Mechanizm powstawania pożarów od wyładowań atmosferycznych

W trakcie trwania wyładowań atmosferycznych występują duże napięcia, prąd osiąga wartość setek amperów, a wyładowanie powoduje powstanie temperatur rzędu kilku tysięcy stopni. Dlatego też obiekt, w który uderza piorun, może ulec znacznym uszkodzeniom. Na skutek zjawisk towarzyszących temu zdarzeniu zniszczeniu ulegają urządzenia elektryczne i elektroniczne, kable instalacji alarmowych i użytkowych, w skrajnych przypadkach może dojść do powstania pożaru.

Wyładowania atmosferyczne powstają na skutek gromadzenia się ładunków elektrycznych w chmurach burzowych i w związku z różnicą potencjałów między nimi a ziemią. Pioruny mogą mieć dwojaki charakter. Występują między sąsiednimi warstwami chmur (nie są wtedy groźne dla obiektów naziemnych) oraz między chmurami a ziemią. W tym drugim przypadku przebywanie na otwartym terenie w czasie burzy wiąże się z niebezpieczeństwem bezpośredniego porażenia.

Wyładowanie atmosferyczne różni się tym od iskry elektrycznej, że jest od niej o wiele silniejsze, natężenie prądu powstającego przy uderzeniu pioruna dochodzi do 250 kA, a ciepło wytworzone przepływem prądu bezpośrednio lub pośrednio powoduje zapalenie się palnych materiałów znajdujących się w pobliżu. Narażone na uderzenia są przede wszystkim obiekty najwyższe na danym terenie. Uderzenie pioruna w drzewa powodują ich rozerwanie i pęknięcie, metalowe przedmioty, przewody ulegają stopieniu, a uderzenie pioruna w przewody linii elektrycznej może spowodować w sąsiednich transformatorach, generatorach i odbiornikach przebicie izolacji, powstanie łuków elektrycznych i w konsekwencji pożar.

Szczególnie zagrożone są obiekty nie posiadające odpowiednich instalacji zabezpieczających. Pioruny wywołują często duże uszkodzenia powstające zarówno poprzez bezpośrednie działanie wynikające z ich natury jak i wtórne np. przepięcia. Uderzeniom piorunów towarzyszy szereg zjawisk bardzo niekorzystnych z punktu widzenia bezpieczeństwa pożarowego. W szczególności można do nich zaliczyć:

• cieplne i dynamiczne działanie energii wyładowania,
• wysokie napięcie,
• wtórne działanie pioruna.

Działanie prądu pioruna można podzielić na bezpośrednie i pośrednie.

W czasie bezpośredniego uderzenia pioruna w jakiś obiekt, styka się on z głównym kanałem wyładowczym lub z kanałem bocznym. Przez przedmiot, w który uderzył piorun płynie prąd piorunowy o dużym natężeniu w bardzo krótkim czasie. Prąd ten wywołuje zjawiska cieplne, dynamiczne chemiczne i elektromagnetyczne. W zależności od tego, z jakiego materiału wykonany jest obiekt efekt końcowy wyładowania będzie inny. Najbardziej niebezpieczne, a zarazem najbardziej zauważalne jest oddziaływanie cieplne prądu piorunowego. Jego charakter i przebieg są zupełnie inne niż prądu o częstotliwości przemysłowej, przepływającego przez przewodnik. Stosując pewne uproszczenia samego zagadnienia można pracę, jaką wykonuje piorun wyznaczyć stosując prawo Joule'a-Lenza:

P=I²Rt 

gdzie:
P - praca w W
I - natężenie prądu w A
R - rezystancja drogi prądu w W
t - czas trwania przepływu prądu w s

Ze wzoru tego wynika, że w czasie przepływu prądu przez przedmiot o małej rezystancji wydziela się mała ilość ciepła. Inaczej jest w przypadku przedmiotu o dużej rezystancji, wówczas ilość wydzielonego ciepła jest znaczna. Przepływ prądu przez przewodniki o małym przekroju np. pręty, blachę, drut spowodować może ich stopienie. Natomiast, jeżeli piorun uderza w materiał o dużej rezystywności (np. beton, drewno) wydzielające się w nich ciepło powoduje, iż woda w nim zawarta zostaje ogrzana do wysokiej temperatury w krótkim czasie i gwałtownie odparowuje powodując nagły wzrost ciśnienia. Proces ten ma charakter wybuchu, jego wynikiem jest pękanie pni drzew i rozsypywanie betonowych konstrukcji.

Bardzo niebezpieczne są też wszelkiego rodzaju zestyki i przerwy na drodze przepływu prądu piorunowego. Występująca w tych miejscach zwiększona rezystancja powoduje dodatkowy opór, mogą w miejscach tych powstać iskry, łuki i miejscowe wytopienia materiałów. Jeżeli w ich pobliżu znajdą się materiały palne wówczas dochodzi do ich zapalenia się tym bardziej, że w czasie przepływu takiego prądu powstają temperatury rzędu kilku tysięcy stopni.

