Blitzschutz

Unter Blitzschutz versteht man Vorkehrungen gegen schädliche Auswirkungen von Blitzeinschlägen auf bauliche Anlagen .

Blitzeinschläge können Teile von Gebäuden ohne Blitzschutz zerstören, wenn zum Beispiel in Baustoffen enthaltenes Wasser oder Harz oder ätherische Öle in Holz explosionsartig verdampfen oder Brände entstehen. Der Blitz kann direkt oder durch sein starkes elektromagnetisches Feld in elektrische Leitungen (zum Beispiel von Antennen oder Photovoltaikanlagen ) oder Rohrleitungen (zum Beispiel von Solarkollektoren ) einkoppeln und in das Innere von Gebäuden eindringen und dort weitere Zerstörungen anrichten.

Ein vollständiges Blitzschutzsystem (LPS; Lightning Protection System) besteht aus einem äußeren Blitzschutz und einem inneren Blitzschutz ( Überspannungsschutz ).

Normung

Der umfassende Blitzschutz ist international in der IEC 62305 und europäisch in der EN 62305 definiert. Im deutschsprachigen Raum wurde die EN gemäß den gemeinsamen Regeln der CEN/CENELEC durch Veröffentlichung eines identischen Textes mit nationalem Vorwort in die jeweiligen nationalen Normenwerke mit aufgenommen.

Die Normenreihe EN 62305 besteht aus vier Teilen:

• Teil 1: Allgemeine Grundsätze
• Teil 2: Risiko-Management
• Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen
• Teil 4: Elektrische und elektronische Systeme in baulichen Anlagen

Sie bietet ein Gesamtkonzept zum Blitzschutz und berücksichtigt

• die Gefährdung durch Blitzeinschläge (direkt und indirekt) sowie den Strom und das Magnetfeld des Blitzes
• die Schadensursachen (Spannungen, Funkenbildung, Feuer, Explosion, Überspannungen, mechanische und chemische Wirkungen)
• die zu schützenden Objekte (Personen, Gebäude, Anlagen)
• die Schutzmaßnahmen wie Fangeinrichtungen, Ableitungen und Schirmungen. ^[1]

Die IEC-Norm 62305 wurde im Dezember 2010 in vier Teilen veröffentlicht. Der zweite Teil (EN 62305-2), der zunächst in Europa nicht die erforderliche Abstimmungsmehrheit erreicht hat, musste vor der Veröffentlichung als DIN EN 62305-2; VDE 0185-305-2:2013-02 bei der CENELEC nachgearbeitet werden. ^[2]

In Deutschland wurde die DIN EN 62305 zudem, weil sie Sicherheitsfestlegungen über die Abwendung von Gefahren für Menschen, Tiere und Sachen enthält, in das VDE-Vorschriftenwerk unter VDE 0185-305 mit aufgenommen. Sie entfaltet somit nach herrschender Rechtsprechung die Vermutungswirkung, eine anerkannte Regel der Technik zu sein. ^[3]

Blitzschutzzone und Gefährdungspegel

In der EN 62305-4 werden Blitzschutzzonen (LPZ, lightning protection zone) definiert. Die Einteilung geht von LPZ ₀ für ungeschützte Bereiche bis zu LPZ ₂ und höher für stark abgeschirmte Bereiche. Analog dazu werden in der EN 62305-1 Gefährdungspegel (LPL, lightning protection level) von I bis IV beschreiben, wobei im Allgemeinen der LPL II, für elektronische Systeme jedoch der LPL I empfohlen wird. ^[4]

Funktion

Eine Blitzschutzanlage verringert die Schäden, die ein einschlagender Blitz im zu schützenden Objekt verursacht. Im Falle eines Einschlages bietet die Blitzschutzanlage dem Blitzstrom einen definierten, niederohmigen Strompfad. Die primäre Schutzfunktion besteht darin, den Blitzstrompfad am zu schützenden Objekt vorbeizuführen.

