Blitzschutz in Gebäuden


Seminararbeit, 2003

91 Seiten, Note: 1,2


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. EIGENSCHAFTEN EINES BLITZES
1.1. Blitztypen
1.2. Entstehung eines Blitzes
1.3. Stromkennwerte von Blitzen

2. AUSWIRKUNGEN EINES BLITZSCHLAGS
2.1. Gefahren eines Blitzschlages
2.2. Einkopplung von Überspannungen
2.2.1. leitungs- und feldgebundene Kopplung
2.2.2. Elektromagnetische Strahlungskopplung

3. ÄUßERER BLITZSCHUTZ
3.1. Fangeinrichtung
3.1.1. Blitzkugelmethode
3.1.2. Schutzwinkelmethode
3.1.3. Maschenmethode
3.1.4. Geschütztes Volumen
3.1.5. Ausführungen der Fangeinrichtung
3.2. Ableitung
3.3. Erdung
3.3.1. Begriffserläuterungen:

4. INNERER BLITZSCHUTZ
4.1. Der Potentialausgleich
4.1.1. Linienförmiger Potentialausgleich
4.1.2. Sternförmiger Potentialausgleich
4.1.3. Maschenförmiger Potentialausgleich
4.2. Überspannungsableiter
4.2.1. Trennfunkenstrecke
4.2.2. Ableiter bei Freileitungen
4.2.3. Varistoren
4.2.4. Überspannungssteckdose
4.3. Installation von Überspannungsableitern

5. SCHIRMUNG
5.1. Grundlagen Schirmung
5.2. Gebäudeschirmung
5.3. Grundlagen Schirmwirkung
5.3.1. Leitende Bewehrte Wände
5.3.2. Anschlussleiter an Leitende Bewehrte Wände
5.3.3. Herausforderung bei Bauliche Anlagen aus Fertigbeton
5.3.4. Überbrückung von Gebäudefugen
5.4. Kontrolle und Nachweis der Leitfähigkeit
5.5. Maßnahmen zur Verbesserung der Gebäudeschirmung

6. ZUSAMMENFASSUNG

7. ANHANG
7.1. Verzeichnisse
7.1.1. Abbildungsverzeichnis
7.1.2. Literaturverzeichnis

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 in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1: Wolke- Wolke- Blitz [Schi96]

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 in dieser Leseprobe nicht enthalten

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 in dieser Leseprobe nicht enthalten

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

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 in dieser Leseprobe nicht enthalten

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 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 in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.5: Entladungsvorgang [Link2]

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 imax - 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.

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 umax am Widerstand der Erdungsanlage (RE) des getroffenen Objektes maßgebend, d.h. für die Potentialanhebung gegenüber der fernen Umgebung (ferne Erde).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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 in dieser Leseprobe nicht enthalten

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 UA,K

Spezifische Energie des Blitzstromes

Die spezifische Energie W/R oder anders ausgedrückt das Grenzlastintegral [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] istfürdie Erwärmung und die elektrodynamische Beanspruchung blitzstromdurchflossener, metallener Leiter maßgebend.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

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 in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.9: Grenzwerte für Blitzschutzanlagen

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.

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.

2.2. Einkopplung vonüberspannungen

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 in dieser Leseprobe nicht enthalten

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.

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.

Der Stromkreis I wirkt hier als Störer, Stromkreis II stellt das gestörte System dar. Der Strom im Stromkreis I erzeugt an der gemeinsamen Impedanz einen Spannungsabfall, der sich im Stromkreis II dem Nutzsignal überlagert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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 in dieser Leseprobe nicht enthalten

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.

Elektrische Kopplung (= kapazitive Kopplung)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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.

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 in dieser Leseprobe nicht enthalten

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 als Folge der raschen Stromänderungen während des Blitzstromanstieges relativ große magnetische Feldstärkenänderungen auf.

Unter den selben Voraussetzungen stellen die beiden Leitungen (die Ableitung der Blitzschutzanlage und die Datenübertragungsleitung) einen Kondensator dar. Wenn es nun aufgrund einer Blitzstromableitung durch die Ableitung und die Erdungsanlage zu einer Anhebung des Potentials kommt, so sind unter Berücksichtigung der Höhe der Potentialanhebung und der Annäherung beider Leitungen kapazitive Einkopplungen in die Datenübertragungsleitung zu erwarten. Auch Schaltüberspannungen in Hochspannungsanlagen können durch kapazitive Kopplung auf Niederspannungsanlagen einwirken und dort in Einzelfällen Werte über 15 kV annehmen.

