Grundläggande kunskaper om åskskydd

Författare: Viktor Scuka, Rolf Högberg

1 Blixtinfångning - fysik

Ett åskmoln, Cumulonimbus, sträcker sig från cirka 2 km till mellan 8 och 10 km höjd och dess diameter är 10 till 20 km. Molnets omgivande temperatur är mellan ca 0 grader C till ca -50 grader C (bild 1).

Åskmoln består av många celler med positiv och negativ laddning. Positiv laddning samlas i molnets övre del och negativ i dess lägre.

En blixt mot jord, en så kallad jordblixt, startar från en kraftigt uppladdad cell i åskmolnet. Hur detta sker i detalj är ännu ej helt klarlagt. Blixtar mot mark från en negativt uppladdad cell kallas för negativa blixtar och är de vanligast förekommande. En jordblixt från en positiv cell kallas för positiv blixt och är i genomsnitt mycket starkare (mera ström, mera laddning etc). I Sverige är positiva blixtar särskilt vanliga under höst, vinter och vår.

Bilder från höghastighetskameror visar en svagt lysande kanal med ett tiotal meters diameter som i snabba steg på något hundratal meters längd närmar sig marken. Denna förurladdningskanal kallas för "leader" och transporterar cellens laddning närmare marken.

Det starka elektriska fältet och den ultravioletta strålningen från exciterade luftatomer i leaderkanalens spets joniserar omgivande luft som därmed blir tillräckligt ledande för att möjliggöra att kanalen växer vidare mot marken. Fenomenet kallas för en självständig elektrisk urladdning. Blixtkanalen utvecklas vidare av egen kraft och kan bli mycket lång.

Bild 1

Laddningen i den framryckande kanalen orsakar vid marken ett stigande elektrisk fält, som vid ett avstånd på några hundratals meter från leaderspetsen startar mötande urladdningar främst från uppskjutande föremål på marken (bild 2)

Dessa "infångningskanaler" avskärmar med sin laddning "leaderns" fältverkan vid marken och den starkaste infångningskanalen kväver därför framväxten av svagare infångningskanaler i sin omgivning. Därför förenas i regel den starkaste infångningskanalen med den annalkande "leadern". Infångningskanalernas styrka och framväxthastighet påverkas dock även av infångarföremålets form och i viss mån av markens ledningsförmåga. Åskledarens uppfångaranordningar utformas på ett sådant sätt som gynnar infångningskanalernas utveckling och därmed minskar risken för direkt blixtinslag i delar av byggnaden som ej ingår i åskledaranläggningen, t.ex. i elektriska ledningar eller i metallföremål under yttertaket.

Bild 2

En teknik att bestämma uppfångarnas skyddsområde har utvecklats. Denna bygger på att beräkna radien för ett "skyddsklot" som man tänker sig rulla över anläggningen. Radiens storlek bestäms av blixtströmmens amplitud. Stor ström - stor radie och vice versa. Största risken för en tilltänkt blixtinslagspunkt är i "skyddsklotets" beröringspunkter med anläggningen (bild 3).

Bild 3

Enligt denna metod är risken stor att svaga blixtar (låg ström, liten laddning etc) "missar" åskledaren. Praxis har dock visat att metoden är relativt tillförlitlig och den har därför blivit internationellt accepterad.

Det är viktigt att "skyddsklotets" radie beräknas för en så låg strömamplitud att risken för skada är liten för blixtar som inte träffar åskledaren. Formel enligt nedan

R = 2 x I + 30 x [1 - exp( - I / 6,8)]

Där R är skyddsklotets radie i meter och
I är blixtströmmen i kA

En feldimensionerad åskledare kan ej skydda byggnadens inre metalliska installationer mot direkta blixtnedslag. Enligt "skyddsklotmetoden" fattas i detta exempel en åskledarlina på den sida av byggnaden blixten träffar.

Efter det att leaderkanalen från molnet och infångningskanalen från marken fått kontakt startar blixtens huvudurladdning som i det närmaste med ljusets hastighet skjuter uppåt och neutraliserar de elektriska laddningarna i den långa leaderkanalen.

Denna urladdning framkallar i blixtens inslagspunkt en strömpuls med flera tiotal kiloamperes styrka vilken inleder ett explosionsartat urladdningsförlopp, hörbart och synligt på stora avstånd. Det är endast denna del av urladdningsprocesserna som man med ögat och örat uppfattar som blixt. Blixtströmmen uppnår sitt toppvärde på några mikrosekunder. Strömpulsen varar i några hundra mikrosekunder. Flera strömpulser kan följa på varandra med några tiotal milisekunders mellanrum (bild 4).

