Salamasuojauksen tarve ja toteuttaminen. Martti Aro SIL

Transkriptio

1 Salamasuojauksen tarve ja toteuttaminen Martti Aro SIL

2 Tarvitaanko rakennusten suojaamista salaman vaikutuksilta? Suomessa? muualla? Martti Aro SIL

3 Salaman osumista rakennukseen ei voi välttää osumiskohdan voi kuitenkin valita kohtuullisella varmuudella rakennuksen voi suojata Martti Aro SIL

4 Mitä voi tapahtua? Ihmisiä vahingoittuu tai kuolee Eläimiä vahingoittuu tai kuolee Rakennus syttyy palamaan Rakennus vaurioituu muuten Rakennuksen sisällä olevat laitteet ja järjestelmät rikkoutuvat Martti Aro SIL

5 Salaman vaikutukset iskukohteen lämpeneminen (kuumentuminen, sulaminen) salaman virtatien resistanssin tai valokaaren vaikutuksesta virtatielle osuvan melko huonosti johtavan materiaalin (esimerkiksi tuore puu tai maa) pirstoutuminen salamavirran energian vaikutuksesta rakenteiden tai eristysten läpilyönti salaman virtatiellä, esimerkiksi sivuläpilyönti korkeahkon rakennuksen seinän läpi tai ohuen levyn puhkeaminen iskukohdassa mekaaniset vauriot salamavirran sähködynaamisten voimien vaikutuksesta räjähdysherkän kaasun, pölyn tai muun materiaalin syttyminen tai räjähdys kuumenemisen, kipinän tai valokaaren vaikutuksesta ihmisten tai eläinten hengenvaara tai loukkaantuminen kosketusjännitteen tai potentiaalierojen (askeljännitteen) vaikutuksesta laitteiden tai teknisten järjestelmien rikkoutuminen salamavirran tai sen indusoimien sähkömagneettisten kenttien ja ylijännitteiden vaikutuksesta. Martti Aro SIL

6 Henkilövahinkoja Suomessa Salamanisku rakennukseen Kaikki rakennuspalot Kuolemat Loukkaantumiset Muita salamakuolemia 3 Martti Aro SIL

7 Salaman aiheuttamia tulipaloja Suomessa vuosittain keskimäärin 111 sellaista rakennuspaloa, joihin on hälytetty palokunta. näiden sytyttämien rakennuspalojen vuotuiset rakennus-, irtaimisto- ja keskeytysvahingot palomiesten arvioimina olivat keskimäärin 3,6 M (= 2,5 % kaikkien rakennuspalojen rakennus-, irtaimisto- ja keskeytysvahingoista. Martti Aro SIL

8 Salamasuojauksen tarve riippuu rakennukseen ja palveluihin vaikuttavien salamoiden vuosittaisesta lukumäärästä todennäköisestä vauriosta yhden salaman vaikutuksesta seurauksena olevasta keskimääräisestä menetyksestä Martti Aro SIL

9 Virran jakautuminen salaman iskiessä eri kohtiin Martti Aro SIL

10 Osumistiheys riippuu paikallisesta salamatiheydestä kohteen mitoista ja sijainnista kohde voi olla rakennus tai palvelu (sähköjohto, telejohto yms) kohteen korkeudesta ympäristöön nähden ja ympäristön rakenteista Martti Aro SIL

11 Salaman keruualue (keskisuuri rakennus) Esimerkki L = 40 m, W = 20 m ja H = 25 m A d = LW+6H(L+W)+9πH 2 = 800 m m 2 + 9π 625 m 2 = m 2 = 0,0275 km 2 Martti Aro SIL

12 Osumien lukumäärä (keskisuuri rakennus) keskimäärin yksittäiseen erillään olevaan rakennukseen tasaisella maalla N D N D = N g * A d N g on keskimääräinen maasalamatiheys A d on salamaniskujen keruupinta-ala N D = 0,4 * 0,0275 = 0,011 eli Suomessa kerran 100 vuodessa Keski-Euroopassa kerran 10 vuodessa Martti Aro SIL

