Paratoner

Basit bir yıldırımdan korunma sisteminin şeması ⓘ

Kanada'nın Toronto kentindeki CN Kulesi'nin paratonerine çarpan yıldırım. ⓘ

Paratoner (US, AUS, CA) veya paratoner iletkeni (UK) bir yapıya monte edilen ve yapıyı yıldırım çarpmasından korumayı amaçlayan metal bir çubuktur. Eğer yıldırım yapıya çarparsa, tercihen çubuğa çarpacak ve yapıdan geçerek yangın çıkarabileceği veya elektrik çarpmasına neden olabileceği yer yerine bir tel aracılığıyla toprağa iletilecektir. Paratonerlere finialler, hava terminalleri veya çarpma sonlandırma cihazları da denir. ⓘ

Bir yıldırımdan korunma sisteminde paratoner, sistemin tek bir bileşenidir. Paratoner, koruyucu işlevini yerine getirmek için toprakla bir bağlantı gerektirir. Paratonerler içi boş, katı, sivri, yuvarlak, düz şeritler ve hatta kıl fırça benzeri dahil olmak üzere birçok farklı biçimde olabilir. Tüm paratonerlerde ortak olan ana özellik, hepsinin bakır ve alüminyum gibi iletken malzemelerden yapılmış olmasıdır. Bakır ve alaşımları yıldırımdan korunmada kullanılan en yaygın malzemelerdir. ⓘ

Paratoner ⓘ

Paratoner veya yıldırım savar, bir yapıyı veya yükseltiyi olası yıldırım hasarlarından koruma amaçlı tasarlanan metal (genellikle bakır) iletken uzun direktir. ⓘ

Yıldırımlar çarpacağı bölgedeki en yüksek ve sivri uca çarpma eğilimi göstermektedirler. Paratonerler bu nedenle korunması gereken yapı veya nesne üzerinde kolonlar ya da sağlam sırtlar boyunca yerleştirilir ve düşük elektrik empedanslı kablolarla (10 Ω'dan az, bakır veya alüminyum) topraklama sağlanır. Paratoner direği ve bununla ilişkili topraklama iletkenleri, akımı yapının iletken olmayan kısımlarından yönlendirerek, en az dirençli yolu takip etmesine, çubuk ve kablolarından en az dirençli bir şekilde geçmesine izin verdiği için koruma sağlar. ⓘ

Tarihçe

Elektrik yüklerinin artı ve eksi olarak belirlenip adlandırılmasını sağlayan Benjamin Franklin (1706 - 1790)'dir. Franklin, yaptığı çeşitli deneylerin sonucunda elektriğin belirli ortamlarda fazla veya eksik ölçülerde bulunabilen bir sıvı olduğu görüşüne vardı. Her ikisinde de elektrik eksikliği ya da fazlalığı bulunan cisimlerin birbirini ittiğini, birinde eksiklik diğerinde fazlalık olan cisimlerin ise birbirlerini çektiğini ileri sürdü. Fazlalığı artı elektrik, eksikliği ise eksi elektrik olarak adlandırıldı. ⓘ

Leiden şişesiyle ilgili deneyleri de sürdüren Franklin, Leiden şişesinden boşalan elektriğin oluşturduğu çatırtılar ve kıvılcımlar ile fırtınalı havalardaki gök gürültüsü ve şimşek arasında bir ilişki olması gerektiğini düşündü ve 1752'de, fırtınalı bir havada uçurduğu bir uçurtma ile bir Leiden şişesini yüklemeyi başardı. Franklin'in bu deneyden pratik yararlar elde etme yönündeki girişimleri paratonerin bulunmasına giden yolu açtı. Bu nedenle, yıldırıma karşı bir korunma aracı olarak kullanılan ve toprağa bağlı bir metal çubuktan ibaret olan paratonerin gerçek mucidi Franklin'dir. 1782 yılında ABD'nin Philadelphia kentinde paratoner kullanan konut sayısı 400'ü geçiyordu. ⓘ

Paratonerin prensibi ilk kez 1753 yılında Prokop Diviš tarafından bugün Çek Cumhuriyeti'nde bulunan Přímětice'de detaylandırılmıştır. ⓘ

Diviš tarafından icat edilen "Machina meteorologica" paratoner gibi çalışıyordu ⓘ

Rusya'daki Nevyansk Kulesi, karmaşık bir inşaat demiri sistemiyle topraklanmış metalik bir çubukla taçlandırılmıştır (bazıları bodrum katında görülmektedir) ⓘ

Franklin'in elektrik üzerine ilk çalışmaları ⓘ

"Tesla'nın Ejderhası". Tesla Bilim Merkezi'nde Hemingray yalıtkanına dayanan bakır paratoner ⓘ

Binalar yükseldikçe, yıldırım daha büyük bir tehdit haline gelir. Yıldırım, duvar, ahşap, beton ve çelik gibi çoğu malzemeden yapılmış yapılara zarar verebilir, çünkü büyük akımlar ve gerilimler malzemeleri yüksek sıcaklığa kadar ısıtabilir. Isı, yapıda yangın potansiyeline neden olur ve hızlı olması patlayıcı hasara da yol açabilir. ⓘ

Rusya

Eğik Nevyansk Kulesi'nde kasıtlı olarak bir yıldırım iletkeni kullanılmış olabilir. Kulenin kulesi, sivri uçlu yaldızlı bir küre şeklinde metalik bir çubukla taçlandırılmıştır. Bu paratoner, tüm binayı delen inşaat demiri karkası aracılığıyla topraklanmaktadır. ⓘ