2.2.2. Elektromagnetische Strahlungskopplung

Das elektromagnetische Feld eines Blitzkanals wird als LEMP (lightning elektromagnetic Pulse) bezeichnet. Blitze und die mit ihnen verknüpften transienten Felder führen nach [Schw96] zu massiven elektromagnetischen Beeinflussungen am Einschlagsort sowie über den LEMP auch in dessen näherer Umgebung.

Von den Wolke- Erde- Blitzen weisen die negativen Folgeblitze die höchsten Stromsteilheiten in der Stirn auf und liefern deshalb die für die elektrischen Systeme bedeutsamen größten Änderungen der elektrischen und magnetischen Feldstärken. Bei der Entwicklung von Schutzkonzepten (vlg. Kapitel 5)gegen LEMP- Gefährdungen kann man sich deshalb auf die Berücksichtigung dieses Blitztyps beschränken.

3. Äußerer Blitzschutz

Der äußere Blitzschutz besteht aus :

- Fangeinrichtung
- Ableitungseinrichtung
- Erdungsanlage

Der Äußere Blitzschutz kann an der schützenden Anlage befestigt oder von ihr getrennt errichtet werden.

Getrennteräußerer Blitzschutz Ein von der zu schützenden baulichen Anlage getrennter äußerer Blitzschutz soll benutzt werden, die thermischen Wirkungen am Einschlagpunkt oder in den Leitungen, die den Blitzschutz führen, Schäden an der zu schützenden baulichen Anlage oder deren Inhalt verursachen können. Typische Fälle sind :

- Bauliche Anlagen mit brennbarer Dachdeckung
- Bauliche Anlagen mit brennbaren Wänden
- Bereiche mit Explosions- und Bradgefahr

Ein getrennter äußerer Blitzschutz kann z.B. aus hohen Fangstangen und Fangmasten bestehen, die nahe an der zu schützenden Einrichtung aufgestellt sind, dass die zu schützenden Einrichtungen im Schutzbereich dieser Fangeinrichtungen liegen.[Ker03]

Nicht getrennteräußerer Blitzschutz

Ist der Äußere Blitzschutz an der an der zu schützenden Anlage befestigt, ist es ein nicht getrennter äußerer Blitzschutz.

Bei einem nicht getrennten äußeren Blitzschutz können natürliche Bestandteile, die immer in der baulichen Anlage verbleiben werden, die nicht geändert werden und deren durchgehenden Leitfähigkeit nachweisbar ist (z.B. durchgehende Bewährung, Stahlskelett der baulichen Anlage usw. als Teil des Blitzschutzsystem verwendet werden

Planung des Blitzschutzes

Die Planung des Blitzschutzes wird zweckmäßig nach folgenden Ablaufplan durchgeführt:

- Festlegung der Schutzklasse
- Planung der Fangeinrichtung
- Erster Entwurf der Ableitungen und Ringleiter unter Berücksichtigung der natürlichen Ableitungen
- Berechnung des Sicherheitsabstandes unter Zugrundlegung des Entwurfes der Ableitungen und Ringleiter.
- Kontrolle ob der notwendige Sicherheitsabstand an allen Näherungsstellen eingehalten ist.
- Planung der Erdungsanlage
- Planung der Potentialausgleichs

3.1. Fangeinrichtung

Die Fangeinrichtung muss Blitze auffangen. Wo Blitze einschlagen können, muss eine Fangeinrichtung angebracht werden. Alle zu schützenden müssen n dem durch die Fangeinrichtung „geschützten Volumen“ sein.

Zur Planung der Fangeinrichtung gibt es drei Methoden:

- Blitzkugelmethode
- Schutzwinkelmethode
- Maschenmethode

Die Anwendung der Blitzkugelmethode ist manchmal etwas aufwendig. Für einfache Fälle kann die Winkelschutzmethode verwendet werden. Flächen werden durch ein Fangmaschennetz geschützt. Die Werte der bei der Planung verwendeten Kugelradien, Schutzwinkel und Maschenweiten sind in der DIN V ENV 61024- 1 festgelegt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1: Kugelradien und Maschenweiten DIN V EMV 61024- 1[Ker03]

