Blitzschutz nach VDE

Risiko-Management   ESE-Fangstangen

Eine der Hauptursachen für Überspannungen sind Blitzeinschläge. In Deutschland werden pro Jahr etwa eine Millionen Blitzeinschläge registriert. Besonders wichtige oder gefährdete Gebäude werden daher mit Blitzschutzsystemen ausgerüstet. Dazu gehört der äußere Blitzschutz mit seinen Fangleitungen, Ableitern und Erdern, sowie der innere Blitzschutz. Der innere Blitzschutz umfasst alle Maßnahmen gegen die Auswirkungen des Blitzstroms. Dazu gehören hauptsächlich der Potentialausgleich und der Überspannungsschutz.

Bild 1: Zuordnung der Teilbereiche eines Blitzschutzes nach VDE

Wie der Blitzschutz aufgebaut werden muss, ist in der Blitzschutznorm DIN EN 62305 Teil 1-4 (VDE 0185-305 1-4) beschrieben. Die vier Teile dieser Norm behandeln folgende Themen:

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

Seit der ersten Ausgabe im Oktober 2006 sind eine Reihe von Beiblättern und Berichtigungen erschienen, die im  VDE-Verlag bezogen werden können. Die Teile 1, 3 und 4 sind im Jahr 2010 in einer zweiten Edition herausgegeben worden.

Für neue Installationen wird nach der Norm für den äußeren Blitzschutz auch die Errichtung des Blitzstromableiters Typ1 verlangt. Daher wird der Typ1-Ableiter auch als Teil des äußeren Blitzschutzes angesehen. Ebenso ist der Potentialausgleich mit Errichtung einer äußeren Blitzschutzanlage nicht nur Teil des inneren Blitzschutzes. Es wird immer ein Blitzstrom-Potentialausgleich gefordert, der den erhöhten Belastungen standhalten muss.

Das Blitzschutzzonen-Konzept

Nach den VDE-Normen wird der Blitzschutz in verschiedene Bereiche eingeteilt. Man benutzt dazu das Modell eines Hauses und geht von außen nach innen mit der Einteilung der Schutzzonen vor (siehe Bild 2). Die Zone 0 liegt außerhalb des Gebäudes. Sie wird noch einmal unterteilt in Zone 0A und Zone 0B, wobei die Zone 0B den Bereich beschreibt, der durch eine Blitzschutz-Fangeinrichtung abgedeckt ist. Im Bild 2 ist eine gestrichelte Linie angedeutet, die nach dem Blitzkugelverfahren die Zonen 0A und 0B trennt. Die Zone 1 befindet sich allgemein im Inneren des Gebäudes. Die Zone 2 existiert nur in komplett abgeschirmten Räumen, wie sie für Technik- oder Serverräume sinnvoll ist. In der kleinsten Einheit befindet sich die Zone 3. Das sind dann die zu schützenden Systeme selbst oder Schranksysteme mit der hochwertigen Technik. Schutzmaßnahmen werden immer an den Übergängen von einer Zone in die nächste Zone notwendig.

Bild 2: Einteilung von Blitzschutzzonen an einem Gebäude

Die Blitzschutzsysteme sollen bauliche Anlagen vor Brand oder mechanischer Zerstörung und Personen vor Verletzung oder gar Tod bewahren. Blitzschutzeinrichtungen werden in Schutzklassen I bis IV definiert. Da es keinen 100%igen Schutz vor Blitzeinschlägen gibt, wird in der höchsten Schutzklasse I von einer 99%igen Sicherheit ausgegangen. In der Tabelle unten sind die einzelnen Schutzklassen mit den wichtigsten Parametern angegeben. Für die Festlegung der Schutzklasse muss eine Risikobewertung nach VDE 0185-05 Teil 2 für das zu schützende Objekt erstellt werden.