Nevyansk Kulesi 1721 ile 1745 yılları arasında sanayici Akinfiy Demidov'un emriyle inşa edilmiştir. Nevyansk Kulesi, Benjamin Franklin'in deneyinden ve bilimsel açıklamasından 28 yıl önce inşa edilmiştir. Bununla birlikte, metal çatı ve inşaat demirlerinin ardındaki gerçek amaç bilinmemektedir. ⓘ

Avrupa

Birçok Avrupa kentinde genellikle kentin en yüksek yapısı olan kilise kulesine yıldırım düşmesi muhtemeldi. Önceleri Hıristiyan kiliseleri dua ederek yıldırımın zarar verici etkilerinin ortaya çıkmasını önlemeye çalıştı. Peter Ahlwardts ("Reasonable and Theological Considerations about Thunder and Lightning", 1745) yıldırımdan korunmak isteyen kişilere bir kilisenin içi veya çevresi dışında herhangi bir yere gitmemelerini tavsiye etmiştir. ⓘ

Premonstratensian rahip Prokop Diviš tarafından icat edilen ve Haziran 1754'te Přímětice'de (şimdi Znojmo'nun bir parçası), Moravya'da (şimdi Çek Cumhuriyeti) dikilen bir "metereolojik makinenin" paratonerin bireysel bir icadı olarak sayılıp sayılmayacağı konusunda devam eden bir tartışma vardır. Diviš'in aparatı, kendi özel teorilerine göre, havayı sürekli olarak gereksiz elektrikten mahrum bırakarak gök gürültülü fırtınaları tamamen önlemeyi amaçlıyordu. Bununla birlikte, aparat serbest duran bir direğe monte edilmişti ve muhtemelen o dönemde Franklin'in paratonerlerinden daha iyi topraklanmıştı, bu nedenle bir paratoner amacına hizmet ediyordu. Yerel protestoların ardından Diviš 1760 yılı civarında hava deneylerini durdurmak zorunda kaldı. ⓘ

Birleşik Devletler

Daha sonra Amerika Birleşik Devletleri'ne dönüşen bölgede, yıldırım çekici veya Franklin çubuğu olarak da adlandırılan sivri paratoner iletkeni, 1752 yılında Benjamin Franklin tarafından çığır açan elektrik araştırmalarının bir parçası olarak icat edilmiştir. Elektrik ve yıldırım arasında bir ilişki olduğunu öne süren ilk kişi olmasa da, hipotezini test etmek için uygulanabilir bir sistem öneren ilk kişi Franklin olmuştur. Franklin, bir noktaya kadar sivriltilmiş demir bir çubukla, "Elektrik ateşinin, sanırım, çarpacak kadar yaklaşamadan sessizce buluttan çekileceğini" tahmin ediyordu. Franklin, rapor edilen uçurtma deneyinden önce birkaç yıl boyunca paratonerler hakkında spekülasyonlar yapmıştır. ⓘ

Marguerite Martyn'in 21 Ekim 1906 tarihli St. Louis Post-Dispatch gazetesinde yer alan ve paratoner satan gezici bir satıcının bulunduğu hayali bir mağaza çizimi ⓘ

19. yüzyılda paratoner dekoratif bir motif haline geldi. Paratonerler süslü cam toplarla süslendi (şimdi koleksiyoncular tarafından ödüllendiriliyor). Bu cam topların dekoratif çekiciliği rüzgar güllerinde kullanılmıştır. Ancak bu topların asıl amacı, parçalanarak veya düşerek yıldırım çarpmasına dair kanıt sağlamaktır. Bir fırtınadan sonra bir topun eksik veya kırık olduğu tespit edilirse, mülk sahibi binayı, çubuğu ve topraklama kablosunu hasara karşı kontrol etmelidir. ⓘ

Gemilere ve diğer nesnelere yıldırım düşmesini önlediği iddia edilen bir yöntemde zaman zaman katı cam toplar kullanılmıştır. Buradaki fikir, cam nesnelerin iletken olmadıkları için yıldırım tarafından nadiren çarpıldıklarıydı. Dolayısıyla teoriye göre camda yıldırımı iten bir şey olmalı. Dolayısıyla ahşap bir gemiye yıldırım düşmesini önlemenin en iyi yöntemi, en yüksek direğin ucuna küçük bir cam küre gömmekti. Yıldırımın rastgele davranışı, gözlemcilerin doğrulama önyargısıyla birleşince, Franklin'in ilk çalışmasından kısa bir süre sonra deniz paratonerinin geliştirilmesinden sonra bile yöntemin oldukça itibar kazanmasını sağladı. ⓘ

Gemilerdeki ilk paratonerlerin yıldırım beklendiğinde çekilmesi gerekiyordu ve düşük bir başarı oranına sahipti. 1820 yılında William Snow Harris günün ahşap yelkenli gemilerine yıldırımdan korunmak için başarılı bir sistem icat etti, ancak 1830 yılında başlayan başarılı denemelere rağmen İngiliz Kraliyet Donanması 1842 yılına kadar sistemi benimsemedi, bu tarihte Rus İmparatorluk Donanması sistemi çoktan benimsemişti. ⓘ

1990'larda Washington, D.C.'deki Birleşik Devletler Kongre Binası'nın tepesindeki Özgürlük Heykeli restore edildiğinde 'yıldırım noktaları' ilk inşa edildiği şekliyle değiştirildi. Heykel, platin ile uçlandırılmış çok sayıda cihazla tasarlanmıştır. Washington Anıtı da birden fazla yıldırım noktası ile donatılmıştır ve New York Limanı'ndaki Özgürlük Heykeli'ne yıldırım isabet etmekte ve bu yıldırımlar toprağa yönlendirilmektedir. ⓘ

