Uziemienia obiektów antenowych – ochrona prawdziwa czy pozorna?

Dziś zagadnienie związane z instalacjami antenowymi, choć nieco poboczne. Jednak w tej dziedzinie krąży dużo niebezpiecznych legend i nieporozumień.

Sprawa dotyczy ochrony instalacji antenowych przed skutkami bezpośredniego uderzenia pioruna. A jeżeli wykonamy taką ochronę poprawnie, zabezpieczymy też urządzenia i ludzi przed skutkami uderzenia pioruna w sąsiedztwie.

Instalacja antenowa często bywa najwyższym punktem na budynku, a krótkofalowcy stawiają maszty lub wieże w pobliżu budynku. Oba te przypadki są groźne, bo przecież z takiego wysokiego wspornika wprowadzamy do wnętrza budynku jeden lub więcej kabli antenowych. To tak jakbyśmy na własne życzenie wpuszczali pioruny do środka… Nie da się tego uniknąć, ale da się przed nimi zabezpieczyć. Tylko że trzeba to zrobić poprawnie!

Często spotyka się poglądy oparte na (wydawałoby się) „zdrowym rozsądku”, czyli „należy zrobić wszystko, by oddzielić piorunochrony, wieże, maszty od tego co wchodzi do domu”. Tak pojęty „rozsądek” prowadzi jednak do dokładnie odwrotnego skutku i tylko fakt, że pioruny zbyt często nie trafiają w niskie domy powoduje, że to całkowicie błędne rozumowanie nie prowadzi do nieszczęścia. Gdy jednak piorun już uderzy w instalację opartą na takim opacznie pojętym „zdrowym rozsądku”, skutki są straszne.

Tak stało się w domu, który odwiedziłem dosłownie kilka dni temu. Wyraźnie coś tu było wbrew zasadom, które sobie dzisiaj omówimy.

film z awarii

Drugi problem z instalacjami odgromowymi polega na tym, że ich wykonawcy nie znają zjawisk fizycznych związanych z wyładowaniami piorunowymi wykonują instalacje ochronne dokładnie tak, żeby nie zadziałały…

Dlatego warto poznać prawdziwą fizykę i cechy tych zjawisk, przyjąć pewne podstawowe choć uproszczone, to jednak właściwe zasady i w razie potrzeby prawidłowo ochronić i sprzęt, i ludzi. I o tym porozmawiamy dzisiaj.

Wiadomo powszechnie – i słusznie, że aby ochronić przed skutkami pioruna, należy coś tam uziemić. To prawda. A czym jest uziemienie i jakie musi być do tego celu?

W zasadzie sprawa jest prosta: każdy wie. Uziemienie polega na zakopaniu w gruncie przedmiotu metalowego zwanego uziomem. Tak jest. Wiadomo także, że najlepiej na tyle głęboko, by znalazł się w warstwie mokrej. I to też prawda.

No i wiadomo, że „opór”, czyli po technicznemu rezystancja takiego uziomu powinna być mała.

Ale co to jest ta rezystancja i dlaczego ma zależeć od warunków pogodowych, pory roku i temu podobnych? Czy rezystancja nie jest stała i zależy tylko od tego metalu zakopanego w ziemi?

Otóż nie. Zauważmy, że typowe wartości rezystancji w przepisach to na przykład 1, 2 lub nawet 10 omów. A przecież gdy zakopiemy wiadro połączone przewodem czy kilka prętów, rezystancja tych metalowych przedmiotów (gdyby przyłożyć do nich omomierz i pomierzyć je nim wzdłuż i wszerz) na pewno wynosi ułamek oma. Nawet gdy są ze stali. Dlaczego więc pisze się aż o dwóch lub 10 omach?

Tak teoretycznie rezystancja uziomu może być wyrażona takim wzorem. Literka ‘ro’ w liczniku wyraża rezystywność (rezystancję właściwą dla materiału) gruntu mierzoną w omometrach. Zależy ona od rodzaju gleby, wilgotności czy pory roku. Trudno ją znać, ale jej wartość waha się mniej więcej pomiędzy 200 a ponad 1000 omometrów. Pozostałe oznaczenia to długość, średnica i głębokość zakopania w gruncie.

Przepisy określają rezystancję uziomu dla różnych celów i różnych obiektów. I warto się ich trzymać. Ale trzymać się tak „do końca” — bo skoro przepisy mówią, że należy wykonać pomiary o różnych porach roku, to naprawdę trzeba tak robić. Pojedynczy pomiar wbrew pozorom nie podaje rzeczywistej rezystancji systemu uziemienia, lecz jedynie rezystancję w dniu pomiaru o konkretnej porze dnia itp. Rezystancja musi pochodzić z co najmniej dwóch pomiarów w zupełnie różnych warunkach pogodowych. Tym już się zajmować dziś nie będziemy.

Rezystancja uziemienia nie polega więc na cechach metalowego przedmiotu i jego rozmiarach, lecz na zjawiskach z dziedziny elektrochemii na styku metal-grunt. Metalowy uziom nie styka się tylko z ziarenkami piasku czy drobinami innych skał, ale z wodą w glebie. A ta woda to tak naprawdę roztwór elektrolitów bardzo różnego rodzaju.

Czy pamiętamy szkolne doświadczenie z blaszkami miedzianą i cynkową zanurzanymi w roztworze dowolnego kwasu? Podłączona żarówka zaświecała się.

