Blitz- und Überspannungsschutz
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Elektrotechnik
Blitzschutz - Berechnung des Trennungsabstands
ep8/2008, 4 Seiten
Allgemeines Nach Abschnitt 6.3 der DIN EN 62305-3 [1] ist zu prüfen, ob die elektrische Isolierung zwischen · Fangeinrichtung oder Ableitung und · den baulichen metallenen Installationen, den metallenen Installationen und den inneren Systemen der baulichen Anlage durch einen Abstand d zwischen diesen Teilen - d muss größer als der Trennungsabstand s sein - eingehalten wird. Die Berechnung des Trennungsabstands erfolgt nach folgender Formel: s = ki·(kc/km)·L ki abhängig von der gewählten Schutzklasse des Blitzschutzsystems (siehe Tafel ); km abhängig vom elektrischen Isolierstoff (siehe Tafel ); kc abhängig vom Blitzstrom, der in den Ableitungen fließt (siehe Tafel ); L die Länge entlang der Fangeinrichtung oder der Ableitung in Metern von dem Punkt, an dem der Trennungsabstand ermittelt werden soll, bis zum nächstliegenden Punkt des Potentialausgleichs. Die in Tafel angegebenen Werte sind als Hinweis zu verstehen, in welchem Bereich sich die kc-Werte bewegen können. Beispiel: Ein Blitzschutzsystem hat zwei Ableitungen. In diesem Fall kann der kc-Wert zwischen 1 und 0,5 liegen. Für eine erste überschlägige Berechnung kann der Trennungsabstand s mit einem kc = 1 berechnet werden. Wird der Trennungsabstand eingehalten, dann ist eine genaue Bestimmung von kc nicht mehr erforderlich. Kann der berechnete Trennungsabstand s nicht eingehalten werden, dann muss der Faktor kc näher untersucht werden. In der Tafel steht daher der Hinweis, dass weitere Informationen im Anhang C der DIN EN 62305-3, Tabelle C.1, zu finden sind (s. Tafel ). In Tafel sind für die Berechnung von s die nach DIN EN 62305-3 möglichen Erderanordnungen Typ A und Typ B berücksichtigt. Werden alle Erder einer Erderanordnung Typ A in Höhe des Erdreichs (Abstand vom Boden max. 1,0 m) durch eine horizontale Ringleitung miteinander verbunden, dann sind die kc-Werte für die Erderanordnung B maßgebend. Besteht ein Blitzschutzsystem aus drei Ableitungen, dann sind für kc die Angaben für vier und mehr Ableitungen zu wählen. In Einzelfällen ist es eventuell nicht möglich, Einzelerder des Typs A durch eine horizontale Ringleitung miteinander zu verbinden. Bei Erdungswiderständen, die stark voneinander abweichen, ist die Berechnung des Trennungsabstandes mit kc = 1 zu berechnen. Niedrigere kc-Werte können herangezogen werden, wenn die Erdungswiderstände der Einzelerder annähernd gleich sind (Fußnote d). Gemäß Festlegung des K 251 der DKE gilt folgender Hinweis: Die Erdungswiderstände gelten als annähernd gleich, wenn der größte Widerstand maximal doppelt so groß ist wie der, niedrigste Widerstand (Beispiel siehe Bilder und ). Anmerkung: Die in der DIN EN 62305-3 angegebenen Formeln zur Berechnung des Stromaufteilungsfaktor kc wurden aus umfangreichen theoretischen Berechnungen ermittelt und stellen in den meisten Fällen den „worst case“ (schlimmsten Fall) dar. Die in der Norm aufgeführten Formeln sollten daher auch nur für die dargestellte Situation angewendet werden. Da die exakte Berechnung des Trennungsabstands von vielen Faktoren abhängt, sind Diskussionen um wenige Zentimeter oder Kommastellen für die Einhaltung des Trennungsabstands nicht zielführend. Neben den genannten Faktoren muss die Bezugslänge L zur Berechnung des Trennungsabstands