Yıldırımdan korunma sistemi

Cape Canaveral Uzay Kuvvetleri İstasyonu'ndaki bir fırlatma rampasında yıldırımdan korunma sistemi. ⓘ

Bir yıldırımdan korunma sistemi, bu tür çarpmaları durdurarak ve aşırı yüksek akımlarını güvenli bir şekilde toprağa geçirerek bir yapıyı yıldırım çarpmalarından kaynaklanan hasarlardan korumak için tasarlanmıştır. Yıldırımdan korunma sistemi, potansiyel çarpmalar için toprağa giden düşük empedanslı bir yol sağlamak üzere tasarlanmış hava terminalleri, bağlantı iletkenleri ve toprak elektrotlarından oluşan bir ağ içerir. ⓘ

Yıldırımdan korunma sistemleri, yıldırımın yapılara zarar vermesini önlemek için kullanılır. Yıldırımdan korunma sistemleri, yıldırımların yapılara verdiği yangın tehlikesini azaltır. Bir yıldırımdan korunma sistemi, yanıcı yapı malzemelerinden akan akımın ısıtma etkisini azaltmak için yıldırım akımı için düşük empedanslı bir yol sağlar. Yıldırım gözenekli ve suya doymuş malzemelerden geçerse, yüksek akımdan kaynaklanan ısı nedeniyle su içeriği buharlaşırsa bu malzemeler kelimenin tam anlamıyla patlayabilir. Ağaçların yıldırım çarpması sonucu sık sık paramparça olmasının nedeni budur. ⓘ

Yıldırımla ilişkili yüksek enerji ve akım seviyeleri (akımlar 150.000 A'den fazla olabilir) ve bir yıldırımın çok hızlı yükselme süresi nedeniyle, hiçbir koruma sistemi yıldırıma karşı mutlak güvenliği garanti edemez. Yıldırım akımı, toprağa giden her iletken yolu takip etmek için bölünecektir ve bölünmüş akım bile hasara neden olabilir. İkincil "yan çakmalar" bir yangını tutuşturmak, tuğla, taş veya betonu parçalamak ya da bir yapı veya binadaki yolcuları yaralamak için yeterli olabilir. Bununla birlikte, temel yıldırımdan korunma sistemlerinin faydaları yüzyılı aşkın bir süredir ortadadır. ⓘ

Herhangi bir yıldırım araştırma araştırmasının] etkilerinin laboratuvar ölçekli ölçümleri, doğal yıldırım içeren uygulamalara ölçeklenmez. Saha uygulamaları çoğunlukla oldukça karmaşık ve değişken bir fenomenin en iyi amaçlanan laboratuvar araştırmalarına dayanan deneme yanılma yöntemiyle elde edilmiştir. ⓘ

Bir yıldırımdan korunma sisteminin parçaları hava terminalleri (paratonerler veya çarpma sonlandırma cihazları), kuşaklama iletkenleri, toprak terminalleri (toprak veya "topraklama" çubukları, plakaları veya ağları) ve sistemi tamamlayan tüm konektörler ve desteklerdir. Hava terminalleri tipik olarak bir çatı yapısının üst noktalarında veya boyunca düzenlenir ve bir veya daha fazla topraklama veya topraklama terminaline en doğrudan yolla bağlanan bağlama iletkenleri ("iniş iletkenleri" veya "iniş kabloları" olarak adlandırılır) ile elektriksel olarak birbirine bağlanır. Toprak elektrotlarına bağlantılar sadece düşük dirence sahip olmamalı, aynı zamanda düşük öz endüktansa sahip olmalıdır. ⓘ

Yıldırıma karşı savunmasız bir yapıya örnek olarak ahşap bir ahır verilebilir. Ahıra yıldırım düştüğünde, ahşap yapı ve içindekiler, yapının bazı bölümlerinden geçen yıldırım akımının oluşturduğu ısı nedeniyle tutuşabilir. Temel bir yıldırımdan korunma sistemi, bir hava terminali ile toprak arasında iletken bir yol sağlayacaktır, böylece yıldırım akımının çoğu yıldırımdan korunma sisteminin yolunu izleyecek ve yanıcı malzemelerden önemli ölçüde daha az akım geçecektir. ⓘ

Başlangıçta bilim adamları, hava terminalleri ve "iniş yollarından" oluşan böyle bir yıldırımdan korunma sisteminin, yıldırım akımını "dağıtılmak" üzere yeryüzüne doğru yönlendirdiğine inanıyorlardı. Ancak yüksek hızlı fotoğrafçılık, yıldırımın aslında hem bir bulut bileşeninden hem de zıt yüklü bir toprak bileşeninden oluştuğunu açıkça göstermiştir. "Buluttan yere" yıldırım sırasında, bu zıt yüklü bileşenler genellikle daha önce dengelenmemiş yükleri eşitlemek için atmosferde yeryüzünün çok üzerinde bir yerde "buluşur". Bu elektrik akımı yanıcı maddelerden geçerken ortaya çıkan ısı, yıldırımdan korunma sistemlerinin yıldırım devresi için düşük dirençli bir yol sağlayarak azaltmaya çalıştığı tehlikedir. Hiçbir yıldırımdan korunma sistemi yıldırımı tamamen "kontrol altına alamaz" ya da "kontrol edemez" (ya da şu ana kadar yıldırım çarpmalarını tamamen önleyememiştir), ancak yıldırım çarpmalarının çoğunda büyük ölçüde yardımcı oldukları görülmektedir. ⓘ

