Salamasuojauksen tarve ja toteuttaminen Martti Aro SIL 23.9.2009
Tarvitaanko rakennusten suojaamista salaman vaikutuksilta? Suomessa? muualla? Martti Aro SIL 23.9.2009 2
Salaman osumista rakennukseen ei voi välttää osumiskohdan voi kuitenkin valita kohtuullisella varmuudella rakennuksen voi suojata Martti Aro SIL 23.9.2009 3
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 23.9.2009 4
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 23.9.2009 5
Henkilövahinkoja Suomessa 1998 2007 Salamanisku rakennukseen Kaikki rakennuspalot Kuolemat 2 690 Loukkaantumiset 11 2300 Muita salamakuolemia 3 Martti Aro SIL 23.9.2009 6
Salaman aiheuttamia tulipaloja Suomessa 1998 2007 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 23.9.2009 7
Salamasuojauksen tarve riippuu rakennukseen ja palveluihin vaikuttavien salamoiden vuosittaisesta lukumäärästä todennäköisestä vauriosta yhden salaman vaikutuksesta seurauksena olevasta keskimääräisestä menetyksestä Martti Aro SIL 23.9.2009 8
Virran jakautuminen salaman iskiessä eri kohtiin Martti Aro SIL 23.9.2009 9
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 23.9.2009 10
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 2 + 150 60 m 2 + 9π 625 m 2 = 27500 m 2 = 0,0275 km 2 Martti Aro SIL 23.9.2009 11
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 23.9.2009 12
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 23.9.2009 13
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 23.9.2009 14
Vaikutus riippuu rakennuksen käyttötarkoituksesta - asuinrakennus - karjatila - sairaala - teollisuusrakennus - museo - jne Martti Aro SIL 23.9.2009 15
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 23.9.2009 16
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 23.9.2009 17
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 23.9.2009 18
Päätös salamasuojauksesta pitäisi perustaa riskilaskentaan mutta käytännössä - tilaaja määrää (esim. Venäjällä) - vakuutusyhtiösuositus (Saksa) - mutu tai kaveripiiri - jotakin sattui Martti Aro SIL 23.9.2009 19
IEC:n standardisarjat Ensimmäiset standardisarjat 1990 2000 IEC 61024 sarja (4 osaa) IEC 61662 IEC 61662-sarja (2 osaa) Neliosainen standardisarja IEC 62305 (2006) korvaa nämä Martti Aro SIL 23.9.2009 20
Standardisarja IEC 62305 Protection against lightning 2006 1. Yleiset periaatteet 2. Riskien hallinta 3. Rakenteelliset vauriot ja hengenvaara 4. Rakennuksen sähkö- ja elektroniikkajärjestelmät Martti Aro SIL 23.9.2009 21
Standardisarja EN 50164 Lightning Protection Components (LPC) 2008 1. Liittimille asetettavat vaatimukset 2. Vaatimukset johtimille ja maadoituselektrodeille 3. Vaatimukset erotuskipinäväleille 4. Vaatimukset johdinkiinnittimille 5. Vaatimukset maadoitusta parantavalle yhdisteelle (osa 7) Martti Aro SIL 23.9.2009 22
Suomenkieliset oppaat Ensimmäinen Sähkötarkastuslaitoksen julkaisu 1944 Toinen STL-julkaisu A 11-63 SFS käsikirja 33 (1980) Sähkötarkastuskeskuksen julkaisu D 4-93 kirkkojen suojauksesta SSUL 1994, STUL 2005 SFS käsikirja 609 (2009) Martti Aro SIL 23.9.2009 23
Suojaamisen periaatteet Martti Aro SIL 23.9.2009 24
Ideaalinen suojaus Paketoidaan suojattava kohde Estetään salamavirran tunkeutuminen paketin sisälle Vaimennetaan johtoja pitkin siirtyvät ylijännitteet Vaimennetaan magneettikentät ja indusoituneet jännitteet Martti Aro SIL 23.9.2009 25
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 23.9.2009 26
Useimmiten vähempikin riittää Ulkoinen suojaus vastaanotto- eli sieppausrakenne alastulojohtimet maadoitusjärjestelmä Sisäinen suojaus riittävä eristys potentiaalintasaus ylijännitesuojaus magneettinen suojaus Martti Aro SIL 23.9.2009 27