s ermittelt werden - L ist dabei der Abstand zwischen der Anschlussstelle an den Potentialausgleich und der Näherungsstelle Elektropraktiker, Berlin 62 (2008) 8 700 FÜR DIE PRAXIS Blitz- und Überspannung Blitzschutz - Berechnung des Trennungsabstands J. Wettingfeld, Krefeld Eine grundlegende Forderung der DIN EN 62305-3 ist, die Trennungsabstände zu Leitern des äußeren Blitzschutzsystems einzuhalten, um das Auftreten gefährlicher Funken zu verhindern. Die bisher in den Normen angegebenen Berechnungsformeln berücksichtigen vorwiegend den Eck- und Dachkanteneinschlag. Bei Gebäuden mit großen Abmessungen (größer 30 m x 30 m) können sich unrealistische Werte ergeben. Der Beitrag zeigt Wege auf, wie eine realistische Berechnung der Trennungsabstände auch für diese Gebäude durchgeführt werden kann. Autor Dipl.-Ing. Jürgen Wettingfeld, Vektor Plan Gmb H, Krefeld. Tafel Trennungsabstand s zu metallenen Installationen - Koeffizient kc (Quelle: DIN EN 62305-3, Anhang C, Tabelle C.1) Typ Anzahl der Ableitungen Koeffizient kc der Fangeinrichtung n Erderanordnung Typ A Erderanordnung Typ B Einzelne Fangstange 1 1 1 Drähte oder Seile 2 0,66d 0,5 ... 1 (s. Bild C.1)a Vermaschte Leiter 4 und mehr 0,44d 0,25 ... 0,5 (s. Bild C.2)b Vermaschte Leiter 4 und mehr, verbunden 0,44d 1/n ... 0,5 (s. Bild C.3)c durch horizontale Ringleiter a) Bereich der Werte von kc = 0,5, wenn c h ist, bis kc = 1, wenn h c ist (s. Bild C.1). b) Die Gleichung für kc im Bild C.2 ist eine Näherung für kubische bauliche Anlagen und für n 4. Die Werte von h, cs und cd werden im Bereich von 5 m bis 20 m angenommen. c) Wenn die Ableitungen horizontal durch Ringleiter miteinander verbunden sind, ist die Stromaufteilung in den unteren Teilen der Ableitungseinrichtung homogener und kc entsprechend verringert. Dies gilt besonders bei hohen baulichen Anlgen. d) Diese Werte gelten, wenn die Einzelerder annähernd gleiche Erdungswiderstände aufweisen. Unterscheiden sich die Erdungswiderstände der Einzelerder stark voneinander, wird angenommen, dass kc = 1 ist. Anmerkung: Wenn genaue Berechnungen durchgeführt werden, dürfen andere kc-Werte benutzt werden. Tafel Trennungsabstand s zu metallenen Installationen - Koeffizient km Material km Luft 1 Beton, Ziegel 0,5 1) Wenn mehrere Isolierstoffe übereinander verwendet werden, wird in der Praxis der geringste Wert für km benutzt. 2) Der Einsatz anderer Isolierstoffe ist in Beratung. Tafel Trennungsabstand s zu metallenen Installationen - Koeffizient ki Blitz-Schutzklasse ki I 0,08 II 0,06 III - IV 0,04 Tafel Trennungsabstand s zu metallenen Installationen - Koeffizient kc Anzahl der Ableitungen Genaue Werte kc n s. VDE 0185-305-3 1 1 2 1 ... 0,5 4 und mehr 0,5 ... 1/n Elektropraktiker, Berlin 62 (2008) 8 Einzelerder B: 60 Einzelerder A: 20 Verbindung Ableitung Fangleitung kc = 1 Erderanodnung Typ A Der Erdungswiderstand des Einzelerders B ist größer als der doppelte Erdungswiderstand des Einzelerders A, nach Tafel ist kc = 1 Einzelerder B: 40 Einzelerder A: 20 Verbindung Ableitung Fangleitung kc = 0,66 Erderanordnung Typ B Der Erdungswiderstand des Einzelerders B hat den doppelten Erdungswiderstand des Einzelerders A, nach Tafel ist kc = 0,66 Vermaschtes Fangleitungsnetz mit einer Erdungsanlage Typ B (Quelle: DIN EN 62305-3, Anhang C, Bild C.2) Potentialausgleichsverbindung der Installation mit dem Blitzschutzsystem an dem vom Bezugspunkt des Potentialausgleichs entferntesten Punkt - der Teilblitzstrom wird jedoch erst an der Verbindung zum Erdungssystem ausgekoppelt s < d s > d Der berechnete Trennungsabstand s ist kleiner als der tatsächliche Abstand d, ein Funkenüberschlag ist nicht möglich s < d Der berechnete Trennungsabstand s ist größer als der tatsächliche Abstand d, ein Funkenüberschlag ist möglich NIBE Systemtechnik Gmb H Am Reiherpfahl 3 . 