Çelik çerçeveli yapılar, yıldırımdan korunma sağlamak için yapısal elemanları toprağa bağlayabilir. Temeli toprakta olan metal bir bayrak direği kendi başına son derece basit bir yıldırımdan korunma sistemidir. Ancak, yıldırım çarpması sırasında direkten sarkan bayrak(lar) tamamen yanabilir. ⓘ

Günümüzde kullanılan yıldırımdan korunma sistemlerinin çoğunluğu geleneksel Franklin tasarımına sahiptir. Franklin tipi yıldırımdan korunma sistemlerinde kullanılan temel prensip, yıldırımın binaya zarar vermeden toprağa ulaşması için yeterince düşük empedanslı bir yol sağlamaktır. Bu, binayı bir tür Faraday kafesi ile çevreleyerek gerçekleştirilir. Yıldırımdan korunma iletkenleri ve paratonerlerden oluşan bir sistem, yıldırımın binaya çarpmadan önce önünü kesmek için binanın çatısına monte edilir. ⓘ

Yapı koruyucuları

Açıklama amacına uygun manzara: (1) Lord Kelvin'in "azaltılmış" bölge alanını temsil eder; (2) Üzerinde ve altında depolanan miktarlar eşit olacak şekilde Dünya ile eş merkezli yüzey; (3) Aşırı elektrostatik yük yoğunluğuna sahip bir alanda bina; (4) Düşük elektrostatik yük yoğunluğuna sahip bir alanda bina. (ABD Patenti 1,266,175 üzerinden görüntü) ⓘ

Bir heykel üzerindeki paratoner. ⓘ

Paratoner

Paratoner, elektrik güç sistemlerinde ve telekomünikasyon sistemlerinde, sistemin yalıtımını ve iletkenlerini yıldırımın zararlı etkilerinden korumak için kullanılan bir cihazdır. Tipik bir paratonerin bir yüksek gerilim terminali ve bir toprak terminali vardır. ⓘ

Telgrafçılık ve telefonculukta, paratoner, içindeki elektronik aletlerin zarar görmesini önlemek ve yapıların yakınındaki bireylerin güvenliğini sağlamak için kabloların bir yapıya girdiği yere yerleştirilen bir cihazdır. Aşırı gerilim koruyucuları olarak da adlandırılan paratonerlerin daha küçük versiyonları, bir güç veya iletişim sistemindeki her bir elektrik iletkeni ile toprak arasına bağlanan cihazlardır. Normal güç veya sinyal akımlarının toprağa akışını önlemeye yardımcı olurlar, ancak bağlı ekipmanı atlayarak yüksek voltajlı yıldırım akımının aktığı bir yol sağlarlar. Tutucular, bir iletişim veya güç hattına yıldırım çarptığında veya yıldırım çarpmasına yakın olduğunda gerilimdeki artışı sınırlamak için kullanılır. ⓘ

Elektrik dağıtım sistemlerinin korunması

Havai elektrik iletim sistemlerinde, şebekeye elektrik göndermek için özel olarak kullanılmayan direklerin, direklerin veya kulelerin tepesine bir veya iki hafif topraklama teli monte edilebilir. Genellikle "statik", "pilot" veya "kalkan" telleri olarak adlandırılan bu iletkenler, yüksek gerilim hatlarının kendileri yerine yıldırım sonlandırma noktası olacak şekilde tasarlanmıştır. Bu iletkenler, birincil güç iletkenlerini yıldırım çarpmalarından korumayı amaçlamaktadır. ⓘ

Bu iletkenler ya bir direğin veya kulenin metal yapısı aracılığıyla ya da hat boyunca düzenli aralıklarla yerleştirilen ek toprak elektrotları ile toprağa bağlanır. Genel bir kural olarak, 50 kV'un altındaki gerilimlere sahip havai elektrik hatlarında "statik" iletken bulunmaz, ancak 50 kV'un üzerinde gerilim taşıyan hatların çoğunda bulunur. Topraklama iletkeni kablosu veri iletimi için fiber optik kabloları da destekleyebilir. ⓘ

Daha eski hatlarda, iletken hatları toprakla doğrudan bağlantıdan yalıtan ve düşük voltajlı iletişim hatları olarak kullanılabilen parafudrlar kullanılabilir. Gerilim, iletkene yıldırım düşmesi gibi belirli bir eşiği aşarsa, yalıtkanları "atlar" ve toprağa geçer. ⓘ

Elektrik trafo merkezlerinin korunması, paratonerlerin kendileri kadar çeşitlidir ve genellikle elektrik şirketine özeldir. ⓘ

Direk radyatörlerinin yıldırımdan korunması

Radyo direği radyatörleri tabanda bir kıvılcım boşluğu ile yerden yalıtılmış olabilir. Yıldırım direğe çarptığında, bu boşluğu atlar. Direk ile ayarlama ünitesi arasındaki besleme hattındaki küçük bir endüktivite (genellikle bir sargı) voltaj artışını sınırlar ve vericiyi tehlikeli derecede yüksek voltajlardan korur. Verici, antenin elektriksel özelliklerini izlemek için bir cihazla donatılmış olmalıdır. Bu çok önemlidir, çünkü bir yıldırım çarpmasından sonra bir yük kalabilir ve boşluğa veya yalıtkanlara zarar verebilir. ⓘ