Bild 4

2 Historik

Torbern Bergman,1764, Uppsala

Åskan har i alla tider fascinerat människan. I sitt inträdestal till Kungliga Vetenskapsakademin, den 23 maj 1764, förklarade uppsalaprofessorn i matematik och kemi, Torbern Bergman, sin syn på blixtens skadeverkningar och på hur åskskydd för en byggnad skulle utformas.

Hans ritningar över blixtskydd för hus och kyrkor är historiens första publicerade beskrivning av en åskledare. Torbern Bergmans konstruktioner har mycket gemensamt med den moderna åskledarens principiella uppbyggnad. Liksom en modern åskledare består Torbern Bergmans åskledare av uppfångarstänger på takåsen, takledare, nedledare i diagonala hörn av byggnaden och jordtag. I hans instruktioner finner man även en uppmaning att till åskledaren ansluta alla metalliska delar på byggnadens utsida, till exempel stuprännor. Idag anser vi att detta var revolutionerande eftersom flera berömda vetenskapsmän från denna tid hade helt felaktiga uppfattningar om atmosfärisk elektricitet och om hur åskskydd skulle utformas. Som lämpligt åskledarmaterial föreslår Torbern Bergman tenn, men påpekar att även andra metaller kan ge tillräckligt bra avledning.

3 Blixtinfångning - Tekniska lösningar

Uppfångarnas uppgift är att förhindra blixtinslag i byggnadens kritiska delar dvs i närheten av känsliga installationer, i metalldetaljer som ej tål ett direkt blixtnedslag eller i delar av byggnaden som ej ingår i åskskyddsanläggningen. Uppfångarna skall också möjliggöra en tillförlitlig kontroll av blixtströmmens förgrening över åskledaren.

För detta ändamål installeras på byggnadens högre delar lämpliga anordningar för infångning av blixten: blixtuppfångarstänger av varierande längd, blixtuppfångarlinor och band.

Som blixtuppfångare kan även naturliga för annat ändamål uppförda föremål fungera, t.ex. metalliska skorstenar, flaggstänger av metall, TV-antenner samt andra metalliska byggnadsdetaljer som tål blixtströmmen utan att medföra risk för t ex brand.

För säker avledning av blixtströmmen måste sådana naturliga uppfångare på ett tillförlitligt sätt anslutas till byggnadens åskledare. Även ovan mark förlagda elkraft- och teleledningar till byggnaden utgör sådana naturliga blixtuppfångare och måste därför inordnas i byggnadens åskledarkonstruktion med hjälp av ventilavledare och överspänningsskydd.

Plåttak

En särskilt effektiv uppfångare är plåttak som med sina stora ytor och goda vågutbredningsförmåga markant minskar risken för höga elektromagnetiska fält inuti byggnaden och underlättar blixtskydd av elektriska och elektroniska installationer.

Vid byggnader med plåttak måste dock särskilt uppmärksammas risken för plåtgenombränning samt risken för gnistbildning i plåtskarvar och anslutningsklämmor. Gnistbildningen kan vara mycket kraftig så att underlaget kan antändas.

4 Betydelsen av flera nedledare och symmetri

Åskledarens takledare förgrenar blixtströmmen till nedledarna.

Vid installation av nedledare följs reglerna för geometrisk symmetri för att uppnå jämn strömdelning i nedledarna och därmed lågt magnetfält inuti byggnaden. Det är blixtens magnetfält som på avstånd från blixten orsakar (inducerar) mycket farliga överspänningar i de elektriska installationerna. Varje nedledare omges vid blixtinslag av en magnetfält vars styrka beror av strömmen genom nedledaren. Magnetfältet avtar med avståndet från nedledaren. Inuti byggnaden blir fälten från två symmetriskt uppsatta nedledare motriktade, d.v.s. fälten försvagar varandra. I en punkt symmetriskt belägen i förhållande till två nedledare som för lika stor ström kommer magnetfälten till och med att ta ut varandra helt och det resulterande magnetfältet blir noll.

Särskilt lågt blir fältet i byggnaden om antalet nedledare är stort eller om fasaden helt täcks med plåt. En sådan byggkonstruktion rekommenderas starkt för byggnader med omfattande elektronikinstallationer och för byggnader med viktiga samhällsfunktioner, till exempel datacentraler, stora telefonväxlar, anläggningar för flygtrafikledning etc.