Vor Planung einer Blitzanlage muss daher die Schutzklasse festgelegt werden. Der Schutzwinkel ist nicht nur von der Schutzklasse abhängig, sondern auch von der Höhe der Fangeinrichtung über der Bezugsfläche. Die Bezugsfläche ist die Fläche, auf der die Blitzkugel rollt. Die Schutzwinkel sind aus der Blitzkugelmethode abgeleitet. Die Schutzwinkel sind daher von der Höher zu schützenden Fläche abhängig.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.2: Ableitung des Schutzwinkels aus der Blitzkugel [Ker03]

3.1.1. Blitzkugelmethode

Der Blitz kann überall dort einschlagen, wo die Blitzkugel berührt. Man kann die Bereiche der Oberfläche der Bauliche Anlage dadurch bestimmen, dass man die Blitzkugel über die Anlage rollt. An allen Kannten die berührt werden, sind Fangleitungen oder Fangstangen anzubringen, an den berührten Flächen ein Fangmaschennetz.

Die Bestimmung der berührten Kannten und Flächen kann gedanklich, auf Zeichnungen oder Modellen erfolgen. Bestimmt man die berührten Stellen auf Zeichnungen oder auf den Modellen, dann muss die unterschiedliche Höhe der Gebäude berücksichtigt werden. Die kann dadurch geschehen, dass man auf der Abbildung der Blitzkugel die Konturen der Kugel in der Höhe der Gebäude (Kreise) einzeichnet und die Abbildung so lange verschiebt, bis die Konturen der entsprechenden Höhe an de jeweiligen Gebäudekanten oder - wänden anliegen. Dies ergibt den dem anderen Gebäudeteil nächsten Berührungspunkt der Blitzkugel an der Kannte oder Fläche.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.3: mögliche Berührungspunkte und - flächen der Blitzkugel [Ker03]

Mit der Blitzkugel werden die Kannten und Flächen der baulichen Anlage bestimmt, die von der Blitzkugel berührt und damit von Blitzen getroffen werden können. In der obigen Abbildung sind die berührten Kannten strich- punktiert markiert, die berührten Flächen schraffiert. Diese Flächen und Kannten sind mit Fangeinrichtungen zu versehen. Die Kannten mit Fangleitungen, die Flächen mit Fangmaschennetzen.[Ker03]

3.1.2. Schutzwinkelmethode

Das geschützte Volumen ist ein Kegel, dessen Oberfläche um den Winkel α gegen die Senkrechte auf der Grundfläche (Referenzebene) geneigt ist. Dies gilt sowohl für Fangstangen als auch für Fangleitungen. Der Schutzwinkel ist abhängig von der Höhe der Fangeinrichtung über der Referenzebene.

Grundfläche ist die leitende Fläche (Fangmaschenebene) auf der die Blitzkugel rollen würde. Ist am Aufstellungsort keine Fangmaschenebene vorhanden, z.b. bei einer Fangstange auf einem isolierten Dach, ist die Referenzebene der Erdboden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.4: Schutzwinkel bei geneigten leitenden Fläche und bei verschiedenen Höhen über den Referenzen [Ker03]

In der obigen Abbildung sind auch die Blitzkugeln dargestellt, um nachzuweisen, dass der Schutzwinkel von der Senkrechten auf die Bezugsebene zu messen ist.

Reicht der Schutzwinkel über die Referenzebene hinaus (z.B. über Dachkante), ist der Winkel nicht mehr gültig, sondern er ist auf die Höhe der dann wirksamen Referenzebene zu beziehen. Der Winkel α1 gilt für die Höhe h1, der Winkel α2 für die Höhe h2.

Der Kegel mit dem Winkel α muss das ganze zu schützende Teil einschließen. In den normalen Ansichten ist oft nicht die maximale Ausdehnung zu erkennen. Dann muss ein Schnitt so angelegt werden, dass er die ungünstige Position darstellt. Dadurch ergeben sich manchmal größere notwendige Höhen der Fangleitungen oder Fangstangen.[Ker03]

3.1.3. Maschenmethode

Für den Schutz ebener Flächen wird angenommen, dass ein Maschennetz die gesamte Oberfläche schützt, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

Fangleitungen sind angeordnet an allen:

- Dachkanten
- Dachüberhängen
- Dachfirst, wenn die Dachneigung größer als 1/10 ist.