A jak nie pamiętamy, to przecież dokładnie na podobnej zasadzie działa każde ogniwo kupowane w sklepach jako „bateryjka”. Różne metale czy roztwory ich soli połączone poprzez roztwór elektrolitu wytwarzają prąd elektryczny!

W skrócie mówiąc: to samo dzieje się na styku zakopanego wiadra z wilgotną glebą, tyle że powstające tam ogniwka elektryczne sprzeciwiają się przepływowi prądu elektrycznego przez taki układ, co objawia się właśnie jako opór. I to nazywamy „rezystancją uziemienia”. A ponieważ polega ona ogólnie i na zwartości w gruncie wody, i różnych innych substancji, jej wartość zmienia się z porą roku, porą dnia, z opadami czy suszą, a także silnie zależy od rodzaju gleby (piaszczysta, żyzna itp.).

Warto zadbać o jakość uziomów, założyć ich kilka i dobrze ze sobą połączyć. Bo w ten sposób powstaje układ kilku uziomów połączonych równolegle, więc rezystancja zmniejsza się jak w każdym połączeniu równoległym.

Najlepszym rodzajem uziomu budynku jest wykorzystanie zbrojenia żelbetowych fundamentów. Należy zadbać, by taki uziom fundamentowy miał wyprowadzone zaciski ponad grunt, co umożliwi dołączenie do niego także innych urządzeń, w tym tych, o której dzisiaj opowiadamy.

To było wprowadzenie do tematu, bo najistotniejszy problem z właściwą ochroną przed skutkami piorunów polega na czymś zupełnie innym – na nieuświadamianiu sobie czym tak naprawdę jest prąd piorunowy i co z tego wynika. Zatem taką wiedzę musimy sobie przyswoić, by przestać kierować się zgubnym „zdrowym rozsądkiem” i zacząć stosować fizykę.

Pierwsza porada: w tym temacie zapomnijmy o istnieniu jakiegokolwiek omomierza czy innego przyrządu do pomiarów rezystancji. Bo najczęstszy błąd polega na myśleniu, iż prąd od pioruna to prąd stały. Błąd, błąd i jeszcze raz błąd! Prąd piorunowy zachowuje się bardzo dziwacznie, ale na pewno nie ma żadnych cech prądu stałego czy prądu energetycznego 50 Hz.

Prąd piorunowy wynosi na przykład kilkanaście czy więcej kiloamperów. Powiedzmy 20 tysięcy amperów i ten prąd w przypadku trafienia musi przepłynąć do gruntu (do uziomu) przez wszystko co w naszym domu przewodzi i jakoś jest połączone z ziemią. Lub przez wieżę antenową. 20 tysięcy amperów, które wyładowanie uzyska po dwóch mikrosekundach! Dwie mikrosekundy to czas 10 tysięcy razy krótszy niż okres prądu w sieci energetycznej. Wyobrażacie sobie jak ten prąd szybko narasta? I co z tego wynika?

Krótko mówiąc, wynika z tego, że prąd wyładowania atmosferycznego nie tylko jest olbrzymi, lecz także że tak naprawdę jest to impuls wielkiej częstotliwości. Nauka na temat pioruna jest bardzo bogata i opisywana licznymi skomplikowanymi modelami matematycznymi, ale mniej więcej możemy sobie uświadomić zawartość częstotliwości prądu piorunowego:

Z tego wykresu wynika, że ok. 97% (czyli prawie całość) gigantycznej energii prądu piorunowego zawiera się w zakresie do 100 kHz. Ogólnie widmo ma istotne składniki do ponad 1 MHz.

Czy to słyszycie? Prąd piorunowy do po prostu silny sygnał na falach długich, średnich i nawet krótkich! W żadnym wypadku nie „prąd stały”. Dlatego wszystko co służy ochronie przed nim musi go poważnie traktować jak impuls o wielkiej częstotliwości. I przywołać całą wiedzę nie tylko z podstawowej elektrotechniki, ale i radiotechniki.

Przy okazji wspomnę, że choć mało kto sobie uświadamia, że piorun to jakby nadajnik długofalowy, to przecież historia radiofonii, a przedtem radiotelegrafii określanej jako „telegraf bez drutu” zaczęła się właśnie od wykrywania pioruna. Temu służył przyrząd nazywany kohererem, a sprzedawany w układzie „wykrywacza burz”: gdy w pobliżu powstawały wyładowania od nadchodzącej burzy, koherer zaczynał bardziej przewodzić i w pewnym momencie uruchamiał dzwonek.

I podobnie działały odbiorniki radiotelegrafii: odbierały sygnały wytwarzane przez ogromne iskrowniki na stacjach nadawczych (na przykład w słynnej stacji transatlantyckiej Babice pod Warszawą).

A zatem piorun to jakby ogromnie silny sygnał radiowy. Dziesiątki kiloherców i więcej.

Co to jest opór elektryczny, czyli rezystancja, każdy jakoś czuje. Dowolny kawałek przewodu ma taką cechę. Przewód z miedzi ma mniejszą rezystancję niż taki sam przewód z żelaza. Można to zmierzyć omomierzem czy mostkiem.

