Menschen, Lebensraum und Eigentum müssen gegen Schaden durch Blitz und Überspannung geschützt werden. (siehe Verband der Brand-und Schadensversicherer) Physik: Die gegenseitigen Einflüsse elektromagnetischer Wirkungen beinhalten zwei Relationen: a) die elektromagnetische Empfindlichkeit b) die elektromagnetischen Störungen Wenn man mit elektrischer Energie umgeht muß man sich über folgende Größen Gedanken machen: - Spannungshöhe - Frequenz - nichtlineare Störungen - Überspannungshöhe und Frequenz von Störungen (Harmonische) Ziel des Überspannungsschutzes ist der Schutz des Lebens von Personen, und eine max. Verfügbarkeit aller elektronischen Komponenten die an das Versorgungsnetz angeschlossen sind zu erreichen. Standard Test-Stromimpulse a) Prüfstrom für Blitzstromableiter Iimp(10/350µs) b) Prüfstrom für Überspannungsableiter Imax(8/20µs) Blitzstromableiter müssen unter den Bedingungen (10/350µs) das ca. 17,5-fache mehr an Energie ableiten als Überspannungsableiter unter (8/20µs). Daraus ergibt sich Ihr unterschiedlicher Aufbau. Ursachen und Eigenschaften von Blitz-Spannungen und Strömen In der folgenden Tabelle werden nocheinmal die typischen Gründe für das Auftreten von Blitzüberspannungen und Strömen über die Umgebung außerhalb von Gebäuden, die Gebäudehülle und Leitungen über induktive und kapazitive Einkoppelung beschrieben. Folgende Werte treten üblicher Weise auf: Ursache | Überspannung (Spitze) | Überstrom (Spitze) | Abfallzeit 50% | direkter Blitzeinschlag | n * 100kV | >30kA (50% aller Fälle) >100kA (5% aller Fälle) >150kA (1% aller Fälle) | ca. 200 - 1000µs | Galvanische Einkoppelung | n * 10kV | ferne bis zu 1kA in Nähe n * 1kA neben Gebäude n * 10kA | typ. ca. 700µs | Induktive Einkoppelung | transversal n * 1kV längseits n * 10kV | n * 1kA n* 10kA | typ. 20µs | Kapazitive Einkoppelung | transversal/längseits n * 1kV | n * 1kA | typ. 50 – 100µs | Der Testimpuls für Blitzstromableiter (10/350µs) wird üblicher Weise dazu benutzt den Direkteinschlag in Überlandleitungen und die galvanische Einkoppelung in das Versorgungsnetz zu simulieren. Der Stromimpuls (8/20µs) und der Spannungsimpuls (1,2/50µs) werden benutzt um die induktive und kapazitive Einkoppelung zu simulieren. Arten der Einkoppelung Generell: Störenergien können über verschiedene Wege in ein Gebäude eindringen. Primär ist es das Leitungsnetz über das eine Einkoppelung erfolgt. Galvanische Einkoppelung erfolgt über einen Blitzschlag in eine Überlandleitung. An jedem Transformatorknoten entstehen dann Überspannungen, die trotz Blitzschutzableitern im Energietechnikbereich zum Teil ins Leitungsnetz eingekoppelt werden. Ein ebenso kritischer Punkt ist die Anhebung des Erdpotentials gegenüber dem Versorgungs- netz. Kapazitive Einkoppelung erfolgt durch parallele Leitungsführung , bzw. durch das elektrische Feld eines Blitzes in das Leitungsnetz. Induktive Einkoppelung Ursache für die induktive Koppelung ist das durch die Wirkung des Blitzes ausgelöste magnetische Feld, das in jedem elektrischen Leiter auf das er einwirkt einen elektrischen Strom induziert, und an deren Enden eine Überspannung verursacht. Je höher die Stromänderungs- geschwindigkeit (di/dt) desto höher ist auch die Induktion. Direkter Blitzschlag zwischen einer Wolke und Erde oder zwischen zwei unterschiedlich geladenen Wolken. Nur ein geringer Anteil von Entladungen findet zwischen Wolken und Erde statt. Wolkenblitze gehen von sogenannten Gewitterzellen aus. Jede Gewitterzelle ist für ca. 30 Minuten aktiv und produziert ca. 2 bis 3 Blitze pro Minute. Eine Gewitterzelle reicht oft bis zu 10km in die Höhe, deren Boden für uns sichtbar ca 1- 2 km über dem Boden schwebt. In der Mitte einer Gewitterzelle herrscht ein starker Aufwärtswind, der zu einer Ladungstrennung in den Wolken führt. Die positiven Teilchen befinden sich am oberen Ende einer Gewitterzelle, die negativen sind in Wassertropfen auf der unteren Seite der Gewitterzelle angesiedelt. Wenn die Zelle nahe an den Boden kommt, hat sie das Bedürfnis sich zu entladen. Bäume am Waldrand wirken dabei wie Blitzableiter. Im Vorfeld des Sommers entstehen Gewitter duch die Bewegung großer Luftmassen. Die Entstehungshäufigkeit ist saisonabhängig. In den Sommermonaten (Juli – August) entstehen fünf mal mehr Gewitter als zu anderen Jahreszeiten. Die Aufheizung der Erde fördert die Aufwärtsbewegung der Luftmassen und damit aus die Entstehung der Gewitter. In Anlehnung an IEC 1312-1:1995 ist es möglich einen Blitz und