Die Schutzwirkung der Fangeinrichtung beruht darauf, dass sich durch die hohe Randfeldstärke unmittelbar über der geerdeten Fangeinrichtung Teilentladungen wie die Koronaentladungen ausbilden. Diese schwachen Gasentladungen führen bevorzugt an elektrisch leitfähigen Spitzen und Kanten zufolge der Spitzenentladung an der Fangeinrichtung zu einer teilweisen Ionisierung der umgebenden Luft, wodurch ein eventuell in Folge einsetzender Blitz mit höherer Wahrscheinlichkeit in die Fangeinrichtung einschlägt. Blitzschutzanlagen werden zur Erhöhung der Randfeldstärke über den Blitzableiter mit einem möglichst spitzen Ende nach oben ausgeführt.

Mittels der Konzentration der Ladungsträger, die der elektrischen Ladung einer Wolke entgegengesetzt geladen sind, wird der Blitzschlag in die Fangeinrichtung geleitet.

Sekundärschäden

Schlägt ein Blitz trotz der Blitzschutzwirkung in das Blitzschutzsystem ein, so fließen kurzzeitig sehr hohe Ströme innerhalb der Blitzableiter. Diese hohen Ströme induzieren innerhalb der elektrischen Versorgungsleitungen (Stromversorgungsnetz, Telefonleitungen, Antennenleitung, Netzwerkleitungen, etc.) des geschützten Objektes Sekundärspannungen und Sekundärströme (vgl. Transformator), welche elektrische Geräte, die an diesen elektrischen Leitungen angeschlossen sind, zerstören können. Dieser Effekt tritt besonders dann auf, wenn sich die elektrischen Versorgungsleitungen in der Nähe und parallel zu den Blitzableitern befinden.

Äußerer Blitzschutz

Der äußere Blitzschutz bietet Schutz bei Blitzeinschlägen, die direkt in die zu schützende Anlage erfolgen würden. Er besteht aus Fangeinrichtungen, Ableitungsanlage und Erdungsanlage. Bei einem idealisiert angenommenen Gebäude, dessen Dach und Außenwände aus Metall oder Stahlbeton bestehen, könnte der äußere Blitzschutz als Faradayscher Käfig ausgeführt werden.

Blitzkugelverfahren zur Ermittlung der Schutzbereiche

Das Blitzkugelverfahren ist ein maßgebliches Verfahren zur Ermittlung von Eintrittstellen, die für einen direkten Blitzeinschlag in Frage kommen und ist in der EN 62305-3 normiert. ^[5] Es definiert den durch einen Blitz gefährdeten Bereich als Kugel, deren Mittelpunkt die Spitze des Blitzes ist. Die Oberfläche der Kugel stellt eine Äquipotentialfläche eines elektrischen Feldes dar. Es gibt vier Blitzschutzklassen, die jeweils verschiedenen Wahrscheinlichkeiten dafür entsprechen, dass der Scheitelwert eines Blitzstroms unterhalb einer vorgegebenen Stromstärke liegt. Die Blitzschutzklasse einer Anlage muss auf der Grundlage einer Risikobewertung nach EN 62305-2 ermittelt werden. Für jede Blitzschutzklasse wird eine Blitzkugel mit einem bestimmten Radius definiert:

Erfahrungsgemäß kann an jedem Ort einer Anlage, die von einer Kugel solcher Größe berührt werden könnte, ein Blitzschlag mit entsprechender Blitzschutzklasse erfolgen. Je kleiner der Radius der Blitzkugel angenommen wird, desto mehr potenzielle Einschlagstellen werden erkannt.

Das Blitzkugelverfahren kann durch Abrollen einer Kugel über ein maßstäbliches Modell der Anlage oder mit Hilfe der Geometrie angewendet werden. Jede Blitzschutzanlage muss einer vollständigen Überprüfung nach dem Blitzkugelverfahren standhalten können.

