Blitzschutz in Gebäuden

Kurzfassung

Blitzschutzanlagen haben die Aufgabe, die Blitzentladung auf sich zu ziehen und den Blitzstrom ohne Gefahr für das zu schützende Objekt in die Erde abzuleiten. Um sich richtig vor einer Blitzentladung schützen zu können, muss die Entstehung und das Verhalten eines Blitzes genau analysiert werden. Der steile Stromanstieg der Stoßentladung bewirkt starke Induktionsspannungen in benachbarten elektrischen Leitungen und kann auch zur Zersprengung von feuchtem Holz (Bäume ) und feuchten Mauern durch die explosionsartige Verdampfung des Wassergehalts führen.

Der äußere Blitzschutz mit den Hauptteilen wie Fangvorrichtung, Ableitungen und Erder wird mittels Potentialausgleichsschienen mit den elektrisch leitenden Teilen im inneren des Gebäudes verbunden. In dieser Arbeit wird auch auf die Möglichkeiten eingegangen wie bereits vorhandene Infrastruktur wie Gebäudebewährung, Dächer u.v.m in das Blitzschutzkonzept mit einzubeziehen sind, und Kosten zu sparen. Des weiteren werden Methoden aufgezeigt wie bereits errichtete Gebäude auf Schirmwirkung überprüft werden können um ein Blitzschutzkonzept nachträglich zu erarbeiten.

Für moderne Gebäude sind Blitzschutzanlagen eine Notwendigkeit, vor allem aufgrund immer häufiger eingesetzter empfindlicher Elektronikbauteile, die schon bei geringen Überspannungen Beschädigungen aufweisen können. Im Bereich des inneren Blitzschutzes gilt es Datenverarbeitungsgeräte, Signalleitungen und Netzversorgungsleitungen und natürlich auch jedes elektrische Haushaltsgerät vor Beschädigungen durch Überspannungen zu schützen.

Abstract

Lightning protection systems have the task to draw the lightning discharge on itself and to leed the lightning current to earth without causing danger to the object which should be protected. To be able to protect your building correctly, the behavior of a flash has to be analyzed exactly. The steep current rise of the lightning discharge causes strong induction voltages in neighbouring constructions and can also cause the blasting of damp wood (trees) and damp walls by the evaporation of the water content, which happens like an explosion.

The lightning protection with the main parts such as safety barrier, derivatives and ground electrodes is connected with the electrically leading parts inside the building with the potential equalization rails. In this paper the possibilities are discussed how to include already existing infrastructure such as building probation, roofs etc. into the lightning protection concept to save costs. Furthermore methods are pointed out how already existing buildings can be checked on screening effects to be able to find a lightning protection concept.

For modern buildings lightning protection systems are a necessity, particularly due to

frequently assigned sensitive electronics construction units, which already can exhibit

damages with small overvoltages. Within the range of the internal lightning protection data

processing devices, signal lines and main supply lines and of course also each electrical

household appliance has to be protected against the damages caused by overvoltages.

