Blitz- und Überspannungsschutz
|
Elektrotechnik
Der Weg zum zeitgemäßen Blitzschutz - Teil 1: Von den Mythen zur modernen Blitzforschung
ep3/2008, 5 Seiten
Gewitter in der Mythologie Das uralte Bestreben des Menschen, das Gewitterphänomen zu erfassen, war bis weit in die Neuzeit geprägt durch mythologische Vorstellungen, insbesondere aus der altbabylonischen und altgriechischen Zeit, in der man sich die zerstörenden Wirkungen des Blitzes durch einen von den Göttern oder den Göttinnen vom Himmel geschleuderten, zündenden Feuerstrahl und durch einen zerschmetternden Donnerkeil zu erklären versucht hatte. 1.1 Blitz als Himmelsfeuer gedeutet Priester und Philosophen alter Kulturen betrachteten den Himmel und deuteten den Blitz als Himmelsfeuer. Die vom Feuerbegriff ausgehende Symbolik gehört deshalb zu den ältesten bildlichen Darstellungen des Blitzes. Die feurige Blitzbahn wurde als Zick-Zack-Spur oder gewelltes Blitzbündel stilisiert. Die älteste sichere Blitzdarstellung befindet sich auf einem Rollsiegel aus akkadischer Zeit um 2200 v. Chr. (Bild ). Das im Bild gezeigte Relief schmückte um 900 v. Chr. ein Burgtor in Nordsyrien. Es zeigt den Wettergott Teschup, der ein dreigabeliges Blitzemblem in der linken Hand hält und in der rechten den Hammer (Symbol für den Donner) schwingt. Etwa um 700 v. Chr. übernimmt die griechische Kunst die Blitzsymbole des vorderen Orients und gibt ihnen eine eigene Elektropraktiker, Berlin 62 (2008) 3 232 FÜR DIE PRAXIS Blitz- und Überspannungsschutz Der Weg zum zeitgemäßen Blitzschutz Teil 1: Von den Mythen zur modernen Blitzforschung P. Hasse, Neumarkt in der Oberpfalz Beschrieben wird in drei Teilen der Weg von mythologischen Vorstellungen über naturwissenschaftliche Erkenntnisse bis zur heutigen EMV-orientierten modernen Blitzschutz-Technik. Entworfen wird das Bild eines faszinierenden Forschungs- und Tätigkeits-Gebietes, das unverzichtbare Voraussetzung für die Entwicklung physikalisch begründeter Maßnahmen des Blitzschutzes, insbesondere auch für unsere heutige, durch die Elektronik geprägte hochtechnisierte Welt ist. Autor Dr.-Ing. Peter Hasse ist Geschäftsführer (i. R.) des Unternehmens Dehn + Söhne, Aufsichtsratsvorsitzender der GHMT AG und Autor zahlreicher Fachbücher, Neumarkt/Oberpfalz Rollsiegel aus akkadischer Zeit (um 2200 v. Chr.) Zeus mit flammendem Blitz auf einer attischen Trinkschale (480 v. Chr.) Hethitischer Wettergott Teschup (um 900 v. Chr.) WEB-TIPP · www.dena.de (Gebäudeenergieausweis) ·www.gesetze-im-internet.de (EnEV 2007) Demohäuser und Wohnungen: ·www.inhaus-zentrum.de ·www.smarthomepaderborn.de ·www.wohn-telematik.de ·www.futurelife.ch höchstens 3,6 s pro Stunde. Im „Low Duty Cycle“ ist die Sendedauer auf 1 % einer Stunde, im „High Duty Cycle“ auf 10 % begrenzt. Im „Very High Duty Cycle“ gibt es keine Begrenzung mehr. Die meisten für Gebaudetelematik eingesetzten Geräte benutzen den „Very Low Duty Cycle“, um kurze Mess- oder Steuersignale zu übertragen. Allein durch die Zeitbegrenzung der Datenübertragung ist die Störwahrscheinlichkeit enorm minimiert. Außerdem ist die Belastung durch elektromagnetische Strahlung in den beiden unteren „Duty Cycles“ sehr gering, weil das Dauersenden ausgeschlossen ist. Fazit Gebäudetelematik ist europaweit betrachtet ein wachsender Markt, der in den einzelnen Ländern oft durch Energieprojekte erschlossen wurde. Obwohl die Gebäudetelematik in Deutschland noch nicht den Stellenwert hat wie in anderen Ländern, ist die zunehmende Einführung in den nächsten Jahren gewiss. Sensoren, Aktoren und Geräte im Haushaltswie im Unterhaltungsbereich stehen in verschiedensten Preissegmenten und für unterschiedlichste Anwendungen zur Verfügung. Nachteilig für eine schnellere Verbreitung ist die fehlende Standardisierung in der Gebäudetelematik, die zu einer Verunsicherung der Anwender