29223 Celle Tel. 05141/7546-0 . Fax -99 . info@nibe.de NIBE Erdwärmepakete 2008 Der NIBE Kompakt-Absorber (NKA) hat sich seit Jahren in vielen tausend Praxiseinsätzen als preiswerte und zuverlässige Wärmequelle mit geringem Flächenbedarf bewährt. Unsere vorkonfektionierten Erdwärmepakete bestehen aus Wärmepumpe + Wärmequelle (NKA) und bieten Ihnen jetzt zusätzliche Vorteile. Die Erdwärmepakete können mit NIBE Lüftungsmodulen, Lüftungspaketen oder Speichern einfach erweitert werden. Integrale Systemtechnik im Einklang mit Mensch und Natur. NIBE Sole/Wasser - Wärmepumpen Nutzen Sie die Heizenergie aus dem Erdreich. Wärmepumpe Wärmequelle www.nibe.de Elektropraktiker, Berlin 62 (2008) 8 702 FÜR DIE PRAXIS Blitz- und Überspannung entlang der Ableitung. Die Bilder und zeigen, wie die zu beachtende Länge L zur Berechnung des Trennungsabstandes s zu ermitteln ist. Kann der berechnete Trennungsabstand s entlang der gesamten Länge der betrachteten Installationnichteingehalten werden (Bild ), dann sollte nach DIN EN 62305-3, Anhang E, Abschnitt E.6.1.1, eine weitere Potentialausgleichsverbindung der Installation mit dem Blitzschutzsystem an dem vom Bezugspunkt des Potentialausgleichs entferntesten Punkt hergestellt werden (siehe Bild ). Wenn die Verbindung zwischen der Installation und dem Blitzschutzsystem am Bezugspunkt des Potentialausgleichs und am entferntesten Punkt hergestellt ist, dann gilt die Abstandsbedingung entlang der gesamten Strecke der Installation als erfüllt. Dieser Zusammenschluss hat jedoch den Nachteil, dass in Folge der in das Gebäudeinnere eingekoppelten Teilblitzströme elektromagnetische Störungen auftreten. Durch den Einbau von Überspannungs-Schutzgeräten können an elektrischen Geräten Schäden verhindert werden, der Teilblitzstrom wird jedoch erst an der Verbindung zum Erdungssystem ausgekoppelt. Verbindungen zwischen Installationen und Blitzschutzsystem sollten daher nach Möglichkeit durch weitergehende Maßnahmen vermieden werden. Folgende Maßnahmen können bei der Lösung dieser Problematik helfen: 1.Vergrößerung des Abstands durch Verlegung einzelner Fang- und Ableitungen. 2.Vergrößerung des Abstands durch Verlegung der Installation. 3.Reduzierung des Trennungsabstands durch zusätzliche Ableitungen. 4.Getrennte Fangeinrichtungen und isolierte Ableitungen. 5.Einbau von nicht leitenden Elementen, z.B. Kunststoffteile als Attikaabdeckung, Regenrinne oder Wandanschlussprofil. Erst wenn mit diesen Maßnahmen eine Lösung nicht möglich ist, sollte die nach DIN EN 62305-3, Anhang E, Abschnitt E.6.1.1, geforderte Maßnahme 6.Erstellung einer Potentialausgleichsverbindung nach DIN EN 62305-3, Anhang E, Abschnitt E.6.1.1 (siehe Bild ) realisiert werden. Gebäude mit vermaschtem Fangleitungssystem Die Berechnung des Trennungsabstands erfolgt in der Regel für Gebäude mit einem vermaschten Fangleitungssystem (Bild ). Wesentlich ist die Berechnung von kc nach Bild C.2 aus [1], Anhang C: n Gesamtzahl der Ableitungen c Abstand einer Ableitung zur nächsten Ableitung