Inhaltsverzeichnis

1.  EIGENSCHAFTEN EINES BLITZES 1  

1.1.  Blitztypen  1

1.2.  Entstehung eines Blitzes  3

1.3.  Stromkennwerte von Blitzen  5

2.  AUSWIRKUNGEN EINES BLITZSCHLAGS 9  

2.1.  Gefahren eines Blitzschlages  9

2.2.  Einkopplung von Überspannungen  10

2.2.1.  leitungs- und feldgebundene Kopplung  13

2.2.2.  Elektromagnetische Strahlungskopplung  14

3.  ÄUßERER BLITZSCHUTZ 15  

3.1.  Fangeinrichtung  16

3.1.1.  Blitzkugelmethode  17

3.1.2.  Schutzwinkelmethode  18

3.1.3.  Maschenmethode  19

3.1.4.  Geschütztes Volumen  21

3.1.5.  Ausführungen der Fangeinrichtung  22

3.2.  Ableitung  23

3.3.  Erdung  25

3.3.1.  Begriffserläuterungen:  26

4.  INNERER BLITZSCHUTZ 28  

4.1.  Der Potentialausgleich  28

4.1.1.  Linienförmiger Potentialausgleich  31

4.1.2.  Sternförmiger Potentialausgleich  32

4.1.3.  Maschenförmiger Potentialausgleich  33

4.2.  Überspannungsableiter  35

4.2.1.  Trennfunkenstrecke  36

4.2.2.  Ableiter bei Freileitungen  37

4.2.3.  Varistoren  37

4.2.4.  Überspannungssteckdose  38

4.3.  Installation von Überspannungsableitern  40

5.  SCHIRMUNG 41  

5.1.  Grundlagen Schirmung  41

5.2.  Gebäudeschirmung  42

5.3.  Grundlagen Schirmwirkung  42

5.3.1.  Leitende Bewehrte Wände  44

5.3.2.  Anschlussleiter an Leitende Bewehrte Wände  44

5.3.3.  Herausforderung bei Bauliche Anlagen aus Fertigbeton  46

5.3.4.  Überbrückung von Gebäudefugen  47

5.4.  Kontrolle und Nachweis der Leitfähigkeit  47

5.5.  Maßnahmen zur Verbesserung der Gebäudeschirmung  48

6.  ZUSAMMENFASSUNG 49  

7.  ANHANG 50  

7.1.  Verzeichnisse  50

7.1.1.  Abbildungsverzeichnis  50

7.1.2.  Literaturverzeichnis  51

1. Eigenschaften eines Blitzes

Verfolgt man die Statistiken der Schäden an elektronischen Anlagen, so kann man feststellen, dass ihre Zahl deutlich zunimmt. Dies ist auf die technische Entwicklung zurückzuführen; hochintegrierte Schaltkreise und sensible Bauelemente sind ein wichtiger Bestandteil elektronischer Anlagen geworden. Damit steigt die Empfindlichkeit gegen Überspannungen. Überspannungen (aus welchen Störquellen auch immer) sind heute die häufigste Ursache für die Zerstörung elektrischer und elektronischer Anlagen.

Bevor auf die entsprechenden Schutzmaßnahmen im Detail eingegangen wird, sollen vorerst einige Grundbegriffe wie die Entstehung eines Blitzes und dessen Auswirkungen betreffend der Arten der Einkopplungsmöglichkeiten in elektrische und elektronische Systeme erklärt werden. Typische Stromkennwerte einer Blitzentladung dienen zur Definition von Grenzwerten als Unterstützung der Dimensionierung der Blitzschutzanlagen.

1.1. Blitztypen

Gewitterwolken entstehen wenn feuchtwarme Luftmassen die in große Höhe transportiert werden. Dies kann lt. [Hass89]passieren wenn

der Bodens durch intensive Sonneneinstrahlung erhitzt wird

sich kühle Luft unter die warme schiebt und diese nach oben drückt warme, bodennahe Luft durch Überströmen ansteigenden Geländes angehoben wird.

Die Wolkenkonfiguration eines Gewitters beinhaltet mehrere Gewitterzellen. Die Gewitterzelle erstreckt sich oft bis in Höhen über 10 km, während die Wolkenuntergrenze meist bei 1 – 2 km liegt. Jede der Zellen ist etwa 30 Minuten aktiv und erzeugt 2 – 4 Blitze jede Minute. Man unterscheidet verschiedene Arten von Blitzen (vgl. [Schi96])

Wolke-Wolke-Blitz

Wolke-Wolke-Blitze führen eine Entladung zwischen positiven und negativen Wolkenladungszentren herbei. Für die Gefährdung von elektrischen Anlagen ist dieser Typ wegen seiner abgestrahlten elektromagnetischen Impulsfelder zu berücksichtigen.

Abbildung 1.1: Wolke-Wolke-Blitz [Schi96]

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Wolke-Erde-Blitz

Wolke-Erde Blitze neutralisieren Wolkenladungen und die auf der Erdoberfläche influezierenden Ladungen. Sie zeigen Verästelungen in Richtung Erde. Man unterscheidet positive und negative Wolke-Erde-Blitze, je nach dem aus welchem Ladungsbereich sie entstehen. Am häufigsten kommt der negative Typ vor. Bei einem positiven Wolke-Erde- Blitz dauern die positiven Stoßströme im Durchschnitt zehnmal länger als beim negativen. Damit transportieren sie eine wesentlich größere Ladung als die negativen Stoßströme. Für getroffene Objekte stellen deshalb die positiven Wolke-Erde-Blitze eine härtere Beanspruchung dar und werden deshalb der Bemessung von Blitzschutzmaßnahmen zugrunde gelegt.