Die empirisch ermittelten Wahrscheinlichkeiten, dass ein Blitz nicht in die zu schützende Anlage einschlägt, sondern von nach dem Blitzkugelverfahren konstruierten Fangeinrichtungen abgefangen wird, betragen:

Bei kleineren als den angegebenen Blitzströmen ist die Fangwahrscheinlichkeit geringer. Der umfassendste Blitzschutz ist somit bei Blitzschutzklasse I gegeben.

Fangeinrichtungen

Die Fangeinrichtungen haben nach EN 62305 Teil 3 die Aufgabe, direkte Blitzeinschläge, welche ohne Fangeinrichtung in das Gebäude einschlagen würden, einzufangen. Fangeinrichtungen können aus Stangen, Drähten, Seilen oder Metallteilen der zu schützenden Anlage wie zum Beispiel Teile von Metalldächern bestehen. Die Fangeinrichtung überragt konstruktionsbedingt die äußere Kontur des eigentlichen Baukörpers.

Ihr Material muss witterungsbeständig, elektrisch gut leitfähig und blitzstromtragfähig sein. Daher werden Metalle wie Kupfer , Aluminiumlegierung (AlMgSi), Niro (V2A) oder verzinkter Stahl verwendet. Der Leitungsquerschnitt (i.d.R. 50 mm²) bzw. Durchmesser (mind. 8 mm) muss so gewählt sein, dass der hohe Energieeintrag eines Blitzschlags nicht zum Schmelzen der Fangeinrichtungen führt. Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass der Blitzstrom nur einige Millisekunden fließt.

Exponierte Stellen einer Anlage, die für einen direkten Blitzeinschlag in Frage kommen, werden oft mit Fangeinrichtungen versehen oder als Fangeinrichtung ausgebildet. Die Fangeinrichtungen sind typischerweise untereinander und auf kurzem Weg mit der Ableitungsanlage verbunden.

Schutzwinkelverfahren

Das Schutzwinkelverfahren ist ein vom Blitzkugelverfahren abgeleitetes vereinfachtes Verfahren, das durch einen errechneten Winkel unter Fangeinrichtungen begrenzte Bereiche definiert, in denen ein direkter Blitzeinschlag unwahrscheinlich ist. Dieser Winkel ist von Tangenten an einen Kreis mit dem Radius der Blitzkugel abgeleitet und daher von der Höhe (oberes Ende) der Fangeinrichtungen über der Bezugsebene abhängig. Über diesen Winkel lässt sich auch die benötigte Höhe der Fangeinrichtung berechnen. Als Fangeinrichtungen nach dem Schutzwinkelverfahren werden Fangstangen – umgangssprachlich Blitzableiter – und Fangleitungen, auch Fangseil genannt, verwendet.

Maschenverfahren

Das Maschenverfahren ist ein vom Blitzkugelverfahren abgeleitetes vereinfachtes Verfahren, das ein Netz von Fangleitungen zum Schutz ebener Flächen definiert. Die maximale Maschenweite hängt von der benötigten Schutzklasse ab.

Auf Industriebauten wird das Maschenverfahren in der Regel durch Fangstangen ergänzt, die Bauteile (zum Beispiel Klimaanlagen und Dachkuppeln), die über das Maschensystem herausragen, schützen.

Ableitungsanlage

Die Ableitungsanlage leitet den Blitzstrom von den Fangeinrichtungen zur Erdungsanlage.

Sie besteht aus annähernd senkrecht geführten Ableitungen, die über den Umfang der baulichen Anlage verteilt sind. Als Ableitungen können sowohl separate Leitungen als auch ausreichend dimensionierte und blitzstromtragfähig verbundene Metallteile der zu schützenden Anlage verwendet werden. Die benötigte Anzahl der Ableitungen und ihr maximaler Abstand sind von der benötigten Schutzklasse abhängig.

Erdungsanlage

Die Erdungsanlage leitet den Blitzstrom in den Erdboden.