führt. Es gibt verschiedene Standards, Quasistandards und viele proprietäre Systeme, die sich auch innerhalb der nächsten Jahre nicht vereinheitlichen werden - eine Zusammenführung ist nur auf lange Sicht denkbar. Als mittelfristigen Ausweg aus diesem Problem bieten viele Hersteller Gateways an, also Übergänge von einem System und Protokoll zu einem anderen, oder legen Schnittstellen offen, an denen Daten übernommen und umgewandelt werden können. Die existierenden Demowohnungen und -häuser, in denen eine Vielzahl von Herstellern zusammenarbeitet, zeigen die Bereitschaft zur Kooperation. Längst haben die meisten Beteiligen begriffen, dass Gebäudetelematik nicht von einer Firma oder einem Gewerk abgedeckt werden kann. Dass das Handwerk, insbesondere das Elektrohandwerk, dabei einen wichtigen Stellenwert hat, zeigen auch die Initiativen und Angebote der Handwerkskammern, die sich mit der Gebäudetelematik beschäftigen. Prägung mit dem blitzschleudernden Zeus (Bild ). Eine beeindruckende Darstellung des Blitzes als himmlisches Feuer zeigt die künstlerische Interpretation (Bild ) des Bibelverses: „Da fuhr ein Feuer aus von dem Herrn und verzehrte sie, dass sie versturben vor dem Herrn“. In der chinesischen Mythologie wird der Blitz durch die Göttin Tien Mu dargestellt (Bild ). Zielgerichtet hält sie ihre beiden Spiegel, um Lichtblitze zu entsenden. Tien Mu gehört zu den fünf bedeutendsten Würdenträgern eines Gewitterministeriums, dem auch der trommelschlagende Donnergraf Lei Kung (Bild ) angehört. 1.2 Älteste Betrachtungsweisen des Blitzschlags Älteste Betrachtungsweisen bringen den Blitzschlag mit einem vom Himmel herabfallenden Stein oder einer herabgeschleuderten Steinaxt in Verbindung. Seine zerschmetternde Kraft, die sich beim Spalten von Bäumen, beim Sprengen von Fels oder beim Töten von Lebewesen zeigt, wird mit den Wirkungen eines steinzeitlichen Werkzeugs verglichen. In mythologischen Darstellungen gehört der Donnerkeil zu den stärksten Waffen, die einem Gott zur Verfügung stehen. So sieht die griechische Mythologie in Zeus den Gott mit donnerkeilschleudernder Macht (Bild ). Elektropraktiker, Berlin 62 (2008) 3 233 III. Buch Moses, Kap. X, Vers 2: Himmelfeuer tötet fremdes Feuer Göttin Tien Mu Donnergraf Lei Kung Zeus von Dodona - einen Donnerkeil schleudernd (470 v. Chr.) Reibungs-Elektrisiermaschine von Andreas Gordon (1744) Erste Kondensatorbatterie mit fünf Leydener Flaschen nach Prof. Winkler (1746) Leseranfrage Anlagen gemäß neuer DIN VDE 0100-410 warten und erweitern 1. Wenn ich den Teil 411.3.3 in der neuen DIN VDE 0100-410 richtig verstehe, heißt „...von Elektrofachkräften instand gehalten werden ...“, dass ich nicht immer vor Ort sein muss. Dies wäre für mich wichtig, da wir auch eine Niederlassung an einem anderen Standort haben, wo ich Anlagen in unregelmäßigen Abständen erweitere, instand halte und Maschinenfehler behebe. Ist meine Interpretation richtig oder muss ich regelmäßig, z. B. zwei Mal im Monat, vor Ort sein? 2. Wie verhalte ich mich richtig, wenn die Ausnahme „... Industriebetrieb, von Elektrofachkräften instand gehalten und eine Differenzstrom-Überwachungseinrichtung eingebaut wird ...“ gilt, bei Erweiterung a) einen neuen Stromkreis für Steckdosen, b) eine neue Steckdose am bestehenden Stromkreis? Antwort auf über 900 Leseranfragen finden ep-Abonnenten auf www.elektropraktiker.de Geschichte der Blitzforschung Die Geschichte der Blitzforschung ist durch Experimente, Naturbeobachtungen und deren Deutung geprägt. 