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 besteht aus einem äußeren Blitzschutz und einem inneren Blitzschutz (Überspannungsschutz).

Blitzeinschlag am Pariser Eiffelturm am 3. Juni 1902 um 21.20 Uhr

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.

Entwicklung von Blitzschutzanlagen

• etwa 1725–40 auf dem sogenannten Schiefe Turm von Newjansk (Ural), durch Akinfiy Demidov
• 1752 Academy of Philadelphia und Pennsylvania State House, durch Benjamin Franklin
• 1754 Přímětice/Prenditz bei Znojmo/Znaim, Kloster, durch Prokop Diviš OPraem
• 1760 Philadelphia, Wohngebäude von Mr. West, durch Benjamin Franklin
• zwischen 1733 und 1763 Dresden, Dresdner Schloss 1774 1. Erneuerung
• 1765 Newbury (Berkshire), Kirche
• 1766 Plymouth, Leuchtturm
• 1769 Żagań, Kirche, durch Johann Ignatz von Felbinger
• 1769 Hamburg, St.-Jacobi-Kirche, durch Johann Albert Heinrich Reimarus
• 1770 Wien, Penzing, Kirche
• 1776 Trippstadter Schloss, Erster Hemmerscher Fünfspitz - durch Johann Jakob Hemmer
• 1779 Mannheim, Wohngebäude
• 1779 Hamburg, St.-Petri-Kirche
• 1780 Georg Christoph Lichtenberg in Göttingen
• 1782 Wien, Narrenturm im alten Allgemeinen Krankenhaus
• 1787 Winterthur, Heimatmuseum Lindengut, damals Villa von Johann Sebastian Clais, durch Benjamin Franklin (erster Blitzableiter der Schweiz)

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. 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.

Fangeinrichtungen

Fangeinrichtung in Form langer Masten aus Metall, welche unmittelbar neben und in einer mit Hochspannung betriebenen Freiluftschaltanlage stehen.

Schlägt ein Blitz ein, so leiten die Fangeinrichtungen (vorgesehene Pfade für den Blitzstrom) den Blitzstrom weiter. Fangeinrichtungen sind Stangen, Drähte, Seile oder Metallteile der zu schützenden Anlage, die als Einschlagstellen vorgesehen sind und typischerweise die Begrenzung eines Gebäudes überragen.

Ihr Material muss elektrisch gut leitfähig sein und den hohen Blitzstrom tragen können. Daher werden Metalle wie Kupfer, Aluminiumlegierung (AlMgSi), Niro (V2A) oder verzinkter Stahl verwendet. Der Leitungsquerschnitt (i.d.R. 50mm²) bzw. Durchmesser (mind. 8mm) 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.

Blitzkugelverfahren

Das Blitzkugelverfahren ist ein maßgebliches Verfahren zur Ermittlung von Eintrittstellen, die für einen direkten Blitzeinschlag in Frage kommen und ist in der IEC 62305-3 normiert ^[1]. 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. Für jede dieser Blitzschutzklassen wird eine Blitzkugel mit einem bestimmten Radius angenommen:

Blitzschutzklasse	Radius der Blitzkugel
I	20 m
II	30 m
III	45 m
IV	60 m

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:

Blitzschutzklasse	kleinster Scheitelwert des Blitzstroms in Ampere	max.Scheitelwert des Blitzstroms Imax / kA	Wahrscheinlichkeit, dass der Strom I < Imax
I	≥ 2900 A	200 kA	99 %
II	≥ 5400 A	150 kA	98 %
III	≥ 10100 A	100 kA	97 %
IV	≥ 15700 A	100 kA	97 %

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

Schutzwinkelverfahren

Blitzschutzanlage auf der Startrampe der Ariane 5-Trägerrakete mit vier Masten als Fangeinrichtung

Das Schutzwinkelverfahren ist ein vom Blitzkugelverfahren abgeleitetes vereinfachtes Verfahren, das durch einen errechneten Winkel unter Fangeinrichtungen begrenzte Bereiche definiert, in die kein direkter Blitzeinschlag erfolgen kann. 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.

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, Plattenerdern, Tiefenerder oder natürlichen Erdern ergänzt werden. Diese müssen dauerhaft korrosionsgeschützt sein und werden daher möglichst aus nicht rostendem Stahl V4A Werkstoff-Nr. 1.4571 erstellt. In der Praxis wird meist aber aus Kostengründen auf verzinkten Stahl zurück gegriffen.

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 verzinktem Stahl und werden segmentweise (zum Beispiel 1,5 Meter Länge) eingeschlagen.

Innerer Blitzschutz

Der innere Blitzschutz ist die Gesamtheit der Maßnahmen gegen Überspannungen als Auswirkungen des Blitzstromes und der Blitzspannung auf Installationen sowie elektrische und elektronische Anlagen der baulichen Anlage.

Diese Überspannungen können auf mehrere Arten entstehen:

1. Durch direkte Einwirkung des Blitzstromes aufgrund eines Einschlages in die Blitzschutzanlage und nachfolgendem Spannungsüberschlag im Näherungsbereich.
2. Durch direkte Einwirkung des Blitzestromes aufgrund eines Einschlages in Energie-/Telekommunikationszuleitungen.
3. Durch indirekte Einwirkung des Blitzstromes aufgrund eines Einschlages in die Blitzschutzanlage eines Gebäudes und dadurch entstehender Induktionsspannungen in elektrischen Leitungen im Näherungsbereich.