Ett stort antal nedledare minskar även risken för elektriskt överslag mellan den yttre åskledaren och metallinstallationer i byggnaden. Sådana överslag kan lätt leda till personskador eller brand som även få ett explosionsartat förlopp om tunna ledare leder en del av blixtströmmen (bild 5).

Bild 5

5 Ringledarens och jordtagens betydelse för åskledarens skyddsverkan

I marken ansluts nedledarna i en "mätbrunn" via en mätkoppling.

Ringledarens främsta uppgift är att medverka till att blixtströmmen fördelas symmetriskt i åskledaren och att avleda blixtströmmen på ett ofarligt sätt till mark och därmed minska impulsspänningarna inom byggnaden.

Ringledaren kan utformas som en ledare i byggnadens betongfundament (husgrunden) som har anslutning till fundamentets armering - ett så kallat fundamentjordtag. Ringledaren kan också utformas som en ledare i mark runt hela byggnaden. Kombinationer av fundamentjordtag och ringledare i mark ger mycket bra skydd. Strömmavledningen kan ytterligare förbättras med jordtag som installeras på ett avstånd av normalt högst 50 m från byggnaden.

I mark med tunnt ledande skikt används horisontella linor som grävs ner helst på frostfritt djup, så kallade ytjordtag. Grundare förläggning måste ofta accepteras vid ogynnsamma markförhållanden. I övrigt föredras alltid djupjordtag, en vertikal lina eller stång. En svensk installationsteknik har utvecklats för installation av djupjordtag. Ett djupjordtag utmärkes av sin goda strömmavledningsförmåga som inte påverkas nämnvärt av väder eller vind.

6 Steg- och beröringsspänningar

En typisk åskskada i Sverige är att blixten ofta kommer via marken och husgrunden in i en elinstallation. Blixten slår t ex ned i ett träd varefter blixtströmmen letar sig fram till den bästa "jordpunkten" i närheten vilken vanligen utgörs av el- eller telefonnätet. Endast en ringledare runt byggnadens grund eller ett fundamentjordtag samt en effektiv anslutning av de utsatta ledningarna till åskskyddsanläggningen kan förhindra detta.

Vid avledning av blixtströmmen från ett jordtag till omgivande mark uppstår en spänning längs markytan. Spänningen avtar med avståndet från jordtaget. Den faller till låga värden på ett tiotal meter om markens ledningsförmåga är god. I normal svensk mark med tunnt ledande markskikt kan blixtströmmen ge stora spänningar ännu på någon kilometers avstånd från nedslagspunkten. Konsekvensen kan vara betydande skador på el- och teleinstallationer i ett stort antal byggnader som ligger inom det utsatta området runt blixtinslagspunkten.

Det är farligt att hålla i åskledaren eller att stå i dess närhet. Vid blixtinslag blir marken strömförande och en spänning uppstår längs markytan. Spänningen avtar med avståndet från åskledaren. Spänningen mellan fram och bakhovarna på den ko som illustrerar detta fenomen driver en ström genom kroppen på djuret. Denna ström kan vara dödlig.

Årligen dödas i Sverige åtskilliga kreatur på bete av blixtinslag i djurens närhet. Särskilda skyddsåtgärder krävs för att vid t ex vissa ingångar till byggnaden minska risken för personskador på grund av stegspänning.

7 Installation och skydd av elektronik

Vi lever i ett högteknologiskt samhälle där vårt beroende av ständig tillgång till elkraft, datorer och telekommunikationer är mycket stort. Samhällets funktioner äventyras genom anläggningarnas sårbarhet.

För operativ övervakning av det enorma energiflödet på omkring 6 000 MW använder Statens Vattenfallsverk ett eget datanät med central övervakning i Råcksta, Vällingby. Inom loppet av några sekunder måste mätdata och indikeringar från alla delar av landet föranleda operativa åtgärder. Alla länkar i detta landsomfattande övervakningssystem bör därför fungera tillförlitligt speciellt under störda förhållanden t ex i samband med åskväder .

Sveriges integrerade datanät, ISDN - Integrated Services Digital Network, ett gemensamt nät för en rad olika tjänster som Telia erbjuder sina abonnenter: telefax, telex, kommunikation mellan persondatorer, kommunikation mellan telefoniväxlar med mera.