Abbildung 1.2: positiver und negativer Wolke-Erde Blitz [Schi96]

Erde-Wolke-Blitz

An sehr hohen Objekten (z.B. Kirchtürmen) kann die feldverzerrende Wirkung der Spitze selbiger bewirken, dass sich der Blitz von der Spitze des hohen Objektes aus in Richtung einer Wolke vorschiebt. Man erkennt den Erde-Wolke-Blitz an den zur Wolke gerichteten Verästelungen. Auch hier ist das Auftreten von negativ und positiv gerichteten Blitzen möglich.

Abbildung 1.3: positiver und negativer Erde-Wolke-Blitz [Schi96]

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Bei negativen Wolke-Erde-Blitzen können mehrfache Entladungen auftreten. Diese entstehen dadurch, dass sich nach einer Pause von einigen Millisekunden in der noch ionisierten Funkenbahn der ersten Entladung ein neuer Leitblitz von der Gewitterwolke zur Erde vorschiebt. Da dieser Blitz eine bereits vorgezeichnete Bahn vorfindet, wächst er ohne Ruckstufen mit einer wesentlich höheren Geschwindigkeit an. In der gleichen Form kann sich auch ein Wolke-Erde-Blitz einem Erde-Wolke-Blitz anschließen. Dadurch kann es dazu kommen, dass hohe Objekte während eines Gewitters mehrmals getroffen werden.

1.2. Entstehung eines Blitzes

Durch elektrostatische Ladungstrennungsprozesse werden die Wassertröpfchen in der Wolke aufgeladen. Die Teilchen werden durch starke Auf- und Abwinde durch die Wolke gewirbelt. Dabei prallen die Teilchen zusammen und werden elektrisch aufgeladen. Es entstehen positiv und negativ geladene Teilchen. Da ein negativ geladenes Molekül ein Elektron mehr besitzt und ein positiv geladenes Molekül entsprechend ein Elektron weniger, sind die Teile unterschiedlich schwer. Die positiv geladenen (leichteren) Teilchen steigen auf. Im oberen Teil der Gewitterwolke werden somit Partikel mit positiver Ladung und im unteren Teil Partikel mit negativer Ladung angehäuft, die sich dann auch wieder entladen muss (vgl. Abbildung 1.4).

Abbildung 1.4: Aufladung der Wolke [Link1]

Innerhalb der Wolke und zwischen Wolke und Erde baut sich ein Spannungsfeld von einigen hundert Millionen Volt auf. Aus elektrophysikalischer Sicht ist eine Gewitterwolke also ein gigantischer elektrostatischer Generator. Die lokalen Raumladungsdichten in einer Gewitterzelle können große Unterschiede aufweisen. Wenn infolge einer zufällig vorhandenen Raumladungskonzentration die örtliche Feldstärke Werte von einigen 100 kV/m erreicht, wird eine Blitzfunkenentladung eingeleitet, es entstehen sogenannte Leitblitze. Der

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Ablauf eines Entladungsvorganges wird nun am Beispiel eines negativen Wolke-Erde-Blitzes beschrieben:

„Aus dem negativen Ladungszentrum der Gewitterwolke schiebt sich ein mit Wolkenladung gefüllter, zylinderförmiger Schlauch mit einem Durchmesser von einigen 10 Metern und einem dünnen, hochionisierten Plasmakern mit einem Durchmesser von etwa 1 cm ruckweise zur Erde vor. Dieser sogenannte Leitblitz hat eine Vorwachsgeschwindigkeit in der Größenordnung von einem Tausendstel der Lichtgeschwindigkeit, also 300 km/s. Der Leitblitz wächst ruckweise in Abschnitten von einigen 10 m vor, wobei die Pause zwischen den Ruckstufen einige 10 Mikrosekunden beträgt. Wenn sich der Leitblitz der Erde bis auf einige 10 bis einige 100 m genähert hat, erhöht sich beispielsweise an denn dem Leitblitzkopf nahe gelegenen Spitzen von Bäumen oder Giebeln von Gebäuden die elektrische Feldstärke so stark, dass schließlich die elektrische Festigkeit der Luft überschritten wird und von dort aus nun ebenfalls eine dem Leitblitz ähnliche, einige 10 bis einige 100 m lange sogenannte Fangentladung ausbricht, die dem Leitblitz entgegenwächst und schließlich mit dem Leitblitzkopf zusammentrifft. Damit ist die Einschlagstelle de Blitzes festgelegt, der Leitblitz ist geerdet.“ [Hass89], Seite 52