2.1 Experimente mit Reibungselektrizität Ein bedeutsamer Schritt in der naturwissenschaftlich begründeten Erkenntnis des Blitzphänomens nach der Zeit der mystischen Deutungen erwuchs aus den Experimenten mit Reibungselektrizität. Zwar war schon den Griechen etwa 600 v. Chr. die elektrische Wirkung des geriebenen Bernsteins bekannt. Aber erst durch die Erfindungen der rotierenden Elektrisiermaschinen als Ladungserzeuger, bei denen zwei Isolierstoffe unterschiedlicher Konsistenz kontinuierlich aufeinandergerieben werden (Bild ), und die der Leydener Flasche (Bild ) als Ladungs- und damit Energiespeicher, konnte die Elektrizität soweit intensiviert werden, dass deutlich leuchtende Funken, die sich prasselnd entluden, beobachtet werden konnten. Als erster erkannte wohl der Physiker und Ingenieur in schwedischen und kursächsischen Diensten, Otto von Guericke (1602-1686), der im Jahre 1670 in Magdeburg die erste Elektrisiermaschine mit einer Schwefelkugel fertigte, die Analogie zwischen einer elektrostatischen Entladung im Laboratorium und der Blitzentladung. Johann Heinrich Winkler, Physikprofessor in Leipzig, publizierte 1746 die Ansicht, dass die elektrische Wolkenladung die Ursache eines Gewitters sei und sich durch Blitze zur Erde entlade. 2.2 Experimente mit Stangen Es blieb dem Staatsmann, Schriftsteller und Naturwissenschaftler Benjamin Franklin (1706-1790) (Bild ) vorbehalten, in einem Brief aus Philadelphia am 29. Juli 1750 an Peter Collinson von der Royal Society London sein berühmtes Schilderhaus-Experiment vorzuschlagen, mit dem die Hypothese der elektrischen Natur des Gewitters und Blitzes bewiesen werden sollte: Eine isoliert stehende Person sollte sich im Gewitterfeld mit Hilfe einer Metallstange aufladen und sodann Entladungsfunken erzeugen. Ein modifiziertes Experiment wurde dann am 10. Mai 1752 in Marly La-Ville bei Paris realisiert: Der französische Botaniker und Physiker, Thomas Francois Dalibard hatte den Franklin´schen Vorschlag aufgegriffen und eine nahezu 12 m hohe Eisenstange mit vergoldeter Spitze isoliert gegen die Erde errichtet. Unter einer Gewitterwolke zog sein auf dem Boden stehender Gehilfe Coiffer, bei Anwesenheit des Dorfpfarrers Raulet, Funken von einigen cm Länge aus dem Fuß der Stange (Bild ). Diese Funken waren allem Anschein nach identisch mit den Funken aus den Experimenten mit Reibungselektrizität. Die elektrische Natur des Gewitters galt nun als bewiesen. Benjamin Franklin selbst bestätigte in analoger Weise einen Monat später die elektrische Natur des Blitzes, als es ihm während eines Gewitters gelang, aus der feuchten Schnur eines Drachens kleine Funken zu ziehen. Dieses Experiment wurde gerne, stilvoll der Zeit entsprechend, in einem „Drachen-Belvedère“ - einem speziellen Pavillon -, nachvollzogen. Elektropraktiker, Berlin 62 (2008) 3 234 FÜR DIE PRAXIS Blitz- und Überspannungsschutz Benjamin Franklin (1706 - 1790) Erster Nachweis von Gewitterelektrizität durch Dalibard in Marly bei Paris (1752) tödlich getroffen Beim Experimentieren mit Gewitterelektrizität wird Prof. Richmann der Kaiserlichen Akademie zu St. Petersburgvon einem Blitzstrahl tödlich getroffen (1753) Vorgänger des Klydonographen nach G. C. Lichtenberg (1777) Stahlstäbchen für Blitzstrommessungen Coercit ist ein hoch remanenter Stahl, der von der Firma Krupp zur Verfügung gestellt wurde. (1926) Anzeige Sonne als Marktchance HUSS-MEDIEN Gmb H 10400 Berlin Direkt-Bestell-Service: Tel. 030 42151-325 · Fax 030 42151-468 E-Mail: bestellung@huss-shop.de www.huss-shop.de Tipp Brösicke, Sonnenenergie, 180 S., 149 Abb., Paperback, Bestell-Nr. 3-341-01210-0, 29,80 Aus dem Inhalt Solarthermie Photovoltaik Windkraft Wasserkraft Wärmepumpen Biokraft Brennstoffzellen Energiespeicher Orientierungshilfe für neue Tätigkeitsfelder Obwohl Franklin schon bei seinem Schilderhaus-Experiment vor möglichen Gefahren gewarnt hatte, führte die Sorglosigkeit bei den Gewitterversuchen schließlich zu einem schweren Unfall, bei dem im August 1753 der Petersburger Physikprofessor Georg Wilhelm Richmann den Tod fand: Der Blitz schlug in die aufragende Metallstange und entlud sich über den Forscher zur Erde (Bild ). Die Stangenexperimente fanden damit ein jähes Ende. Sie hatten aber die naturwissenschaftlichen Grundlagen geliefert, auf denen aufbauend nun in der Mitte des 18. Jahrhunderts physikalisch begründete Maßnahmen zum Schutz von Personen und Gebäuden gegen den Blitz vorgeschlagen werden konnten. 