İzleme cihazı, anten yanlış davranış gösterdiğinde, örneğin istenmeyen elektrik yükü nedeniyle vericiyi kapatır. Verici kapatıldığında, bu yükler dağılır. İzleme cihazı tekrar açmak için birkaç deneme yapar. Birkaç denemeden sonra anten uygunsuz davranış göstermeye devam ederse, muhtemelen yapısal hasarın bir sonucu olarak, verici kapalı kalır. ⓘ

Yıldırım iletkenleri ve topraklama önlemleri

İdeal olarak, tertibatın yeraltı kısmı toprak iletkenliğinin yüksek olduğu bir alanda bulunmalıdır. Yeraltı kablosu korozyona karşı iyi direnç gösterebiliyorsa, toprakla elektrik bağlantısını iyileştirmek için tuzla kaplanabilir. Hava terminali ile Toprak arasındaki yıldırım iletkeninin elektrik direnci önemli bir endişe kaynağı olsa da, iletkenin endüktif reaktansı daha önemli olabilir. Bu nedenle, iniş iletkeni güzergahı kısa tutulur ve herhangi bir eğri büyük bir yarıçapa sahiptir. Bu önlemler alınmazsa, yıldırım akımı iletkende karşılaştığı dirençli veya reaktif bir engelin üzerinden ark oluşturabilir. En azından ark akımı yıldırım iletkenine zarar verir ve bina kabloları veya sıhhi tesisat gibi başka bir iletken yolu kolayca bulabilir ve yangınlara veya diğer felaketlere neden olabilir. Toprağa karşı düşük direnç göstermeyen topraklama sistemleri, bir yapıyı yıldırım hasarından korumada hala etkili olabilir. Toprağın iletkenliğinin zayıf olduğu, çok sığ olduğu veya hiç olmadığı durumlarda, topraklama sistemi topraklama çubukları, karşı denge (topraklama halkası) iletkeni, binadan uzağa çıkıntı yapan kablo radyalleri eklenerek güçlendirilebilir veya beton bir binanın takviye çubukları topraklama iletkeni (Ufer toprağı) olarak kullanılabilir. Bu eklemeler, bazı durumlarda sistemin direncini azaltmasa da, yıldırımın yapıya zarar vermeden toprağa [dağılmasına] izin verecektir. ⓘ

Yapı üzerindeki veya içindeki iletken nesneler ile yıldırımdan korunma sistemi arasındaki yan parlamaları önlemek için ek önlemler alınmalıdır. Bir yıldırımdan korunma iletkeninden geçen yıldırım akımının dalgalanması, iletken ile yakınındaki iletken nesneler arasında bir gerilim farkı yaratacaktır. Bu gerilim farkı, ikisi arasında tehlikeli bir yan parlamaya (kıvılcım) neden olacak kadar büyük olabilir ve özellikle yanıcı veya patlayıcı maddelerin bulunduğu yapılarda önemli hasara neden olabilir. Bu potansiyel hasarı önlemenin en etkili yolu, yıldırımdan korunma sistemi ile yan parlamaya duyarlı tüm nesneler arasında elektriksel sürekliliği sağlamaktır. Etkili bağlama, iki nesnenin gerilim potansiyelinin aynı anda yükselmesine ve düşmesine izin verecek ve böylece herhangi bir yan çarpma riskini ortadan kaldıracaktır. ⓘ

Yıldırımdan korunma sistemi tasarımı

Yıldırımdan korunma sistemlerini oluşturmak için önemli miktarda malzeme kullanılır, bu nedenle bir hava terminalinin en yüksek korumayı nerede sağlayacağını dikkatlice düşünmek akıllıca olacaktır. Ben Franklin tarafından yapılan açıklamalara dayanan yıldırımla ilgili tarihsel anlayış, her bir paratonerin 45 derecelik bir koniyi koruduğunu varsaymıştır. Yıldırımın bir binanın yan tarafına çarpması mümkün olduğundan, bunun daha uzun yapıları korumak için yetersiz olduğu görülmüştür. ⓘ

Dr. Tibor Horváth tarafından Yuvarlanan Küre Yöntemi adı verilen ve yıldırımın sonlanma hedefinin daha iyi anlaşılmasına dayanan bir modelleme sistemi geliştirilmiştir. Bu sistem, geleneksel Franklin Rod sistemlerinin kurulduğu standart haline gelmiştir. Bunu anlamak için yıldırımın nasıl 'hareket ettiği' hakkında bilgi sahibi olmak gerekir. Bir yıldırımın adım lideri yere doğru atlarken, yoluna en yakın topraklanmış nesnelere doğru adım atar. Her bir adımın kat edebileceği maksimum mesafeye kritik mesafe denir ve elektrik akımıyla orantılıdır. Nesneler lidere bu kritik mesafeden daha yakınsa çarpılma olasılıkları yüksektir. Kürenin yarıçapını yere yakın 46 m olarak tahmin etmek standart bir uygulamadır. ⓘ

Kritik mesafe içinde sağlam bir şekilde topraklanmış bir nesne varsa, kritik mesafenin dışındaki bir nesnenin lider tarafından vurulması olası değildir. Yıldırımdan güvenli olduğu düşünülen konumlar, bir liderin potansiyel yollarını buluttan yere doğru ilerleyen bir küre olarak hayal ederek belirlenebilir. Yıldırımdan korunmak için, potansiyel çarpma noktalarına temas eden tüm olası küreleri dikkate almak yeterlidir. Çarpma noktalarını belirlemek için arazide yuvarlanan bir küre düşünün. Her noktada potansiyel bir lider pozisyonu simüle edilir. Yıldırımın kürenin yere değdiği yere düşme olasılığı en yüksektir. Kürenin yuvarlanamayacağı ve dokunamayacağı noktalar yıldırıma karşı en güvenli noktalardır. Yıldırım koruyucular kürenin bir yapıya temas etmesini engelleyecek yerlere yerleştirilmelidir. Çoğu yıldırım saptırma sisteminin zayıf noktası, yakalanan deşarjın paratonerden toprağa taşınmasıdır. Paratonerler tipik olarak düz çatıların çevresine veya eğimli çatıların tepe noktaları boyunca, çubuğun yüksekliğine bağlı olarak 6,1 m veya 7,6 m aralıklarla monte edilir. Düz bir çatı 15 m'ye 15 m'den daha büyük boyutlara sahipse, çatının ortasına dikdörtgen bir ızgara düzeninde 15 m veya daha az aralıklarla ek hava terminalleri kurulacaktır. ⓘ