Das Blitzschutzsystem besteht aus dem äußeren und dem inneren Blitzschutz. Der äußere Blitzschutz besteht aus der Fangleitung, den Ableitern und der Verteilung des Blitzstromes in der Erde. Der innere Blitzschutz umfasst den Potentialausgleich und den Überspannungsschutz der elektrischen Geräte.

Die Fangeinrichtung kann als Fangstab oder Fangleitung ausgelegt sein. Sie muss den Abschmelzungen am Einschlagpunkt standhalten und den Blitzstrom aufnehmen können. Wegen der hohen Beanspruchung muss die Fangeinrichtung ausreichend dimensioniert sein. Seit einiger Zeit gibt es Bemühungen die Effektivität der Fangstangen zu verbessern. Sogenannte aktive Fangstangen oder ESE-Fangstangen sollen die Luft um die Fangstange vorionisieren und so die dem Leitblitz entgegen wachsende Fangentladung unterstützen. Die Fangentladung entwickelt sich früher und wird entsprechend länger, wodurch sich der Schutzradius der Fangstange erweitert.

Berechnungsverfahren

Auf Grund der Annahme, dass der Durchschlag des Leitblitzes zur entgegenkommenden Fangentladung vom Schutzobjekt in jede Richtung erfolgen kann, werden vorrangig drei Verfahren zur Anordnung der Fangeinrichtung genutzt, das Blitzkugelverfahren, das Schutzwinkelverfahren oder das Maschenverfahren. Im Blitzkugelverfahren wird eine imaginäre Kugel über die zu schützenden Gebäude gerollt. An den Stellen, an denen die Kugel das Gebäude berührt, muss eine Fangeinrichtung installiert werden. Der Radius der Kugel ist entsprechend der Schutzklasse definiert (siehe Tabelle 1) und entspricht direkt der Länge der dem Leitblitz entgegenkommenden Fangentladung.

Bild 3: Blitzkugelverfahren

Interessant in diesem Zusammenhang ist, dass eine höhere Schutzklasse einen kleineren Radius der Blitzkugel vorschreibt und damit Blitzentladungen mit geringerer werdender Intensität in den Schutz einbezieht.

Das Schutzwinkelverfahren ist ein vom Blitzkugelverfahren abgeleitetes vereinfachtes Verfahren, das durch einen errechneten Winkel unter Fangeinrichtungen einen geschützten Raum definiert, in die der direkter Blitzeinschlag entsprechend der Schutzklasse wahrscheinlich nicht erfolgt. Dieser Winkel ist von Tangenten an einen Kreis mit dem Radius der Blitzkugel abgeleitet und daher von der Höhe der Fangeinrichtungen über der Bezugsebene abhängig. Im Bild 4 ist die Bezugsabene für α₁ das Dach und für α₂ die Erdoberfläche woraus der kleinere Winkel für α₂ resultiert.

Bild 4: Schutzwinkelverfahren

Dieses Verfahren ist bei Gebäuden mit symmetrischen Abmessungen und für spezielle Dachaufbauten wie Antennen und Abloftrohre anzuwenden. Die Fangstangen und Fangleitungen sind so anzuordnen, dass alle Teile der zu schützenden Anlage innerhalb des entstandenen Schutzvolumens liegen.

Die Ableitungen verbinden die Fangeinrichtung mit dem Erder. Aus elektrischen, termischen und mechanischen Gründen müssen auch sie mit einen Mindestquerschnitt ausgelegt sein. Die Ableitung zur Erde sollte so kurz wie möglich verlegt werden. Zur Sicherheit und zur Verteilung des Stromes sollten mehrere Strompfade zur Erde installiert werden. Entsprechend der Schutzklasse ist der Mindestabstand von zwei parallelen Ableitern festgelegt. Alle Ableiter müssen eine gut zugängliche Trennstelle zur Erdung aufweisen, die zur Messung des Erdungswiderstandes und verschiedenen Durchgangsprüfungen notwendig sind. Sie dürfen nur mit einem Werkzeug zu öffnen sein und sollten über eine eindeutige Nummer im Plan verzeichnet sein.