Sie beinhaltet immer den Fundamenterder , wenn dieser vorhanden ist. Er muss für jede Ableitung einen nach außen geführten Anschluss aufweisen. Wenn das Fundament vollständig isoliert (bei alten Häusern fehlt der Fundamenterder oftmals) oder der Erdwiderstand zu hoch ist, muss der Fundamenterder durch zusätzliche Ringerder , Strahlenerder , Plattenerder, Tiefenerder oder natürliche Erder ergänzt werden. Diese müssen dauerhaft korrosionsgeschützt sein und werden daher möglichst aus nichtrostendem Stahl V4A (Werkstoff-Nr. 1.4571) erstellt. Nur bei unbeeinflussten Erdern kann auf verzinkten Stahl zurückgegriffen werden.

Ringerder, Erdungsplatten und Strahlenerder müssen mindestens 50 cm tief in den Erdboden eingebracht werden. Die Tiefe verhindert ein Austrocknen des Erders in trockenen Sommern (Erhöhung des Erdungswiderstandes) und eine verstärkte Korrosion durch Luftabschluss. Tiefenerder werden senkrecht in den Boden getrieben und können durchaus neun Meter oder länger sein. Sie bestehen in der Regel aus nichtrostenden Stahl V4A, verzinkter Stahl kommt wiederum nur zum Einsatz, wenn keine Korrosionsgefahr (elektrochemische Korrosion beachten) besteht.

Innerer Blitzschutz

Der innere Blitzschutz ist die Gesamtheit der Maßnahmen gegen Überspannungen unterschiedlichster Art. Auch Auswirkungen eines Blitzeinschlages bis in ca. 1,5 km Entfernung werden auf Installationen sowie elektrische und elektronische Anlagen der baulichen Anlage übertragen.

Diese Überspannungen können auf mehrere Arten entstehen:

1. Durch direkte Einwirkung des Blitzstromes aufgrund eines Einschlages in das Gebäude oder Versorgungsleitungen.
2. Durch direkte Einwirkung des Blitzstromes aufgrund eines Einschlages in Energie-/Telekommunikationszuleitungen.
3. Durch indirekte Einwirkung hoher Spannungen aufgrund eines entfernten Einschlages.

Für den Überspannungsschutz von elektrischen Anlagen und Endgeräten werden Überspannungsschutzgeräte ( S urge P rotective D evices) eingesetzt, die nach der Norm EN 61643-11 in drei Kategorien eingeteilt sind:

• SPD Typ 1 (Grobschutz) müssen an allen Einführungen von elektrischen Leitungen in den Schutzbereich des äußeren Blitzschutzes eingesetzt werden. Sie leiten den vollen Blitzstrom ab, belassen es aber bei einer für elektronische Geräte gefährlichen Überspannung . SPD Typ 1 bestehen aus in Gehäuse eingebaute Funkenstrecken (Trennfunkenstrecken). Der Einsatz von Kombiableitern (kombiniert Typ 1 und Typ 2) kann wirtschaftlicher sein. Die Vorteile liegen in einer Platz- und Kostenersparnis, gegenüber einem vergleichbaren SPD Typ 1.
• SPD Typ 2 (Mittelschutz) reduzieren das Spannungsniveau weiter. Sie werden in der Regel in Unterverteilungen eingesetzt. Für SPD Typ 2 werden häufig leistungsstarke Varistoren eingesetzt.
• SPD Typ 3 (Fein- oder Geräteschutz) reduzieren das Spannungsniveau auf ein für elektronische Geräte ungefährliches Maß. Sie werden möglichst nahe, max. 10 m, bei den zu schützenden Endgeräten eingesetzt. SPD Typ 3 sind z. B. Überspannungsschutz -Steckdosen und Überspannungsschutz-Steckdosenadapter. Der Überspannungsschutz wird bei dieser Kategorie durch Kombination von Varistoren und gasgefüllten Überspannungsableitern erreicht.

