Bliksem: Preambule

Het enige doel van deze bliksempresentatie is een praktisch overzicht te geven van de verschillende praktische aspecten van bliksembeveiliging voor installaties en apparatuur die in de industrie worden gebruikt.

Natuurlijk blijft de bescherming van individuen de primaire zorg van alle managers.

Dit is echter een gebied voor specialisten en de keuringsinstanties voor elektrische installaties vervullen deze rol op bekwame wijze.

We zullen ons daarom beperken tot het materiële aspect van het bliksemonderwerp , ook al wordt er soms een blik geworpen op het aspect van persoonlijke bescherming.

Schade: In Frankrijk: enkele miljoenen blikseminslagen per jaar (vooral tijdens perioden met hoge temperaturen).

Bliksem doodt soms en veroorzaakt vooral schade, vaak spectaculair:

- Mensen en dieren getroffen door de bliksem,

- Tientallen gebouwen verwoest,

- Beschadigde elektronische apparatuur, huishoudelijke apparaten, enz,

- Storingen in automatische systemen.

De omvang van de schade weerspiegelt zowel de kracht van het fenomeen als het gebrek aan aandacht voor beschermingsmethoden.

"Er is niets wat je aan bliksemkunt doen".

Het is een heel gewoon idee, maar een bijzonder verkeerd idee. Een resoluut technische benadering kan ons alleen maar van het tegendeel overtuigen:

"Natuurlijk kun je jezelf altijd beschermen tegen de gevolgen van bliksem.

De eerste stap is om bliksem te beschouwen als een klassieke fysieke gebeurtenis en niet langer als een goddelijke of bovennatuurlijke interventie.

Dit haalt ons uit het rijk van het bijgeloof en brengt ons in het rijk van het rationalisme.

We zullen dan proberen de feiten te benadrukken en de werking van de bliksem te karakteriseren.

Bliksem, een natuurkundig fenomeen:

Dus als bliksem een natuurkundig verschijnsel is, moet het mogelijk zijn om het te bestuderen. Veel getalenteerde mensen, vooral in Frankrijk, hebben deze taak op briljante wijze aangepakt. Uit hun werk kunnen we de volgende lessen trekken:

- Bliksemontladingsproces

- Blootgestelde gebieden

- Schokgolf

- Golfvoortplanting

- De effecten van bliksem

Bliksemontladingsproces :

Bliksem komt alleen voor in de aanwezigheid van cumulonimbuswolken. Deze wolken hebben een bijzonder grote verticale massa en kunnen hoogtes bereiken tussen 2 en 14 km. De temperatuurverschillen tussen de bovenste en onderste delen van de wolken veroorzaken een intense luchtcirculatie (thermodynamische activiteit).

Door wrijving worden de bewegende deeltjes elektrisch geladen en deze ladingen hopen zich op aan de verticale uiteinden van de wolken. Hierdoor wordt de omgeving, inclusief de grond, gepolariseerd in de tegenovergestelde richting van de dichtstbijzijnde wolk.

De slagen van bliksem Een opname van bliksem is negatief als het negatieve deel van de wolk zich ontlaadt en positief als dat niet het geval is.   

Een blikseminslag is neerwaarts als de voorloper aan de basis van de wolk begint, en opwaarts als de voorloper aan de basis van de wolk eindigt.

Onder invloed van deze ladingen ontstaan er elektrische velden, zowel tussen wolken en aarde als tussen wolken onderling.

De waarden van deze velden kunnen enkele tientallen kV/m bereiken.

Onzuiverheden in de lucht en omgevingsvochtigheid tijdens onweersbuien leiden tot een lokale toename van elektrische velden en een verlaging van ontstekingsspanningen.

Binnen deze verschillende dipolen worden dan elektrostatische ontladingen geproduceerd.

Het kwijtingsproces begint.