Kraven på tjänsternas tillgänglighet är mycket höga, som t. ex. vid viktiga meddelanden gällande landets säkerhet, katastroflarm, brandlarm, internationell teletrafik mm. Flertalet tjänster skall vara tillgängliga just under de utsatta miljöförhållanden som orsakas av åska. Genom att abonnentapparaterna även är anslutna till elkraftnätet kan blixtstörningar överföras mellan el- och telenäten vilket ställer mycket höga krav på blixtskyddet av enskilda abonnentanläggningar.

8 Den inre åskledaren

För att åskledarens skall ge ett säkert skydd måste den yttre åskledaren kompletteras med ett inre skydd som består av ett system av ledare, metallskärmar, högspänningsisolation och skyddskomponenter som förhindrar blixtströmmen att passera byggnadens känsliga områden och som förhindrar uppkomsten av höga elektromagnetiska fält i byggnaden.

En internationellt accepterad benämning för alla dessa inre skyddsåtgärder är ekvipotentialisering och dess karakteristiska kännetecken är en "ekvipotentialiseringsskena" eller större metallplåt, en s k "PUS" som installeras på lämpligt ställe i byggnaden.

Vid PUS samlas alla till och från byggnaden förande metalliska ledare: Serviskabel för elkraft, telefonkabel, signalkabel, vattenledning, avloppsledning, gasledning, värmeledning, ventilationstrummor etc.

Till "PUS" ansluts även alla större metalliska installationer i byggnaden som till exempel: värmepanna, sprinkleranläggning, datoranläggningens metallgolv etc.

För säker avledning av blixtströmmen från anläggningen till jord ansluts till PUS alla jordtag:

fundamentjordtag

ringledare

övriga blixtjordtag

Anslutningen till PUS sker direkt med lämpligt skruvförband och klämma eller via överspänningsskydd av lämplig typ. En väl utarbetad "inre åskledare" utgör det grundläggande skyddet för byggnadens elektriska installationer och elektronik (bild 6).

Om till exempel överspänningsskydd på teleledningen saknas, kan vid blixtinslag i den yttre åskledaren, överslag uppstå mellan t ex elkraft- och teleledningen på ett ställe vi inte har kontroll över. Detta är en av de vanligaste orsakerna till åskbränder. Dessa bränder är speciellt förödande därför att de kan uppstå många timmar efter ett blixtnedslag i byggnaden eller i dess närhet. Dessa överslag kan även försvaga elledningarnas isolation och orsaka bränder som i brandstatistiken klassas som elbränder men som i själva verket orsakats av överspänningar från blixten. Överspänningsskydd på teleledningen minskar även risken för personskador. Ledningsdragningen bör utföras som i bild 6. Exempel på olämplig ledningsdragning visas i bild 7.

Bild 6

Bild 7

9 Sju principer för installation av elektrisk och elektronisk utrustning

Följande principer gäller för installation av elektronisk utrustning med syfte att minska risken för blixtstörningar:

Princip 1:

Elektronisk utrustning skall installeras på sådant sätt att blixtströmmen inte kan passera genom utrustningen utan avleds via överspänningsskydd till åskledaren, se bild 6.

Princip 2:

Installationens och apparaternas elektriska hållfasthet skall samordnas med blixtskyddets skyddsförmåga. Överspänningsskydden måste träda i funktion innan installationen eller apparaterna skadas bild 8.

Princip 3:

Den effektiva ytan som avgränsas av signal- och elkraftledningen till en apparat måste vara liten för att minska effekten av blixtens magnetfält. Det vore därför fel att som i exemplet i bild 7 dra antennkabeln kortaste vägen till TV-apparaten (jämför också bild 6). I vissa fall måste dessutom elektromagnetisk skärmning användas både för signal- och för elkraftledningen till apparaten.

Princip 4:

Elkraftinstallationen i byggnaden skall uppdelas så att elektroniken får separat kraftmatning separerad främst från matningen till störningsframkallande utrustningar, t.ex. tyristorstyrda elmotorer, kopiatorer etc.

Princip 5:

Elkraftinstallation bör utföras enligt "femledarprincipen" med separerade nolledare och skyddsledare (skyddsjord). Därmed ges möjlighet för att förhindra okontrollerad spridning av blixtströmmen genom en anläggning.

Princip 6:

Signalledningar och även elkraftledningar till och från apparater skall i förekommande fall ligga tätt intill signalreferensplanet, t.ex. ett datagolv, en metallvägg, armering etc. Därmed minskas inverkan av blixtens elektromagnetiska fält.

Princip 7:

Alla elektriska och övriga metalliska ledare bör föras in i en byggnad på ett gemensamt ställe, företrädesvis i närheten av elcentralen och PUS. Ledarna ansluts med korta, elektriska anslutningar till PUS över överspänningsskydd, ventilavledare (se bild 9), gnistgap eller direkt, beroende på typ av ledaren.

