Vasbeton pillérvázas épületek villámvédelme III.
2015/4. lapszám | Kruppa Attila | 10 264 |
Figylem! Ez a cikk 10 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A földelőrendszer és a potenciálkiegyenlítés nemcsak villámvédelmi, hanem érintésvédelmi, sőt üzemviteli szempontból is lényeges része minden olyan építményeknek, amelyben villamos és elektronikus rendszerek üzemelnek. Emiatt érdemes különös figyelmet szentelni megfelelő kialakításuknak.
A földelőrendszer lényeges jellemzői
A földelőrendszer lényeges jellemzőit nem pusztán az az elvárás határozza meg, hogy tegye lehetővé az LPS által felfogott és levezetett villámáram földbe vezetését: önmagában ennek a célnak már az is megfelel, ha a levezetők leérnek a földig. Ez a szándékosan túlzó megállapítás arra kívánja felhívni a figyelmet, hogy a villámvédelmi földelő kialakításához alig van köze a tulajdonképpeni „földelés” elvárásának, a vonatkozó követelményrendszer sokkal inkább a potenciálkiegyenlítésre törekvésből fakad: ne alakuljon ki az épületben olyan potenciálkülönbség, melynek hatására másodlagos kisülések következhetnek be, vagy amely miatt jelentős kiegyenlítő áramok jelennek meg a belső vezetőképes rendszereken, és ne alakuljon ki a földelő környezetében veszélyes nagyságú lépésfeszültség.
Ezek után nem meglepő, hogy a villámvédelmi szabvány a földelő szétterjedési ellenállására nem fogalmaz meg lényeges követelményt. Ehelyett a követelményrendszerben az tükröződik, hogy a villámvédelmi földelő jóságát elsősorban az határozza meg, hogy milyen mértékben segíti az egyenletes potenciáleloszlás kialakulását. Sajnos, ez a „jóság” kevéssé számszerűsíthető, mindenekelőtt a földelő geometriájával függ össze, és csak laza kapcsolatot mutat a földelő – gyakorlatban is mérhető – szétterjedési ellenállásával. A földelő szétterjedési ellenállásának tehát nem elsősorban villámvédelmi, hanem érintésvédelmi és üzemviteli szempontok miatt kell alacsonynak lennie – tekintve, hogy a földelő általában nem csak villámvédelmi célra szolgál. A földelőrendszer lényeges jellemzőiről szólva ki kell emelni az időtállóság (korrózióval szembeni ellenálló képesség) fontosságát is. Nem mintha a villámvédelmi felfogónál vagy levezetőnél nem lenne ennek jelentősége, de a földelőnél az állapotfelmérésre és az utólagos javításra jóval korlátozottabb a lehetőségünk.
Ezért a földelő kialakításához felhasználható anyagok körének meghatározásánál sokkal nagyobb szerepet kap a korrózióvédelem szempontja, mint a villámvédelmi rendszer egyéb részeinél. Összefoglalva az eddig leírtakat, megállapíthatjuk, hogy elsősorban a földelő geometriáját és korrózióval szembeni ellenálló képességét kell a földelőrendszer lényeges jellemzőjének tekintenünk, és figyelmün- ket a továbbiakban ezekre kell fókuszálnunk.
A földelőrendszer geometriai kialakítása
A csarnokjellegű, vasbeton pillérvázas épületek általában ún. pontalapozással készülnek, azaz alapozásként az egyes pillérekhez különálló vasbeton alaptestek készülnek (1. ábra), amelyek mérete vízszintes metszetben nagyjából 2x2 m, mélysége pedig 1-2 m. (Pillérvázas épületek másfajta alapozással is készülhetnek, de mi itt most erre a megoldásra koncentrálunk.) Elméletileg ugyan lehetőség lenne arra, hogy a földelő az egyes alaptestekben betonalap-földelőként létesüljön, de – mivel ennek megvalósítása jelentős munkaidő-ráfordítást igényelne – a gyakorlatban ez a kialakítás nem terjedt el.