Die Erdung übernimmt die Ableitung der elektrischen Ladung in das Erdreich. Allgemein gilt: Je geringer der elektrische Widerstand, desto besser ist die Erdungsanlage. Es gibt in modernen Gebäuden immer einen Fundamenterder. Der Fundamenterder ist bei der Errichtung des Fundaments angelegt worden und optimal für den Blitzschutz geeignet. Falls an dem zu schützenden Objekt kein Fundamenterder existiert (z.B. bei frei stehenden Antennenmasten), können Erder separat angelegt werden. Dafür gibt es entweder Oberflächenerder aus Bandstahl, die in der Tiefe um einen Meter waagerecht in die Erde eingebracht werden, oder Tiefenerder, die aus Rund- oder Profilmaterial mindestens 2,5 Meter senkrecht in die Erde geschlagen werden. Da das Erdermaterial besonders durch Korrosion beansprucht wird, besteht es oft aus feuerverzinktem Stahl und wird an der Anschlussstelle über dem Erdboden noch mal gesondert geschützt.

Bei der Ableitung der Blitzenergie in die Erde entsteht durch den Ausbreitungswiderstand ein Spannungstrichter und damit eine Schrittspannung, die für jeden Menschein eine Gefährdung bedeutet. Die Schrittspannung entspricht dem Spannungsabfall an der Erdoberfläche bei einer Schrittlänge von 1 m. Sie wird mit zunehmender Entfernung zur Ableitung geringer. Es gibt drei wesentliche Maßnahmen um die Schrittspannung wirkungsvoll zu verringern:

• Absperren des gefährdeten Bereichs für Personen durch Zäune, Gitter oder ähnliche Maßnahemen.
• Verringerung des Blitzstromes durch Aufteilung in mehrere parallele Ableiter.
• Erhöhung des Widerstandes an der Erdoberfläche durch Isolierung beispielsweise mit einer Asphaltschicht.

Eine maximal zulässige Schrittspannung wird derzeit nicht in den Normen vorgeschrieben. Vorgeschlagen wurde ein Grenzwert von 25 kV, aber es ist immer anzustreben diesen Wert zu unterschreiten.

In der VDE-Blitzschutznorm ist festgelegt, dass ein äußerer Blitzschutz mit der Erdung und dem Potentialausgleich des Gebäudes verbunden werden muss. Im Falle eines Einschlags von angenommenen 10.000 Volt wird etwa die Hälfte in das Erdreich abgeleitet. Die andere Hälfte wird kurzzeitig über den Potentialausgleich in das Haus geleitet. Damit liegen an den Geräten fast 5.000 Volt an.

Der leistungsfähige Überspannungsschutz vom Typ I kann hier bereits effektiv das hohe Potential abbauen. Daher ist bei neu errichteten Anlagen mit äußerem Blitzschutz auch der Ableiter Typ I gesetzlich vorgeschrieben.

Bild 5: Potentialanhebung beim Blitzeinschlag am Gebäude mit Blitzschutz

Der Blitzimpuls hat einen extrem starken Anstieg, der einer Frequenz von 10 kHz bis 100 MHz entspricht. So verhält sich dieser Impuls bei der Ausbreitung wie eine entsprechend aufmodulierte Frequenz. Durch diese hohe Frequenz ist der Spannungsabfall auf einer normalen Kupferleitung extrem hoch und beträgt bis zu mehreren 100 kV pro Meter. Der Impuls erreicht durch seinen schnellen Anstieg ein starkes Magnetfeld, was in allen nahen Leitern eine hohe Induktionsspannung hervorruft. Daher sollte bei der Installation darauf geachtet werden, dass die Ableitungen des äußeren Blitzschutzes nicht unbedingt und auf lange Strecken parallel zur inneren Installation verlaufen.

