Krokové napětí: nebezpečná neznámá a spolehlivá ochrana.

Navzdory skutečnosti, že skokové napětí, ke kterému dochází mezi částmi půdy v důsledku úderu blesku, je velmi nebezpečné, tento fyzikální efekt byl málo prozkoumán.

Fyzika a fyziologie

Krokové napětí je potenciální rozdíl mezi dvěma sekcemi půdy. Když udeří blesk, proud se „šíří“ do půdy a vytváří oblast s vysokým potenciálem. Pokud jsou v blízkosti vodiče, může se vytvořit obvod. Takovým vodičem se může stát člověk: proud vstupuje jednou nohou a vystupuje druhou, čímž se tělo změní na „zátěž“. Tato situace je extrémně nebezpečná, protože vysoké napětí způsobuje paralýzu svalů jako z paralyzéru. V důsledku toho může člověk spadnout na ruce a při vícesložkovém blesku proud následných výbojů projde srdcem, což zvyšuje riziko srdeční zástavy. Pokud se vaše hlava dotkne země, dramaticky se zvyšuje riziko nevratného poškození centrálního nervového systému.

Na obrázku níže vlevo vidíte model šíření krokového napětí. Úder blesku pošle proud do půdy a ten se „šíří“ poloměry odporu půdy (dI) a zvyšuje napětí (dV). Potenciální rozdíl mezi poloměry je krokové napětí. Čím vyšší je bleskový proud, tím vyšší je napětí a potenciální letalita

Pravá strana obrázku schematicky znázorňuje vliv krokového napětí, které vytváří zátěž přes nohy (červená šipka) – proto dostalo název krokové napětí. Konvenční blesk může přenášet desítky tisíc ampér proudu (I1-2), což má za následek rozdíl potenciálů (V1-V2), který může přesáhnout desítky tisíc voltů. Protože mezi dvěma body (nohami) je rozdíl napětí, lidské tělo představuje složitý elektrický odpor a působí jako zátěž. Velikost proudu (Ib) procházejícího tělem v tomto případě závisí na odporu nohy (Rf) a těla (Rb).

Údery blesku, včetně těch s krokovým napětím, mají jedinečné „fyziologické rysy“. Za prvé je to způsobeno tím, že blesk, přestože nese obrovské množství energie, se uvolní ve velmi krátkém časovém úseku: 1/10000-1/1000 sekundy. Takové výboje jen zřídka způsobí těžké popáleniny nebo poškození vnitřních orgánů, jako je tomu v případě elektrických výbojů z běžných elektrických zařízení. Ale blesk může ovlivnit srdce a nervový systém, včetně periferních nervů. Proto mohou být následky skokového napěťového výboje nečekaně významné a velmi různorodé: od šedého zákalu, ochrnutí končetin a chronické bolesti až po poruchy spánku a duševní poruchy, ztrátu sluchu, ztrátu paměti atd. Nejčastější příčinou smrti je zástava srdce .

Doktor technických věd profesor Eduard Meerovich Bazelyan ve svých webových seminářích pro projektanty systémů ochrany před bleskem opakovaně upozornil na nedostatek jasné definice nebezpečné hodnoty krokového napětí. Je tedy známo, že pulzní dopad 6 kV blesku může způsobit srdeční fibrilaci a možnou srdeční zástavu. Ale fyziologie lidského těla je složitá a i menší expozice může způsobit vážné zranění a vést ke smrti. V případě kardiostimulátorů a dalších kanálů stejnosměrného přístupu k srdečnímu svalu někdy postačuje krátkodobá expozice 1 mA k vyvolání fibrilace. Vysoká odolnost suché pokožky přitom není spolehlivou ochranou. S krokovým napětím je to ještě obtížnější, protože proud obvykle protéká končetinami a klouby mají větší odpor než cévy a svaly. Z tohoto důvodu se mohou tkáně v blízkosti kloubů velmi poškodit, což vede k invaliditě. Nápadným příkladem impozantní síly krokového napětí byl případ hromadného úhynu jelenů v Norsku během bouřky. Úder blesku zabil 323 divokých jelenů na ploše přibližně 50 metrů.

Incident v norském národním parku Hardangervidda je největším známým případem, kdy zvířata zemřela na jediný úder blesku. K poškození došlo v důsledku vystavení krokovému napětí

Zvířata jsou zranitelnější vůči krokovému napětí, protože jejich nohy jsou daleko a potenciálový rozdíl je větší než u chodícího člověka. Terén v norském parku je skalnatý, což znamená, že odpor půdy musí být vysoký. V důsledku toho se napětí okamžitě zvýšilo a rozšířilo se na velkou plochu – zvířata okamžitě zemřela ve vzdálenosti desítek metrů od místa zásahu bleskem.

