Physikalische Schaubilder

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.