Het ontladingsproces begint dus zodra de eerste isolatiebreuk optreedt tussen de basis van de wolk en een willekeurig punt in zijn omgeving.

Vervolgens wordt in opeenvolgende sprongen van 50 tot 100 meter een deel van de lading van de wolk overgebracht naar het inslagpunt. Deze "voorontladingen" volgen een sterk geïoniseerd pad dat tracer of precursor wordt genoemd.

Het pad dat de tracer volgt is zeer onregelmatig. Naarmate het pad vordert, neemt de potentiaalgradiënt (elektrisch veld) toe, wat aanleiding geeft tot talrijke vertakkingen. In de buurt van voorwerpen, gebouwen of andere elementen die als vector kunnen dienen voor de dissipatie van bliksemenergie, schieten vonken (vangstontlading) naar buiten en ontmoeten de voorloper.

Het geïoniseerde pad tussen het inslagpunt en de wolk wordt dan volledig getraceerd.

Het potentiaalverschil langs dit pad bereikt een paar honderd miljoen volt. Er vloeit onmiddellijk een stroom van aanzienlijke intensiteit, die bekend staat als de eerste retourslag, hoofdontlading of retourboog.

De piekwaarde van de ontlaadstroom varieert van enkele tientallen kA (gemiddeld 40 kA) tot maximaal honderd kA voor neerwaartse negatieve blikseminslagen .

In Europa, waar een gematigd klimaat heerst, zijn ze verantwoordelijk voor 80-90% van de schokken.

Opwaartse positieve schokken kunnen een intensiteit van enkele honderden kA bereiken.

Verschillende retourbogen, gemiddeld 4 per flits, volgen elkaar op over een periode van 500 ms tot 1 s.

Gebieden blootgesteld aan bliksem

Om een duidelijker idee te geven van de mate van blootstelling van een geografisch gebied, is het nu gebruikelijk om het begrip keraunisch niveau te gebruiken, dat is vastgelegd in de norm NF C15 100. Het keraunisch niveau, dat vroeger voor een bepaalde locatie het aantal dagen aangaf waarop onweer werd gehoord in een jaar, wordt steeds vaker vervangen door het gemiddelde aantal schokken per km². Het keraunisch niveau, dat vroeger voor een bepaalde locatie het aantal dagen aangaf waarop onweer werd gehoord in een jaar, wordt steeds meer vervangen door het gemiddelde aantal schokken per km². De relatie tussen deze twee begrippen varieert tussen :

Nc = Nk / 10 en Nk/20

Het kerauniveau in Frankrijk kan oplopen tot 35, wat betekent dat de meest blootgestelde gebieden van ons land elk jaar 3 tot 4 schokken per km² te verduren krijgen.

Voor de goede orde: Indonesië heeft een kerauniveau van 200! Het is voor iedereen duidelijk dat deze pogingen om de stormintensiteit van een gebied te meten niet de realiteit van een bepaalde locatie weerspiegelen. Dit heeft nog een aantal andere aspecten, die we later zullen bekijken.

Schokgolf

Om studies, analyses, tests en vergelijkingen te vergemakkelijken, is het essentieel om referenties te gebruiken die voor alle belanghebbenden gemeenschappelijk zijn.

Om de bliksemweerstand van apparatuur en de activeringsspanningen van bliksembeveiligingsapparaten te karakteriseren, is de bliksemschokgolf gestandaardiseerd. Deze wordt gewoonlijk de golf genoemd: 1,2 / 50 8 /20

Het heeft een zeer breed frequentiespectrum, van zeer lage frequenties tot meer dan 1 MHz.

De spanningsgolfvorm: - Stijgt in 1,2 µs (van 10% tot 90% van U) - Wanneer de onderbrekingsspanning (triggerspanning) wordt bereikt (100% van U), verschijnt de stroomgolfvorm en daalt in 50 µs (50% van U). De stroomgolf: - stijgt in 8 µs (van 10% tot 90% van I) - daalt in 20 µs (50% van I). - Dit is verantwoordelijk voor de vernietiging van apparatuur door thermisch effect.