Trennungsabstand

Ein Blitz wird von der Blitzschutzanlage immer zum Erdpotential abgeleitet. Auf dem Weg von der Fangstange über die Ableitung besteht immer die Möglichkeit, dass der Blitz einen anderen Weg findet und unberechenbare Schäden anrichtet. Das Überspringen auf einen anderen Weg der Ableitung wird durch elektrische Leiter in der Nähe der vorgesehenen Ableitung ermöglicht. Damit dieses Risiko weitestgehend verringert wird, muss ein Trennungsabstand s von der vorgesehenen Ableitung zu anderen elektrisch Leitenden Teilen eingehalten werden.

Ein Überspringen des Blitzes in der unmittelbaren Nähe der Erde ist recht unwahrscheinlich. Mit wachsender Entfernung von der Erde nimmt das Risiko des Überspringens stetig zu. Der Trennungsabstand ist daher in jeder Höhe unterschiedlich. Neben der Entfernung zur Erde sind noch weitere Faktoren für den Trennungsabstand wichtig. Der Trennungsabstand wird überschlägig nach folgender Formel berechnet:

ki   *   kc   *   l s   =    ------------------- km

ki - Koeffizient entsprechend der gewählten Schutzklasse für das Objekt ki - Koeffizient für die Blitzstromverteilung auf mehrere Ableiter km - Koeffizient für den Werkstoff zwischen der Ableitung und dem nächsten elektrisch leitenden Material l - Länge der Ableitung vom Erdungspunkt zu dem Punkt der aktuellen Betrachtung

Die Ermittlung der einzelnen Koeffizienten erfolgt aus weiteren Formeln oder Tabellen. Eine exakte Berechnung sollte vom ausgebildeten Spezialisten durchgeführt werden. Die ausführliche Formal für komplexe Gebäudegeometrien ist in der entsprechenden Norm [3] zu finden. Für den Laien oder Praktiker kann die vereinfachte Formel genutzt werden. Danach werden für jeden Meter der Ableitung 4 cm Trennungsabstand aufsummiert. Das entspricht nicht der gültigen Norm, bietet aber eine einfache Möglichkeit der Risikoabschätzung bei Veränderungen am Gebäude.

Bild 6: Abhängigkeit des Trennungsabstands s von der Länge der Ableitung

Wenn man beim Betrachten von Bild 6 davon ausgeht, dass ein Blitz mit 150 kA (Schutzklasse II) einschlägt, und die gesamte Ableitung einen Widerstand von 10 Ω hat, ergibt sich nach dem Ohmschen Gesetzt (U = I x R) eine Potentialdifferenz von 1500 kV. Eine zu hohe Potentialdifferenz führt zu Überschlägen. Entsprechend dem längenabhängigen Widerstand der Ableitung wird die Potentialdifferenz in Richtung Erdungspunkt geringer. Der Trennungsabstand s₁ ist daher kleiner als der für weiter oben berechnete Abstand s₂. Durch eine Aufteilung in mehrere Ableitungspfade (k_i) kann der Trennungsabstand ebenfalls verringert werden.

Sofern der Trennungsabstand nicht eingehalten werden kann, besteht die Möglichkeit das elektrisch leitende Material direkt mit der Ableitung zu verbinden und von dort den Trennungsabstand zu weiteren gefährdeten Materialien einzuhalten. Dadurch wird das Einhalten des Trennungsabstandes aber immer komplizierter. Von einigen Herstellern von Blitzschutzmaterial werden isolierte Ableitungen angeboten. Das Konzept der isolierten Ableiter besteht darin, die Ableitung mit einem hochwirksamen Isolierstoff zu versehen, dass der Trennungsabstand nicht weiter betrachtet werden muss. Diese isolierten Ableiter werden noch sehr selten eingesetzt, weil sie recht teuer und empfindlich sind.

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