13 Palvelut laajemmalla alueella, esimerkiksi sähkömagneettiset vaikutukset 250 m etäisyydeltä rakennuksesta ilmajohtoon osuvat salamat L c = 1 km matkalta ja 3-kertaisen korkeuden H c leveydeltä A l = 6L c * H c ilmajohdon lähelle osuvat 500 m etäisyydeltä A i = (1000 m) * L c Martti Aro SIL

14 Rakennuksen läheinen sekä johtojen läheinen keruupinta-ala on yhteensä 0,8 km 2 siis paljon suurempi kuin rakennuksen keruuala Suomessa salama osuu tälle alueelle keskimäärin kerran kolmessa vuodessa 0,4 * 0,8 = 0,32 Martti Aro SIL

15 Vaikutus riippuu rakennuksen käyttötarkoituksesta - asuinrakennus - karjatila - sairaala - teollisuusrakennus - museo - jne Martti Aro SIL

16 Suojauksen tarve riippuu lisäksi kohteeseen osuvan iskun seurausvaikutusten laajuudesta ja vakavuudesta - paljon ihmisiä alttiina - paniikin mahdollisuus - suuren ympäristövahingon mahdollisuus - laajojen laitevaurioiden mahdollisuus - jne Martti Aro SIL

17 Salamasuojauksen tarve on syytä erityisesti tarkistaa, kun rakennus on ympäristöään huomattavasti korkeampi sisältää palavia materiaaleja tai ympäristölle vaarallisia aineita liittyy kriittisiin julkisiin palveluihin sisältää suuria henkilömääriä sisältää korvaamattomia kulttuuriarvoja sisältää kallista ja helposti vaurioituvaa elektroniikkaa Martti Aro SIL

18 Eräs katastrofaalinen salamointi (Skåne 1988) Lundin palokunta rekisteröi 1400 hälytystä puhelinvaihde ja poliisiradio pois käytöstä 130 kv järjestelmä kaatui kaupungin sairaala ilman sähköä 80 min valot sammuivat, hissit pysähtyivät, teho-osaston toiminta pysähtyi varasähkö ei käynnistynyt, koska ohjaustietokone oli vaurioitunut korjaushenkilöstöä ei voitu kutsua (puhelin ja palohälytys rikki) varasähkö kytkettiin käsin 0,5 h kuluttua, mutta menetettiin uudelleen ilmastoinnin ylikuormituksesta pienjänniteverkko, ohjausjärjestelmät ja suuri joukko tietokoneita vaurioitui Martti Aro SIL

19 Päätös salamasuojauksesta pitäisi perustaa riskilaskentaan mutta käytännössä - tilaaja määrää (esim. Venäjällä) - vakuutusyhtiösuositus (Saksa) - mutu tai kaveripiiri - jotakin sattui Martti Aro SIL

20 IEC:n standardisarjat Ensimmäiset standardisarjat IEC sarja (4 osaa) IEC IEC sarja (2 osaa) Neliosainen standardisarja IEC (2006) korvaa nämä Martti Aro SIL

21 Standardisarja IEC Protection against lightning Yleiset periaatteet 2. Riskien hallinta 3. Rakenteelliset vauriot ja hengenvaara 4. Rakennuksen sähkö- ja elektroniikkajärjestelmät Martti Aro SIL

22 Standardisarja EN Lightning Protection Components (LPC) Liittimille asetettavat vaatimukset 2. Vaatimukset johtimille ja maadoituselektrodeille 3. Vaatimukset erotuskipinäväleille 4. Vaatimukset johdinkiinnittimille 5. Vaatimukset maadoitusta parantavalle yhdisteelle (osa 7) Martti Aro SIL

23 Suomenkieliset oppaat Ensimmäinen Sähkötarkastuslaitoksen julkaisu 1944 Toinen STL-julkaisu A SFS käsikirja 33 (1980) Sähkötarkastuskeskuksen julkaisu D 4-93 kirkkojen suojauksesta SSUL 1994, STUL 2005 SFS käsikirja 609 (2009) Martti Aro SIL

24 Suojaamisen periaatteet Martti Aro SIL

25 Ideaalinen suojaus Paketoidaan suojattava kohde Estetään salamavirran tunkeutuminen paketin sisälle Vaimennetaan johtoja pitkin siirtyvät ylijännitteet Vaimennetaan magneettikentät ja indusoituneet jännitteet Martti Aro SIL