Ta rezystancja jest zawsze taka sama niezależnie od kształtu tego kawałka metalu. Liczy się tylko jego długość, pole przekroju i rodzaj materiału. Możemy go prostować, zwijać wyginać – będzie taka sama. Rezystancja nie zależy przy tym pod częstotliwości prądu.

Ale czy ten kawałek metalu będzie zachowywał się zawsze tak samo dla prądów o różnych częstotliwościach? Otóż nie! Zwłaszcza gdy zaczniemy go zwijać, tworząc cewkę czy nawet dławik.

Ale po co wymyślono cewki i dławiki? Ponieważ przewód zwinięty w cewkę zaczyna mieć wyraźną indukcyjność. Im więcej zwojów tym indukcyjność większa.

Podstawowy wzór na indukcyjność cewki jednowarstwowej (znanej głównie z zakresu fal ultrakrótkich) wygląda tak.

Indukcyjność silnie zależy nie tylko od liczby zwojów, ale też od rozmiarów cewki, w tym średnicy zwojów i długości elementu. Oto przykłady dla takiej cewki z grubego drutu.

Dla 5 zwojów taka cewka o średnicy 8 mm ma indukcyjność rzędu 10 mikrohenrów.

Jeżeli będzie miała tylko dwa zwoje, jej indukcyjność spadnie do 3 mikrohenrów. Dlaczego omawiamy takie małe cewki i indukcyjności? Za chwilę nam się to właśnie przyda.

A dławiki znamy między innymi z opraw tradycyjnych świetlówek. Spełniają tam dwie role równocześnie. jedną jest zapłon, który wykorzystywał zjawisko samoindukcji i wytwarzanie impulsu dość wysokiego napięcia. Tę rolę dławika tutaj pominę.

Druga rola ma ścisły związek z naszą sprawą: dławik, czyli cewka o dość dużej indukcyjności, służy w takiej lampie jako statecznik, czyli ogranicznik natężenia prądu. I wcale nie dlatego, że ma drut o dużym oporze. Gdyby chodziło o dużą rezystancję, używano by zwykłych oporników. Po co więc dławik ze swoją indukcyjnością?

Ponieważ indukcyjność wpływa na natężenie prądu, pod warunkiem że jest to prąd przemienny.

Opór stawiany przez cewkę przepływającemu prądowi nazywamy reaktancją indukcyjną (jest jeszcze reaktancja pojemnościowa dotycząca kondensatorów, która zachowuje się dokładnie odwrotnie niż indukcyjna, ale dziś nie o tym). I prawie w ogóle nie chodzi tu o opór, czyli rezystancję drutu cewki. Cewka tamuje przepływ prądu dzięki swojej indukcyjności – i o to zjawisko tu chodzi. Podstawowy wzór na wartość tego oporu, czyli reaktancji jest prosty:

Przy rozważaniu przepływu prądu przez reaktancję w pełni obowiązują wszystkie podstawowe prawa elektrotechniki: prawo Ohma, prawa Kirchhoffa. Czyli gdy porównamy taki obwód prądu stałego z rezystorem 314 omów oraz obwód prądu przemiennego 50 kHz z cewką o indukcyjności 1 henr, zobaczymy, że zgodnie z prawem Ohma natężenie prądu będzie w obu jednakowe. Bo oba elementy stawiają przepływającemu prądowi taki sam opór.

Powtarzam: opór (rezystancję) drutu cewki dla prądu stałego pomijamy, bo jest znikomo mała i wcale nie o nią tu chodzi. Dla prądów zmiennych rolę oporu odgrywa głównie reaktancja i to musimy zapamiętać.

Cewka-nie cewka

Ale czy indukcyjność ma tylko cewka, czyli drut zwinięty w zwoje? Nie. Indukcyjność ma każdy kawałek przewodu. Zobaczmy z jakiego rzędu indukcyjnością mamy do czynienia w przypadku pręta okrągłego oraz płaskownika.

Oto obowiązujące wzory, nie warto ich analizować, po prostu wstawimy realne liczby. Najpierw płaskownik, często nazywany „bednarką”.

Bednarka szerokości 5 cm, grubości 5 mm ma przy długości 1 m indukcyjność 0,8 mikrohenra.

Ale odcinek 5-metrowy ma już prawie 6 µH.

A po wydłużeniu do 8 m ta szeroka i dość gruba bednarka ma już taką indukcyjność jaką ma malutka cewka z poprzedniego rysunku

Zobaczmy ten wykres. Dotyczy płaskownika grubości 4 mm. Na dole wykresu zauważamy, że dla krótkiego odcinka jednego metra zmiana szerokości (przekroju) płaskownika nieomal nie wpływa na jego indukcyjność Ten granatowy brzeg wykresu przebiega prawie płasko na poziomie około 1 henra.

Natomiast im dłuższy odcinek bednarki, tym indukcyjność gwałtowniej wzrasta. Górna krawędź tego wykresy ma kształt narastającego łuku. I jak widzimy, bednarka o szerokości 100 mm (10 cm) ma indukcyjność rzędu 12 µH, ale wąska listewka o szerokości 5 mm już ponad 16 µH.

Dla bednarki grubej na centymetr indukcyjności są nieco mniejsze, ale na ten wykres tylko spojrzymy bez analizy.

A teraz pręt okrągły. Niech jego średnica wynosi 4,5 mm, a to dlatego, że wówczas ma on dość często spotykane pole przekroju 16 mm kwadratowych. Rozważymy od razu realistyczny odcinek o długości 8 m. I zgodnie ze wzorem taki przewód ma już 13 µH indukcyjności.