Blitzschutz bei Antennen

Antennen stellen besonders durch Blitzschlag gefährdete Objekte dar, da sie sich funktionsbedingt an exponierter Stelle befinden und elektrisch leitfähig sind. Wenn ein Blitz in eine Antenne einschlägt, wird der Blitzstrom über die Abschirmung des angeschlossenen Koaxialkabels ins Gebäude geleitet. Um zu vermeiden, dass dann im Gebäude ein Lichtbogen zwischen der Abschirmung und geerdeten Teilen zündet, muss jede Antenne, die sich nicht im Schutzbereich einer Fangeinrichtung befindet, geerdet werden. Der hohe Blitzstrom in der Abschirmung ruft eine hohe Spannung am Kabel hervor, die angeschlossene Geräte zerstört. Diese kann durch Überspannungsschutzgeräte an beiden Enden des Kabels verhindert werden.

Selbststrahlende Sendemasten für Lang- und Mittelwelle können nicht geerdet werden, weil über die Erdung die abzustrahlende Hochfrequenzenergie abfließen würde. Solche Masten besitzen am Fußpunktisolator eine Funkenstrecke (Trennfunkenstrecke), über die der Blitz überspringen kann. Diese Funkenstrecke wird so eingestellt, dass bei der am Mast anliegenden Spannung auch bei strömendem Regen keine Entladung auftreten kann. Um das Überspringen des Blitzes über die Funkenstrecke zusätzlich zu fördern, ist in die Speiseleitung eine Induktivität mit einer Windung, die Blitzschlaufe eingebaut.

Ein Verstimmschutz überwacht, ob die Antenne stets den richtigen Widerstand hat und bewirkt bei einem Blitzschlag, der zum Kurzschluss des Senderausgangs führt, ein kurzzeitiges Abschalten des Senders. Hierdurch wird verhindert, dass durch die Sendeleistung gespeiste Lichtbögen stehen bleiben, welche unter Umständen die Maststatik und den Sender gefährden können. Manchmal sind auch noch UV -Detektoren vorhanden, die überwachen, dass keine Lichtbögen bestehen bleiben. Nach einer gewissen Zahl von Ausschaltungen wird der Sender oft für längere Zeit abgeschaltet und der Mast wird automatisch geerdet.

Für die Dimensionierung der Isolation von Pardunenunterteilungsisolatoren wird die statische Aufladung bei Gewittern zum Hauptkriterium und nicht die Sendeleistung. Da die Isolatoren stets mit Überspannungsableitern, die einer Wartung bedürfen, ausgestattet sein müssen, werden die Pardunen gelegentlich auch über Spulen, die eine Verstimmung der Seile bewirken, oder in Ausnahmefällen auch direkt geerdet. Bei derartigen Konstruktionen gibt es nur am Mast und an den Spulen Überspannungsableiter.

Ausnahmen gelten für Antennenanlagen, beispielsweise Satellitenantennen, die 2 m unterhalb der Dachtraufkante und nicht weiter als 1,5 m von der Hauswand ausragend angebracht sind. Dieses ist in der Regel der Fall, wenn die Antenne auf dem Balkon oder mittels eines Wandhalters unterhalb der Dachtraufkante angebracht ist. ^[6]

Blitzschutz bei Freileitungen

Freileitungen für Hochspannung werden in der Regel mit Erdseilen überspannt. Deren Wirksamkeit als Fangeinrichtung kann jedoch nicht beurteilt werden, weil es für den Blitzschutz von Freileitungen keine anerkannten Regeln der Technik gibt. Die Internationale Elektrotechnische Kommission befand vor mehreren Jahren lediglich, dass diese fehlen und in der Norm IEC 62305-5 formuliert werden sollen.

Blitzschutz bei Seilbahnen

Wie alle Türme und Freileitungen laufen auch Seilbahnen, insbesondere Luftseilbahnen , Gefahr, von Blitzen getroffen zu werden. Schlägt ein Blitz in eine Seilbahnstütze , direkt in eine Gondel oder in ein Trag-, Zug- oder Förderseil ein, so erfolgt ein Potentialausgleich mit dem Erdboden. Seilbahngondeln wirken dabei wie Autos als Faradaysche Käfige , das heißt, das Innere bleibt in Näherung frei vom elektrischen Feld.

