Ukkosenjohdin – rakennusten salamasuoja: toiminta ja historia
Ukkosenjohdin – miten rakennusten salamasuoja toimii, sen historia ja asennustavat. Käytännön vinkit turvalliseen ja luotettavaan salamasuojaan.
Ukkosenjohdin on yleensä metallinen sauva tai kärki, jonka tarkoitus on ohjata salaman iskusta syntyvä purkaus hallitusti rakennuksen ulkopuolelle ja edelleen maahan. Ukkosenjohdin on osa laajempaa ukkossuojajärjestelmää, joka suojaa rakennuksia, rakenteita ja niiden sähkölaitteita salaman aiheuttamilta vaurioilta.
Miten ukkosenjohdin toimii
Periaate: ukkosenjohdin tarjoaa matalan vastuksen reitin salaman purkausvirralle katolta ja muista korkeista kohdista maahan asti. Se ei sinänsä "houkuttele" salamaa, mutta tarjoaa todennäköisesti helpoimman reitin purkaukselle ja siten vähentää vaurioiden riskiä rakennuksen sisällä.
Keskeiset osat:
- Ilma-antennit tai -pisteet (air terminals) – metallipylväät tai kärjet rakennuksen korkeimmissa kohdissa.
- Alaslaskijat (down conductors) – johdot, jotka johtavat purkausvirran katolta maahan.
- Maadoitusjärjestelmä (earth terminations) – maahan upotetut johtimet tai maadoituselektrodit, jotka hajauttavat virran maaperään.
- Yhtäjännitysbondaus (equipotential bonding) – yhteydessä rakennuksen sähkö-, antenni- ja putkijärjestelmiin, jotta vältetään vaaralliset jänneterit purkauksen yhteydessä.
Historia lyhyesti
Ukkosenjohdinten perusteet kehitettiin 1700-luvulla. Erityisesti Benjamin Franklin tutki sähköilmiöitä ja esitteli ideoitaan 1740–1750-luvuilla; hänen kuuluisa leija-kokeensa, joka osoitti ukkosen sähköluonteisuutta, tehtiin vuonna 1752. Näiden tutkimusten pohjalta kehitettiin käytännön ratkaisuja, kuten metalliset johdinpisteet ja maadoitus.
Materiaali ja toteutus
Yleisimmät materiaalit ovat kupari, alumiini ja sinkitty teräs. Materiaalin valinta riippuu mm. korroosionkestävyydestä, mekaanisesta kestävyydestä ja kustannuksista. Johdinten ja liitosten on oltava jatkuvia, hyvin kiinnitettyjä ja korroosionkestäviä.
Asennus- ja suunnitteluohjeita
- Sijoita ilma-antennit rakennuksen korkeimpiin kohtiin — kulmat, harjat ja katot.
- Pidä alaslaskijat mahdollisimman suorina ja vältä teräviä mutkia; lyhyet, suorat reitit pienentävät virran aiheuttamia vuorovaikutuksia.
- Maadoituksen tulee olla riittävän hyvin mitoitetty; tavoitteena on mahdollisimman pieni maadoitusvastus (käytännössä usein pyritään alle 10 Ω, mutta vaatimukset riippuvat standardeista ja kohteen vaatimustasosta).
- Yhdistä ukkossuojajärjestelmä rakennuksen muihin johdotuksiin yhtenäisen suojan varmistamiseksi (equipotential bonding).
- Sisäisten suojausten, kuten ylijännitesuojainten (SPD), asentaminen sähkötauluille vähentää laitevaurioiden riskiä salaman aiheuttamien jännitepiikkien yhteydessä.
Huolto ja tarkastus
Ukkossuojajärjestelmät on tarkastettava säännöllisesti ja aina salamaniskun jälkeen. Tarkastuksessa varmistetaan mm. liitosten ja kiinnitysten kunto, maadoitusvastus sekä mahdolliset vauriot tai korroosio. Yleinen suositus on vuosittainen tarkastus tai tarkastus määräaikaisten huoltokäyntien yhteydessä.
Turvallisuus ja yleisimmät väärinkäsitykset
- Väärin: ukkosjohdin "houkuttelee" salaman. Oikein: se ei lisää salaman todennäköisyyttä, mutta tarjoaa hallitun reitin iskulle.
- Ukkosenjohdin ei yksin suojaa sisällä olevia sähköisiä laitteita — niiden suojaamiseksi tarvitaan myös ylijännitesuojaus ja hyvä laitebondaus.
