny wiąże je zależnością r = 10 · I^0,65 (r w metrach, I w kiloamperach).

Skoro czoło lidera „wybiera” punkt leżący najbliżej w promieniu odległości przeskoku, to zbiór wszystkich możliwych punktów trafienia można znaleźć geometrycznie: toczymy po obiekcie kulę o promieniu równym odległości przeskoku. Każdy punkt, którego kula dotknie, może zostać trafiony i wymaga zwodu. Punkty, do których kula nie sięga, leżą w przestrzeni chronionej.

Promień kuli a klasa ochrony

Promień kuli zależy od klasy systemu ochrony odgromowej (LPS), którą wyznacza wcześniej analiza ryzyka. Mniejsza kula oznacza ochronę także przed słabszymi wyładowaniami, które potrafią „przecisnąć się” bliżej obiektu, a więc wyższy poziom ochrony:

Na rysunku widać to od razu: kula 60 m opiera się o oba zwody i nie sięga dachu między nimi, a kula 20 m wpada w przerwę i dotyka dachu. Ten sam układ zwodów może więc wystarczyć dla klasy IV, a dla klasy I już nie.

Zwis kuli: ile kula „wpada” między zwody

Najczęstsze zastosowanie metody w praktyce to sprawdzenie, czy zwody są wystarczająco wysokie i gęste. Kula oparta na dwóch zwodach odległych o d zwisa między nimi na głębokość p:

gdzie R to promień kuli, a d to odległość między zwodami (pionowymi albo poziomymi linkami). Wszystko, co wystaje ponad dach wyżej niż „dno” kuli, może zostać trafione. Zwody muszą więc być wyższe od chronionego elementu co najmniej o wartość zwisu.

Przykład: klimatyzator na dachu płaskim

Na dachu stoi jednostka klimatyzacji o wysokości 1,5 m. Chcemy ją osłonić dwoma zwodami pionowymi ustawionymi po obu stronach, w odległości d = 8 m od siebie.

• Klasa III (R = 45 m): p = 45 − √(45² − 4²) = 45 − 44,82 ≈ 0,18 m. Zwody muszą mieć ponad dachem co najmniej 1,5 + 0,18 ≈ 1,7 m.
• Klasa I (R = 20 m): p = 20 − √(20² − 4²) = 20 − 19,60 ≈ 0,40 m. Zwody muszą mieć co najmniej 1,5 + 0,40 ≈ 1,9 m.

W praktyce dodaje się zapas, a urządzenie musi też zachować odstęp izolacyjny od zwodów i przewodów odprowadzających, żeby prąd pioruna nie przeskoczył na jego obudowę i przewody. Ten odstęp liczy się osobno i często to on, a nie zwis kuli, decyduje o ustawieniu zwodów.

Gdzie metoda kuli sprawdza się najlepiej

• Bryły złożone: budynki z częściami o różnej wysokości, lukarnami, attykami, kominami i urządzeniami na dachu. Rysunek pokazuje typową sytuację: przy ścianie wyższej części kula może dotknąć dachu niższego skrzydła, choć „na oko” wydaje się on osłonięty.
• Fotowoltaika i urządzenia dachowe: panele, klimatyzatory, anteny i świetliki, które trzeba wpisać w przestrzeń chronioną.
• Obiekty wysokie: na budynkach wyższych niż promień kuli kula dotyka także ścian bocznych. Norma zwraca wtedy uwagę na wyładowania boczne w górnej części obiektu, które również trzeba uwzględnić w projekcie zwodów.

Metoda kąta ochronnego jest prostsza w użyciu, ale ma ograniczenia wysokości, a metoda oczek siatki nadaje się głównie do płaskich powierzchni dachu. Wszystkie trzy metody są równoprawne. Projektant może je łączyć na jednym obiekcie, a kulę stosuje się zwykle tam, gdzie kształt jest najbardziej skomplikowany.

Jak to wygląda w projekcie

Na rzutach i przekrojach budynku kulę „przetacza się” po obrysie: dawniej cyrklem na kalce, dziś w programie do modelowania 3D. Wynikiem jest zestaw miejsc, których kula dotyka. W każdym z nich trzeba umieścić zwód albo zmienić układ istniejących zwodów (podnieść maszty, dodać linkę, zagęścić zwody poziome) i ponownie sprawdzić cały obiekt. Dopiero gdy kula nie dotyka niczego poza zwodami i ziemią, rozmieszczenie zwodów jest poprawne.

Więcej o całej instalacji, analizie ryzyka i kontrolach znajdziesz w poradniku o ochronie odgromowej budynku według serii PN-EN 62305 oraz we wpisie o analizie ryzyka odgromowego.