Ehelyett a földelőrendszer az alaptestek közötti talajba fektetett földelőháló formájában készül, amely az MSZ EN 62305-3 szabvány „B” típusú földelőjének felel meg. Ez a megoldás azért praktikus, mert nemcsak azt teszi lehetővé, hogy a pillérekben kialakított levezetők a lehető legrövidebb bekötővezetékkel csatlakozzanak a földelőre, hanem egyúttal ellátja a földelőrendszer részeinek összekötését is. (Ugyanis ez utóbbira akkor is szükség lenne, ha a pilléreknél „A” típusú földelő-szondák lennének leütve.) Mivel a földelőhálónak „fel kell fűznie” a levezetőként használt pilléreket, a hálóosztásnak legalább egy irányban szükségszerűen a pillérekhez kell igazodnia. Az erre merőleges irányban a hálóosztást ugyancsak célszerű (de nem feltétlenül szükséges) a levezetőként használt pillérekhez igazítani. Ideális esetben ez – a levezetőként használt pillérek előző cikkben leírt elrendezését követve – 20x20 m-esnél nem nagyobb hálóosztást jelent (2. ábra).
Itt rögtön álljunk is meg! Az MSZ EN 62305-3 szabvány ugyanis lényegében nem foglalkozik azzal, hogy a hálóosztás mekkora legyen, ezért vitára adhat okot, hogy a nagyjából 20x20 m elfogadható-e. Az LPS földelőjének méretére („geometriai kiterjedésére”) vonatkozóan csak az a követelmény jelenik meg, hogy a „B” típusú földelő (szabványban kissé homályosan definiált) közepes sugara legyen nagyobb, mint a vízszintes „A” típusú földelő hosszúsága (amely az LPS fokozatának és a talaj fajlagos ellenállásának függvénye). Tekintsünk itt el annak boncolgatásától, hogy a közepes sugár vajon mit is jelenthet (akit érdekel, az a 2009-ben a Magyar Elektrotechnikai Egyesület által kiadott Villámvédelem 2009 jegyzetben utánanézhet), és fogadjuk el, hogy a 20x20 m-es rácsméretű földelőháló messzemenően teljesíti a villámvédelmi szabvány 3. részében megfogalmazódó követelményeket. Ennél sokkal izgalmasabb, hogy a szabvány 4. részét olvasva felfigyelhetünk arra, hogy az SPM részeként a szabvány lényegében 5x5 m-es rácsméretű földelőhálót követelne meg. Ez a követelmény elméletileg csak azokra az építményekre vonatkozna, amelyekben – a villámvédelmi kockázatkezelésből fakadóan, vagy egyéb megfontolás miatt – ki kell építeni az SPM-et („túlfeszültség-védelmi rendszert”). Gyakorlatilag azonban ez az építmények széles körét érinti, ezért szinte minden esetben ilyen föl-delőhálót kellene létesíteni.
Ez kétségkívül sokat lendítene a villámvédelmi anyagok kereskedelmi forgalmán, azonban sajnos nem tűnik életszerűnek. Sőt, az is megkérdőjelezhető, hogy önmagában a földelőre (nem pedig a földelő és az összekötő hálózat együttesére) vonatkozóan ilyen követelmény megfogalmazásának műszakilag van-e értelme. Az általános gyakorlatban – akár van SPM, akár nincs – a nagyjából 20x20 m-es rácsméretű földelőháló alkalmazása elfogadott, és ez a kialakult gyakorlat akkor is megfelelőnek tekinthető, ha az MSZ EN 62305-4 vonatkozó követelményét betű szerinti értelmezésben nem teljesíti. (A pontosság kedvéért megjegyezzük, hogy egyes speciális építményekben szükség lehet az átlagosnál jobb műszaki paraméterekkel rendelkező földelő létesítésére. Ilyenkor azonban tisztázni kell, hogy milyen szempontból kell a műszaki paramétereket javítani, és erre milyen intézkedések alkalmasak.)
