Blitzschutzerdung

Als Blitzschutzerdung bezeichnet man die Erdung einer Blitzschutzanlage. Die Blitzschutzerdung hat die Aufgabe, den von der Fangvorrichtung fließenden Blitzstrom sicher in die Erde abzuleiten.^[1]

Grundlagen

Durch Blitze hervorgerufene Ströme habe zwei besondere Eigenschaften, die sie von anderen elektrischen Strömen unterscheiden. Zum einen haben Blitzströme sehr hohe Stromamplituden, zum anderen besitzen Blitzströme große Stromsteilheiten.^[2] Der Scheitelwert eines durchschnittlichen Blitzstromes beträgt 20 Kiloampere. Dadurch entsteht an der Erdung für einen Zeitraum von 10 bis 50 Mikrosekunden eine Überspannung von 200 Kilovolt. Diese extrem hohen Werte können dazu führen, dass es zu Durchschlägen aufgrund von Fremdnäherung in die Elektroinstallation kommt. Damit die hohen Blitzströme sicher in die Erde abgeführt werden können, muss die Erdung entsprechend ausgelegt sein.^[3] Die hohe Stromdichte des Blitzstromes erhöht im Erdreich die elektrische Feldstärke, dies führt im Erdreich zu elektrischen Entladungen. Dies wiederum bewirkt, dass im Bereich um die Erdungselektrode der Erdungswiderstand sinkt.^[2]

Erderauslegung

Damit die Blitzströme sicher in das Erdreich abgeleitet werden können, muss die Erdungsanlage eine niedrige Impedanz besitzen.^[4] Während bei der Auslegung einer Erdungsanlage für Netzfrequenz die Induktivität der Erdungselektroden vernachlässigt werden kann, muss diese Induktivität bei der Blitzschutzerdung berücksichtigt werden. Obwohl der Wert der Induktivität mit einem Mikrohenry pro Meter Erderlänge relativ klein ist, hat die Induktivität bei Blitzströmen aufgrund der hohen Stromsteilheit des Blitzstromes einen starken Einfluss auf die wirksame Erderlänge. Bedingt durch die hohe Steilheit des Blitzstromes wirkt sich die Induktivität dahingehend aus, dass der induktive Spannungsabfall hohe Werte erreicht. Dies hat zur Folge, dass die weiter vom Erderanschluss gelegenen Teile des Erders nur noch in begrenztem Maße bei der Blitzstromableitung mitwirken. Der Erdungswiderstand nimmt bei Blitzströmen gegenüber den mittels Erdungsmessung gemessenen Werten zu.^[2] Der Maximalwert des Blitzstromes und die Höhe des spezifischen Erdungswiderstandes bestimmen die Höhe des Stoßausbreitungswiderstandes.^[5] Ab einer so genannten kritischen Länge wirkt sich eine Verlängerung der Erderelektrode nicht mehr verringernd auf den Erdungswiderstand aus.^[2]

Verwendbare Erder

Als Erder für die Blitzschutzerdung können Fundamenterder und andere im Erdreich eingebettete Metallteile, wie die Bewehrungen von Stahlbetonfundamenten, verwendet werden. Aber auch Spundwände und Stahlteile von Stahlskelettbauwerken können benutzt werden. Rohrleitungen dürfen nicht verwendet werden. Ist es nicht möglich, diese Erder zu verwenden, kann auch ein geschlossener Ringerder verwendet werden. Dieser Ringerder wird in einem Abstand von einem Meter in einer Tiefe von 50 Zentimetern rings um das zu schützende Gebäude im Erdreich verlegt. Weitere Erder für die Blitzschutzerdung sind Einzelerder mit einer Mindestlänge von 20 Metern und als Tiefenerder ausgeführte Staberder. Diese Erder müssen eine Mindestlänge von neun Metern haben.^[6] Da der Stoßausbreitungswiderstand des Erders ab einer Erderlänge von 30 Metern nicht mehr wesentlich verringert werden kann, sollten Tiefenerder auch nicht länger als 30 Meter ins Erdreich eingebracht werden. Eine Verringerung des Erdungswiderstandes lässt sich durch die Parallelschaltung von mehreren kürzeren Einzelerdern erreichen. Damit sich die Erder nicht gegenseitig in ihrer Wirksamkeit beeinflussen, muss der Abstand der Einzelerder mindestens genau so groß sein wie die wirksame Erderlänge. Werden die einzelnen Erder näher aneinander eingebracht, ist der tatsächliche Gesamtausbreitungswiderstand der Erder größer als der berechnete Wert.^[5]

