Blitzschutz
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Unter Blitzschutz versteht man Vorkehrungen gegen schädliche Auswirkungen von Blitzeinschlägen auf bauliche Anlagen.
Blitzeinschläge können Teile von Gebäuden ohne Blitzschutz zerstören, wenn zum Beispiel in Baustoffen enthaltenes Wasser explosionsartig verdampft oder Brände entstehen. Der Blitz kann über elektrische Leitungen (z. B. von Antennen oder Fotovoltaik-Anlagen) oder Rohrleitungen (z. B. von Solarkollektoren) in das Innere von Gebäuden eindringen und dort weitere Zerstörungen anrichten.
Ein vollständiges Blitzschutzsystem besteht aus äußerem Blitzschutz und innerem Blitzschutz.
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[Bearbeiten] Äußerer Blitzschutz
Der äußere Blitzschutz bietet Schutz bei Blitzeinschlägen, die direkt in die zu schützende Anlage erfolgen. Er besteht aus Fangeinrichtungen, Ableitungsanlage und Erdungsanlage.
Im Idealfall eines Gebäudes, dessen Dach und Außenwände aus Metall oder Stahlbeton bestehen, kann der äußere Blitzschutz als Faradayscher Käfig ausgeführt werden.
[Bearbeiten] Fangeinrichtungen
Blitzeinschläge können nicht verhindert werden. Dem Blitz können aber leichte Ziele angeboten werden, die einem Einschlag standhalten. Fangeinrichtungen sind Stangen, Drähte, Seile oder Metallteile der zu schützenden Anlage, die als Einschlagstellen vorgesehen sind.
Ihre Oberfläche muss elektrisch leitfähig sein. Es werden daher Metalle verwendet, die an Luft korrosionsbeständig sind. Üblich sind Aluminiumlegierungen, nicht rostender Stahl V2A oder Kupfer. Die Materialstärke der Fangeinrichtungen muss gewährleisten, dass die große Energie von Blitzen nicht zu schädlichem Abschmelzen der Fangeinrichtungen führt.
Alle exponierten Stellen der Anlage, die für einen direkten Blitzeinschlag in Frage kommen, müssen mit Fangeinrichtungen versehen oder als Fangeinrichtung ausgebildet werden. Die Fangeinrichtungen müssen untereinander und auf kürzestem Weg mit der Ableitungsanlage verbunden werden.
[Bearbeiten] Blitzkugelverfahren
Das Blitzkugelverfahren ist das maßgebliche Verfahren zur Ermittlung von Stellen, die für einen direkten Blitzeinschlag in Frage kommen. Es definiert den durch einen Blitz gefährdeten Bereich als Kugel, deren Mittelpunkt die Spitze des Blitzes ist. Die Oberfläche der Kugel stellt eine Äquipotentialfläche eines elektrischen Feldes dar.
Für die vier Blitzschutzklassen, die verschiedenen Wahrscheinlichkeiten eines Schadens durch Blitzeinschlag entsprechen, wird diese Blitzkugel mit unterschiedlichem Radius angenommen:
| Blitzschutzklasse | Radius der Blitzkugel |
|---|---|
| I | 20 m |
| II | 30 m |
| III | 45 m |
| IV | 60 m |
An jeder Stelle der Anlage, die von einer Kugel solcher Größe berührt werden könnte, kann mit entsprechender Wahrscheinlichkeit ein Blitzeinschlag erfolgen. Je kleiner der Radius der Blitzkugel angenommen wird, desto mehr potenzielle Einschlagstellen werden erkannt.
Das Blitzkugelverfahren kann durch Abrollen einer Kugel über ein maßstäbliches Modell der Anlage oder mit Hilfe der Geometrie angewendet werden. Jede Blitzschutzanlage muss einer vollständigen Überprüfung nach dem Blitzkugelverfahren standhalten können.
Die empirisch ermittelten Wahrscheinlichkeiten, dass ein Blitz nicht in die zu schützende Anlage einschlägt, sondern von nach dem Blitzkugelverfahren konstruierten Fangeinrichtungen abgefangen wird, betragen:
| Blitzschutzklasse | Blitzstrommaximum | Fangwahrscheinlichkeit |
|---|---|---|
| I | ≥ 2900 A | 99 % |
| II | ≥ 5400 A | 97 % |
| III | ≥ 10100 A | 91 % |
| IV | ≥ 15700 A | 84 % |
Bei kleineren als den angegebenen Blitzströmen ist die Fangwahrscheinlichkeit geringer. Der umfassendste Blitzschutz ist somit bei Blitzschutzklasse I gegeben.