Abbildung 1.5: Entladungsvorgang [Link2]

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Durch das grelle aufleuchten sichtbar wird die Blitzentladung jedoch erst, wenn sich die Fangentladung in den mit Ladung gefüllten Schlauch des Leitblitzes hineinfrisst und die gespeicherte Ladung zur Erde abführt. Damit kommt es zur Hauptentladung. Hierbei heizt sich der durch den Leitblitz geschaffene Funkenkanal so weit auf, dass der Druck auf ein hundertfaches des normalen Luftdrucks ansteigt. Während dieser schlagartigen Entladung fließt ein sehr hoher, kurzzeitiger Stromstoß über das getroffene Objekt.

Im Blitzkanal, der einen Durchmesser von 1 – 2 cm hat, herrschen, wie in [Sey93] beschrieben, Temperaturen von einigen Tausend Grad Celsius. Die ionisierte Luft wird in diesem Kanal vom Magnetfeld des Entladestroms auf einige Atmosphären überdruck zusammengepresst. Am Ende der Entladung, wenn das pressende Magnetfeld ausfällt, kommt es durch die explosionsartige Ausdehnung der heißen Luft zum Donnergeräusch.

1.3. Stromkennwerte von Blitzen

Die hohen Überspannungen bei Gewittern entstehen aufgrund der kurzen Stirnzeiten beim Anstieg des Blitzstromes bis zu seiner Amplitude. Dieser steile Anstieg erzeugt ein breites Spektrum an Frequenzen. Einmalige Einkopplungen dieser Art werden als transiente Störer bezeichnet, da sie ein kontinuierliches Spektrum aufweisen. Die Höhe der eingekoppelten Spannung in eine Blitzschutzanlage benachbarten Leiterschleife hängt außerdem vom Abstand zwischen der Blitzschutzanlage und der Leiterschleife sowie von der durch die Leiterschleife umschlossenen Fläche ab. Es ist erforderlich das Phänomen Blitz mit physikalischen Parametern darzustellen Auswirkungen zu analysieren und entsprechende Grenzwerte festzulegen.

Bei Blitzschutzanlagen unterscheidet man, wie in [Hass89] nachzulesen zwischen normalen (z.B. bei Wohngebäuden), hohen (z.B. bei explosionsgefährdeten Anlagen) und extrem hohen (z.B. bei Kernkraftwerken) Anforderungen.

Die aus Stoßströmen bestehenden Blitzströme werden durch die folgenden Wirkungsparameter charakterisiert.

Maximalwert eines Blitzstoßstromes i max

Ladung des Blitzstromes Q Spezifische Energie des Blitzstromes W/R Stromsteilheit in der Stirn des Blitzstromes ∆ i/ ∆ t

Die einzelnen Parameter werden in der Folge kurz beschrieben, ausführliche Beschreibung kann in [Hass89] nachgelesen werden. Die dort erwähnten Grenzwerte für normale, hohe und extrem hohe Anforderungen können einer Tabelle (siehe Seite 7) entnommen werden.

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Maximalwert des Blitzstoßstromes

Bei einer Einzelentladung, wie sie bei einem Blitzschlag stattfindet, steigt der Blitzstrom innerhalb von 2 bis 3 Mikrosekunden auf einen Wert von 20 bis 60 kA und sinkt dann innerhalb von ca. 0,2 Sekunden allmählich wieder ab. Der Maximalwert eines Blitzstoßstromes ist insbesondere für den maximal auftretenden Spannungsabfall u max am Widerstand der Erdungsanlage (R E ) des getroffenen Objektes maßgebend, d.h. für die Potentialanhebung gegenüber der fernen Umgebung (ferne Erde).