Für den Überspannungschutz von elektrischen Leitungen und Geräten werden Überspannungsschutzgeräte (Surge Protective Devices) 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. Wenn es die Gegebenheiten zulassen, können in diesen Bereich auch Kombiableiter (kombiniert Typ 1 und Typ 2) eingesetzt werden. Die Vorteile liegen sowohl in einer Platz- wie auch in einer Kostenersparnis, der Kombiableiter hat dieselbe Baugröße wie der vergleichbare SPD Typ 1.
• SPD Typ 2 (Mittelschutz) reduzieren das von SPD Typ 1 hergestellte Spannungsniveau weiter. Sie werden in Verteilern eingesetzt.
• SPD Typ 3 (Fein- oder Geräteschutz) reduzieren das von SPD Typ 2 hergestellte Spannungsniveau auf ein für elektronische Geräte ungefährliches Maß. Sie werden in Überspannungsschutz-Steckdosen, Überspannungsschutz-Steckdosenadaptern und Endgeräten eingesetzt.

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, 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.

Blitzschutz bei Freileitungen

Freileitungsmasten mit Erdseilen bei einem Gewitter

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 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 elektrischem Feld.

Stützen müssen nach den gesetzlichen Vorschriften geerdet sein.^[2] Bei einem Blitzeinschlag in ein Tragseil wird der elektrische Strom über die Tragseilsättel (wo das Tragseil auf der Stütze aufliegt) direkt in den Mast geleitet, bei Blitzeinschlag in Förderseile und Zugseile, die bei den Masten über gummibespannte Rollen laufen, fließt der Strom über die Stahlseile zu den Endstationen, wo Sensoren und andere elektrische und elektronische Komponenten beschädigt werden können, sofern die Drahtseile nicht vor Herannahen des Gewitters geerdet wurden.^[3] Sonstige Schäden durch Blitzeinschlag treffen vor allem exponiert angebrachte Windmesser und zugehörige elektrische Leitungen ohne Blitzableiter in der Nähe.

Der Auflagedruck der Seile auf die Rollen und Umlenkscheiben reicht (auch wegen der Schmierung der Seile und der Gummiauflagen auf den Rollen) nicht aus, um eine gute elektrische Verbindung herzustellen, auch wenn die Gummiauflagen der Rollen und der Seilumlenkscheiben zur Vermeidung von elektrostatischen Aufladungen im regulären Betrieb aus elektrisch leitendem Material bestehen. Bei alten Seilbahnanlagen werden vor einem Gewitter die Seile händisch mit einem zusätzlichen fest zu montierenden Erdungsstab geerdet, bei modernen Anlagen kann das vollautomatisch erfolgen.^[4], ^[5]. Schutz vor Blitzeinschlag in die Seile bieten Erdseile, die an den höchsten Stellen von Mast zu Mast gespannt werden.

Bei Stahlseilen können an der Blitzeinschlagstelle einzelne Litzen beschädigt werden. Es ist aber noch nie vorgekommen, dass ein Blitzschlag ein Seilbahnseil zum Reissen gebracht hat.^[6]

Literatur

• Peter Hasse, Johannes Wiesinger: Handbuch für Blitzschutz und Erdung – mit 33 Tabellen. VDE-Verlag, Offenbach 1993, ISBN 3-7905-0657-5.
• Verband Deutscher Blitzschutzfirmen e.V. (Hrsg.): Montage-Handbuch Blitzschutz., Köln

Normen und Standards:

• EN 62305: Blitzschutz, deutsche Fassung der IEC 62305. VDE Verlag, Berlin 2006. (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)

Einzelnachweise

1. ↑ International Electrotechnical Commission: IEC 62305, Protection against lightning - Part 3: Physical damage to structures and life hazard, 2006
2. ↑ http://www.tirol.gv.at/fileadmin/www.tirol.gv.at/themen/verkehr/verkehrsrecht/Seilbahnrecht/Leitfaden_Nachtbeleuchtung_Sessellifte_und_Sesselbahnen.PDF
3. ↑ http://www.ris.bka.gv.at/Dokument.wxe?Abfrage=Justiz&Dokumentnummer=JJT_19751203_OGH0002_0010OB00307_7500000_000&ShowPrintPreview=True Seilbahnschaden durch Blitzschlag, zuletzt abgerufen am 19.Aug. 2011
4. ↑ Woodbury, Stephanie: Lightning and methods of protection, International Organization for Transportation by Rope. North American Continental Section 2004 : Vail, Colo., 2004, http://adr.coalliance.org/cog/fez/view/cog:184
5. ↑ http://www.shrani.si/f/2n/Jh/1IbffTS5/doppelmayr-das-buch.doc Buch über Seilbahntechnik, online einsehbar
6. ↑ Rudolph, Katharina Anna: Anwendungsfälle und Lösungsansätze zur Realisierung urbaner Luftseilbagnprojekte im ÖPNV , Schriftenreihe des Instituts für Transportwirtschaft und Logistik - Verkehr, 08/2009. Institut für Transportwirtschaft und Logistik, WU Vienna University of Economics and Business, Vienna, 2010, http://epub.wu.ac.at/872/1/document.pdf (3.347 kB )

Weblinks

• VDE Blitzschutz
• VDB Verband Deutscher Blitzschutzfirmen e.V.
• Dehn Online Training Blitzschutz und Überspannungschutz