[Bearbeiten] Schutzwinkelverfahren
Das Schutzwinkelverfahren ist ein vom Blitzkugelverfahren abgeleitetes vereinfachtes Verfahren, das durch Winkel unter Fangeinrichtungen begrenzte Bereiche definiert, in die kein direkter Blitzeinschlag erfolgen kann. Diese Winkel sind von Tangenten an einen Kreis mit dem Radius der Blitzkugel abgeleitet und daher von der Höhe der Fangeinrichtungen abhängig.
[Bearbeiten] Maschenverfahren
Das Maschenverfahren ist ein vom Blitzkugelverfahren abgeleitetes vereinfachtes Verfahren, das ein Netz von Fangleitungen zum Schutz ebener Flächen definiert.
[Bearbeiten] Ableitungsanlage
Die Ableitungsanlage leitet den Blitzstrom von den Fangeinrichtungen zur Erdungsanlage.
Sie besteht aus annähernd senkrecht geführten Ableitungen, die gleichmäßig über den Umfang der baulichen Anlage verteilt sind. Als Ableitungen können sowohl separate Leitungen als auch ausreichend dimensionierte Metallteile der zu schützenden Anlage verwendet werden.
[Bearbeiten] Erdungsanlage
Die Erdungsanlage leitet den Blitzstrom in den Erdboden.
Sie beinhaltet immer den Fundamenterder. Er muss für jede Ableitung einen nach außen geführten Anschluss aufweisen. Wenn das Fundament vollständig isoliert oder der Erdwiderstand zu hoch ist, muss der Fundamenterder durch zusätzliche Ringerder, Strahlenerder oder Tiefenerder ergänzt werden. Diese müssen dauerhaft korrosionsgeschützt sein und werden daher aus nicht rostendem Stahl (V2A Werkstoff-Nr. 1.4301 oder V4A Werkstoff-Nr. 1.4571) erstellt. Ringerder und Strahlenerder müssen mindestens 50 cm tief in den Erdboden eingebracht werden. Tiefenerder werden senkrecht in den Boden getrieben.
[Bearbeiten] Innerer Blitzschutz
Der innere Blitzschutz ist die Gesamtheit der Maßnahmen gegen Auswirkungen des Blitzstromes und der Blitzspannung auf Installationen sowie elektrische und elektronische Anlagen der baulichen Anlage.
Wenn der äußere Blitzschutz keinen faradayschen Käfig bildet, müssen Fangeinrichtungen und Ableitungen ausreichenden Abstand zu anderen unmittelbar oder mittelbar geerdeten Teilen aufweisen, um Lichtbögen zu vermeiden. Zu diesen geerdeten Teilen zählen Antennen und deren Kabel, andere elektrische Leitungen sowie Dachrinnen, Fallrohre und andere Rohrleitungen aus Metall. Der notwendige Abstand wird durch die Schutzklasse, die Entfernung vom Hauptpotenzialausgleich, den Werkstoff zwischen den Teilen und die Anzahl der Ableitungen bestimmt und muss im Einzelfall berechnet werden. Je höher eine Stelle einer Fangeinrichtung oder Ableitung über dem Hauptpotenzialausgleich liegt, desto größer ist der erforderliche Abstand. Wenn er an einer Stelle nicht eingehalten werden kann, muss dort ein Potenzialausgleich zwischen der Fangeinrichtung oder Ableitung und den betreffenden geerdeten Teilen hergestellt werden, die in ihrem weiteren Verlauf wie Ableitungen zu behandeln sind.
Für den Potenzialausgleich von elektrischen Leitungen werden Überspannungsschutzgeräte (Surge Protective Devices) eingesetzt, die in der Norm EN 61643-11 in drei Kategorien eingeteilt sind:
- SPD Typ 1 müssen an allen Einführungen von elektrischen Leitungen in den Schutzbereich des äußeren Blitzschutzes eingesetzt werden. Sie leiten den vollen Blitzstrom ab, belassen es aber bei einer für elektronische Geräte gefährlichen Überspannung.
- SPD Typ 2 reduzieren das von SPD Typ 1 hergestellte Spannungsniveau weiter. Sie werden in Verteilern eingesetzt.