Ausführung der Erderanlage

Auf die Form und Abmessung der Erderanlage muss besonders geachtet werden. Damit die Erdungsanlage lange funktionsfähig bleiben kann, müssen die Erder so geschützt werden, dass sie den korrosiven Einflüssen des Erdreichs widerstehen.^[1] Die Verbindungen zum Erder müssen nach Möglichkeit über lösbare Trennstellen erfolgen. Dies ist erforderlich, damit auch spätere Erdungsmessungen durchgeführt werden können. Wenn eine Verbindung zwischen dem Potentialausgleich des Gebäudes und der Blitzschutzerdung besteht, ist ein bestimmter Erdungswiderstand nicht vorgeschrieben. Wenn keine Verbindung besteht, darf der Erdungswiderstand einen bestimmten Wert nicht überschreiten. Dieser Wert in Ohm darf nicht größer sein als der fünffache Mindestabstand in Metern zwischen den oberirdischen Teilen der Blitzschutzanlage und den leitfähigen Teilen des Gebäudes.^[6] Als Potentialausgleich muss ein spezieller Blitzschutzpotentialausgleich verwendet werden.^[1] Entscheidend für die Funktion der Erdungsanlage ist nicht die Höhe des Ausbreitungswiderstandes der Erdungsanlage, sondern der konsequent durchgeführte Potentialausgleich. Dadurch kann der Blitzstrom gefahrlos im Erdreich verteilt werden. Mindestens 80 Prozent des Erders müssen erdfühlig sein, also Kontakt mit dem Erdreich haben. Bei Fundamenterdern kann es bei bestimmter Ausführung des Fundaments dazu kommen, dass dieser Wert nicht erreicht wird. Insbesondere bei Fundamenten, die in stark grundwasserhaltigem Erdreich eingebracht werden, müssen als Feuchtigkeitsschutz Weiße- oder Schwarze Wannen angebracht werden. Als Wärmeisolierung werden in der Regel im Kellerbereich Perimeterdämmungen angebracht. Diese Maßnahmen können dazu führen, dass der Fundamenterder nicht die erforderliche Erdfühligkeit erreicht. In diesem Fall müssen zusätzliche Erder eingebracht werden.^[5]

Vermaschte Erdungsanlagen

Während es bei Wohngebäuden ausreicht, diese einzeln zu erden, ist es bei Gebäuden von Kraftwerken und Industrieanlagen oftmals erforderlich, die Erdungen miteinander in spezieller Art und Weise elektrisch leitend zu verbinden. Durch diese leitenden Verbindungen der benachbarten Gebäude wird die Potentialdifferenz zwischen den einzelnen Gebäuden erheblich vermindert. Dies führt wiederum dazu, dass die elektrischen und elektronischen Verbindungsleitungen, die zwischen diesen Gebäuden installiert sind, eine deutlich geringere Spannungsbeanspruchung erfahren.

Die Erdungsanlage bei solchen Gebäuden besteht zunächst einmal aus einen Ringerder, der um das jeweilige Gebäude verlegt ist. Zusätzlich zu diesen Ringerdern wird ein maschenförmiges Erdungsnetz zwischen den Gebäuden verlegt. Die Erdungsmaschen werden im Abstand von zehn Metern an den jeweiligen Ringerder angeschlossen. Diese Erdungsmaschen haben eine Länge von 20 bis 30 Metern und werden, falls möglich, gleich wieder an den Ringerder des benachbarten Gebäudes angeschlossen. Bei größeren Abständen der Gebäude zueinander werden die einzelnen Erdungsmaschen an speziellen Knotenpunkten miteinander verbunden. In Kraftwerken wird das Maschenerdungsnetz aus Kupferseilen erstellt. Dazu werden Kupferseile aus blankem Kupfer oder mit Zinn, Zink oder Blei überzogene Kupferseile verwendet. Welche Seile verwendet werden, hängt von der Bodenbeschaffenheit des Erdreichs ab. Durch die Vermaschung der Erdungen wird die Leitfähigkeit der Erdungsanlage für den Blitzstrom erhöht und dem Blitzstrom eine zusätzliche Oberfläche zum Eintritt in das Erdreich dargeboten. Bei einem Blitzeinschlag wird der Blitzstrom somit über mehrere Verbindungen um das jeweilige Gebäude herumgeführt.^[7]