Gdy zastosujemy przewód o przekroju 50 mm kwadratowych, indukcyjność 8-metrowego odcinka spadnie nieco do 12 µH.

Dalsze zwiększanie średnicy przewodu nie powoduje już istotnego spadku indukcyjności. Ten przewód ma 10 mm średnicy, czyli 80 mm kwadratowych przekroju.

Spojrzenie na analogiczny wykres zmian indukcyjności potwierdza, że jej wartości dla pręta spotykanego w praktyce są wyższe niż dla płaskowników.

A zatem odcinek pręta średnicy 8 mm ma indukcyjność podobną do cewki o kilku zwojach.

Przypominam: indukcyjność jest czynnikiem określającym opór dla przepływającego prądu i dlatego tak szczegółowo się nią zajmujemy i oglądamy te bednarki czy pręty.

Czy czujecie do czego to prowadzi w sprawie dzisiejszego tematu?

Właśnie tak! Wiemy, że piorun musimy traktować jako silny prąd o wielkiej częstotliwości do kilkuset kHz, a nie jako prąd stały.

Wiemy, że prąd ten spływa w momencie uderzenia do ziemi przez rozmaite przedmioty metalowe, a każdy z nich ma jakąś niepomijalną indukcyjność, nawet przedmiot dość gruby.

Wiemy, że zawsze obowiązuje prawo Ohma i inne prawa obwodów elektrycznych. Że takie przedmioty powinniśmy rozpatrywać  jako reaktancje, czyli opory dla prądu przemiennego.

Wiemy też, że prawo Ohma możemy w obwodzie rozważać na dwa sposoby, równoważne sobie:

jak przyłożymy do oporu czy reaktancji jakieś napięcie u, to w obwodzie popłynie prąd i,

ale odwracając rozumowanie: skoro w obwodzie (przewodzie) płynie znany prąd X, to na reaktancji zgodnie z prawem Ohma musi wystąpić (pojawić się, technicznie mówimy „spaść”) napięcie Y.

Teraz przejdziemy do uświadomienia sobie pewnych ważnych liczb.

Analiza rzeczywistego układu ochrony przed przepięciami

Prześledzimy analizę rzeczywistego układu ochrony przed skutkami pioruna na podstawie ogromnego obiektu nadawczego, jednego z RTCN-ów. A zrobimy to dlatego, że na przykładzie tak dużego obiektu zobaczymy w całej okazałości wszystkie zjawiska.

Jeżeli będziemy mieli okazję stworzyć układ ochronny w domu jednorodzinnym czy dla własnej instalacji antenowej jako krótkofalowiec, te same zjawiska, choć w mikroskali, będziemy umieli brać pod uwagę. I dobrze na tym wyjdziemy.

Historia jest taka: w początkach lat 90 wybudowano kolejne radiowo-telewizyjne centrum nadawcze z masztem antenowym wysokości aż 300 m. Na jego szczecie dodatkowo umieszczono 20-metrowy system antenowy, o którym opowiadaliśmy sobie w filmie o „zerach charakterystyki”. To typowe rozwiązanie. Obiekt zaprojektowano także w sposób dość typowy. Szczęśliwie jednak inwestorowi po wybudowaniu obiektu przyszło do głowy dokonanie analizy poprawności rozwiązań odgromowych. Została wykonana przez zespół wybitnych naukowców ze środowiska Politechniki Białostockiej.

Wyniki były dość miażdżące – wszystko było nie tak. Autorzy zaproponowali i uzasadnili metody poprawy tego złego stanu rzeczy i z tej pracy właśnie skorzystamy – tak w streszczeniu.

Obiekt nadawczy składa się z wysokiego masztu,

na nim na szczycie nadawczy system antenowy TV,

poniżej system anten panelowych radiofonii UKF.

Maszt ma pięć pięter odciągów z lin stalowych, po trzy na jednym poziomie.

Sygnał nadawany przez systemy antenowe dochodzi z nadajników przez grube fidery koncentryczne.

Nadajniki są umieszczone w sali technicznej w sąsiednim budynku.

Pomiędzy budynkiem a masztem istnieje na wysokości 8 m nad ziemią pomost metalowy podtrzymujący fidery.

To w skrócie tyle o obiekcie.

Analiza stworzyła schemat zastępczy tego układu pod względem prądu piorunowego. Ustalono najpierw coś, co nazwiemy „częstotliwością dominującą” analizy (bo jak wiemy widmo prądu piorunowego przekracza 100 kHz. Według moich własnych obliczeń (nie podano tego w analizie) przyjęto w analizie ok. 220 kHz, czyli wszystko OK. Wynika to z wysokości masztu i nie warto tego omawiać.

Tak właśnie wygląda schemat zastępczy. Rozpoznajemy maszt jako taki,

oba systemy antenowe,

oba fidery,

nadajniki

i pięć układów odciągów.

A każdy z tych elementów ma wyliczoną indukcyjność. I są to niemałe wartości, co za chwilę się okaże. Nawet jeżeli są wyrażone „tylko” w mikrohenrach.

