Diverse gevaren vereisen diverse oplossingen

Wie is er niet gefascineerd door bliksem? Een naderend onweer, een heldere lichtflits en dreigend gerommel er achteraan: voor velen het sein om de blik richting de hemel te wenden in de hoop een glimp op te vangen van dit spectaculaire natuurverschijnsel. Helaas is er ook een andere kant van de medaille, want jaarlijks zorgt bliksem voor brand- en elektroschade. Een gerichte beveiliging kan voor die laatste groep veel naars voorkomen.

Kans is klein, maar niet onbestaand

Het klinkt wellicht als schiftingsvraag uit een wedstrijd, maar heeft u zich al eens afgevraagd hoeveel inslagen er op jaarbasis in ons land zijn? Het antwoord vinden we bij het kmi, dat ons vertelt dat er gemiddeld ongeveer 215.000 ontladingen per jaar zijn, waarvan het grootste deel gelukkig ongevaarlijk blijkt. Slechts 10% van de ontladingen slaat effectief in op het aardoppervlak. De overgrote meerderheid van die 18.000 inslagen gebeurt dan nog in de open ruimte, maar toch worden ook gebouwen sporadisch getroffen. Bij de mogelijke gevaren denken we uiteraard meteen aan brand door de extreme temperatuur die een ontlading kan veroorzaken (tot 30.000 °C), maar defecten van elektrische apparatuur door overspanning vormen evenzeer een reëel risico en kunnen zeker voor bedrijven tot aanzienlijke schade leiden als er ook stilstand of dataverlies bij komt kijken.

Slechts 10% van de ontladingen slaat effectief in op het aardoppervlak

Elektrische karakteristieken van een inslag

De karakteristieken van een blikseminslag zorgen ervoor dat de beveiliging toch anders verloopt dan bij andere overspanningsvormen als ESD (elektrostatische ontlading) of schakelhandelingen. Bij een inslag kan het elektrisch gevaar zowel direct als indirect om de hoek loeren. Een directe inslag is de meest ingrijpende, want hierin wordt de apparatuur rechtstreeks getroffen.

De gevaren van een indirecte inslag zijn evenwel veel minder bekend bij het grote publiek. Bij een indirecte inslag komt een bliksemstroom via een geleider een gebouw binnen en richt zo veel schade aan. Dit type inslag kunnen we op zijn beurt indelen in 3 ondertypes, afhankelijk van de inkoppeling:

• Galvanische of ohmse inkoppeling: het spanningsverschil tussen de plaats van de ontlading en de aanwezige spanningsniveaus zorgt voor de inslag.
• Nabijheid van de blikseminslag: een impact op of naast een gebouw, maar ook op of vlakbij een inkomende lijn kan schade veroorzaken. De inkoppeling hoeft overigens niet a priori via een elektrische netvoedingslijn te verlopen, even goed kan dit via internetkabel of zelfs gas- of waterleidingen gebeuren.
• Inductieve inkoppeling: door de enorme impact van een bliksemontlading ontstaat een magnetisch veld dat via inkoppeling zorgt voor overspanning en overstroom in de aanwezige stroomleidingen.

De meeste verbruikers zijn niet bestand tegen deze overspanningspieken. De geleiders en kabels die getroffen worden bij een inslag, kunnen de lokale potentiaalstijging tot op honderden meter afstand verspreiden en bereiken dan ook installaties die ver verwijderd zijn van de plaats van de inslag.

De meeste verbruikers zijn niet bestand
tegen deze overspanningspieken

De algemene conclusie van dit alles is dan ook dat een overspanningsbeveiliging goed moet uitgekiend en gedimensioneerd zijn om alle types gevaren te minimaliseren.

Wat zegt het AREI?

In Afdeling 4.5.1 luidt het dat ‘Personen en goederen moeten volgens de desbetreffende regels van goed vakmanschap beschermd worden tegen de schadelijke gevolgen van:

• een fout die kan voorkomen tussen de onder spanning staande delen van stroombanen op verschillende spanningen;
• overspanningen te wijten aan andere oorzaken, bijvoorbeeld atmosferische verschijnselen of eventuele overspanningen bij het schakelen. De toestellen moeten derwijze uitgevoerd en geplaatst worden dat personen en goederen door hun werking niet in gevaar worden gebracht.

Aangepaste bescherming

Bij de bescherming van een elektrische installatie tegen bliksem (gebundeld onder de noemer LEMP-Lightning Electro Magnetic Pulse) zijn er 3 hoofdfactoren om mee rekening te houden: de spanningspiek, de stroompiek en de duur van de gebeurtenis. Over de hoogte van de spanning en de stroom kunnen we kort zijn: het potentieel van 300 miljoen Volt en 30.000 Ampère van een blikseminslag doet ook figuurlijk duizelen. De relatief beperkte tijdsduur -enkele honderden microseconden tot een paar milliseconden- is dan weer het enige ‘positieve’ in deze heilige drievuldigheid. Deze karakteristieken vormen de basis voor de stootstroomgolfvorm 10/350 µs waarmee beveiligingscomponenten worden getest. Het eerste getal staat daarbij voor de steilheid van de curve, het tweede voor de duur van de stoot. Dat is evenwel nog niet alles, want bijkomend ontstaan er in de installatie ook overspanningen door de inductieve invloed. Ook aan deze gelukkig meer beperkte impulsen moeten beveiligingscomponenten weerstaan, zij worden hierop getest via de 8/20 µs curve. Dit verloop wordt ook als basis gebruikt voor de bescherming tegen de gevolgen van indirecte inslagen en voor de verwerking van schakelhandelingen (SEMP – Switching Electro Magnetic Pulse).