Abbildung 1.6: Potentialanhebung gegenüber ferner Erde [Hass89]

Ladung des Blitzstromes

Die Ladung Q ist maßgebend verantwortlich für den Energieumsatz W unmittelbar am Einschlagpunkt des Blitzes und an allen Stellen, wo der Blitzstrom sich in Form eines Lichtbogens über eine Isolierstrecke hinweg fortsetzt. Damit bewirkt die Ladung z.B. Ausschmelzungen an einer Blitzableiterspitze oder der Aluminiumhaut eines Flugzeuges.

Abbildung 1.7: Energieumsatz am Einschlagpunkt durch Q [Hass89]

Die am Lichtbogenfußpunkt umbesetze Energie ergibt sich aus dem Produkt aus der Ladung

Q und dem im Mikrometerbereich auftretenden Anoden- bzw. Kathodenspannungsabfall U A,K

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Spezifische Energie des Blitzstromes

Die spezifische Energie W/R oder anders ausgedrückt das Grenzlastintegral dt

Erwärmung und die elektrodynamische Beanspruchung blitzstromdurchflossener, metallener Leiter maßgebend.

Abbildung 1.8: Erwärmung und Krafteinwirkung durch W/R [Hass89]

Blitzstromsteilheit

Die Blitzstromsteilheit in der Stirn des Blitzstromes ist für die Höhe der elektromagnetisch induzierten Spannung in allen offenen und geschlossenen Installationsschleifen, die sich in der Umgebung von blitzstromdurchflossenen Leitern befinden, verantwortlich. Die induzierte Rechteckspannung U in einer metallenen Schleife ergibt sich aus der Gegeninduktivität M

und der Stromsteilheit ∆ i/ ∆ t:

Für die Dimensionierung von Blitzschutzanlagen zu unterschiedlichen Anforderungen können die in der folgenden Tabelle aus [Hass89] zusammengestellten Grenzwerte herangezogen werden. Die Zahlenwerte sind Obergrenzen und je nach Schutzbedürfnis gegliedert. Die meisten Blitze besitzen nur einen Scheitelwert von wenigen 10 kA.

Abbildung 1.9: Grenzwerte für Blitzschutzanlagen

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Für die Auslegung von Blitzschutzanlagen des äußeren Blitzschutzes (siehe Kapitel 3) können die in angegebenen maximalen Blitzstromparameter zugrunde gelegt werden. In Hinblick auf den inneren Blitzschutz können die mit einem Blitzstrom bzw. den Blitzteilströmen in der Erdungsanlage verknüpften elektrischen und magnetischen Felder sowie die von ihnen induzierten Störspannungen und Störströme mit Hilfe der Maxwellschen Gleichungen für die jeweilige Entfernung vom Einschlagsort und Geometrie des Empfangssystems unter Berücksichtigung der Gebäudeeigenschaften etc. im Einzelfall berechnet werden. Die soll hier nicht im Detail ausgeführt werden; kann aber in [Schw96] nachgelesen werden. In der Folge

werden die einzelnen Einkopplungsarten vorgestellt und anhand eines Beispieles erläutert.

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2. Auswirkungen eines Blitzschlags

Die in Kapitel 1.1 beschriebenen Blitzentladungen lassen sich nach [Hass93] grundsätzlich unterteilen in Direkt-/Naheinschläge und Ferneinschläge. Bei einem Direkteinschlag trifft der Blitz direkt das betreffende Objekt, bei einem Naheinschlag eine Leitung, die unmittelbar zur zu schützenden Anlage führt. In beiden Fällen tritt ein Spannungsabfall proportional zum Maximalwert des Blitzstromes auf (vgl. Kapitel 1.3).

Bei einem Ferneinschlag werden z.B. Mittelspannungsfreileitungen getroffen oder es werden durch Wolke-Wolke-Blitze sogenannte Spiegelladungen frei, die sich dann wellenartig auf den Leitungen ausbreiten. Ein weiteres Beispiel für einen Ferneinschlag sind Blitzeinschläge in der Umgebung, die in die entsprechende Anlage Überspannungen induzieren. Die verschiedenen Möglichkeiten der Einkopplungen werden in Kapitel 2.2 vorgestellt.

2.1. Gefahren eines Blitzschlages

Selbst im Falle eines Direkteinschlages ist lt. [Hass93] der Spannungsabfall für ein Objekt Anlage jedoch ungefährlich, wenn der Blitzschutz-Potentialausgleich konsequent ausgeführt worden ist. Beim Blitzschlag hebt sich dann zwar das Potential der gesamten Anlage, aber in ihrem Inneren treten keine gefährlichen Potentialunterschiede mehr auf. Die Ausführung des Potentialausgleichs wird in einem der späteren Kapitel eingehend beschrieben.