Golfvoortplanting

De beschrijving van het ontladingsproces stelt de wolk/aardecombinatie voor als een dipool die ontlaadt na opeenvolgende couponinitiaties.

Om de omstandigheden te definiëren die de ontlading van deze immense condensator bevorderen, moeten we kijken naar de redenen waarom een schok zich op een bepaalde plaats voordoet. Enkele factoren die de ontlading bevorderen zijn

- De afstand tussen de ladingen(= tussen de wolk en de grond): Hoe kleiner de afstand, hoe gemakkelijker het is om in te zetten. Het grootste aantal inslagen wordt altijd geregistreerd in bergachtige gebieden.

- De aard van de bodem: hoe beter deze geleidt, hoe groter de belasting. Mijnbouw-, steenkool- en ijzergebieden, zelfs in vlak land, zijn meer blootgesteld, net als grote watergebieden.

- De topografie van plaatsen , zoals valleien, bevordert de circulatie van winden en veroorzaakt ionisatie van de lucht, hier meer dan daar, waardoor passages met een lage impedantie ontstaan.

- De aanwezigheid van lange antennes (bovengrondse HV-kabel) of hoge structuren met of zonder spike-effect is een belangrijke factor bij het triggeren.

Het pad dat de tracer door de vouchers neemt is dus geen kwestie van toeval; het neemt altijd de gemakkelijkste route. Aangezien dit een elektrisch fenomeen is, is de gemakkelijkste weg die met de laagste impedantie. Het is belangrijk om hier over impedantie te praten en niet alleen over weerstand, omdat de frequenties van de schokgolf, zoals we hebben gezien, hoger zijn dan MHz.

Onthoud dat de impedantie van een circuit recht evenredig is met de weerstand en de frequentie waaraan het wordt blootgesteld, en omgekeerd evenredig met de capaciteit.

In de analyse van beschermingsmethoden en -middelen die we hier behandelen, is de aarde altijd de eindbestemming van de blikseminslag, ook al zijn inslagen in de lucht (tussen wolken) het talrijkst. Deze opzettelijke vereenvoudiging van de voortplanting van de schokgolf stelt ons in staat om in concrete termen een blik te werpen op de manieren waarop bescherming kan worden bereikt, en ook om een eenvoudige regel op te stellen voor niet-specialisten die het fenomeen willen begrijpen om hun eigen beveiligingssysteem te controleren:

Een blikseminslag gaat altijd naar aarde en neemt de weg van de minste impedantie.

De effecten van bliksem

Er zijn twee soorten blikseminslagen , afhankelijk van hun effecten en de middelen om je ertegen te beschermen:

Directe gevolgen :

Dit zijn schokken die rechtstreeks op een voorwerp of levend wezen vallen en vervolgens naar de aarde vallen.

Indirecte invloed :

een voorwerp of levend wezen dat wordt beïnvloed door de doorgang van een stroom, ook al is het niet getroffen door de bliksem.

Deze stroom vloeit ofwel omdat een geleider de stroomstoot van het inslagpunt naar het stroompunt draagt, of omdat de stroom zich heeft verspreid door inductieve, elektrostatische of elektromagnetische koppeling.

De effecten van een schok die rechtstreeks apparatuur of een gebouw treft, hoeven niet gedetailleerd te worden beschreven. De effecten van indirecte schokken worden niet altijd geïdentificeerd als zijnde het gevolg van een atmosferische ontlading.

Elektrostatische effecten op een apparaat worden bijvoorbeeld niet voorafgegaan door het karakteristieke geluid van een blikseminslag en worden daarom niet geassocieerd met onweersactiviteit.

De betrokken energieën kunnen voldoende zijn om directe schade te veroorzaken aan onderdelen die even later vernietigd zullen worden.