Nem kapcsolódik szorosan a földelő geometriájához, de gyakran megjelenő kérdés, hogy a földelőháló milyen mélységben legyen fektetve. Az elsődleges szempont ezzel kapcsolatban az, hogy a földelővezető teljesen a (termett) talajba legyen ágyazva, ne annak felszínén (a feltöltés és a talajréteg határán), vagy a feltöltő (homokos-kavicsos) rétegben legyen elhelyezve. Annak, hogy a termett talajba milyen mélyen van fektetve, a fagyveszély szempontjából nincs jelentősége, hiszen az épület alá kerülő földelőháló esetében fagyveszéllyel nem kell számolni. Ezért a fektetés szükséges mélységét elsősorban arra tekintettel kell meghatározni, hogy az építési területen – a földelő fektetését követően – folyó munkák során a földelő mechanikailag ne sérülhessen, pl. munkagépek közlekedése miatt. A legalább 0,3-0,5 m fektetési mélység (3. ábra) ennek a kritériumnak a tapasztalatok szerint eleget tesz.
Ennél sokkal nagyobb mélység sem javasolható, mert annak hatását az alapozás statikájának szempontjából már vizsgálni kellene. Az időjárás és az évszakok hatása a talaj fajlagos ellenállására a termett talajnak ebben a részében elhanyagolható. A talaj itt viszonylag száraz, hiszen időszakos jelleggel sem kap felülről nedvességutánpótlást. Ugyanakkor nem teljesen száraz, mert a talaj mélyebb rétegeiből feláramló talajpára lényegében állandó nedvességszintet biztosít. Ennek és a földelőhálók többnyire nagy, néhány ezer négyzetméteres alapterületének köszönhetően a földelő szétterjedési ellenállása messze a villámvédelmi szabványban említett 10 Ohmos határérték alatt – jellemzően 1 Ohm alatt – van. A földelőnek ez a kialakítása messzemenően teljesíti a villámvédelmi szempontokat, és általában eleget tesz az érintésvédelmi vagy üzemviteli követelményeknek is. Célszerű azonban a főelosztónál (és egyéb olyan helyeken, ahol a földelés megbízhatóságának és minőségének kiemelt fontossága van) olyan földelőszondát telepíteni, amely önmagában is hatásos földelőnek tekinthető. Természetesen ezt a földelő-szondát is össze kell kötni a földelőhálóval.
A földelőrendszer részeinek anyaga
Az MSZ EN 62305-3 (és az MSZ EN 62561-2) szabvány követelményének megfelelően a talajba ágyazott földelőháló kivitelezéséhez az 1. táblázatban megadott méretű és anyagú huzalokat és szalagokat használhatjuk fel, melyek közül a hazai gyakorlatban a horganyzott acélhuzalok és -szalagok alkalmazása terjedt el.
A horganyzott acél használatával ugyan kielégíthető a szabvány követelménye, időtálló, jó minőségű földelő azonban nem készíthető belőle. Ennek oka az, hogy az acél korrózióvédelmét biztosító, a levegőben „jól működő” cink bevonat a talajban összetettebb fizikai-kémiai folyamatoknak van kitéve, aminek következtében néhány éven belül eltűnik az acél felületéről, és megindul annak intenzív korróziója. Ez a korrózió ráadásul nagyon eltérő mértékben jelenhet meg a földelő egyes részein, szélsőséges esetben a földelőt alkotó vezetők folytonosságának megszakadásához is vezethet. A korrózió mértékének megállapítására a földelő szétterjedési ellenállásának mérése gyakorlatilag nem alkalmas, azzal legfeljebb a szakadás mutatható ki. Ennél is nagyobb probléma, hogy egy földelőháló esetében hiába lenne megállapítható, hogy a korrózió miatt már nem képes ellátni feladatát, javítása, cseréje olyan műszaki nehézségekbe ütközik, amelyek ennek lehetőségét kizárják. A horganyzott acélnál lényegesen jobb a korrózióval szembeni ellenálló képessége a réznek, de a rézből készült földelő a környezetében lévő (talajba ágyazott) acélszerkezetek erős korrózióját okozhatja, emiatt alkalmazása körültekintést igényel.
