Inhalt Blitz und Blitzschutz - VDE

Inhalt
Verzeichnis der Naturkonstanten, Abkürzungen und Formelzeichen . . . . . . 11
Verzeichnis der Abkürzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1
1.1
1.2
1.3
1.4
Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Blitz: Vom Signal der Götter zur beherrschbaren Naturgewalt . . . . . . 19
Blitzstrom als Forschungsobjekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Blitzschutz und elektromagnetische Verträglichkeit . . . . . . . . . . . . . . 26
Blitzwirkungen und Blitzschutz in der Normung. . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2
2.1
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.3
2.4
Gewitter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Entstehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Wolkenbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Entwicklungsstadien einer Gewitterzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Gewitterarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Elektrische Ladungen in der Gewitterzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Ladungstrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Aufbau der Gewitterzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Resultierendes elektrisches Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Gewitterhäufigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Gewitter im globalen Ladungskreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3
3.1
3.2
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4
3.2.5
3.2.6
3.2.7
3.2.8
3.2.9
3.3
3.4
3.5
3.6
Blitze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Entstehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Wolke-Erde-Blitz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Erster Leitblitz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Fangentladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Enddurchschlagstrecke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Hauptblitz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Kenndaten des Blitzkanals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Folgeblitz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Stoßstrom des Hauptblitzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Langzeitstrom nach dem Hauptblitz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Multipler Wolke-Erde-Blitz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Erde-Wolke-Blitz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Strommaximum von abwärts gerichteten Teilblitzen . . . . . . . . . . . . . 61
Entladungen über den Gewitterwolken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Nutzung der Blitzenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5
4
4.1
4.2
4.2.1
4.2.2
4.2.3
4.3
Blitzfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Zeitlicher Verlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Blitzkanalmodelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Feldabstrahlung vom Blitzkanal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
TCS-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
TL-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Blitzfeld unmittelbar neben der Einschlagstelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5
5.1
5.2
5.2.1
5.2.2
5.2.3
5.2.4
5.2.5
5.3
Blitzortungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Lokale Blitzortungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Regionale Blitzortungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Magnetic Direction Finding (MDF)-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Time of Arrival (TOA)-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Ortungsgenauigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Erfassung von Teilblitzen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Abgrenzung von Wolke-Wolke-Blitzen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Globale Blitzortungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6
6.1
6.1.1
6.1.2
6.2
6.3
Blitzströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Stromkomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Stoßstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Langzeitstrom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Blitzstromparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Auslegung von Schutzmaßnahmen gegen die Wirkungen von
Blitzströmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Gefährdungspegel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Bemessungswerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Nachbildung der Blitzströme in Rechenmodellen . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Zeitlicher Verlauf der Blitzstoßströme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Zeitlicher Verlauf der Langzeitströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Blitzströme im Frequenzbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Nachbildung der Blitzströme im Labor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Prüfung mit Stoßströmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Prüfung der Stromtragfähigkeit und der Energiebelastbarkeit. . . . . . . 98
Prüfung hinsichtlich der Wirkungen durch die Stirn der
Stoßströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Prüfung mit dem Langzeitstrom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Äquivalenzstrom zur Nachbildung des Stirnbereichs der
Blitzströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.3.1
6.3.2
6.4
6.4.1
6.4.2
6.4.3
6.5
6.5.1
6.5.2
6.5.3
6.5.4
6.6
7
7.1
7.2
6
Wirkung der Blitzströme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Potentialanhebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Kräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.3
7.3.1
7.3.2
7.4
7.5
7.5.1
7.5.2
Spannungseinkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Eigeninduktivität von Leiterschleifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Gegeninduktivität von Leiterschleifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Ausschmelzungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Ohm’sche Erwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Metalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Spannungsbegrenzende Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
8
8.1
8.2
8.2.1
8.2.2
8.3
8.4
Grundlagen des Gebäudeblitzschutzes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Blitzschutzzonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Blitzschutzsystem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Äußeres und inneres Blitzschutzsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Schutzklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
LEMP-Schutzsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Störgrößen in den Blitzschutzzonen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
9
9.1
9.2
9.3
9.3.1
9.3.2
Schutzraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Enddurchschlagstrecke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Blitzkugelverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Vereinfachungen des Blitzkugelverfahrens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Schutzwinkelverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Maschenverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
10
10.1
10.1.1
10.1.2
10.2
10.2.1
10.2.2
10.3
Fang- und Ableitungseinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Fangeinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Auslegung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Natürliche Bestandteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Ableitungseinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
Auslegung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
Natürliche Bestandteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
11
11.1
11.2
11.3
11.4
11.4.1
11.4.2
11.4.3
11.4.4
11.4.5
11.5
Erdung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Spezifischer Erdwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Eindringtiefe und Eindringgeschwindigkeit ins Erdreich . . . . . . . . . 142
Der Erder als Wellenleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Erdungswiderstände typischer Erder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
Tiefenerder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
Oberflächenerder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Ringerder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Fundamenterder als Halbkugelerder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Hochspannungsentladungen an Erdern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Erdung von Blitzschutzsystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
7
11.5.1
11.5.2
11.5.2.1
11.5.2.2
11.5.3
11.6
Mindestlänge eines Erders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Erderanordnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Anordnung Typ A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Anordnung Typ B. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Werkstoffe, Form und Mindestmaße von Erdern. . . . . . . . . . . . . . . . 151
Erdung von LEMP-Schutzsystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
12
12.1
12.2
12.2.1
12.2.2
Potentialausgleich. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Potentialausgleich in Blitzschutz-Systemen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Potentialausgleich in LEMP-Schutzsystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Potentialausgleich-Netzwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Potentialausgleichsschienen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
13
13.1
13.2
13.2.1
13.2.2
13.2.3
13.3
13.4
Trennungsabstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Stoßspannungsfestigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Berechnung des Trennungsabstands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
Stromaufteilungs-Koeffizient kc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Material-Koeffizient km . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Stromsteilheits-Koeffizient ki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Bauliche Anlagen mit ausladenden Teilen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
Sondermaßnamen zur Herstellung der Trennungsabstände . . . . . . . . 171
14
14.1
14.2
14.2.1
14.2.2
14.2.3
14.3
Ströme und Spannungen auf Leitungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Leitungen zwischen unterschiedlichen Blitzschutzzonen . . . . . . . . . 173
Stromdurchflossene Schirmung von Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Schirmrohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Kabelschirm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
Kabelkanal aus Beton mit Stahlarmierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Aufteilung des Blitzstroms auf Erdung, metallene Teile und
Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
Berechnungsverfahren zur Stromaufteilung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
Vereinfachtes Berechnungsverfahren zur Stromaufteilung . . . . . . . . 183
Stromaufteilung auf die einzelnen Leiter einer Leitung. . . . . . . . . . . 183
Auf Versorgungsleitungen einziehende Stoßströme . . . . . . . . . . . . . 184
Verminderung induzierter Überspannungen auf inneren Leitungen
durch Leitungsführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
14.3.1
14.3.2
14.3.3
14.4
14.5
15
15.1
15.2
15.3
8
Räumliche Schirmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
Vom Blitzstrom durchflossener gitterförmiger Schirm von
LPZ 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Nicht vom Blitzstrom durchflossener gitterförmiger Schirm von
LPZ 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Gitterförmiger Schirm von LPZ 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
16
16.1
16.2
16.3
16.3.1
16.3.2
16.3.3
16.3.4
16.4
16.5
Überspannungsschutzgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Typen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Prüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
Stoßstrom 10/350 zs nach Prüfklasse 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Stoßstrom 8/20 zs nach der Prüfklasse 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Stoßspannung 1,2/50 zs nach den Prüfklassen 1 und 2 . . . . . . . . . . . 199
Hybridgenerator nach der Prüfklasse 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Koordination. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Auswahl und Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
17
17.1
17.1.1
17.1.2
17.1.3
17.2
17.3
17.3.1
17.3.2
17.4
17.5
Stromprüfung von Blitzschutzkomponenten. . . . . . . . . . . . . . . . . 205
Stoßstromgeneratoren mit RLC-Schaltkreis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
RLC-Schaltkreis bei aperiodischer Dämpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
RLC-Schaltkreis bei aperiodischem Grenzfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
RLC-Schaltkreis bei periodischer Dämpfung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Stoßstromgeneratoren mit Crowbar-Schalter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Stromgeneratoren zur Nachbildung der Stirn von Stoßströmen . . . . 216
Maximale Stromsteilheit im RLC-Stromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
Erhöhung der Stromsteilheit durch Querbeschaltung zum
Prüfobjekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Generatoren zur Nachbildung der Langzeitströme . . . . . . . . . . . . . . 218
Hybridgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
18
18.1
18.2
18.3
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
Fachbücher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
Normen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
Zeitschriftenaufsätze, Konferenzbeiträge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
9