Algemeen moet een overspanningsafleider in staat zijn om de energie van de stootspanning af te leiden en een restniveau te garanderen lager dan het isolatieniveau van de te beveiligen apparatuur. De overspanningsafleiders worden onderverdeeld in 3 types, afhankelijk van het afleidingsvermogen volgens amplitude en duur van de stootstroom. Belangrijk daarbij is dat er energetische coördinatie van meerdere afleiders in één kring in het oog gehouden wordt. Mocht de eerste afleider in een kring lager gedimensioneerd zijn dan een afleider verderop in de kring, dan kan de eerste afleider beschadigd raken voor de volgende beveiliging inschakelt. Daarnaast moet de overspanningsbeveiliging uiteraard altijd na de verliesstroomschakelaar aangesloten worden. Verder zijn ook de aansluitlengtes van de verbinding met de aardingsrail van belang, want hoe langer de afstand hoe beperkter het veiligheidsniveau wordt. Als het onmogelijk is om de maximale kabellengte -gespecifieerd door de fabrikant- op te volgen, dan kan de afleider ook extra geaard worden aan de geaarde behuizing van het bord.

Focus op zonering

Om te bepalen welke beveiliging vereist is, kunnen we de norm IEC 62305-4 hanteren. Daarin is zonering een belangrijk punt, een gebouw kan hierin opgedeeld worden in zones die aangeven in welke mate de apparaten kunnen leiden onder elektromagnetische straling - van eender welke oorsprong. Zo kan de reeds aanwezige wapening fungeren als zonering of kan het plaatsen van metalen wanden dergelijke zone creëren.

De aanduiding als zone - LPZ genaamd - zal bepalen welke beveiligingstoestellen moeten worden aangebracht op leidingen die er door voeren. Naast de potentiaalvereffening en de overspanningsbeveiligingen van de elektro- en IT-kabels, behoort ook de externe bliksembeveiliging -zie verder- tot deze benadering in zones. Op basis van de eisen en belastingen die aan de overspanningsbeveiligingen worden gesteld, worden ze in bliksemstroomafleiders, overspanningsafleiders en combi-afleiders onderverdeeld (Type 1,2 en 3). De hoogste eisen betreffende het afleidvermogen worden opgelegd aan bliksemstroom en combi-afleiders, die de overgang van bliksembeveiligingszone 0A naar 1 en van 0A naar 2 realiseren. Deze afleiders moeten in staat zijn bliksemdeelstromen met golfvorm 10/350 μs meerdere keren storingsvrij te voeren, teneinde te verhinderen dat verwoestende bliksemdeelstromen in de elektrische installatie van een gebouw zouden binnendringen. 

Externe beveiliging: voer de elektricien?

Voor gebouwen of structuren met een zeker risico -door hun hoogte, locatie of door de aard van de activiteiten- is een puur elektrische beveiliging niet voldoende. In dat geval kan er ook een externe bliksembeveiligingsinstallatie (EBVI) vereist zijn, in de volksmond bekend onder de term bliksemafleider. Deze bestaat uit 3 pijlers:

• De opvanginrichting: een combinatie van opvangstaven (inclusief aangekoppelde metalen ornamenten die al op de structuur aanwezig zijn) en vermaasde geleiders die een kooi van Faraday vormen bovenop het gebouw of de structuur.
• De afgaande leidingen: metalen geleiders – zoveel mogelijk verticaal – die de bliksemstromen van de opvanginrichting afleiden naar de aarde via verschillende en parallelle trajecten. Ze kunnen ook rechtstreeks getroffen worden door de bliksem.
• De aardingsinstallatie: metalen geleiders die ingegraven zijn in de grond, met als doel het elektrisch contact met de aarde te verzekeren zodat de bliksemstroom kan worden verspreid. De potentiaalvereffening moet spanningsverschillen vermijden tussen verschillende geleidende delen, die op hun beurt aanleiding kunnen geven tot vonkoverslag.

Om te weten te komen welke beveiliging vereist is, kunnen bedrijven sinds 2017 de norm NBN 62305 volgen. Hierin staan onder andere de stappen vermeld om een kwalitatieve risicoanalyse uit te voeren die de graad van bescherming bepaalt. Ook het normatieve document HD60364-4-443 uit 2016 wordt hier nog vaak gebruikt als leidraad. In principe is dit evenwel geen taak voor de elektricien, wel van de uitbater van het gebouw.