A teraz: gotowość – akcja! w szczyt masztu uderza piorun, czyli zaczyna się przepływ szybko narastającego prądu o wartości maksymalnej 18 kA, który, jak ustaliliśmy, można traktować w tym przypadku jak prąd o częstotliwości ponad 200 kHz. Bum!

Wszystkie odcinkowe indukcyjności zaczynają swoje działanie dla tego prądu. Zgodnie z prawem rozpływu prądów Kirchhoffa zaczyna się dzielić, przepływając do uziomów. Nie zajmujmy się teraz ich rezystancją, powiedzmy że jest nieistotna.

A pan Ohm zaczyna teraz wyliczać spadki napięć na tych indukcyjnościach, czyli na reaktancjach, jakie sobą reprezentują.

I oto rezultaty: takie napięcia względem ziemi wystąpią w chwili uderzenia pioruna w maszt tej wysokości.

Dość imponujące i niespodziewane, prawda?

O ile jednak mało jest ważny potencjał na czubku masztu, to spójrzmy na elementy najbardziej istotne, bo dotyczą urządzeń i miejsc, które może dotknąć człowiek.

Na zejściu fiderów z masztu w stronę sali aparatury i nadajników mamy potencjał, czyli napięcie względem ziemi rzędu ponad 50 kilowoltów. Połowa napięcia linii energetycznej, prawda?

Przez te fidery i – co groźne! – przez obudowy nadajników i także innych przyłączonych tam urządzeń płyną do ziemi niemałe prądy rzędu 2000 A. Ale co gorsza, nadajniki są na potencjale rzędu 20 kV. Dwadzieścia tysięcy woltów. Oto siła niszcząca, prawda?

Popatrzmy przez chwilę na ten schemat z wielkimi napięciami i natężeniami od prądu piorunowego. Choć dotyczy on tak wielkiego obiektu, istota problemu jest zawsze taka sama, także w domu jednorodzinnym czy w instalacji krótkofalarskiej. A przecież uczono nas i mocno w to ufamy, że piorunochron to urządzenie chroniące przez zniszczeniem. A tutaj mamy taki wielki, wysoki na 310 m piorunochron i mimo to widzimy wielką siłę niszczącą na urządzeniach? Czy można to jakoś polepszyć, skoro nie uświadamialiśmy sobie że i dlaczego tak to się dzieje?

Autorzy ekspertyzy dają na to receptę. Od razu dodam, że recepta została w tamtym obiekcie zastosowana, a dziś powszechnie z tymi środkami zaradczymi buduje się profesjonalne obiekty jak właśnie nadawcze czy tysiące stacji bazowych „komórkowych”.

Jednak nadal niektórzy inwestorzy w zamówieniach żądają rozwiązań typu „przemyślenia małego Kazia”, przez co powstaje pseudo ochrona w rzeczywistości zagrażająca temu, co miało być chronione. Z grubsza sprowadza się to poglądów w rodzaju „panie, nie łącz mi pan piorunochronu z radiem, bo pan tu piorun wprowadzisz do pomieszczenia!”. Zobaczmy jednak jak to naprawdę powinno wyglądać i dlaczego.

Zalecenia po tej krytycznej analizie sprowadzały się do podstawowego sposobu: zwierać, zwierać i jeszcze raz zwierać. Czyli wyrównywać potencjały. Inaczej nazywając to samo: redukować napięcia między elementami do nieomal zera, bo przecież na tym właśnie polega w elektrotechnice pojęcie „zwarcia”. Zwieramy dwa punkty, zatem nie ma między nimi napięcia, bo mają taki sam potencjał.

I tę właśnie konieczność zwierania zapamiętajmy jako podstawę prawidłowej ochrony. Nie uziemiania jako takiego! Lecz właśnie zwieranie wszystkiego ze wszystkim. A teraz analiza rozwiązania dla tamtego obiektu nadawczego. Spójrzmy na nową wersję schematu zastępczego tego obiektu po zmianach.

Pierwsza modyfikacja: w miejscach zaczepienia lin odciągowych dołączono ekrany obu fiderów. Czyli pozwierano te punkty ze sobą. Tych punktów mamy tu 6, ale praktyczna rada dla niższych obiektów jest taka: zwieramy na górze przy antenach, na dole przed zejściem na poziomy przebieg fidera, a jeżeli między tymi punktami jest więcej niż umowne 20…30 m, to jeszcze co najmniej raz na środku.

Uderza piorun. Prąd rozpływa się, jednak inaczej niż poprzednio.

Efekt podstawowy: w miejscu zejścia fiderów z masztu na pomost kablowy potencjały spadły z ponad 50 kV do 3 kV.

Od razu dodam, że do takiego, jak to się powszechnie nazywa, „uziemiania ekranów” nie stosuje się żadnej improwizacji monterskiej, lecz fabryczne opaski z krótkimi linkami, zapewniającymi dobre i szczelne połączenie. I chyba rozumiemy dlaczego linki muszą być krótkie i prowadzone zawsze w dół. Ale przypominam kolejny raz: nazwa „uziemianie fidera” jest potoczna, a w rzeczywistości jest to wyrównywanie potencjałów, inaczej ekwipotencjalizacji, po ludzku „zwarcie”, a nie żadne uziemianie.

Drugi ważny sposób zadziałania: na ścianie budynku w miejscu wejścia doń obydwu fiderów zastosowano płytę miedzianą z tubusami ekranującymi i szerokimi taśmowymi zwodami uziomowymi. Tę płytę za chwilę sobie omówimy, jakąś jej forma jest bowiem uzasadniona nie tylko w tak wysokim obiekcie.