Die seitlichen Außenflächen der baulichen Anlagen in Höhen, die größer als der Radius der entsprechender Blitzkugel ist, mit Fangeinrichtungen versehen sind:

- Die Maschenweiten der Fangeinrichtung nicht größer als in der Tabelle angegebenen Werte.
- Das Netzwerk der Fangeinrichtung so ausgeführt ist, dass der Blitzstrom immer über mindestens zwei metallene Wege zur Erdungsanlage abfließen kann.
- Keine mit dem Potentialausgleich verbunden metallenen Installationen aus dem durch die Fangeinrichtungen geschützten Volumen herausragen.
- Die Fangeinrichtungen, soweit möglich, auf direktem und kurzem Weg angeordnet sind.

Wenn mit dem Potentialausgleich verbundene metallene Installationen oder Teile der baulichen Anlage aus dem geschützten Volumen herausragen, müssen sie entweder durch die zusätzlichen Anlagen geschützt oder durch das Anschließen an das Maschennetz zu einer natürlichen Fangeinrichtung gemacht werden.

Als Begrenzung des geschützten Volumens gilt die Fangebene, dass ist die zwischen den Leitern der Masche aufgespannte Fläche. Eine darüber gerollte Kugel die auf den Fangleitern aufliegt, wird in diese geschützte Volumen eindringen. Trifft sie auf Teile aus isolierenden Material, dann wird dort trotzdem kein Einschlag stattfinden.

Sind dort mit der Erde leitend verbundene Metallteile, die von der Blitzkugelberührt werden, dann ist ein Einschlag möglich. Soll ein Einschlag auch mit diesem niedrigen Strom verhindert werden, ist die Fangeinrichtung so anzubringen, dass das zu schützende Teil im Schutzbereich liegt.

In der Anwendungsrichtlinie IEC 61024 - 1- 2 ist ausgesagt, das Teile aus Isolierstoff sowie vom äußeren Blitzschutz und dem Potentialausgleich isolierte Metallteile mit nicht mehr als 1m2 Fläche nicht mit Fangeinrichtungen geschützt werden müssen, wenn sie nicht mehr als 1m über die Fangebene herausragen. Die Fangebene ist die Fläche die zwischen benachbarten Fangeinrichtungen aufgespannt ist, z.B. die Ebene die durch die Leitungen gebildet ist. Die Abbildung zeigt eine solche Anordnung am Beispiel einer Lichtkuppel aus Isolierstoff (Plexiglas) auf einen Flachdach.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.5: Lichtkuppel auf einem Flachdach [Ker03]

Ein Blitz schlägt in ein isoliertes Teil nicht ein, wenn der Widerstand von einem möglichen Fußpunkt zu einem geerdeten Teil so groß ist, dass der entstehende Spannungsabfall zu einem so niedrigen Potential gegenüber den Fangeinrichtungen führt, dass die Entladung an dem Fußpunkt verlöscht, bevor sich der Blitzkopf genähert hat. Ist der Widerstand niedrig, kann der Blitz bis zu einem Strom in dem Bereich vieler Amperes an dem Fußpunkt auf dem Isolierteil bleiben und erst bei höheren Strömen auf die Fangeinrichtung überspringen.

Der Widerstand hängt nicht nur von der Leitfläche der Oberfläche ab, die bei der Verschmutzung und Regen meist wesentlich höher ist als die des Isolierstoffes, sondern auch der Länge bis zu einem geerdeten Teil. Ist bei der in der Abbildung 3.5 dargestellten Anordnung der Antrieb zur Öffnung der Lichtkuppel aus Metall und über Metallene Leitungen mit dem Potentialausgleich verbunden, dann ist die Wegstrecke von einem möglichen Fußpunkt bis dorthin kurz. Die Fangentladung kann unter ungünstigen Umständen auf diesen Antrieb überwechseln, der gesamte Blitzstrom würde dann über die Inneren Verbindungen abfliesen. Die Gefährdung ist daher wesentlich größer als bei einer Lichtkuppel ohne Antrieb oder einem Antrieb und Druckluftleitungen aus Isolierstoff.

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Ende der Leseprobe aus 91 Seiten

Details

Titel
Blitzschutz in Gebäuden
Hochschule
FH Campus Wien  (Technisches Projekt und Prozessmanagement)
Note
1,2
Autor
Jahr
2003
Seiten
91
Katalognummer
V22729
ISBN (eBook)
9783638260015
Dateigröße
1896 KB
Sprache
Deutsch
Anmerkungen
Enthalten sind zusätzlich zur Seminararbeit 35 ergänzende Folien.
Schlagworte
Blitzschutz, Gebäuden
Arbeit zitieren
Wolfgang Kopp (Autor), 2003, Blitzschutz in Gebäuden, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/22729

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