Vorbeugender Blitzschutz

Vorbeugender Blitzschutz bedeutet, die Informationen über ein nahes Gewitter und eine bevorstehende Blitzentladung frühzeitig zu nutzen um geeignete Maßnahmen zur Sicherung von Personen und Objekte rechtzeitig einleitet zu können. Dabei vervollständigt der vorbeugende Blitzschutz nur die installierte Blitzschutzanlage. Er kann sie nicht ersetzen!

Der VDE hat die Anforderungen in der Norm DIN EN 50536 [6] unter dem Namen "Blitzschutz - Systeme zur Gewitterortung" zusammen gefasst. Die deutsche Norm ist als Entwurf am 11.01.2010 erschienen und der Öffentlichkeit zur Prüfung und Stellungnahme vorgelegt worden.

Nach dieser Norm wird für folgende Situationen eine Frühwarnung über heranziehende Gewitter dringend empfohlen:

• für Personen im freien Gelände, bei der Verrichtung ihrer Arbeit, in der Landwirtschaft oder beim Sport- oder anderen Großveranstaltungen
• für sensible Schutzgeräte wie Computer, elektronische Steuerungen, Alarm- und Sicherheitssysteme
• für Gefahrgüter mit hohem Unfallrisiko wie explosionsgefährdete Stoffe, Gifte und radioaktive Materialien
• für Technik zur Aufrechterhaltung der Grundversorgung wie Telekommunikation, Energieversorgung und Gesundheitswesen
• für Infrastruktur wie Flughäfen, Schifffahrt, Bahnhöfe, Schranken, Tunnel und Brücken

In Amerika ist etwa jeder fünfte Blitztote auf einem Golfplatz gestorben. Am 27. August 2006 sind durch einen Blitzschlag bei einer Flugshow in der Nähe von Köln zwei Personen schwer und 16 weitere Personen leicht verletzt worden. Mit einem vorbeugenden Blitzschutz sind solche Unfälle vermeidbar. Ein Teil der oben genannten Norm zur Gewitterortung beschäftigt sich mit der Risiko-Abschätzung für Menschenleben und Verletzungen. Jeder Veranstalter von Ereignissen mit Personen unter freiem Himmel sollten diese Risiko-Identifizierung gewissenhaft durcharbeiten.

Der korrekte vorbeugende Blitzschutz besteht immer aus zwei Teilen:

1. der frühen Erkennung von heranziehenden Gewittern sowie
2. den Aktivitäten zum Schutz der zu schützenden Personen und Objekte.

Früherkennung von Gewitteraktivitäten

Die effektivste Methode zur Gewitter-Erkennung ist die Messung des elektrischen Feldes. Systeme, die auf magnetische Messungen basieren, benötigen einen Stromfluss der erst bei der Entladung entsteht - dann ist es für eine Früherkennung aber schon zu spät. Die klassische Methode zur Messung von elektrischen Feldern benutzt einen Rotationsvoltmeter, auch Feldmühle (engl. field mill) genannt. Die Konstruktion ist durch seine beweglichen Teile störanfällig und verschleißt. Neue Systeme nutzen ähnliche Mechanismen wie die Feldmühle, benötigen aber keine beweglichen Teile mehr in der Konstruktion. Sie sind daher wesentlich robuster bei gleicher Genauigkeit.

Das elektrostatische Feld der Erde

Die Erde mit ihrer Atmosphäre kann als großer Kugelkondensator angesehen werden, dessen eine Platte die Ionosphäre bildet. Die Luft dort wird durch kosmische Strahlung ionisiert und damit leitfähig gemacht. Die andere Platte des Kondensators bildet die Erdoberfläche. Zwischen beiden Platten befindet sich ein elektrisches Feld, das sich ständig ändert. Bei schönem Wetter mit wolkenlosem Himmel beträgt dieses Feld etwa 100-300 V/m - je nach Lage und Umgebung. In der Gewitterwolke findet eine Ladungstrennung durch die Luftmassenbewegung statt, sodass unter einer Gewitterwolke leicht Felder von 25.000-30.000 V/m entstehen können. Bei Erreichen dieser Werte treten die ersten Blitze auf und sorgen für einen kurzzeitigen Ladungsausgleich.

Die Feldlinien (Bild oben) des elektrischen Feldes verlaufen senkrecht zur Erdoberfläche. Die Äquipotentialflächen (Bild unten) verlaufen parallel zur Erdoberfläche. Häuser, Bäume und Menschen haben Erdpotential und verzerren die Äquipotentiallinien. Über den Spitzen dieser Objekte kommt es zu erhöhten Feldstärken. Sie bieten damit auch den bevorzugten Weg und Einschlagpunkt für den Blitz.

Verzerrung der Äquipotentiallinien im elektrischen Feld der Erde durch Gebäude und Personen

Da der elektrische Widerstand der Luft als Dielektrikum mit der Höhe über der Erde abnimmt, ist auch die Stärke des elektrischen Feldes nach oben hin geringer. Sie ist stark schwankend und beträgt bei schönem Wetter in Höhen von 10 km etwa 4 V/m und in 30 km nur noch etwa 0,3 V/m.

Gewitterwarnsystem

Der Verlauf eines Gewitters ist über die Beobachtung der elektrischen Ladung der Luft leicht zu erkennen. Für den vorbeugenden Blitzschutz eines Unwetterwarnsystems ist die Messung der elektrische Ladung der Luft geeignet, weil sie schon vor dem ersten Blitz Informationen über den weiteren Verlauf liefert. Dieser Verlauf kann grob in vier Phasen aufgeteilt werden.