Yuvarlak ve sivri uçlar

Bir bina üzerindeki sivri paratoner ⓘ

Bir paratonerin ucu için en uygun şekil 18. yüzyıldan beri tartışmalıdır. İngiltere ve Amerikan kolonileri arasındaki siyasi çatışma döneminde, İngiliz bilim adamları paratonerin ucunda bir top olması gerektiğini savunurken, Amerikalı bilim adamları bir nokta olması gerektiğini savunmuşlardır. 2003 yılı itibariyle bu tartışma tam olarak çözüme kavuşturulamamıştır. Uygun kontrollü deneyler neredeyse imkansız olduğu için tartışmayı çözmek zordur, ancak Charles B. Moore ve arkadaşları tarafından 2000 yılında yapılan çalışma, orta derecede yuvarlak veya küt uçlu paratonerlerin marjinal olarak daha iyi çarpma alıcıları olarak hareket ettiğini bularak konuya biraz ışık tutmuştur. Sonuç olarak, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki yeni sistemlerin çoğuna yuvarlak uçlu çubuklar monte edilmektedir, ancak mevcut sistemlerin çoğunda hala sivri uçlu çubuklar bulunmaktadır. Çalışmaya göre, ⓘ

[Benzer şekilde maruz kalan keskin ve küt çubukların üzerindeki elektrik alanlarının göreceli güçlerinin hesaplanması, alanların herhangi bir emisyondan önce keskin bir çubuğun ucunda çok daha güçlü olduğunu, ancak mesafe ile daha hızlı azaldığını göstermektedir. Sonuç olarak, 20 mm çapındaki kör bir çubuğun ucundan birkaç santimetre yukarıda, alanın gücü aynı yükseklikteki benzer, daha keskin bir çubuktan daha fazladır. Sivriltilmiş bir çubuğun ucundaki alan gücü, çevredeki havada iyonların kolay oluşumu ile sınırlanma eğiliminde olduğundan, küt çubuklar üzerindeki alan güçleri, daha keskin olanlar üzerinde 1 cm'den daha büyük mesafelerdekilerden çok daha güçlü olabilir.
Bu çalışmanın sonuçları, orta derecede kör metal çubukların (uç yüksekliği ile uç eğrilik yarıçapı oranı yaklaşık 680:1 olan) daha keskin veya çok kör çubuklara göre daha iyi yıldırım çarpması alıcıları olduğunu göstermektedir. ⓘ

Buna ek olarak, yıldırım koruyucunun korunacak yapıya ve Dünya'nın kendisine göre yüksekliğinin de bir etkisi olacaktır. ⓘ

Yük aktarım teorisi

Yük transferi teorisi, korunan bir yapıya yıldırım düşmesinin, korunan yapı ile gök gürültüsü bulutu arasındaki elektrik potansiyelinin azaltılmasıyla önlenebileceğini belirtir. Bu, elektrik yükünün aktarılmasıyla yapılır (örneğin yakındaki Dünya'dan gökyüzüne veya tam tersi). Elektrik yükünün Dünya'dan gökyüzüne aktarılması, yapının üzerine birçok noktadan oluşan mühendislik ürünleri yerleştirilerek yapılır. Sivri uçlu nesnelerin gerçekten de çevredeki atmosfere yük aktaracağı ve gök gürültülü bulutlar gibi bir elektrik alanı mevcut olduğunda noktada iyonlaşma meydana geldiği için iletkenler aracılığıyla önemli bir elektrik akımının ölçülebileceği belirtilmektedir. ⓘ

Amerika Birleşik Devletleri'nde, Ulusal Yangından Korunma Birliği (NFPA) şu anda yıldırım çarpmalarını önleyebilecek veya azaltabilecek bir cihazı onaylamamaktadır. NFPA Standartlar Konseyi, Dissipation Array[tm] Sistemleri ve Şarj Transfer Sistemlerini ele alan bir proje talebini takiben, bu tür bir teknoloji üzerinde standartlar oluşturmaya başlama talebini reddetmiştir (ancak Konsey, temel teknoloji ve bilimin geçerliliğini gösteren güvenilir kaynaklar sunulduktan sonra gelecekteki standartların geliştirilmesini engellememiştir). ⓘ

Erken flama emisyonu (ESE) teorisi

Aziz Nikolaos Anapausas Manastırı'na (Μονή του Αγίου Νικολάου) monte edilmiş ESE paratoneri, Meteora, Yunanistan ⓘ