- Salaman aikana on turvallisinta pysyä rakennuksen sisällä, välttää avoimia ikkunoita ja olla koskematta metallisiin johtaviin rakenteisiin.
Normit ja vaatimukset
Ukkossuojauksen suunnittelussa ja toteutuksessa noudatetaan kansainvälisiä ja kansallisia standardeja, kuten IEC/EN 62305 -sarjaa (ukkossuojaus). Suomessa ja muissa maissa on lisäksi kansallisia määräyksiä ja suosituksia, jotka määrittelevät suojaustasot, tarkastusvälit ja vaatimukset maadoitukselle.
Yhteenveto: ukkosenjohdin on tärkeä osa rakennuksen kokonaisvaltaista salamasuojausta. Oikein suunniteltuna, asennettuna ja huollettuna se vähentää palon, rakenteellisten vaurioiden ja sähkölaitteiden rikkoutumisen riskiä salaman iskussa. Rakennuksen omistajan tai ylläpidosta vastaavan kannattaa käyttää ammattisuunnittelijaa ja -asentajaa ukkossuojajärjestelmän toteutuksessa ja tarkastuksissa.
Tyypillinen ukkosenjohdatin katolla.
Historia
Salama voi vahingoittaa useimmista materiaaleista (muuraus, puu, betoni ja jopa teräs) valmistettuja rakenteita. Valtavat virtaukset voivat kuumentaa materiaalit ja erityisesti veden korkeisiin lämpötiloihin. Tämä aiheuttaa tulipalon, lujuuden menetyksen ja räjähdyksiä ylikuumentuneesta höyrystä ja ilmasta.
Eurooppa
Kirkontorni oli yleensä Euroopan keskiaikaisten kaupunkien ja kylien korkein rakennelma tai rakennus. Se oli myös rakennus, johon salama iski hyvin usein. Kristilliset kirkot yrittivät jo varhain estää salaman aiheuttamia vahinkoja rukouksin. Papit rukoilivat,
"hillitse raekuurojen ja pyörremyrskyjen tuhoa ja myrskyjen ja salamoiden voimaa; hillitse vihamieliset jyrinät ja suuret tuulet; ja kukista myrskyjen henget ja taivaan voimat."
Peter Ahlwardts ("Reasonable and Theological Considerations about Thunder and Lightning", 1745) sanoi, että ihmisten, jotka pyrkivät suojautumaan salamoinnilta, pitäisi mennä minne tahansa muualle paitsi kirkkoon tai kirkon läheisyyteen.
Euroopassa ukkosenjohdattimen keksi teologi ja luonnontieteilijä Václav Prokop Diviš vuosina 1750-1754. Hän keksi ensimmäisen maadoitetun ukkosenjohdattimen, jonka hän pystytti 15. heinäkuuta 1754 kotinsa puutarhaan Přímětice u Znojmassa. Se koostui 400 terävästä metallipiikistä, jotka oli kiinnitetty 42 metriä korkean tukipylvään yläosaan. Rakennelma oli kiinnitetty kolmella metalliketjulla, jotka olivat johtavasti kiinnitettyinä rautaisiin maadoituskartioihin, jotka oli haudattu tiiviiseen maaperään. Hän kuvaili "sääkonettaan" teoksessa "Descriptio machinae meteorologicae". Alkuperäisenä ajatuksena oli imeä jatkuvasti sähköä pilvistä ja siten todella estää salamointi ja myrskyt, mutta jos tämä ei onnistuisi, koneen olisi pitänyt myös pystyä suoraan vetämään valaistus puoleensa ja kanavoimaan se maahan. Hän ehdotti konettaan käytettäväksi kirkontorneissa ja laivoissa. Hän lähetti koneen toimintaa koskevat havaintonsa Prahan Kaarlen yliopiston fysiikan professorille Jan Antonín Scrincille, joka julkaisi ne "Prager Postzeitungen", "Brünner Intelligenz-Zettel" ja "Stuttgartisches Journal" -lehdissä. Leonhard Euler mainitsee koneen myös kirjassaan "Lettres à une Princesse d' Allemagne". Vuonna 1755 Diviš pyysi Itävallan keisari Ferdinand I:tä antamaan hänelle luvan rakentaa lisää koneita useisiin paikkoihin kansan hyvinvoinnin edistämiseksi. Keisari antoi Wienin matemaatikkojen arvioida ehdotuksen, mutta he kieltäytyivät siitä. Abbé Marci, hovimatemaatikko ja Divišin ystävä, kommentoi: "Blasphemant, quae ignorant" (tuomitsevat sen, mitä eivät tiedä). Vuonna 1756 kone vaurioitui tuulessa ja rakennettiin uudelleen, ja 10. maaliskuuta 1760 Příměticen vihaiset kyläläiset repivät rakennelman alas syyttäen Divišiä kuivuudesta, joka koetteli aluetta tuona vuonna. Myöhemmin samana vuonna, sen jälkeen kun kesän aikana ukkosmyrskyt aiheuttivat paljon vahinkoa pelloille ja viinitarhoille, ihmiset pyysivät häntä rakentamaan koneen uudelleen, minkä hän tekikin Louckyn luostarin pihapiirissä ja rakensi toisen koneen Příměticen kirkon tornin huipulle.