Bei ungeschützten Objekten kommt es durch die hohe Temperatur des Blitzkanals zur augenblicklichen Zündung von brennbaren Baustoffen wie z.B. Holz, Stroh, Heu usw. In feuchten Leitern wie Bäumen, nassem Holz und feuchten Mauern, führt die explosionsartige Verdampfung des Wassergehalts zur Zersprengung des Materials. Des weiteren bewirkt der steile Stromanstieg der Stoßentladung starke Induktionsspannungen in benachbarten elektrischen Leitungen.

Blitzeinwirkungen rufen transiente Überspannungen hervor. Diese Überspannungen sind extrem energiereich und haben sehr hohe Amplituden. Es treten alle Arten der Einkopplung in elektrische und elektronische Systeme ein. Die in einem Stromkreis eingekoppelten transienten Störspannungen sind entweder als Längsspannung oder als Querspannung messbar. Dabei ist die Längsspannung immer eine Störspannung, die zwischen einem aktiven Leiter und dem Erdpotential auftritt. Die Querspannung ist die Spannungsdifferenz zwischen zwei aktiven Leitern. Bei unsymmetrischen Stromkreisen, die mit dem Erdpotential arbeiten, ist die Querspannung gleich der Längsspannung.

Für den Überspannungsschutz ist es wichtig, beide Störspannungsarten zu betrachten. Die Längsspannung wird im Störfall die höheren Werte annehmen. Für die Querspannung sind in der Praxis aufgrund von Kabelschirmung oder verdrillten Leitungen geringere Werte zu erwarten. Sie liegt aber dicht an den Eingängen von empfindlichen Elektronischen Bauelementen.

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2.2. Einkopplung von Überspannungen

Überspannungen koppeln abhängig von dem Verhältnis ihrer Wellenlänge zu den Abmessungen des beeinflussten Systems in elektrische und elektronische Anlagen ein. Ist die Wellenlänge im Verhältnis zu den Systemabmessungen groß, so erfolgt die Einkopplung galvanisch, induktiv oder kapazitiv. Sind die Systemabmessungen größer als die Wellenlänge, so müssen als Einkoppelmechanismen die Wellenbeeinflussung und die

Strahlenbeeinflussung betrachtet werden. Man unterscheidet nach [Schw96] leitungsgebundene und feldgebundene Kopplung, wie die folgende Abbildung zeigt.

Abbildung 2.1: Kopplungsarten

Die einzelnen Kopplungsarten (vgl. [Schw96])werden in der Folge erklärt. Das anschließende Beispiel aus von zwei Gebäuden, die durch eine Datenleitung verbunden sind, soll die Probleme der einzelnen Möglichkeiten der Einkopplung im Falle eines Direkteinschlages bei ordnungsgemäß ausgeführtem Blitzschutz darstellen.

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Galvanische Kopplung (= leitungsgebundene Kopplung)

Galvanische Kopplung tritt immer dann auf, wenn zwei Stromkreise eine gemeinsame Impedanz besitzen. Diese Impedanz kann auch bereits durch ein einfaches gemeinsames Leitungsstück gegeben sein.

Abbildung 2.2: Galvanische Kopplung [Schw96]

Magnetische Kopplung (= induktive Kopplung)

Magnetische oder induktive Kopplung tritt zwischen zwei oder mehreren stromdurchflossenen Leiterschleifen auf. Als Ursache gilt die induktive Beeinflussung durch die Ströme der beeinflussenden Leitungen. Durch die von ihnen erzeugten leitungsgebundenen magnetischen Felder entstehen Auswirkungen auf die Stromkreise oder Leiter im Nahbereich. Ströme in anderen Leitern werden durch zeitlich veränderbare Ströme induziert.

Abbildung 2.3: induktive Kopplung [Schw96]

Der Strom ist mit einem veränderlichen Magnetfeld verknüpft, das im gestörten Stromkreis eine Spannung induziert, die sich dem Nutzsignal überlagert. Die Wirkung des Magnetfeldes wird im Netzwerkersatzschaltbild durch eine Gegeninduktivität M dargestellt.