Podczas przepływu prądu wyładowania atmosferycznego największe zagrożenie pożarowe stwarzane jest przez:

• erozję termiczną,
• nagrzanie przewodów metalowych wzdłuż drogi przepływu prądu,
• zapłon materiałów palnych w bezpośrednim sąsiedztwie kanału piorunowego oraz w miejscach nadmiernie rozgrzanego metalu,
• zainicjowanie wybuchu mieszanin gazów i pyłów z powietrzem oraz materiałów wybuchowych,
• zapalenie się materiałów palnych znajdujących się w bezpośrednim kontakcie z kanałem piorunowym,
• uszkodzenie i zapalenie się materiałów izolacyjnych,
• zapalenie się lub wybuch par cieczy i gazów w zbiornikach i butlach.

Erozja termiczna metalu polega na nagrzewaniu się metalu w miejscu styku z kanałem wyładowania piorunowego. Ma to szczególne znaczenie w przypadku, kiedy piorun uderza w blachy lub cienkie przewody. Wytopione cząstki metalu rozbryzgują się wówczas, a samo miejsce nagrzewa się. Głównym czynnikiem, który prowadzi do wzrostu temperatury w miejscu stykowym jest energia związana z ładunkiem wyładowania Q i przyelektrodowym spadkiem napięcia. Przyrost temperatury rozgrzanego metalu nie jest jednakowy w całym przekroju materiału. Inna jest temperatura na powierzchni a inna po przeciwnej stronie punktu uderzenia pioruna, wzrasta ona z pewnym opóźnieniem zależnym od grubości blachy oraz od czasu w jakim działa impuls nagrzewający materiał. Maksymalny przyrost temperatury blachy jest w przybliżeniu proporcjonalny do ładunku. Osiągnięcie temperatury stanowiącej próg topliwości metalu świadczy o początku erozji. W przypadku ciężkich blach prowadzi ona do ich perforacji, a cienkie przewody ulegają przerwaniu (stopieniu). Ilość energii potrzebnej do przedziurawienia blachy w przeliczeniu na 1 mm jej grubości rośnie wraz z jej grubością. Zjawisko to może być przyczyną pożaru, ze względu na powszechność stosowania jako elementów wykończeniowych blach oraz drutów odgromowych, które w przypadku styku z kanałem wyładowczym osiągają temperaturę rzędu 1500°C. Może to spowodować ich miejscowe wytopienie. Dalsze zetknięcie się takich elementów z materiałem palnym może doprowadzić do jego zapalenia się.

Nagrzewanie przewodów przy przepływie prądu wyładowania atmosferycznego ma miejsce głównie w przypadku drutów wykorzystywanych jako instalacja odgromowa, gdyż stawiają one pewien opór przy przepływie prądu.
Ilość ciepła wydzieloną przez prąd pioruna w czasie można wyznaczyć ze wzoru:

Q=I²Rt 

gdzie:
Q - ilość ciepła
I - natężenie prądu
R - oporność czynna przewodu
t - czas

We wzorze tym wartość prądu i czas jego przepływu są wartościami losowymi, dlatego też ilość wydzielonego ciepła zależy głównie od rezystancji przewodu, przez który płynie prąd. Ze względu na fakt, że czas przepływu prądu pioruna jest bardzo krótki, można przyjąć, że cały przewód jest nagrzewany jednakowo w całym przekroju, a samo nagrzewanie się przebiega pod wpływem impulsu energii elektrycznej wyładowania.

Działanie elektrodynamiczne prądu pioruna ma miejsce w uziemionych i usytuowanych równolegle przewodnikach, przez które płynie prąd wyładowania. Zgodnie z prawem Laplace'a dwa przewody, przez które przepływa prąd elektryczny ułożone do siebie równolegle oddziałują na siebie siłą proporcjonalną do natężenia obu prądów i odwrotnie proporcjonalną do odległości pomiędzy nimi. Jeżeli kierunki przepływu prądu są zgodne, to przewody przyciągają się, natomiast jeżeli są przeciwne wówczas odpychają się. Ze względu na fakt, że prąd płynący podczas wyładowania osiąga wartość kilkuset kA, przewodniki przez które przepływa mogą zostać zerwane lub uszkodzone, jeśli są ułożone zbyt blisko siebie, co w skrajnych przypadkach może np. naruszyć konstrukcję budynku (jeżeli są to np. pręty zbrojeniowe). Kolejnym zagrożeniem związanym z elektrodynamiką przepływu prądu pioruna jest to, że siły powstające podczas wyładowań są bardzo krótkie w porównaniu z okresami wywołanych przez nie drgań mechanicznych. W praktyce oddziaływanie takie ma znaczenie tylko przy bardzo małych odległościach pomiędzy przewodami, wówczas gdy mamy np. do czynienia z przepływem prądu wyładowania w instalacji elektrycznej, powstające siły przyciągania mogą doprowadzić do zniszczenia izolacji.