26 Ideaalinen suojaus Estetään suora salamanisku tehokkaasti maadoitetulla teräsverhouksella (4 mm) Tarvittaessa muodostetaan sisäkkäisiä vyöhykkeitä Estetään tuleviin johtoihin osuneiden iskujen virran ja jännitteen siirtyminen suojattavaan kohteeseen johtojen ylijännitesuojauksella ja maadoituksella Martti Aro SIL

27 Useimmiten vähempikin riittää Ulkoinen suojaus vastaanotto- eli sieppausrakenne alastulojohtimet maadoitusjärjestelmä Sisäinen suojaus riittävä eristys potentiaalintasaus ylijännitesuojaus magneettinen suojaus Martti Aro SIL

28 Miksi ja mitä varten? vastaanottorakenne alastulojohtimet maadoitus eristys potentiaalintasaus ylijännitesuojaus magneettinen suojaus Martti Aro SIL

29 Vastaanottorakenteen suunnittelu r on salaman viimeisen hypyn pituus I on salamavirta A ja B ovat vakioita (A = 10, B = 0,65) I (ka) r (m) Martti Aro SIL

30 Suojausluokat Martti Aro SIL

31 Vastaanottorakenteen vaihtoehtoiset tekniikat metallilevyverhous masto tai pystytanko tai -tankoja riippuköysi mastojen tai tankojen varassa johdinverkko katolla (ja seinillä) muut luonnolliset komponentit Martti Aro SIL

32 Suunnitteluperusteena pienin virta Mitä korkeampi tanko tai mitä pienempi virta, sitä pienempi suojakulma α I = 3 ka, h = 10 m, α = 47 I = 10 ka, h = 5 m, α = 70 h on sieppaustangon korkeus maasta tai muusta referenssitasosta r on viimeisen hypyn pituus α on suojakulma Mitä pienempi virta, sitä pienempi pallon säde I = 3 ka, r = 20 m I = 10 ka, r = 45 m Martti Aro SIL

33 Suunnittelukriteereitä kolme Suunnitteluperusteena pienin virta 1) Suojakulmamenetelmä 2) Pallomenetelmä 3) Verkkomenetelmä h on sieppaustangon korkeus maasta tai muusta referenssitasosta r on viimeisen hypyn pituus α on suojakulma Martti Aro SIL

34 Vastaanottorakenteen suunnittelukriteerinä suojakulma Martti Aro SIL

35 Räjähdetilan suojaus tangon avulla (Tukes) Martti Aro SIL

36 Räjähdetilan suojaus johtimin (Tukes) Rakennukseen kiinnitetty salamasuojaus Martti Aro SIL

37 Eristetty salamasuojaus (Tukes) Martti Aro SIL

38 Vastaanottorakenteen suunnittelukriteerinä vieritettävän pallon säde Pallon säde valitaan pienimmän virran mukaan Pieni virta paras suojaus Kosketuskohdan alapuolinen osa on suojattu valittua virtaa suurempivirtaisilta salamoilta Varjostettu alue (1) on alttiina salaman iskulle ja vaatii suojausta Martti Aro SIL

39 Katolla olevien laitteiden suojaus suoralta iskulta Martti Aro SIL

40 Antennin salamasuojaus 4 Pylvääseen liitetyt betoni-teräkset 5 Vyöhykkeestä LPZ 0B tuleva johto vaatii ylijännitesuojat sisääntuloon 6 Vyöhykkeestä LPZ 1 pylväsrakenteen sisälle tuleva johto ei ehkä tarvitse ylijännitesuojia Martti Aro SIL

41 Vastaanottorakenteen suunnittelukriteerinä verkon silmäkoko Tässäkin taustana pienin virta Mitä pienempi silmäkoko sitä parempi suojaus 5 m x 5 m (3 ka) max 20 m x 20 m (16 ka) Martti Aro SIL

42 Alastulojohtimet Nykyisin tavallisesti 8 mm Al-pyörötanko Suomessa on käytetty (35) mm 2 Cu-johdinta Tasaisin m välein (LPL I IV), vähintään kaksi Suorinta tietä maadoitukseen mutkia välttäen Syöksytorvet Metalliseinät ja muut luonnolliset komponenetit Martti Aro SIL