Erken flama emisyonu teorisi, bir paratonerin ucunun yakınında iyonizasyon üreten bir mekanizmaya sahip olması durumunda, yıldırım yakalama alanının büyük ölçüde arttığını öne sürmektedir. İlk başta, 1930 ve 1980 yılları arasında iyonizasyon kaynağı olarak küçük miktarlarda radyoaktif izotoplar (radyum-226 veya amerikyum-241) kullanılmış, daha sonra bunların yerini çeşitli elektrikli ve elektronik cihazlar almıştır. Eski bir patente göre, çoğu yıldırım koruyucunun toprak potansiyeli yüksek olduğundan, kaynaktan yüksek toprak noktasına olan yol mesafesi daha kısa olacak, daha güçlü bir alan yaratacak (birim mesafe başına volt olarak ölçülür) ve bu yapı iyonlaşmaya ve bozulmaya daha yatkın olacaktır. ⓘ

Fransız ulusal standardizasyon kuruluşu AFNOR, bu teknolojiyi kapsayan NF C 17-102 adlı bir standart yayınlamıştır. NFPA da konuyu araştırmış ve ABD'de benzer bir standardın çıkarılması için bir teklifte bulunmuştur. Başlangıçta, bir NFPA bağımsız üçüncü taraf paneli "[Erken Flama Emisyonu] yıldırımdan korunma teknolojisinin teknik olarak sağlam göründüğünü" ve "[Erken Flama Emisyonu] hava terminali konsepti ve tasarımı için fiziksel bir bakış açısından yeterli bir teorik temel" olduğunu belirtmiştir). Aynı panel ayrıca "önerilen [NFPA 781 standardı] yıldırımdan korunma sisteminin hiçbir zaman bilimsel veya teknik olarak doğrulanmadığı ve Franklin çubuk hava terminallerinin fırtına koşulları altında saha testlerinde doğrulanmadığı" sonucuna varmıştır. ⓘ

Buna karşılık Amerikan Jeofizik Birliği, "Bryan Paneli'nin geleneksel yıldırımdan korunma sistemlerinin etkinliği ve bilimsel temeli üzerine yapılan çalışmaların ve literatürün esasen hiçbirini incelemediği ve Standart için hiçbir temel olmadığı sonucuna vararak hatalı olduğu" sonucuna varmıştır. AGU, raporunda geleneksel sistemlerde önerilen herhangi bir değişikliğin etkinliğini değerlendirmeye çalışmamıştır. NFPA, Erken Flama Emisyonuna dayalı koruma sistemlerinin geleneksel hava terminallerine göre etkinliğinin arttığına dair kanıt bulunmaması nedeniyle 781 numaralı standardın önerilen taslak baskısını geri çekmiştir. ⓘ

Uluslararası Yıldırımdan Korunma Konferansı (ICLP) Bilim Komitesi üyeleri, Erken Flama Emisyonu teknolojisine karşı olduklarını belirten ortak bir bildiri yayınladılar. ICLP, ESE ve ilgili teknolojilerle ilgili bilgiler içeren bir web sayfası tutmaktadır. Yine de, ESE yıldırımdan korunma sistemleriyle donatılmış bina ve yapıların sayısı ve Avrupa, Amerika, Orta Doğu, Rusya, Çin, Güney Kore, ASEAN ülkeleri ve Avustralya'dan ESE hava terminalleri üreticilerinin sayısı artmaktadır. ⓘ

Grevlerin analizi

Metalik bir yapıya yıldırım düşmesi, metalde küçük bir çukur dışında hiçbir kanıt bırakmamasından yapının tamamen tahrip olmasına kadar değişiklik gösterebilir. Kanıt olmadığında, çarpmaları analiz etmek zordur. Bu, enstrümansız bir yapıya düşen yıldırımın görsel olarak doğrulanması gerektiği anlamına gelir ve yıldırımın rastgele davranışı bu tür gözlemleri zorlaştırır. Yıldırım roketi gibi bu sorun üzerinde çalışan mucitler de var. Kontrollü deneyler gelecekte yapılamayacak olsa da, sabit yönlü antenler kullanarak yıldırımların karakteristik elektriksel 'imzasını' izleyen radyo alıcılarının kullanıldığı tekniklerle çok iyi veriler elde edilmektedir. Doğru zamanlama ve üçgenleme teknikleri sayesinde yıldırımların yeri büyük bir hassasiyetle tespit edilebilmekte, böylece belirli nesnelere düşen yıldırımlar genellikle güvenle teyit edilebilmektedir. ⓘ

Bir yıldırım çarpmasındaki enerji tipik olarak 1 ila 10 milyar joule aralığındadır. Bu enerji genellikle her biri birkaç on mikrosaniye (tipik olarak 30 ila 50 mikrosaniye) süren az sayıda ayrı darbeyle, saniyenin yaklaşık beşte biri kadar bir süre içinde açığa çıkar. Enerjinin büyük çoğunluğu atmosferde ısı, ışık ve ses olarak dağılır. ⓘ

Uçak koruyucuları

Hava taşıtları, hava taşıtı yapısına monte edilen cihazlar ve dahili sistemlerin tasarımı ile korunur. Yıldırım genellikle bir hava aracına gövdesinin dış yüzeyinden veya statik deşarj cihazlarından girer ve çıkar. Yıldırımdan korunma sistemi, elektronik ekipmana zarar gelmesini önlemek ve yanıcı yakıt veya kargoyu kıvılcımlardan korumak için giriş ve çıkış noktaları arasında güvenli iletken yollar sağlar. ⓘ

Bu yollar iletken malzemelerden inşa edilmiştir. Elektrik izolatörleri yalnızca iletken bir yolla birlikte etkilidir çünkü bloke edilen yıldırım izolatörlerin kırılma gerilimini kolayca aşabilir. Kompozit malzemeler, yeterince iletken olmaları için tel örgü katmanları ile inşa edilir ve yapısal bağlantılar, bağlantı boyunca bir elektrik bağlantısı yapılarak korunur. ⓘ