h Abstand (oder Höhe) zwischen Ringleitern. Der nach Bild C.2 berechnete Faktor kc gilt für den Eckeinschlag, den Dachkanteneinschlag und in vielen Fällen für den Einschlag in die Dachmitte (Bild ). Generell gilt, je höher ein Gebäude, umso günstiger ist die Stromaufteilung auf die Ableitungen (der kc-Faktor ist im Vergleich mit flacheren Gebäuden niedrig), da der typische Abstand c zwischen den Ableitungen, unab- + 0,1 + 0,2 10 m 20 m n = 14; c = 10; h = 10; ki = 0,06; L = 10 m 50 m kc = + 0,1 + 0,2 3 = 0,33571 s = k1 L = 0,06 0,33571 10 = 0,2014 [m] Berechnung des Trennungsabstands s für ein vermaschtes Fangleitungsnetz, ausgelegt für Schutzklasse II Ergebnis: s = 0,20 m (Luft) kc = + 0,1 + 0,2 3 = 0,28849 s = k1 L = 0,04 0,28849 s = 0,6924 [m] n = 8; c = 15; h = 60; ki = 0,04; L = 60 m 30 m 15 m 30 m Berechnung des Trennungsabstands s für ein 60 m hohes Gebäude nach Bild C.2 aus DIN EN 62305-3 Ergebnis: s = 0,69 m (Luft) 0,5 0,5 1,0 0,25 0,25 0,25 0,125 0,125 0,125 0,0625 0,0625 0,03125 kc-Faktor Ableitung Fangleitung Maschenweite gemäß Schutzklasse Beispiel für die Bestimmung des Koeffizienten kc bei Gebäuden mit sehr großen Abmessungen 15 m 15 m 15 m 90 m 90 m 7 m 0,25 0,125 0,063 0,031 s = ki kc1 L1 + kc2 L2 + ... kcn Ln ( ) s = ki kc1 L1 + kc2 L2 + kc3 L3 + kc4 L4 ( ) s = 0,04 0,2515 + 0,12515 + 0,06315 + 0,0317 ( ) s = 0,271 [m] kc1 = 0,2 5; kc2 = 0,1 25; kc3 = 0,0 63; kc4 = 0,0 31 (ki = 0,0 4) Lc1 = 15 m; Lc2 = 15 m; Lc3 = 15 m; Lc4 = 7 m; Beispiel für die Berechnung des Trennungsabstands s, Schutzklasse III hängig von der Höhe, gleich bleibt. Bild zeigt beispielhaft die Berechnung für ein 60 m hohes Gebäude. Gebäude mit großen Abmessungen Bei Gebäuden mit großen Abmessungen kann die Berechnung des Trennungsabstands nach DIN EN 62305-3, Bild C.2 oder Bild C.3 für die Dachmitte unrealistische Werte ergeben. Aus diesem Grund enthält die DIN EN 62305-3 im Anhang E, Abschnitt E.4.2.4.1, zusätzliche Angaben: · Wenn über die gesamte Länge des Leiters L der gleiche Strom fließt, ist die Gleichung für den erforderlichen Trennungsabstand s in Luft: s = ki ·kc ·L · Wenn aufgrund der Stromaufteilung entlang der Leiterlänge verschiedene Stromwerte fließen, müssen in der Gleichung die unterschiedlichen (verringerten) Ströme, die entlang jedes Leiterabschnitts fließen, berücksichtigt werden. In diesem Fall gilt: s = ki·(kc1·L1 + kc2·L2 + ... kcn·Ln) Für die Bestimmung der unterschiedlichen kc-Werte werden in der Norm keine Angaben gemacht. Gemäß einer Festlegung des K 251 der DKE können die kc-Werte wie folgt bestimmt werden: 1. Zuerst wird der kürzeste Pfad für den Blitzstrom zur Erdungsanlage festgelegt. 2. Erfolgt der Blitzeinschlag in einen Knoten mit vier Fortleitungen, dann gilt für den ersten Abschnitt kc1 = 0,25. 3. Erfolgt der Blitzeinschlag in einen Knoten mit zwei Fortleitungen, dann gilt für den ersten Abschnitt kc1 = 0,5. 4. Für alle weiteren Knoten reduziert sich der Strom (kc2 ... kcn) um die Hälfte. 