43 Kuparijohtimen lämpeneminen (K) salamavirran eri ominaisenergioilla Johtimen poikkipinta-ala (mm 2 ) Salaman ominaisenergia W/R (MJ/Ω) 2,5 5, Martti Aro SIL

44 Suorinta tietä alas Martti Aro SIL

45 Teräsbetoniseinät alastulojohtimena Martti Aro SIL

46 Metallinen julkisivu alastulojohtimena yhdessä teräsbetonirakenteen kanssa Martti Aro SIL

47 Betoniteräsrakenteet voivat toimia - vastaanottorakenteena - alastulojohtimina - maadoituksena - potentiaalintasauksena - magneettisena suojana Martti Aro SIL

48 Resistanssin mittaus Martti Aro SIL

49 Maadoitusjärjestelmä perustusmaadoitus erillinen säteismaadoitus kiertävä maadoitus maadoitus kallioperään (oma standardi väliaineelle) Martti Aro SIL

50 Esimerkki luontaisesta potentiaalintasauksesta ja perustusmaadoituksesta Martti Aro SIL

51 Sisäinen salamasuojaus Riittävä eristys tai potentiaalintasaus Pituus l tarvittavan eristysvälin laskemiseksi Kertoimet riippuvat - suojausluokasta - virranjakautumisesta - eristeestä Oikealla yhdistäminen toisessakin kerroksessa Martti Aro SIL

52 Antennituki vastaanottorakenteena 2 vaakasuora vastaanotto rakenne katon harjalla 4 antennikaapeli 5 päämaadoituskisko 6 testausliitos 8 sähköjohto ja yhdensuuntainen antennikaapeli 9 sähkökaapeli 11 sähkönjakelukeskus 12 perustusmaadoitus 13 salamasuojauksen alastulojohdin l etäisyys tarvittavan erotusvälin laskemiseksi Martti Aro SIL

53 Esimerkki potentiaalintasauksesta pientalossa 1 sähkön käyttö 2 sähkömittari 4 sähkönsyöttö 5 kaasu 6 vesi 7 keskuslämmitys 8 elektronisia laitteita 9 antennikaapelin suojaus 10 potentiaalintasauskisko 11 ylijännitesuoja Martti Aro SIL

54 Potentiaalintasaus, kun palvelut tulevat eri puolilta 1 metallinen vesijohto 2 sähkö- tai puhelinjohto 3 ja 7 teräsbetoniseinä tai perustusmaadoitus 4 rengaselektrodi 5 lisämaadoituselektrodille 6 potentiaalintasausliitos 8 ylijännitesuojat 9 potentiaalintasauskisko Martti Aro SIL

55 Indusoituvien ylijännitteiden pienentäminen Vaihtoehtoina: tilasuojaus johtojen suojaus johtojen reititys 1 laite 2 sähköjohto 3 signaalijohto 4 induktiosilmukka Martti Aro SIL

56 Ylijännitesuojatyypit Suojaus sekä sähkö- että telejohtoihin Karkeasuojat (kipinäväli) Välisuojat (varistori) Yhdistelmäsuojat Hienosuojat (diodi) Ylijännitesuojia tarvitaan myös potentiaalintasaukseen Martti Aro SIL

57 Ylijännitesuojien kestävyys Suojautuminen kytkentäylijännitteiltä (8/20 µs) indusoituneiltä jännitteiltä (8/20 µs) etäällä tapahtuvalta iskulta (8/20 µs) suoralta iskulta (salamavirta 10/350 µs) Martti Aro SIL

58 Koordinoitu ylijännitesuojaus Martti Aro SIL

59 Esimerkki virranjaosta, kun laskentaa ei ole tehty 100 ka virralla suojat 4 x 12,5 ka Martti Aro SIL

60 Korroosion ehkäiseminen Erityisesti maadoituksissa Asiantuntijan tarpeen tunnistaminen Alumiini ei käy maadoituksiin Eikä teräskään varauksetta Teräs ja teräs samassa maadoituksessa (esim. paalutus) Kipinäväli Martti Aro SIL