Vzdálenost a provedení ochrany

Teorie je velmi důležitá, ale pro praxi je klíčovým parametrem vzdálenost od hromosvodu, při které je krokové napětí zaručeně bezpečné. To je nutné například při výpočtu četnosti instalace hromosvodů a mřížek rozptylujících napětí. Bohužel existuje jen málo podrobných výzkumů na toto téma, ale armáda významně přispěla k této oblasti bleskových znalostí. To je vysvětleno skutečností, že v armádách různých zemí se často vyskytují případy úderů blesku do hromosvodů muničních skladů, v blízkosti stanů a vybavení s vojenským personálem a v různých klimatických zónách a povětrnostních podmínkách. Detailně zdokumentované případy nám umožnily shromáždit užitečné statistiky.

V doporučeních americké armády TRADOC o opatřeních na ochranu před bleskem pro rok 2002 jsou tedy zaznamenána úmrtí z krokového napětí při zásahu bleskem ve vzdálenosti přibližně 10-20 m od místa úderu blesku. Navíc ve většině případů poškození bleskem není přímý zásah výbojem, ale spíše dopad skokového napětí a výboje oblouku z předmětů.

Problematika výpočtu předpokládané hodnoty krokového napětí je řešena pomocí speciálního softwaru a příslušných služeb specialistů.

Je zřejmé, že nejlepší ochranou proti skokovému napětí je zabránit rozdílům potenciálů. Ptáci tedy mohou bezpečně sedět na jednom fázovém vodiči a druhého se nedotýkat. Nejlepší ochranou je kovová podlaha budovy nebo kompletně kovová konstrukce, která je jakousi Faradayovou klecí. To však není vždy možné, proto se pro vytvoření zóny stejných potenciálů a rozptýlení bleskového proudu používají kovové sítě položené v zemi. Dielektrický materiál umístěný na jeho vrcholu může zlepšit ochranný účinek. Tím se minimalizuje proud na povrchu, se kterým lidé přicházejí do styku.

Vojenské příručky ochrany před bleskem poskytují jednoduchá názorná schémata návrhu a umístění ochrany před bleskem s prvky (síťovkou), které odvádějí proud. Takové systémy ochrany před bleskem lze rychle sestavit z hotových komponentů.

V oblastech, kde se používá betonová podlaha, je povoleno použití výztužné sítě, která však musí být navzájem bezpečně spojena a spojena se zemí. Příkladem použití sítí v zemi jsou stadiony, které byly připraveny pro mistrovství světa ve fotbale 2018 v Rusku. V těchto zařízeních bylo použito pletivo se čtvercovými články o délce 0,15 m Profesor Eduard Meerovich Bazelyan poznamenává, že testování této ochrany prokázalo její vysokou spolehlivost. Zároveň ale ochrana velkých ploch pomocí pletiva není levná, což často vede k neuvážené touze ušetřit na ochraně před bleskem. To je nepřijatelné, mluvíme-li o místech, kde se shromažďují lidé, skladech pohonných hmot a maziv nebo toxických látek atd.

Jak raději odejít než zůstat

Pravděpodobnost zranění krokovým napětím můžete snížit dodržováním pravidel chování v nebezpečné oblasti. Vzpomeňme na ptáčky na elektrickém vedení – je potřeba se podobným způsobem zbavit potenciálového rozdílu. K tomu je potřeba minimalizovat vzdálenost mezi nohama a za žádných okolností se rukama nedotýkat země nebo předmětů (ocelové podpěry, železobetonové stěny atd.). V beznadějné situaci, kdy se v blízkosti hromosvodů nebo vysokých předmětů objeví bouřka, je lepší přejít na stranu velmi krátkým „husím“ krokem. Někdy se doporučuje stát na jedné noze, ale tato nestabilní poloha těla může vést k pádu na ruce nebo instinktivní touze se něčeho chytit. Jak si pamatujeme z toho, co bylo řečeno výše v části o fyziologii, za žádných okolností by nemělo být dovoleno, aby proud procházel okruhem hlava-noha nebo paže-noha, protože proud může poškodit mozek a srdce. Proto je v případě nouze lepší stát na nohou pevně u sebe než balancovat na jedné.

Nebezpečné jsou především kamenité, zmrzlé a jiné druhy půd s vysokou odolností kvůli nízké vodivosti. Při zásahu bleskem v nich vzniká velmi vysoká napětí. Při šířce běžného schodu může člověka šokovat napětí v řádu desítek tisíc voltů.

Být blízko budov je také nebezpečné, protože krokové napětí se může šířit od základů. Níže uvedený graf ukazuje, že ve vzdálenosti 5 m od železobetonové základové desky je krokové napětí 4,5 kV – a to se standardním zemním odporem.

Nejlepší je ukrýt se před bleskem uvnitř budovy nebo ve vozidle s kovovou karoserií. A v případě zranění byste oběti neměli dávat nic pít, protože to zhorší možný otok mozku.

Prevence a osvěta

Krokové napětí je tedy stále hrozivým „vedlejším efektem“ úderu blesku. Dopad mikrosekundových opakovaných pulzů takového napětí na tělo byl málo studován. Proto je nutný zvláštní přístup k ochraně před bleskem a nácvik pravidel chování v podmínkách nebezpečí zasažení bleskovým skokovým napětím.