W przypadku, gdy wyładowanie atmosferyczne przebiega przez materiał izolacyjny lub materiał który jest słabym przewodnikiem (np. beton, mur, drewno), kanał wyładowania może przejść przez ten materiał lub przebiegać na jego powierzchni. Oddziaływanie kanału na materiał - o czym była mowa wcześniej - z reguły wywołuje duże ciśnienie, które w przypadku przebicia materiału może być stosunkowo groźne. Powstające ciśnienie może osiągać wartość rzędu kilkuset tysięcy N/cm2 - znacznie większe niż ciśnienie atmosferyczne. Jego przyrost oddziałuje na otoczenie jak fala uderzeniowa ulegająca szybkiemu wytłumieniu. Wartość i prędkość tej fali może spowodować lokalne uszkodzenia: zerwanie dachów, pęknięcia, naruszenie konstrukcji budynku, uszkodzenia drzew. W skrajnych przypadkach może dojść nawet do zawalenia się konstrukcji. Wartości prądu decydujące o rozmiarach uszkodzeń zależą głównie od grubości przebijanego materiału, co wiąże się z długością kanału wyładowania, ilością odparowanej wilgoci i kierunkiem działania sił. W przypadku przebiegu kanału piorunowego bezpośrednio przez materiał palny następuje z reguły jego zapłon, co jest konsekwencją bardzo szybkiego rozgrzania się materiału palnego, odparowaniu wody oraz pirolizy. Samo zapalenie się, w dużej mierze, zależy od pojemności cieplnej danego materiału, jego struktury, szybkości pochłaniania i magazynowania ciepła.

Zagrożenie pożarowe i wybuchowe zbiorników z cieczami i gazami palnymi powodowane przez wyładowania atmosferyczne jest bardzo różne. Zależy od konstrukcji zbiornika i rodzaju przechowywanego materiału. Zbiorniki z gazami palnymi z reguły nie mają połączenia z atmosferą, nie ma więc tam możliwości powstania mieszaniny wybuchowej. Inaczej przedstawia się sytuacja ze zbiornikami z ruchomą pokrywą, tam występuje w pewnych okolicznościach mieszanina wybuchowa. W zbiornikach z cieczami palnymi i dachami występuje wolna przestrzeń pomiędzy jej powierzchnią a dachem. Przestrzeń ta połączona jest z otaczającą atmosferą przez kominki oddechowe, co pozwala na wypływ par i gazów na zewnątrz i do środka. Ponieważ występuje wymiana powietrza i par na zewnątrz i do wewnątrz zbiornika może tam wytworzyć się mieszanina wybuchowa.

W zależności od zawartości i konstrukcji zbiornika różne są też skutki uderzenia pioruna. Jeżeli uderzenie ma miejsce w blachę będącą poszyciem zbiornika to w punkcie zetknięcia się kanału iskry z metalem występuje nagrzewanie się blachy i możliwość powstania łuku elektrycznego. W konsekwencji może dojść do wytopienia się metalu i rozszczelnienia zbiornika. Jeżeli w zbiorniku znajduje się gaz palny, wówczas może dojść do jego zapalenia się, natomiast jeżeli jest w nim ciecz może nastąpić zapłon mieszaniny jej par z powietrzem, wybuch, zniszczenie zbiornika i pożar.

Przedstawione w artykule zagrożenia pożarowe powstające przy wyładowaniach atmosferycznych miały na celu pokazanie, jak mechanizmy wyładowań przyczyniają się do powstania uszkodzeń i pożarów. Temat ten jest bardzo rozległy, dlatego przedstawione zostały tylko opisy wybranych zagrożeń. W celu zminimalizowania zagrożeń pożarowych powstających podczas wyładowań atmosferycznych należy przede wszystkim zwrócić uwagę na poprawnie zaprojektowaną i wykonaną instalację odgromową w szczególności należy zwrócić uwagę na:

• stosowanie odpowiednich przekrojów przewodów odprowadzających,
• właściwą jakość łączeń pomiędzy nimi,
• odpowiedni dobór ilości przewodów odprowadzających,
• zachowanie odpowiedniej odległości materiałów palnych od instalacji odgromowych.

mgr inż. Edward Skiepko

Literatura

1. S. Szpor: Jak ustrzec się pioruna, Warszawa, 1971.
2. Z. Flisowski: Trendy rozwojowe ochrony odgromowej budowli, Warszawa, 1986.
3. Materiały z konferencji naukowo-technicznej SEP, 1996:
   - Z. Flisowski: Standardowe modyfikacje urządzeń piorunochronnych,
   - A. Sowa: Rozpływ prądu piorunowego w instalacji odgromowej oraz w przewodzących elementach konstrukcyjnych obiektu budowlanego,
   - A. Skibiński: Urządzenia piorunochronne w projektowaniu i budowie w obiektach zagrożonych pożarem i wybuchem,
4. Materiały dostępne na stronie http://www.ochrona.net.pl .