Hochspannungsfreileitungen

Hochspannungsfreileitungen mit je zwei Erdseilen im oberen Mastbereich

Hochspannungsfreileitungen sind aufgrund ihrer Höhe besonders durch Blitze gefährdet. Der Blitz kann bei Freileitungen entweder direkt in einen der Hochspannungsmasten oder in einen der Außenleiter einschlagen. Um Freileitungen weitestgehend vor Blitzeinschlägen zu schützen, werden zwei Arten von Blitzschutzerdungen angewandt. Um Blitzeinschläge in den Hochspannungsmasten sicher gegen Erde abzuleiten, werden die Masten an den Fußpunkten so geerdet, dass der Ausbreitungswiderstand des Masten möglichst niederohmig ist. Der Mastausbreitungswiderstand hängt von den Bodeneigenschaften des Erdreichs und von nichtlinearen Vorgängen im Erdreich ab. Dabei bestimmt die Mastgeometrie den Stoßwiderstand des Masten. Anhand der Beschaffenheit des Bodens werden als Erder entweder Tiefenerder oder Strahlenerder eingesetzt. Steigt die Bodenfeuchtigkeit in zunehmender Tiefe, so sind Tiefenerder etwa 1,5 mal so wirksam wie Strahlenerder. Allerdings darf dabei die maximal wirksame Erderlänge nicht überschritten werden. Bei anderen Böden werden Strahlenerder verwendet. Für den Schutz der Außenleiter wird am obersten Punkt der Freileitung ein Erdseil von Mastspitze zu Mastspitze gespannt. Die Wirksamkeit der Erdseile hängt stark von der Höhe ab, in der die Erdseile über dem Erdboden hängen. Die Erdseile sind so angebracht, dass der Blitzstrom über die Erdseile ins Erdreich abgeleitet wird. Durch eine genau geplante Konstruktion und Auslegung der Erdseile werden Blitzeinschläge über das Erdseil abgeleitet, bevor sie einen Außenleiter erreichen können.^[8]

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c} Johann Pröpster: Blitzschutzanlagen. (abgerufen am 7. Juli 2011)
2. ↑ ^{a b c d} Henryk Markiewicz, Antoni Klajn: Erdungssysteme-Grundlagen der Berechnung und Auslegung. Deutsches Kupferinstitut (abgerufen am 7. Juli 2011)
3. ↑ Paul Waldner: Grundlagen der elektrotechnischen und elektronischen Gebäudeausrüstung. Werner-Verlag 1998, ISBN 3-8041-3983-3.
4. ↑ Reya Venhuizen: Erdung mit System. Deutsches Kupferinstitut (abgerufen am 7. Juli 2011)
5. ↑ ^{a b c} DEHN + Söhne GnbH + Co.KG.: Blitzplaner. 2. aktualisierte Auflage, Neumarkt 2007, ISBN 978-3-00-021115-7
6. ↑ ^{a b} Hans-Günter Boy, Uwe Dunkhase: Die Meisterprüfung Elektro-Installationstechnik. 12. Auflage. Vogel Buchverlag, Oldenburg/Würzburg 2007, ISBN 978-3-8343-3079-6.
7. ↑ Franz Pigler: EMV und Blitzschutz leittechnischer Anlagen. Siemens Aktiengesellschaft, Publicis Corporate Publishing, 2001, ISBN 3-8009-1565-0.
8. ↑ Friedrich Kießling, Peter Nefzger, Ulf Kaintzyk: Freileitungen. 5. Auflage. Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg/New York 2001, ISBN 3-540-42255-2.

Weblinks

• Zeichnung Blitzschutzerdung mit Potentialausgleich (abgerufen am 8. Juli 2011)