A műszaki érvek amellett szólnak, hogy a földelő lehetőleg rozsdamentes (ráadásul: saválló) anyagból készüljön, mert ezzel biztosítható, hogy a földelőrendszer az épület tervezett fennmaradásának idejére megbízhatóan képes legyen ellátni feladatát. Be kell azonban látni, hogy ez a szempont – ésszerűsége ellenére – nem mindig érvényesíthető. Fenntartva azt a kijelentésünket, hogy a talajba ágyazott földelőhálót rozsdamentes acélból a legjobb készíteni, a műszaki és a gazdasági szempontok kompromisszumaként általában olyan megoldás születik, amelyben a földelőt ugyan horganyzott acélhuzal vagy -szalag alkotja, de a villámvédelmi levezető és a földelő összekötése – a szabvány korrózióvédelemre vonatkozó követelményei miatt – rozsdamentes vagy PVC-bevonattal rendelkező horganyzott acélhuzal történik.
<>E két lehetőség közül – amint azt sorozatunk előző részében indokoltuk – műszakilag megint csak a rozsdamentes huzallal történő bekötés a jobb (ahhoz hasonlóan, mint azt a 3. ábra mutatja), mert a huzalt csak a pillérek felállítása után kell csatlakoztatni az e célra szolgáló földelő fixponthoz, így a szállításnál, beemelésnél nincs útban. Ezzel szemben a PVC-bevonattal rendelkező huzalt a pillér gyártásakor kell csatlakoztatni a pillérben kialakított villámvédelmi célú acélhuzalra, tehát ez a néhány méter hosszú kiállás a pillér részét képezi, azzal együtt kell szállítani (4. ábra). A tapasztalat szerint nehéz biztosítani, hogy a pillér felületéből merőlegesen kiálló acélhuzal PVC-bevonata megtartsa épségét: a szállítás és a beemelés/beállítás közben ugyanis a szakemberek csillapíthatatlan vágyat éreznek arra, hogy a himbálódzó huzalt egy jól irányzott kalapácsütéssel a pillér felületéhez igazítsák. Ez a lehető legrosszabb, mert a bevonat éppen ott sérül, ahol a legnagyobb szükség lenne rá: a huzal betonfelületből kiálló tövénél. Tekintve, hogy a pillérek rövid, 2- 3 m hosszúságú acélhuzallal csatlakoztathatók a földelővezetőre, és így építkezésenként viszonylag kevés anyagra van ehhez szükség, a pillérek alsó kiállását mindig rozsdamentes acélhuzalból javasolt készíteni.
A földelővezető kötéseinek szerkezeti kialakítása
A pontalapozással készülő épületek esetében a földelőrendszert alkotó földelővezetők a termett talajba kerülnek. Ebben az elhelyezési módban különös figyelmet kell fordítani a földelővezető talajba ágyazott kötéseinek, toldásainak megbízhatóságára, időtálló kivitelére. A szabvány ugyan nem tiltja, hogy ezek az összekötések hegesztéssel készüljenek, de az érvek inkább az e célra szolgáló csavaros kötőelemek alkalmazása mellett szólnak: kivitelezésük egyértelműen gyorsabb, műszaki jellemzőik (átmeneti ellenállás, korrózióval szembeni ellenálló képesség) pedig nem rosszabbak, mint a – terepi körülmények között – hegesztett kötéseké. Lényeges hangsúlyozni a kötések utólagos korrózióvédelmének fontosságát.
A horganyzott acélból készülő földelő hegesztett kötéseit a varrat lehűlését követően horganyfestékkel kellene kezelni, a hegesztési varrat legalább 25-30 cm-es környezetében. A földárokban fekvő, összehegesztett vezetőt ehhez ki kellene emelni, festés előtt megtisztítani, a festéket pedig folytonos bevonatként kellene felvinni a földelővezető felületére – az építési helyszínen ennek elvégzése a szükséges precizitással nem életszerű. Csavaros kötőelem alkalmazása esetén is biztosítani kell a korrózióvédelmet, ún. korrózióvédő szalag alkalmazásával, amely víztaszító anyagánál fogva a kötési helytől távol tartja a nedvességet. Ehhez is meg kell emelni a földelővezetőt, de a szalaggal történő betekerés terepi körülmények között is korrekt módon elvégezhető. A kötések betekeréséhez kötésenként kb. 1 m hosszú szalag szükséges.
Folytatása következik.
VillámhárítóVillámvédelemVillanyszerelési anyagok
