Lightning: Preambule

Deze presentatie over blikseminslag is bedoeld om een praktische benadering te geven van de verschillende praktische aspecten van bliksembeveiliging voor installaties en apparatuur die gewoonlijk in de industrie worden gebruikt.

Natuurlijk blijft de bescherming van mensen de eerste zorg van elke manager.

Dit is echter een specialistisch gebied en de instanties voor elektrische controle zijn hiertoe bevoegd.

Wij zullen ons dus beperken tot het materiële aspect van het bliksemonderwerp , ook al wordt soms een blik geworpen op de bescherming van personen.

Schade: In Frankrijk: enkele miljoenen blikseminslagen per jaar (vooral bij warm weer).

Bliksem doodt soms en veroorzaakt vooral schade, vaak spectaculair:

- Mensen en dieren getroffen door de bliksem,

- Gebouwen verwoest door het dozijn,

- Beschadigde elektronische apparatuur, huishoudelijke apparaten, enz,

- Storingen in automatische systemen.

Uit de omvang van de schade blijkt zowel de kracht van het verschijnsel als het gebrek aan aandacht voor beschermingsmethoden.

"Aan de bliksemkan niets gedaan worden".

Dit is een uiterst gangbaar en toch bijzonder onjuist idee. Een resoluut technische benadering kan alleen maar overtuigen van het tegendeel:

"Het is natuurlijk altijd mogelijk om je te beschermen tegen de gevolgen van bliksem.

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

Wij zullen dan ontsnappen uit het rijk van het bijgeloof en het rijk van het rationalisme binnentreden.

Vervolgens zal worden getracht de feiten te belichten en de actie van de bliksem te karakteriseren.

Bliksem, een natuurkundig fenomeen:

Als bliksem een natuurkundig verschijnsel is, moet het bestudeerd kunnen worden. Talrijke talenten, vooral uit Frankrijk, hebben zich op briljante wijze van deze taak gekweten. Uit hun werk kunnen de volgende lessen worden getrokken:

- Bliksemontladingsproces

- Blootgestelde gebieden

- Schokgolf

- Golfvoortplanting

- De gevolgen van bliksem

Bliksemontladingsproces :

Bliksem komt alleen voor in de aanwezigheid van cumulonimbus wolken. Zij hebben een bijzonder grote massa in het verticale vlak en kunnen hoogten 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. Door de invloed wordt de omgeving, met inbegrip van de grond, gepolariseerd op een manier die tegengesteld is aan die van het dichtstbijzijnde bewolkte gebied.

De klappen van bliksem Een schot van bliksem is negatief wanneer het negatieve deel van de wolk zich ontlaadt, en positief wanneer dat niet het geval is.   

Een blikseminslag wordt neerwaarts genoemd als de voorloper begint bij de basis van de wolk, en opwaarts als de voorloper eindigt bij de basis van de wolk.

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

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

Onzuiverheden in de lucht en de vochtigheid van de omgeving tijdens onweer bevorderen een plaatselijke toename van de elektrische velden en een afname van de ontstekingsspanningen.

Elektrostatische ontladingen ontstaan dan binnen deze verschillende dipolen.

Het kwijtingsproces begint.

Het ontladingsproces begint dus zodra de eerste breuk in de isolatie 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. Het pad van deze "voorontladingen" volgt een sterk geïoniseerd pad dat wordt aangeduid als: tracer of precursor.

Het door de tracer gevolgde pad is zeer onregelmatig. Naarmate hij zich verplaatst, neemt de potentiaalgradiënt (elektrisch veld) toe en ontstaan er talrijke vertakkingen. In de nabijheid van voorwerpen, constructies of andere elementen die als vector kunnen dienen voor het afvoeren van bliksemenergie, vliegen vonken (vangontlading) naar buiten en ontmoeten de voorloper.

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

Het potentiaalverschil langs deze weg bereikt een paar honderd miljoen volt. Onmiddellijk vloeit een stroom van aanzienlijke intensiteit, die de eerste retourslag, de hoofdontlading of de retourboog wordt genoemd.

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

In Europa, waar het klimaat gematigd is, zijn zij verantwoordelijk voor 80-90% van de schokken.

Positieve opwaartse schokken kunnen intensiteiten bereiken van enkele honderden kA.

Verschillende retourbogen, gemiddeld 4 per flits, volgen elkaar op in een tijdspanne van 500 ms tot 1 s

Gebieden blootgesteld aan bliksem

Om de ideeën over de grotere of kleinere blootstelling van een geografisch gebied vast te leggen, is het thans gebruikelijk het begrip keraunisch niveau te gebruiken, dat ook in de norm NF C15 100 is vastgelegd. Het keraunisch niveau, dat vroeger voor een bepaalde plaats het aantal dagen aangaf waarop in een jaar onweer werd gehoord, wordt steeds meer vervangen door het gemiddeld aantal schokken per km². De verhouding tussen deze twee begrippen varieert van :

Nc = Nk / 10 en Nk/20

Het keraunisch peil 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.