seine Eigenschaften zu beschreiben: | Einheit | Größe | Absolute Impulsladung Qr | C | max 300 C | Erste Blitzladung Qs | C | max 100 C | Erster Blitzstrom IImp | kA | max 200 kA | Spezifische Energie des ersten Blitzes | MJ/Ω | max 10MJ/Ω | Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt | kA/µs | max 200kA/µs | Verteilung von Blitzströmen bei einem Blitzschlag Das Schutzsystem muß in der Lage sein eine Blitzüberspannung über Ableiter und Überspannungsschutzkomponenten abzubauen ohne daß es dauerhaft Schaden nimmt. Es ist zu empfehlen in einem Gebäude einen Potentialausgleich zu schaffen z.B. zwischen Hauserder, Heizungsrohren, der Elektroverteilung, Wasserleitungen usw. um eventuelle Differenzpotentiale zu vermeiden. Das folgende Diagramm zeigt eine typische Verteilung von Blitzströmen in einem Blitzschutz Stufenkonzept. Dort wo eine explizite Messung unmöglich ist gilt folgende Annahme: - 50% des Blitzstromes von Iimp=200kA (10/350µs)/2=IS1=100kA wird durch die Metallableiter gegen Erde abgeführt. - 50% des Blitzstromes von Iimp=200kA (10/350µs)/2=IS2=100kA wird von den Hauskomponenten dem TK/Informationsnetz, Metallleitungen und dem Elektronetz aufgenommen. Geht man also davon aus, daß ca. 17% von 100kA über das Elektronetz abgebaut werden müssen, wären das IELT=17kA. Da sich die Überspannung auf mehrere Phasen n verteilt beträgt der maximale Ableitstrom durch die Einzelkomponente IELT/n = 17kA/3 = 5,66kA. Da die Standardkomponenten alle mit 8/20µs also 8kA bei 10/350µs Spannungsimpuls (4% von Iimp) ausgelegt sind, wird der anteilige Blitzstrom sachgerecht abgeleitet. Aufbau des Schutzzonen Konzeptes nach IEC 1312-1 / IEC 62305-4 / DIN VDE V 0185-4 Die Schutzzonen (Lightning Protection Zones LPZ) werden unterteilt in Zonen mit direkter und indirekter Berührung mit der Störgröße (Blitz). LPZ0A Zone die im direkten Kontakt mit dem Blitzstrom steht und diesen abführen muß, und auf die das komplette elektromagnetische Feld wirkt. LPZ0B Zone die nicht im direkten Kontakt mit dem Blitzstrom steht, jedoch mit anteiligen Strömen belastet wird, auf die jedoch das komplette magnetische Feld einwirkt. LPZ0C (IEC 62305-4/ DIN VDE V 0185-4) Zone außerhalb des Gebäudes definiert 3 m außerhalb des Gebäudes auf der Erde, wo Teile von Blitzströmen und ein großer Teil des magnetischen Feldes wirken mit Gefahr für Lebewesen. LPZ1 Zone mit weiter begrenzten Blitzströmen durch Überspannungsschutzkomponenten zwischen den Schutzzonen. Abgeschwächte Wirkung des magnetischen Feldes durch bauliche Bedingungen. LPZ2 Innere Zone mit stark abgeschwächten Impulsströmen und einem sehr abgeschwächten magnetischen Feld gedämpft durch bauliche Bedingungen. Eine fortlaufende Reduzierung von Impuls-Strömen und Spannungen ist eine eindeutige Notwendigkeit. Die Anforderungen für den Aufbau eines Überspannungsschutzes hängt von der Anforderung des zu schützenden Systems ab. Grundsätzlich gilt je höher die Nummer der Zone desto geringer ist die Stärke des magnetischen Feldes und der Impulsströme. Hinweis: Die Verbindung an den Grenzen zwischen den Zonen LPZ0A , LPZ0B,0C ,LPZ1 wird im Abschnitt 3.1 der IEC 1024-1 zusätzlich beschrieben. Die magnetischen Felder innerhalb eines Gebäude hängen jedoch von vielen individuellen Randbedingungen ab (z.B. geöffnete Fenster, Ableitströme entlang Blitzableitern am Gebäude, Potentialausgleich, Rohrnetze, elektr. Leistungsführung usw.). Das folgende Schaubild soll den Aufbau des Zonenkonzeptes verdeutlichen. Die zuvor beschriebene Aufteilung gibt einem die Möglichkeit ein Versorgungssystem dank dem Einsatz von Überspannungsschutzkomponenten an der Grenze der LPZ0 --> 1 und an der Grenze der LPZ1 --> 2 zu schützen. Für den Übergang der Zone LPZ0 --> 1 müssen immer Class I Komponenten (10/350µs) verwendet werden (1. Schutzstufe). Durch Einsatz von Kombiableitern Class I+II kann an diesem Einsatzort schon Up<1,3kV erreicht und auf eine folgende Class II Komponente eventuell versichtet werden.
Es ist empfohlen am Übergang der Zone LPZ1 --> 2 Class II Komponenten (8/20µs) einzusetzen (Schutzstufe 2). Es ist empfehlenswert alle 10m einen Ableiter Class III einzusetzen (Übergang LPZ2-->3 oder darunter), um induktive Einkoppelungen direkt abzublocken (8/20µs). Für Telekommunikation können auch Frequenzfilter Sinn machen. Das Erdungssystem muß möglichst gut miteinander verbunden sein, um eine weite Aufteilung von Impulsströmen zu ermöglichen. Geschirmte Kabelwege sind eine weitere Verbesserung. |