Korumalı kablo ve iletken muhafazalar elektronik sistemler için korumanın büyük kısmını sağlar. Yıldırım akımı, kablolar tarafından oluşturulan herhangi bir döngü boyunca akımı indükleyen manyetik bir darbe yayar. Bir döngünün ekranında indüklenen akım, döngü boyunca ters yönde manyetik akı oluşturur. Bu, döngüden geçen toplam akıyı ve çevresinde indüklenen gerilimi azaltır. ⓘ

Yıldırım iletken yolu ve iletken ekranlama akımın büyük kısmını taşır. Geri kalanı, geçici gerilim bastırıcılar kullanılarak hassas elektronik cihazların etrafından atlanır ve geçiş gerilimi yeterince düşük olduğunda elektronik filtreler kullanılarak engellenir. İzolatörler gibi filtreler de yalnızca yıldırım ve aşırı gerilim akımları alternatif bir yoldan akabildiğinde etkilidir. ⓘ

Su aracı koruyucuları

Bir deniz taşıtındaki yıldırımdan korunma tesisatı, bir direğin veya üst yapının tepesine monte edilmiş bir yıldırım koruyucusu ve suyla temas eden bir topraklama iletkeninden oluşur. Elektrik iletkenleri koruyucuya bağlanır ve iletkene kadar iner. İletken (demir veya çelik) gövdeli bir gemi için topraklama iletkeni gövdedir. İletken olmayan bir teknede topraklama iletkeni geri çekilebilir, tekneye bağlı veya bir merkez bordaya bağlı olabilir. ⓘ

Risk değerlendirmesi

Bazı yapıların yıldırım çarpması riski doğal olarak daha fazla veya daha azdır. Bir yapı için risk, yapının büyüklüğünün (alanının), yüksekliğinin ve bölge için mi² başına düşen yıllık yıldırım sayısının bir fonksiyonudur. Örneğin, küçük bir binaya yıldırım düşme olasılığı büyük bir binaya göre daha düşüktür ve yıldırım düşme yoğunluğunun yüksek olduğu bir bölgedeki bir binaya yıldırım düşme olasılığı yıldırım düşme yoğunluğunun düşük olduğu bir bölgedeki bir binaya göre daha yüksektir. Ulusal Yangından Korunma Birliği, yıldırımdan korunma standartlarında bir risk değerlendirme çalışma sayfası sunmaktadır. ⓘ

Uluslararası Elektroteknik Komisyonu (IEC) yıldırım risk değerlendirmesi dört bölümden oluşur: canlı kaybı, kamuya hizmet kaybı, kültürel miras kaybı ve ekonomik değer kaybı. Canlıların kaybı en önemli kayıp olarak değerlendirilir ve zorunlu olmayan birçok endüstriyel ve ticari uygulama için dikkate alınan tek kayıptır. ⓘ

Standartlar

Yıldırımdan korunma sistemlerinin standartlara girmesi, çeşitli üreticilerin çok sayıda spesifikasyona göre koruyucu sistemler geliştirmesine olanak sağlamıştır. Çok sayıda uluslararası, ulusal, kurumsal ve askeri yıldırımdan korunma standardı bulunmaktadır.

• NFPA-780: "Yıldırımdan Korunma Sistemlerinin Kurulumu için Standart" (2014)
• M440.1-1, Elektrik Fırtınaları ve Yıldırımdan Korunma, Enerji Bakanlığı
• AFI 32-1065 - Topraklama Sistemleri, ABD Hava Kuvvetleri Uzay Komutanlığı
• FAA STD 019e, Yıldırım ve Aşırı Gerilimden Korunma, Tesisler ve Elektronik Ekipmanlar için Topraklama, Bağlama ve Ekranlama Gereklilikleri
• Yıldırımdan korunma için UL standartları
  • UL 96: "Yıldırımdan Korunma Bileşenleri Standardı" (5. Baskı, 2005)
  • UL 96A: "Yıldırımdan Korunma Sistemleri için Kurulum Gereklilikleri Standardı" (On İkinci Baskı, 2007)
  • UL 1449: "Aşırı Gerilim Koruyucu Cihazlar için Standart" (Dördüncü Baskı, 2014)
• IEC standartları
  • EN 61000-4-5/IEC 61000-4-5: "Elektromanyetik uyumluluk (EMC) - Bölüm 4-5: Test ve ölçüm teknikleri - Aşırı gerilim bağışıklık testi"
  • EN 62305/IEC 62305: "Yıldırıma karşı koruma"
  • EN 62561/IEC 62561: "Yıldırımdan Korunma Sistemi Bileşenleri (LPSC)"
• ITU-T K Serisi tavsiyeleri: "Girişime karşı koruma"
• Topraklama için IEEE standartları
  • IEEE SA-142-2007: "Endüstriyel ve Ticari Güç Sistemlerinin Topraklanması için IEEE Önerilen Uygulaması". (2007)
  • IEEE SA-1100-2005: "Elektronik Ekipmana Güç Verme ve Topraklama için IEEE Önerilen Uygulaması" (2005)
• AFNOR NF C 17-102 Archived 2015-04-02 at the Wayback Machine: "Yıldırımdan korunma - Yapıların ve açık alanların erken flama emisyonlu hava terminalleri kullanılarak yıldırıma karşı korunması" (1995)
• GB 50057-2010 Binaların Yıldırımdan Korunması için Tasarım Kodu
• AS / NZS 1768:2007: "Yıldırımdan korunma" ⓘ