Phase 1: Die Ladungstrennung kann in Erdnähe durch Messung der elektrischen Feldes erkannt werden, bevor der erste Blitz erschienen ist.	Phase 2: Nach der erkennbaren Ladungstrennung tritt die erste Blitzentladung statt. Die ersten Entladungen treten in fast allen Fällen innerhalb einer Wolke auf.	Phase 3: Nach den ersten Blitzen im Wolkeninneren folgen zusätzlich die Blitzentladungen zur Erde. Das ist die Phase der größten Gewitteraktivität.	Phase 4: Nach dem Gewitter löst sich auch das erhöhte elektrische Feld wieder auf.

Die Messung des elektrischen Feldes in der Luft erfolgt durch einen Sensor. Er arbeitet nach der FCES-Technologie (Field-Controlled Electrometic Sensor) und muss an einer Stelle installiert werden, an der das elektrische Feld möglichst wenig beeinflusst werden kann. Das ist fern von Bäumen, metallischen Konstruktionen oder Stromleitungen. Die Messungen sind unabhängig von der Höhe, in der der Sensor installiert wird. Nach erfolgter Installation wird der Sensor bei schönem Wetter in dieser Höhe geeicht. In der Höhe findet man aber leichter eine geeignete Umgebungen für den Sensor.

Installation des Sensors und Verbindung zur Schnittstelle des Meldungssystems

Auswertung und Umsetzung der Messdaten

Die Information über den aktuellen Zustand des elektrostatischen Feldes der Erde alleine genügt noch nicht. Die Messwerte müssen entsprechend ausgewertet werden und an einer Schnittstelle zum Meldungssystem weiter geleitet werden. Zusätzlich sorgt diese Schnittstelle dafür, dass der Sensor immer mit Strom versorgt wird und er speichert die gemessenen Daten für spätere Auswertungen ab. Während der Sensor unter freiem Himmel installiert werden muss, wird die Schnittstelle im geschlossenen Raum aufgestellt. Das Verbindungskabel muss daher durch einen Durchbruch nach Außen geführt werden. Die gesamte Verbindung sollte nicht länger als 25 m sein. In Ausnahmen sind Leitungslängen bis zu 100 m möglich.

An der Schnittstelle zwischen Sensor und Meldungssystem kann der aktuelle Status der Gewitterentwicklung beobachtet werden. Dort werden auch die Schwellwerte für die Alarmierung eingestellt. Typische Schwellwerte sind:

Alarmgebung über das Meldungssystem

Die Alarmgebung ist stark abhängig von zu schützenden System, Gebäude oder Personengruppe. Wichtig dabei ist immer, dass der Alarm verzögerungsfrei und an mehreren Stelle gleichzeitig erfolgen muss. Sofern Personen auf den Alarm reagieren müssen, muss unmissverständlich aus dem Alarm die weitere Vorgehensweise erkennbar sein. Gerade bei Gewittern wird oft der Schutz vor dem starken Regen von den Betroffenen wichtiger angesehen. Unterstellen unter Bäumen, Zelten oder anderen Dächern ohne Blitzschutz kann Lebensgefährlich sein! Alarmpläne sind nützlich, aber werden oft vergessen oder fehl interpretiert. Besser ist immer eine kurze und direkte Handlungsanweisung. Nicht zuletzt sollte die Alarmierung protokolliert werden, um spätere Streitigkeiten klären zu können.

• direkte Ausführung: Ansteuerung von Jalousien, Markisen, Fenster-Steuerungssystemen bis hin zum Einfahren von Antennen sind möglich.
• einfache Signale: Hupen, Sirenen, Blink- und Rundumleuchten habe das Problem, dass die Signale von den betroffenen Personen verstanden und richtig interpretiert werden müssen.
• öffentliche Nachrichten: Durchsagen über Stadionlautsprecher oder Telefonanlagen, Anzeigetafeln - auch hier muss die Nachricht für jeden unmissverständlich gegeben werden.
• direkte Nachrichten: über E-Mail oder SMS können verantwortliche Personen wie Netzwerk-Administratoren, Maschinenfahrer oder Werkstattleiter automatisch benachrichtigt werden, die dann die notwendigen Maßnahmen einleiten können.
• Softwareschnittstellen: zur beliebigen Weiterverarbeitung des Alarms sowie zur Protokollierung angefallener Daten.

Schnittstellen für Meldungssysteme beim vorbeugenden Blitzschutz müssen nach der gewählten Alarmierung ausgewählt werden und gegebenenfalls um weitere Schnittstellen ergänzt werden.

Fazit

Systeme zum vorbeugenden Blitzschutz müssen genau geplant und implementiert werden. Sie sind dann aber eine wesentliche Hilfe beim Schutz von Personen und Objekten vor Gewitter und Blitzschägen. Die Möglichkeiten zur Auswertung der gewonnenen Voraussagen sind nahezu grenzenlos. Gerade in Situationen, in denen viele Menschen sich unter freiem Himmel befinden, sollte diese Möglichkeit genutzt werden. Aber es darf auch nicht vergessen werden, dass der vorbeugende Blitzschutz nur eine Ergänzung und kein Ersatz für die installierte Blitzschutzanlage ist.

Sensor und Meldungssystem für Gewitter-Frühwarnungen

Sofern es mit überschaubaren Mitteln möglich ist, Menschenleben zu schützen, sollen sie eingesetzt werden. In den gewitterreichen Sommermonaten werden viele Veranstaltungen im Freien durchgeführt, bei denen eine Risikobewertung nach EN 50536 eine absolute Notwendigkeit der Installation eines Frühwarnsystem ergibt. Der AT-Storm Sensor mit Meldungssystem bildet die Grundlage für ein stabiles und sicheres Frühwarnsystem.

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