Stützen müssen nach den gesetzlichen Vorschriften geerdet sein. ^[7] Bei einem Blitzeinschlag in ein Tragseil wird der Blitzstrom über die metallenen Tragseilsättel oder die Abspannung abgeleitet, bei Einschlägen in Förderseile und Zugseile, die bei den Masten über gummigefütterte Rollen laufen, fließt der Strom über die Stahlseile zu den Stationen. Dort können technische Bauteile, vor allem Sensoren und andere elektrische und elektronische Komponenten, durch den Blitzstrom beschädigt werden, sofern die Drahtseile nicht rechtzeitig vor Herannahen des Gewitters extra geerdet wurden.

Der Kontakt der Zug- oder Förderseile mit den Rollen und Seilumlenkscheiben reicht wegen der Gummifütterung derselben alleine nicht aus, um einen niederohmigen Strompfad zur Erdung sicherzustellen. Obwohl die Gummiauflagen der Rollen und Umlenkscheiben zur Vermeidung von im regulären Betrieb und bei Gewittern entstehenden elektrostatischen Aufladungen aus elektrisch leitendem Material produziert werden, kann dieses begrenzt leitfähige Gummimaterial stärkere Blitzströme nicht ableiten. ^[8]

Ein schlüssiger Kontakt ist nur mit stillstehenden Seilen möglich. Bei älteren Seilbahnanlagen werden vor einem Gewitter die Seile manuell mit einer fest zu montierenden Erdungsstange geerdet, bei modernen Anlagen kann das vollautomatisch erfolgen. ^{[9] [10]} Generell mindern Erdseile , die oberhalb des Fahrweges von Mast zu Mast gespannt werden, das Risiko von Einschlägen in die Seilbahnseile.

Bei Stahlseilen können an der Blitzeinschlagstelle einzelne Litzen beschädigt werden. Obwohl ein Blitzschlag bisher kein Seilbahnseil unmittelbar zum Reißen gebracht hat, werden die Seilbahnseile bei den regelmäßigen Seilkontrollen visuell auf eventuelle Schäden durch Blitzeinschläge untersucht. ^[11] Sonstige Schäden durch Blitzeinschlag treffen vor allem exponiert angebrachte Windmesser und zugehörige elektrische Leitungen (sowie Leitungen für Strom, Telefon, Lautsprecher, Daten) ohne Blitzableiter in der Nähe.

Blitzeinschläge in Schlepplifte sind sehr gefährlich, da der Potentialausgleich durch die Körper der mehr oder minder geerdeten Liftbenutzer erfolgen kann. Solche Anlagen werden daher nach den Betriebsvorschriften vor Gewittern außer Betrieb gesetzt.

Literatur

•   Fridolin Heidler, Klaus Stimper: Blitz und Blitzschutz . Grundlagen der Normenreihe VDE 0185 – Entstehung von Gewittern – Blitzortungssysteme – Blitzströme und ihre Wirkungen – Schutz von Gebäuden und elektrischen Anlagen. VDE-Verlag, 2009 , ISBN 978-3-8007-2974-6 .
•   Verband Deutscher Blitzschutzfirmen e.V. (Hrsg.): VDB Blitzschutz Montage-Handbuch auf CD . Köln 2009 .
•   DEHN + SÖHNE (Hrsg.): BLITZPLANER® . 3. aktualisierte Auflage. 2013 , ISBN 978-3-9813770-0-2 . PDF-Version
•   Peter Hasse, Johannes Wiesinger: Handbuch für Blitzschutz und Erdung – mit 33 Tabellen . VDE-Verlag, Offenbach 1993 , ISBN 3-7905-0657-5 .
•   Ernst Ulrich Landers, Peter Zahlmann: EMV – Blitzschutz von elektrischen und elektronischen Systemen . Risikomanagement, Planen und Ausführen nach den neuesten Normen der Reihe DIN EN 62305-x (VDE 0185-305-x). VDE-Verlag, Offenbach 2013 , ISBN 978-3-8007-3399-6 .