Ale teraz efekty tej płyty: większość prądu piorunowego, która tam wysoko odgałęziła się na fidery, spływa teraz do ziemi tym uziomem płyty o bardzo małej reaktancji. A nie jak poprzednio przez obudowy nadajników. W konsekwencji uzyskujemy to, na czym najbardziej w tym wszystkim nam zależało: na urządzeniach nie ma już 20 kV, lecz tylko znacznie mniej groźne kilkaset woltów.

W ten sposób ogromna część zagrożenia została znacznie zmniejszona, prawie do zera. Ale to nie wszystko, obejrzyjmy jeszcze schemat użycia tej płyty wprowadzającej fidery do budynku.

Podstawowa zasada wynikająca z tego rysunku: nadal wymagane jest zwieranie wszystkiego ze wszystkim, co ma potencjał ziemi. Także uziomów sąsiednich obiektów, jak budynek i wieża czy maszt antenowy w jego pobliżu. I czego nie ma na tym schemacie, a jednak należy pamiętać: także wszelkich innych elementów na potencjale ziemi: rur metalowych (oprócz gazowych) oraz słynnego przewodu PE w najbliższej rozdzielnicy.

Naprawdę ochrona nie polega na tym, by te różne obiekty od siebie oddzielać z naiwną wiarą, że przez to „nie wleci piorun”. Elektrotechnika mówi przecież zupełnie coś innego: dążenie do braku napięcia (czyli różnicy potencjałów) oznacza konieczność zwarcia, a nie izolowania. I to jest cała „mądrość” metody.

Płyta ochronna jest uziemiona nie byle czym, lecz tutaj czterema płaskownikami czy szynami o dość dużym przekroju.

Są połączone równolegle, czyli ich łączna indukcyjność i reaktancja indukcyjna wynosi ćwierć reaktancji pojedynczego płaskownika,

i przez uzyskano ten efekt przejęcia większości resztkowego prądu w tym miejscu zamiast przepuszczać go przez wnętrze sali aparatury i obudowy nadajników, ich przewody zasilania, sterowania i wszelkie inne obwody połączone w zawiły sposób z ziemią.

A żeby już całkowicie wyeliminować zagrożenie, tuż przy chronionych urządzenia stosuje się na fiderach ochronniki koncentryczne czasem zwane z angielskiego arresterami. Ich zadanie polega na ostatecznym zwieraniu napięć powyżej ustalonej wartości pomiędzy żyłą środkową i ekranem. Działają albo na zasadzie warystora, albo wyładowania w gazie.

Ale zauważmy, że mają one sens właśnie tu, w pobliżu urządzeń radiowych czy jakichkolwiek innych, a nie gdzieś na dachu, przed wejściem kabli do budynku. Ktoś kiedyś wymyślił taką metodę i odtąd bardzo wielu inwestorów życzy sobie takiego rozwiązania: arrester na fiderach w skrzynce na dachu, zanim fider wejdzie do wnętrza.

O ile można zrozumieć, że komuś taki pomysł przyszedł do głowy, bo nie zapoznał się ze zjawiskami tak jak mamy okazję zapoznać się my, którzy oglądamy ten film, o tyle utrzymywanie tego dziwnego poglądu na siłę mimo tłumaczeń nie znajduje już żadnego uzasadnienia. A jednak wiele instytucji, głównie „budżetowych”, kurczowo wymaga takiego nierozsądnego rozwiązania. Gdzieś tam tkwi ten „mały Kazio”…

Teraz już wszystko wiemy jak to powinno wyglądać. Obejrzyjmy jednak parę przykładów uziemień ochronnych, których autorzy wykonali swoją pracę, nie rozumiejąc zjawisk, na które pracowali.

Najpierw przykłady dobrze wykonanych uziomów, tu zwody odgromowe na kilku budynkach.

Ich poprawność polega na tym, że są proste: prąd piorunowy przepływa przez nie z góry na dół prawie bez zmiany kierunku. Te drobne zagięcia są mało istotne, dopóki nie mają kształtu „podgięć” w górę lub nawet pętli

Jednak te przykłady są zaprzeczeniem ochrony. Nie można stwierdzić, że ochrona przez nie nigdy nie działa, ale zobaczcie – wszelkie takie pętle czy podgięcia drogi prądowej to przecież cały zwój lub kawałek zwoju. Tworzy się po prostu jedno- lub choćby ćwierćzwojowy dławiczek.

A indukcyjność takiego nieuświadamianego dławika można szacować na 2 do 4 mikrohenrów. Mikro, czyli bardzo niewiele? No nie, przecież z mikrohenrami mamy do czynienia przez cały dzisiejszy film. Gdyby narysować schemat zwodu odgromowego z tym podgięciem, otrzymalibyśmy na przykład taki układ:

W tym całkiem realnym przykładzie reaktancja indukcyjna jest o jeden om wyższa niż rezystancja gruntu. Dla znających choć trochę elektrotechnikę i „drugie prawo Kirchhoffa” jest jasne, że na tym kawałku zwodu z pętelką odłoży się w trakcie trafienia wyższe napięcie niż na rezystancji uziemienia.

W każdym razie niezależnie od wartości liczb zmierza to w złą stronę.