5. Reduziert sich im Zuge der Verzweigungen der Stromanteil unter einen Wert von 1/n (n - Gesamtzahl der Ableitungen), erfolgt keine weitere Stromaufteilung mehr und es wird für die verbleibenden Leitungsabschnitte mit dem Wert 1/n gerechnet. Diese Vorgehensweise kann angewendet werden, wenn das Fangeinrichtungssystem eine weitestgehend symmetrische Vermaschung (z. B. Maschenweite 15 x 15 m bei Schutzklasse III) aufweist (Bilder und Für die Praxis gilt: Der Blitzstrom sollte so früh wie möglich nach dem Einschlag in die Fangeinrichtung aufgeteilt werden. Fangstangen sollten · nach Möglichkeit mit kurzen Längen an einen Fangleitungsknoten angeschlossen werden oder · wenigsten über zwei oder noch besser vier Leitungen den Blitzstrom in das Fangleitungssystem einleiten. Bilder zeigt beispielhaft, wie die Höhe des Trennungsabstands durch Anordnung und Anschluss von Fangstangen an das Fangleitungssystem beeinflusst werden kann. Fazit Mit den in der Norm DIN EN 62305-3 dargestellten Formeln ergeben sich viele Möglichkeiten, den erforderlichen Trennungsabstand zu berechnen. Bei Gebäuden mit großen Abmessungen muss man darauf achten, den Blitzstrom frühzeitig aufzuteilen, damit die einzuhaltenden Trennungsabstände möglichst gering sind. Dies gilt insbesondere dann, wenn Dachaufbauten auf Dächern mit großen Abmessungen durch Fangstangen geschützt werden. Mit Hilfe der Blitzkugelmethode als bevorzugte Planungsmethode sollten Fangstangen in der Nähe von Knotenpunkten des Fangleitungssystems angeordnet werden. Im Zweifelsfall sollten höhere Fangstangen zur Anwendung kommen. Literatur [1] DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3):2006-10 Blitzschutz - Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen (IEC 62305-3:2006, modifiziert); Deutsche Fassung EN 62305-3:2006. [2] Berechnung des Trennungsabstands. Programm der Fa. Aix Thor (Aachen), Februar 2007. [3] VDB Montagehandbuch, Ausgabe 04/07. VDB Verband Deutscher Blitzschutzfirmen e.V., Köln, Email: vdb.blitzschutz.com. [4] Zischank, W.; Beierl, O.; Kern, A.: Anmerkungen zur Berechnung des Trennungsabstands nach DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3):2006-10. 7. VDE/ABB Blitzschutztagung. Neu-Ulm: November 2007. [5] Zischank, W.; Heidler, F.: Reduktion des Trennungsabstands durch Nutzung ausgedehnter Metallflächen als natürliche Bestandteile des Blitzschutzsystems. 7. VDE/ABB Blitzschutztagung. Neu-Ulm: November 2007. Elektropraktiker, Berlin 62 (2008) 8 703 Höhe 10 m Fangleitung, Maschenweite 10 x 10 m gemäß Schutzklasse II L = 10 m L = 8 m 0,5 0,25 0,125 Dachaufbau Fangstange s = ki kc1 L1 + kc2 L2 + ... kcn Ln ( ) s = 0,06 1 + 0,510 + 0,2510 + 0,12510 ( ) s = 1,05 [m] Höhe 10 m Fangleitung, Maschenweite 10 x 10 m gemäß Schutzklasse II L = 10 m 0,25 0,125 0,0625 Dachaufbau Fangstange s = ki kc1 L1 + kc2 L2 + ... kcn Ln ( ) s = 0,06 0,2510 + 0,12510 + 0,062510 ( ) s = 0,26 [m] L = 10 m L = 8 m 0,5 0,25 0,125 0,0625 Dachaufbau Fangstange s = ki kc1 L1 + kc2 L2 + ... kcn Ln ( ) s = 0,06 0,58 + 0,25 10 + 0,12510 + 0,062510 ( ) s = 0,50 [m] Schutz eines Dachaufbaus durch zwei a) und b) bzw. vier c) Fangstangen - der Anschluss der Fangstangen an das Fangleitungssystem erfolgt a)durch jeweils eine Verbindungsleitung, der für Schutzklasse II beispielhaft berechnete Trennungsabstand beträgt: 1,05 m für Luft b)durch jeweils zwei Verbindungsleitungen, der für Schutzklasse II beispielhaft berechnete Trennungsabstand beträgt: 0,5 m für Luft c)durch eine direkte Verbindung an das vermaschte Fangleitungssystem - der Blitzstrom kann sich sofort auf vier Leitungsabschnitte aufteilen, der für Schutzklasse II beispielhaft berechnete Trennungsabstand beträgt: 0,26 m für Luft Blitz- und Überspannung FÜR DIE PRAXIS
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- J. Wettingfeld
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