Yhdysvallat
Yhdysvalloissa Benjamin Franklin keksi teräväkärkisen ukkosenjohdattimen, jota usein kutsutaan virheellisesti "salamanvetimeksi", osana uraauurtavia sähköä koskevia tutkimuksiaan. Franklin ajatteli, että kärjellään teroitetun rautatangon päässä..,
"Sähkötuli vetäytyisi mielestäni pilvestä hiljaa, ennen kuin se pääsisi tarpeeksi lähelle iskeäkseen [...]."
Franklin spekuloi ukkosenjohdattimilla useita vuosia ennen raportoitua leijakokeiluaan. Tämä kokeilu tapahtui itse asiassa siksi, että hän oli kyllästynyt odottamaan, että Christ Church Philadelphiassa valmistuisi, jotta hän voisi sijoittaa sen päälle ukkosenjohdattimen. Kirkot vastustivat sitä jonkin verran, sillä he katsoivat, että näiden sauvojen asentaminen uhmasi jumalallista tahtoa. Franklin vastasi, ettei ole mitään uskonnollista vastalausetta siitä, että rakennusten katot vastustavat sademäärää, joten salaman, jonka hän osoitti olevan yksinkertaisesti jättimäinen sähkökipinä, ei pitäisi olla erilainen. Filantrooppisena tekona Franklin päätti olla patentoimatta keksintöä.
1800-luvulla ukkosenjohdattimesta tuli amerikkalaisen kekseliäisyyden symboli ja koristeaihe. Salamanvarret koristeltiin usein koristeellisilla lasipalloilla (joita keräilijät arvostavat nykyään). Näiden lasipallojen koristeellisuus on sisällytetty myös säävarjoihin.
Kiinteästä lasista valmistettuja palloja käytettiin toisinaan menetelmässä, jonka uskottiin estävän salamaniskut aluksiin. Tämä ei ole huomionarvoista sen vuoksi, että se toimi, sillä se ei toiminut, vaan koska se paljastaa paljon esitieteellisestä ajattelusta. Lasiesineet eivät johda sähköä hyvin. Salama iskee niihin harvoin. Teorian mukaan lasissa on siis oltava jotain, joka hylkii salamaa. Näin ollen paras tapa estää salamanisku puulaivaan oli haudata pieni kiinteä lasipallo korkeimman maston kärkeen. Salaman satunnainen käyttäytyminen varmisti, että menetelmä sai hyvän uskottavuuden myös sen jälkeen, kun merenkulun salamalaite kehitettiin pian Franklinin alkuperäisen työn jälkeen.
Nikola Teslan Yhdysvaltain patentti 1,266,175 oli parannus salamasuojiin. Patentti myönnettiin, koska Franklinin alkuperäisessä toimintateoriassa oli vika; teräväkärkinen ukkosenjohdatin itse asiassa ionisoi ilmaa ympärillään. Tämä tekee ilmasta johtavaa, mikä puolestaan lisää iskun todennäköisyyttä. Monta vuotta patentin saamisen jälkeen vuonna 1919 tohtori Tesla kirjoitti The Electrical Experimenter -lehteen artikkelin "Famous Scientific Illusions", jossa hän selittää Franklinin teräväkärkisen ukkosenjohdattimen logiikan ja esittelee parannetun menetelmänsä ja laitteensa.
Puukirkko, jossa on ukkosenjohdatin ja maadoituskaapelit
Etsiä