Om de zaken in perspectief te plaatsen, Indonesië heeft keraunische niveaus van 200! Het is duidelijk dat deze pogingen om de stormintensiteit van een gebied te meten niet overeenstemmen met de realiteit van een bepaald gebied. Enkele bijkomende aspecten, die we later zullen zien, zullen hiertoe bijdragen.

Shockwave

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

Om de bliksembestendigheid van apparatuur en de ontstekingsspanningen van bliksembeveiligingsinrichtingen te karakteriseren, is de bliksemschokgolf gestandaardiseerd. Het wordt gewoonlijk aangeduid als de golf: 1,2 / 50 8 /20

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

De spanningsgolf : - Stijging van 1,2 µs (van 10% tot 90% van U), - Wanneer de storende spanning (ontstekingsspanning) wordt bereikt (100% van U), verschijnt de stroomgolf 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). - Het is verantwoordelijk voor de vernietiging van materialen door thermisch effect.

Golfvoortplanting

In de beschrijving van het ontladingsproces wordt de wolk/aarde-combinatie voorgesteld als een dipool die ontlaadt na opeenvolgende couponinitiaties.

Om de omstandigheden te bepalen die de ontlading van deze enorme condensator bevorderen, moeten wij ons afvragen waarom een schok op een bepaalde plaats optreedt. Onder de gunstige elementen kunnen we noemen:

- De afstand tussen de ladingen(= tussen de wolk en de grond): Hoe kleiner de afstand, hoe gemakkelijker het is om te initiëren. De meeste inslagen worden altijd in bergachtige gebieden geregistreerd.

- De aard van de grond: hoe meer geleidend, hoe meer belast. Mijnbouwgebieden, steenkool, ijzer, zelfs in vlak land zijn meer blootgesteld, evenals grote wateroppervlakten.

- De topografie van plaatsen die, zoals valleien, de circulatie van winden bevorderen en de lucht doen ioniseren, creëert hier meer dan daar passages met lage impedantie.

- De aanwezigheid van lange antennes (bovengrondse HV-kabel) of hoge constructies met of zonder piekeffect werkt ontstekingen sterk in de hand.

De weg van de tracer door de bonnen is derhalve geen kwestie van toeval; hij loopt altijd langs de gemakkelijkste weg. Aangezien dit een elektrisch verschijnsel is, is de gemakkelijkste weg die met de laagste impedantie. Het is juist om van impedantie te spreken en niet alleen van weerstand, omdat de frequenties van de schokgolf, zoals we hebben gezien, hoger zijn dan de MHz.

Er zij aan herinnerd dat de impedantie van een stroomkring recht evenredig is met zijn weerstand en met de frequentie waaraan hij wordt blootgesteld, en omgekeerd evenredig met zijn capaciteit.

In het geval van de analyse, de methoden en de beschermingsmiddelen, waarover het hier gaat, is de aarde altijd de eindbestemming van de bliksemschicht, ook al zijn blikseminslagen vanuit de lucht (tussen de wolken) het talrijkst. Deze opzettelijke vereenvoudiging van de voortplanting van de schokgolf maakt het mogelijk in concrete termen te voorzien in de manieren om zich te beschermen en tevens een eenvoudige regel op te stellen, ten behoeve van niet-specialisten die het verschijnsel willen begrijpen om hun eigen beschermingssysteem te beheersen:

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

De gevolgen van bliksem

Er kunnen twee soorten blikseminslagen worden onderscheiden naar hun gevolgen en dus naar de middelen om zich ertegen te beschermen:

Directe gevolgen :

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

Indirect effect :

een voorwerp of een levend wezen dat door de doorgang van een stroom wordt getroffen, hoewel het door de blikseminslag niet is geraakt.

Deze stroom vloeit hetzij omdat een geleider de stroomstoot van het trefpunt naar het stroompunt voert, hetzij omdat hij zich door inductieve, elektrostatische of elektromagnetische koppeling heeft voortgeplant.

De gevolgen van een schok die apparatuur of gebouwen rechtstreeks treft, behoeven niet in detail te worden beschreven. De effecten van indirecte effecten worden niet altijd geïdentificeerd als zijnde het gevolg van een atmosferische lozing.

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

De betrokken energieën kunnen op dat ogenblik voldoende zijn om componenten te beschadigen die iets later in de tijd zullen worden vernietigd.