A teraz kilka przykładów z obiektów typu stacja bazowa telefonii komórkowej. Fotografie powstały jakieś 20 lat temu, dziś tego rodzaju błędy są rzadsze u wielkich operatorów, nadal jednak występują, a nawet są propagowane jako „rozwiązanie poprawne” w pojedynczych niewielkich instalacjach antenowych.

Pierwszy przykład pokazuje typowe myślenie „według omomierza”.

Linki żółto-zielonej dano ze sporym zapasem, a ponieważ luźno zwisająca by brzydko wyglądała, powyginano ją tak, by dała się przyczepić „trytytkami”. Linka jest dość gruba, więc wszystko wydaje się OK. Tymczasem każdy z Was po tym, co sobie opowiedzieliśmy, wie, że tak powyginane połączenia wyrównawcze niczego nie wyrównują. Sa to w rzeczywistości dławiki o dość dużej indukcyjności, przez to o dużej reaktancji. I są dalekie od tego, co rozumiemy przez pojęcie „zwarcie”, a więc połączenie o bardzo małym oporze dla przepływu prądu. Można zaryzykować, że dla prądu piorunowego te połączenia nie istnieją.

Drugi przykład: wprowadzenie kabli antenowych do wnętrza budynku technicznego. Zadbano o zastosowanie profesjonalnych szczelnych przepustów, zadbano o paski wyrównania potencjałów ekranów przed wejściem do pomieszczenia, tyle że każda z tych linek biegnie łukiem pod górkę. A zatem stanowi pewien dławik i efekt negatywny jest dość podobny. Te opaski powinny być założone trochę wcześniej na kablach, przez co linki dobiegałyby do szyny miedzianej łagodnym łukiem bez zawijania.

Na prawej fotografii widzimy dwa błędy: zbyt ostre załamania szyny uziemień to jedno (znów dwie dodatkowe zbędne indukcyjności typu ćwiartki zwoju), ale mamy tu też pewne kuriozum ideowe: zauważcie, że szyna uziemień jest prowadzona na izolatorze po doskonale uziemionym stalowym obiekcie!

Takie kuriozalne rozwiązania istniały z głupotą nawet o jeden stopień wyższą: na tej fotografii widzimy nie tylko izolator pod bednarką uziomową, ale do tego ten izolator jest na przestrzał przebity, zwarty śrubą. To po co izolator?

Ten przykład ilustruje pewną myśl techniczną (a właściwie antytechniczną), według której sprowadzenie pioruna do ziemi polega na założeniu takiej bednarki czy (do dziś często spotykanej) linki miedzianej żółto-zielonej o przekroju co najmniej 50 mm kwadratowych. Czasami można odnieść wrażenie, że u decydentów takich rozwiązań największa rolę w ochronie odgromowej odgrywa ten żółto-zielony kolor izolacji… Taki „odstraszasz złego pioruna”.

Autor takiego pomysłu uznaje, że reaktancja bednarki czy tej linki jest mniejsza niż reaktancja szerokich „nóg wieży”, które są trzy lub cztery, a wszystkie połączone równolegle, przez co indukcyjność takiego układu nóg jest jedna trzecią lub jedną czwartą indukcyjności pojedynczej nogi. I to samo zachodzi z reaktancją tego układu.

Jest ona na tyle mała w porównaniu z reaktancją bednarki czy linki, że te dodatkowe przewody są w układzie przepływu prądów i spadków napięć mało istotne.

Innymi słowy największą rolę w odprowadzaniu pioruna do ziemi odgrywają te nogi, a linka czy bednarka tak jakby nie istniały. A jednak są traktowane przez wielu inwestorów jako „must be”.

Ostatni przykład: linki od opasek wyrównania potencjału na tych fiderach umieszczono w takim źle wybranym miejscu, że ich dołączenie do elementu uziomowego wypadły bardzo zapętlone. W rezultacie otrzymano rozległy dławik…

Opór uziemienia

Poświęciliśmy tu dużo uwagi zwieraniu ze sobą pobliskich punktów, które są połączone z ziemią, ale ze względu na rozpływy prądów na reaktancjach przewodów mogą znaleźć się na różnych potencjałach. Ale zastanówmy się jaki wpływ na całość ochrony ma rezystancja uziemienia.

Od razu wypowiem myśl, która dla części z was w pierwszej chwili wyda się kontrowersyjna: te omówione przed chwilą zasady o niskoindukcyjnym zwieraniu wszystkiego ze wszystkim mają wpływ ochronny znacznie większy niż dążenie na siłę do obniżania rezystancji uziemienia.

I podkreślam: rola dobrego uziemienia jest ogromna, zwłaszcza gdy chodzi o ochronę przed porażeniem od napięcia zasilającego. Znacie może hasła „impedancja pętli zwarciowej”, która musi zapewnić szybkie wyłączenie różnicówki w przypadku przebicia. Ale przecież nie o ochronie przed napięciem sieci tu rozmawiamy, lecz o minimalizowaniu niszczącej energii pioruna.

Wyobraźmy sobie taki elementarny schemat:

• budynek,
• zwód piorunochronny,
• w budynku urządzenia połączone z ziemią.