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Elektrische Kopplung (= kapazitive Kopplung)

Abbildung 2.4: kapazitive Kopplung [Schw96]

Kapazitive Kopplung tritt zwischen zwei Stromkreisen auf, deren Leiter sich auf verschiedenen Potentialen befinden. Die beiden Leitungen wirken dann wie die zwei Leiterplatten eines Kondensators; es wird ein elektrisches Feld (E-Feld) erzeugt. Die kapazitive Kopplung wird in einem Ersatzschaltbild durch die Annahme von Streukapazitäten nachgebildet. Man kann erkennen, dass damit ein Stromkreis erzeugt wird und es zu einem Spannungsabfall kommt, der sich dem Nutzsignal als Störspannung überlagert.

Strahlungskopplung (= elektromagnetische Kopplung)

Solange die Wellenlänge groß gegenüber den Abmessungen des Störers ist, breiten sich elektromagnetische Beeinflussungen vorwiegend leitungsgebunden oder durch elektrische bzw. magnetische Kopplung aus. Liegen Wellenlänge und Abmessungen in vergleichbarer Größenordnung, setzt die Abstrahlung ein. Die Grenze ist fließend, liegt aber in der Praxis bei einer Größenordnung einer Wellenlänge von rund 10 m, was einer Frequenz von 30 MHz entspricht.

Strahlungskopplung liegt vor, wenn sich der Empfänger in einem Strahlungsfeld befindet, in dem elektrische und magnetische Kopplung gleichzeitig auftreten. Das elektrische Feld (E) und das magnetische Feld (H) sind über den Wellenwiderstand des freien Raumes miteinander verknüpft. Der Empfänger wirkt hier wie eine Antenne. Unter Strahlungskopplung versteht man die Beeinflussung von Leiterstrukturen durch elektromagnetische Wellenfelder. Elektrische und magnetische Wechselfelder treten im Fernfeld mit gegenseitiger Kopplung auf.

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2.2.1. leitungs- und feldgebundene Kopplung

In Abbildung 2.5 sind zwei Gebäude dargestellt, die ordnungsgemäß mit jeweils einer Blitzschutzanlage ausgerüstet sind. Beide Gebäude haben eine Auffangeinrichtung, eine Ableitung, eine Erdungsanlage und ein Potentialausgleichssystems. Auf diese Einrichtungen wird in späteren Kapiteln noch im Detail eingegangen, dem soll hier zur Verdeutlichung dieses Beispiels jedoch vorgegriffen werden. Die beiden Gebäude sind durch eine Datenleitung verbunden. Wir nehmen nun an, dass es in Gebäude 1 zu einer Blitzentladung über die Blitzschutzanlage kommt (vgl. [Schi96]).

Abbildung 2.5: Fallbeispiel [Schi96]

Fließt bei einer Blitzentladung über die Blitzschutzanlage des Gebäudes 1 ein Blitzstrom in die Erdungsanlage ab, so gibt es aufgrund des Stoßerdungswiderstandes eine Potentialanhebung für alle elektrisch leitfähigen Systeme und Anlagen, die mit dem Potentialausgleichsystem verbunden sind. Diese Potentialanhebung erfährt auch die Datenübertragungsleitung, die einseitig mit dem Erdpotential verbunden ist. Somit wird die Potentialanhebung, die am Gebäude 1 entstanden ist, in das Gebäude 2 übertragen. Zusätzlich kommt es zum Fließen eines Blitzteilstromes durch die Datenübertragungsleitung in das Gebäude 2, so dass sich dort am Ende der Datenübertragsleitung die Spannung messen lässt. Die Überspannung ist also galvanisch in das benachbarte Gebäude eingekoppelt worden.

Nehmen wir nun an, dass die Datenübertragungsleitung nicht galvanisch mit dem Potentialausgleichssystem des Gebäudes 1 verbunden ist. Im Fall der Blitzentladung und der Ableitung des Blitzstromes durch die Blitzschutzanlage der Gebäudes 1 wird aufgrund der induktiven Kopplung der Ableitung und der Datenübertragungsleitung eine Spannung in die Datenübertragungsleitung induziert. In der Nähe blitzstromdurchflossener Leitungen treten als Folge der hohen Maximalwerte der Blitzströme relativ große magnetische Feldstärken und

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