Bild 8

Bild 9

10 Checklista över viktiga punkter att tänka på vid projektering av åskledare

Åskledarens fyra huvudfunktioner:

Infångning av blixten.

Symmetrisk fördelning av blixtströmmen över åskledaren.

Symmetrisk avledning av blixtströmmen i mark via jordtagssystem.

Avledning av blixtströmmen förbi byggnadens inre via PUS

11 Vad Du bör göra

Skaffa dig nödvändig kunskap om åskskydd genom:

SEK och IEC normer

facklitteratur och kurser

kunniga konsulter.

Ta reda på vilka krav som ställs på blixtskyddet för den aktuella byggnaden innehållande t.ex. en central datoranläggning, en digital telefonväxel, persondatorer etc. Helt vanliga kontor innehåller idag känslig elektronisk utrustning värda stora summor. Kostnaden för driftstopp kan uppgå till stora belopp.

Motivera beslutsfattarna genom att också visa på den minskade felfrekvens och ökade tillgänglighet till måttliga kostnader som åskskyddsåtgärderna resulterar i.

Samråd på ett mycket tidigt stadium om den byggteknik som underlättar införandet av lämpliga åskskyddsåtgärder och planera byggnaden med hänsyn till de fundamentala krav som ställs för att kunna installera ett effektivt åskskydd.

Kom ihåg att dagens anläggningar behöver fungerande elektronik och detta ofta just vid åska. Åskledaren erbjuder de tekniska grundförutsättningarna för att förverkliga detta.

Avdelningen för Elektricitetslära i Uppsala har fortlöpande information inom åskskyddsområdet.

12 Normer mm rörande åskskydd

SS 487 01 10	Åskskydd för byggnader". Svensk Standard, 1978.
SS 421 08 22	"Potentialutjämning i riskområden med explosiv gasblandning". Svensk Standard, 1987
AFS 81:6	"Dammexplosioner". Arbetarskyddsstyrelsens författningssamling, 1981.
AFS 86:14	"Sprängarbete". Arbetarskyddsstyrelsens författningssamling, 1986.
IEC 1024-1	Protection of structures against lightning. Part 1: General principles, 1990
IEC 1024-1-1	Protection of structures against lightning.(Guide A)
	Selection of protection levels for lightning protection system, 1993
IEC 1024-1-2	Protection of structures against lightning. ( Guide B)
	Design, construction, maintenance and installation of lightning protection system, 1998
IEC 61312-1	Protection against lightning, Electro Magnetic Pulse (LEMP) Part 1: General principles, 1995
IEC 61312-2	Protection against lightning, Electro Magnetic Pulse (LEMP) Part 2: Shielding of structures, bonding inside structures and earthing, 1999
IEC 61312-3	Protection against lightning, Electro Magnetic Pulse (LEMP) Part 3: Requirements of surge protective devices (SPDs), 2000
IEC 61312-4	Protection against lightning, Electro Magnetic Pulse (LEMP) Part 4: Protection of equipment in existing structures, 1998
IEC 61662	Technical report "Assessment of risk of damage due to lightning", 1994
IEC 61662	Technical report "Assessment of risk of damage due to lightning", Amd. 1, 1996
IEC 61663-1	Lightning protection Telecommunication lines Part 1: Fibre optic installations, 1999

13 Litteratur för vidare läsning

Förutom ovanstående normer mm som innehåller såväl bakgrunds-information som konstruktionsanvisningar föreslås följande litteratur:

V Cooray	Blixt och åska. Så fungerar naturens fyrverkeri Författare: Cooray, Vernon ISBN: 91-7382-778-9
P Hasse J Wiesinger	EMV Blitz-Schutzzonen-Konzept ISBN 3-7905-0670-2 Pflaum Verlag ISBN 3-8007-1982-7 VDE Verlag
P Hasse J Wiesinger	Handbuch für Blitzschutz und Erdung, 1989. ISBN 3-7905-0559-5 VDE Verlag
L Isaksson L Wern	Åska i Sverige 2002-2009, SMHI Meteorologi Nr 141, 2010 Författare: Ludvig Isaksson, Lennart Wern, 2010
V Scuka	Jordtag i teori och praktik, Elpress Abiko, 1984.
Ronald B Standler	Protection of electronic circuits from overvoltages, 1989 ISBN 0-471-61121-2 John Wiley & Sons