Załóżmy, że te połączenia są idealne, nie analizujemy teraz wpływu zbyt długich i pozawijanych przewodów. „Ziemię” reprezentuje rezystancja uziemienia, weźmy wartość spotykaną w praktyce, na przykład jedna dziesiąta oma, będzie się łatwo liczyło. To znakomite uziemienie! I taki schemat oczekuje na bezpośrednie trafienie pioruna.

A teraz bum! Uderza piorun i powoduje przepływ prądu na przykład 10 kA przez zwód do ziemi. Oczywiście przez tę rezystancję uziemienia. Znów sięgamy do prawa Ohma: schemat podpowiada, że na rezystancji uziemienia odłoży się:

10 000 amperów razy jedna dziesiąta oma, czyli tysiąc woltów.

I na takim samym potencjale względem ziemi znajdą się wszystkie uziemione urządzenia w tym budynku, a także ciało człowieka, który ich dotyka.

Ale zauważmy: tysiąc woltów względem ziemi, a nie względem na przykład podłogi czy ściany lub innego metalowego uziemionego elementu. Zatem ten człowieczek i te urządzenia nie odczują skutków faktu znalezienia się pod tak wysokim potencjałem. Są względem ziemi na potencjale tysiąc woltów, ale co z tego? Elektrycznie patrząc „ziemia” jest tu bardzo daleko. Nie zamyka się tu żaden obwód, w którym ten potencjał wywołałby jakiś prąd. To taka sama sytuacja, jak gołąb siadający na kolejowym przewodzie trakcyjnym pod napięciem 3 kV. Dotyka tego potencjału i tyle. Brak obwodu.

A teraz zbliżmy rezystancję uziemienia do wartości częściej spotykanej: jeden om.

I co pokazuje rachunek przy uderzeniu pioruna? Że piorunochron, budynek, urządzenia i człowiek znajdzie się na potencjale

10 000 amperów razy jeden om, czyli dziesięć tysięcy woltów. 10 kV!

I znów – ale co z tego? To tylko wysoki potencjał, ale brak obwodu, w którym ten potencjał stałby się napięciem zasilającym i produkującym niszczący prąd.

To pewnie zaskakujący wniosek, ale jak najbardziej prawdziwy. Przypomnę założenie tego doświadczenia: wszystkie połączenia w tym budynku są idealnie przewodzące, a więc idealnie zwierają. To tak jak z gołębiem: nóżki gołębia na drucie są na tym samym potencjale, bo znajdują się dwa centymetry od siebie. Jeżeli jednak połączenia będą rzeczywiste, czyli z pewnymi indukcyjnościami – jakieś napięcia, czyli różnice potencjałów powstaną. I dlatego musimy te połączenia czynić jak najmniej indukcyjnymi. Żeby były jak ten odstęp między nóżkami gołębia na drucie.

Widzicie więc, że dla zabezpieczenia przed niszczącymi skutkami pioruna o wiele ważniejsze jest praktykowanie poprawności tych zwarć czyli ekwipotencjalizacji, praktykowanie raczej nagminnego zwierania – niż na siłę, wbrew naturze piaszczystej gleby minimalizowania rezystancji uziemienia.

Pora na podsumowanie

Obejrzeliśmy to zjawiska podczas uderzenia pioruna na przykładzie ogromnego obiektu antenowego. Z takimi nie mamy do czynienia, ale co do zasady w każdej instalacji zachodzi to samo. Dlatego warto pamiętać kilka zasad „kierunkowych”.

Napięcie, każde, więc także to niszczące, którego unikamy, to różnica potencjałów. Gdy potencjały zrównamy, znika napięcie. Znika przyczyna niszczenia.

Pierwsza zasada: choć prąd piorunowy musi być oczywiście sprowadzony do ziemi, to ochrona przed zniszczeniem urządzeń polega nie tyle na „dobrym uziemieniu”, co na dobrym usunięciu różnic potencjałów między różnymi uziemionymi elementami. Czyli na sprowadzeniu szkodliwych napięć od pioruna do wartości możliwie najniższych. Uwaga: do wartości zerowych się nie da!

W rzeczywistych obiektach mamy do czynienia z kilkoma rodzajami „ziemi”. Na potencjale ziemi jest przewód N, a potem przewód ochronny PE naszej instalacji zasilającej 230 V. Uziemiony jest (powinien być) fundament budynku. Jeżeli mamy na dachu instalację piorunochronną, jest ona oczywiście uziemiona. Jeżeli nie mamy piorunochronu, pamiętajmy, że jego rolę chcąc czy nie chcąc pełni maszt z anteną TV, który powinien być uziemiony. Jeżeli mamy jakąś antenę krótkofalarską na odrębnym wsporniku, także on powinien być uziemiony.

Zasada druga: wszystkie te uziemiane elementy powinny być ze sobą pozwierane możliwie krótkimi połączeniami i możliwie często.

Trzecia zasada: każdy odcinek przewodu ma dla prądu piorunowego jakiś opór, czyli reaktancję. Im dłuższy przewód, im bardziej zawijany czy załamywany, tym reaktancja większa i tym gorsze zwarcie.

I to tyle. Trzy proste zasady, choć wymagały pewnego wykładu, by takie proste prawdy sobie uświadomić.

A jeżeli przy tym zadbamy o jak najlepsze uziemienie, czyli uziom o możliwie małej rezystancji i to o każdej porze roku, ochrona obiektu przed skutkami pioruna będzie „jeszcze lepsza”.