SEMINARARBEIT

BLITZSCHUTZ VON GEBÄUDEN

ausgeführt am Fachhochschul-Studiengang
Technisches Projekt- und Prozessmanagement
Fach Energietechnik und Industrielle Elektronik

KOPP Wolfgang

Wien, am 16. Juni 2003
 

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]
[in Downloaddatei enthalten]

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]
[in Downloaddatei enthalten]

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]
[in Downloaddatei enthalten]

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).

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