- SPD Typ 3 reduzieren das von SPD Typ 2 hergestellte Spannungsniveau auf ein für elektronische Geräte ungefährliches Maß. Sie werden in Überspannungsschutz-Steckdosen, Überspannungsschutz-Steckdosenadaptern und Endgeräten eingesetzt.
[Bearbeiten] Blitzschutz bei Antennen
Antennen stellen besonders durch Blitzschlag gefährdete Objekte dar, da sie sich funktionsbedingt an exponierter Stelle befinden und elektrisch leitfähig sind. Wenn ein Blitz in eine Antenne einschlägt, wird der Blitzstrom über die Abschirmung des angeschlossenen Koaxialkabels ins Gebäude geleitet. Um zu vermeiden, dass dann im Gebäude ein Lichtbogen zwischen der Abschirmung und geerdeten Teilen zündet, muss jede Antenne, die sich nicht im Schutzbereich einer Fangeinrichtung befindet, geerdet werden. Der hohe Blitzstrom in der Abschirmung ruft eine hohe Spannung am Kabel hervor, die angeschlossene Geräte zerstört. Diese kann durch Überspannungsschutzgeräte an beiden Enden des Kabels verhindert werden.
Selbststrahlende Sendemasten für Lang- und Mittelwelle können nicht geerdet werden, weil über die Erdung die abzustrahlende Hochfrequenzenergie abfließen würde. Solche Masten besitzen am Fußpunktisolator eine Funkenstrecke, über die der Blitz überspringen kann. Diese Funkenstrecke wird so eingestellt, dass bei der am Mast anliegenden Spannung auch bei strömenden Regen keine Entladung auftreten kann. Um das Überspringen des Blitzes über die Funkenstrecke zusätzlich zu fördern, ist in die Speiseleitung eine Induktivität mit einer Windung, die sogenannte Blitzschlaufe eingebaut. Ein Verstimmschutz überwacht, ob die Antenne stets den richtigen Widerstand hat und bewirkt bei einem Blitzschlag, der zum Kurzschluss des Senderausgangs führt, ein kurzzeitiges Abschalten des Senders. Hierdurch wird verhindert, dass durch die Sendeleistung gespeiste Lichtbögen stehen bleiben, welche unter Umständen die Maststatik und den Sender gefährden können. Manchmal sind auch noch UV - Detektoren vorhanden, die überwachen, dass keine Lichtbögen bestehen bleiben. Nach einer gewissen Zahl von Ausschaltungen wird der Sender oft für längere Zeit abgeschaltet und der Mast wird automatisch geerdet.
Interessanterweise wird für die Dimensionierung der Isolation von Pardunenunterteilungsisolatoren die statische Aufladung bei Gewittern zum Hauptkriterium und nicht die Sendeleistung. Da die Isolatoren stets mit Überspannungsableitern, die einer Wartung bedürfen, ausgestattet sein müssen, werden die Pardunen gelegentlich auch über Spulen, die eine Verstimmung der Seile bewirken, oder in Ausnahmefällen auch direkt geerdet. Bei derartigen Konstruktionen gibt es nur am Mast und an den Spulen Überspannungsableiter.
[Bearbeiten] Blitzschutz bei Freileitungen
Freileitungen für Hochspannung werden in der Regel mit Erdseilen überspannt. Deren Wirksamkeit als Fangeinrichtung kann jedoch nicht beurteilt werden, weil es für den Blitzschutz von Freileitungen keine anerkannten Regeln der Technik gibt. Die Internationale Elektrotechnische Kommission befand vor mehreren Jahren lediglich, dass diese fehlen und in der Norm IEC 62305-5 formuliert werden sollen.
[Bearbeiten] Literatur
- Blitzschutz - Teil 1: Allgemeine Grundsätze. Europäische Norm 62305-1:2006, deutsche Fassung. VDE Verlag, Berlin 2006.
- Blitzschutz - Teil 2: Risiko-Management. EN 62305-2:2006, deutsche Fassung. VDE Verlag, Berlin 2006.
- Blitzschutz - Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen. EN 62305-3:2006, deutsche Fassung. VDE Verlag, Berlin 2006.
- Blitzschutz - Teil 4: Elektrische und elektronische Systeme in baulichen Anlagen. EN 62305-4:2006, deutsche Fassung. VDE Verlag, Berlin 2006.