Miksi ja mitä varten? vastaanottorakenne alastulojohtimet maadoitus eristys potentiaalintasaus ylijännitesuojaus magneettinen suojaus Martti Aro SIL 23.9.2009 28
Vastaanottorakenteen suunnittelu r on salaman viimeisen hypyn pituus I on salamavirta A ja B ovat vakioita (A = 10, B = 0,65) I (ka) 2 3 5 10 16 100 r (m) 16 20 30 45 60 200 Martti Aro SIL 23.9.2009 29
Suojausluokat Martti Aro SIL 23.9.2009 30
Vastaanottorakenteen vaihtoehtoiset tekniikat metallilevyverhous masto tai pystytanko tai -tankoja riippuköysi mastojen tai tankojen varassa johdinverkko katolla (ja seinillä) muut luonnolliset komponentit Martti Aro SIL 23.9.2009 31
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 23.9.2009 32
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 23.9.2009 33
Vastaanottorakenteen suunnittelukriteerinä suojakulma Martti Aro SIL 23.9.2009 34
Räjähdetilan suojaus tangon avulla (Tukes) Martti Aro SIL 23.9.2009 35
Räjähdetilan suojaus johtimin (Tukes) Rakennukseen kiinnitetty salamasuojaus Martti Aro SIL 23.9.2009 36
Eristetty salamasuojaus (Tukes) Martti Aro SIL 23.9.2009 37
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 23.9.2009 38
Katolla olevien laitteiden suojaus suoralta iskulta Martti Aro SIL 23.9.2009 39
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 23.9.2009 40
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 23.9.2009 41
Alastulojohtimet Nykyisin tavallisesti 8 mm Al-pyörötanko Suomessa on käytetty 16 25 (35) mm 2 Cu-johdinta Tasaisin 10 20 m välein (LPL I IV), vähintään kaksi Suorinta tietä maadoitukseen mutkia välttäen Syöksytorvet Metalliseinät ja muut luonnolliset komponenetit Martti Aro SIL 23.9.2009 42
Kuparijohtimen lämpeneminen (K) salamavirran eri ominaisenergioilla Johtimen poikkipinta-ala (mm 2 ) Salaman ominaisenergia W/R (MJ/Ω) 2,5 5,6 10 16 56 143 309 25 22 51 98 50 5 12 22 100 1 3 5 Martti Aro SIL 23.9.2009 43
Suorinta tietä alas Martti Aro SIL 23.9.2009 44
Teräsbetoniseinät alastulojohtimena Martti Aro SIL 23.9.2009 45
Metallinen julkisivu alastulojohtimena yhdessä teräsbetonirakenteen kanssa Martti Aro SIL 23.9.2009 46
Betoniteräsrakenteet voivat toimia - vastaanottorakenteena - alastulojohtimina - maadoituksena - potentiaalintasauksena - magneettisena suojana Martti Aro SIL 23.9.2009 47
Resistanssin mittaus Martti Aro SIL 23.9.2009 48
Maadoitusjärjestelmä perustusmaadoitus erillinen säteismaadoitus kiertävä maadoitus maadoitus kallioperään (oma standardi väliaineelle) Martti Aro SIL 23.9.2009 49
Esimerkki luontaisesta potentiaalintasauksesta ja perustusmaadoituksesta Martti Aro SIL 23.9.2009 50
Sisäinen salamasuojaus Riittävä eristys tai potentiaalintasaus Pituus l tarvittavan eristysvälin laskemiseksi Kertoimet riippuvat - suojausluokasta - virranjakautumisesta - eristeestä Oikealla yhdistäminen toisessakin kerroksessa Martti Aro SIL 23.9.2009 51
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 23.9.2009 52
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 23.9.2009 53
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 23.9.2009 54
Indusoituvien ylijännitteiden pienentäminen Vaihtoehtoina: tilasuojaus johtojen suojaus johtojen reititys 1 laite 2 sähköjohto 3 signaalijohto 4 induktiosilmukka Martti Aro SIL 23.9.2009 55
Ylijännitesuojatyypit Suojaus sekä sähkö- että telejohtoihin Karkeasuojat (kipinäväli) Välisuojat (varistori) Yhdistelmäsuojat Hienosuojat (diodi) Ylijännitesuojia tarvitaan myös potentiaalintasaukseen Martti Aro SIL 23.9.2009 56
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 23.9.2009 57
Koordinoitu ylijännitesuojaus Martti Aro SIL 23.9.2009 58
Esimerkki virranjaosta, kun laskentaa ei ole tehty 100 ka virralla suojat 4 x 12,5 ka Martti Aro SIL 23.9.2009 59
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 23.9.2009 60