2.3 Weitere Schritte der Blitzforschung bis zum 21. Jh. Weitere wichtige Schritte der Blitzforschung werden nachfolgend aufgezeigt. 2.3.1 Ferromagnetische Stäbchen Ermittlung des Scheitelwertes von Blitzströmen aus der Magnetisierung ferromagnetischer Stäbchen (Bild ) in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts. 2.3.2 Klydonograph Entwicklung des Klydonographen (Bild ) zur Aufzeichnung von Blitz-Überspannungen (1924). 2.3.3 Kathodenstrahl-Oszillograf Die Entwicklung des Kathodenstrahl-Oszillografen (während des ersten Weltkrieges) wirkte sich revolutionierend auf die Blitzforschung aus: 1925 konnte in einer Versuchsstation der Königlichen Wasserfalldirektion in Schweden erstmals die Blitzüberspannung auf einer 20-kV-Freileitung oszillografisch registriert werden (Bild ). 2.3.4 Blitzmessstation Prof. K. Berger errichtete 1942 im Auftrag des Schweizerischen Elektrotechnischen Vereins (SEV) seine legendäre Blitzmessstation auf einem Rundfunkturm auf dem Monte San Salvatore (Bild ). Mit einzigartigem Engagement auch seiner Mitarbeiter, insbesondere H. Binz und E. Vogelsanger, wurden dort etwa 30 Jahre lang die einschlagenden Blitzströme über einen Shunt geleitet und mit Oszillografen aufgezeichnet. 2.3.5 Fotografische Aufnahmen Parallel zum Oszillosgrafieren wurden die Blitzeinschläge nach einer von Sir Ch. V. Boys schon im Jahre 1900 entwickelten Methode fotografiert, bei der eine Kamera mit bewegter Linse eingesetzt wurde: Damit war eine zeitliche Auflösung des fotografischen Bildes möglich. Berühmt ist die erste, zeitlich aufgelöste Blitzaufnahme eines Einschlags in das Empire State Building in New York im Jahre 1936, bei der von K. B. Mc Eachron erstmals ein so genannter multipler Blitz mit einer Folge von 11 Teilblitzen in einer Blitzentladung nachgewiesen werden konnte (Bild ). 2.3.6 Grundlage für heutige Dimensionierung Auf den genannten fotografischen Aufnahmen und elektrischen Messungen der Blitzströme bei Turmeinschlägen basieren im Wesentlichen unsere heutigen Vorstellungen von dem Mechanismus der Blitzentladungen. Auf Basis dieser Messungen wurden die Blitzstromkennwerte (Stromscheitelwert, Ladung, spezifische Energie, Stromsteilheit) ermittelt, die den heutigen Dimensionierungen in der Blitzschutztechnik zugrunde liegen. 2.3.7 Tradition der Blitzmessungen fortgesetzt Die Tradition dieser Blitzmessungen wurde in Deutschland fortgesetzt mit einer vom Hochspannungsinstitut der TU München seit Ende der 70er Jahre des vergangenen Jahrhunderts betriebenen, vollautomatischen Messstation auf dem Sendeturm des Peißenberg im Voralpenland. Anstelle des Stoßstromshunts wurde jedoch eine Induktionsschleife in definierter Position neben der Blitzableiterleitung auf der Turmspitze eingesetzt (Bild ). Hiermit konnten unmittelbar die zeitlichen Änderungen des Blitzstromes gemessen werden, die für aktuelle Schutzaufgaben elektrischer und elektronischer Anlagen besonders interessant sind. 2.3.8 Gezielt Blitze auslösen 1966 gelang es Prof. Newman gezielt Blitze zu triggern - „auszulösen“, indem er von seinem Forschungsschiff „Thunderbolt“ vor Florida Raketen starten ließ. Befestigt war an den Raketen jeweils ein dünner Stahldraht, sodass an dessen Fußpunkt der Stromverlauf registriert werden konnte. Bei dieser Methode genügt es, den Draht unter einer Gewitterzelle einige 100 m in die Höhe zu befördern, um dann zunächst einen Elektropraktiker, Berlin 62 (2008) 3 235 Erstes Oszillogramm einer Blitzüberspannung auf einer 20-kV-Leitung (1925) Zeitliche Darstellung einer fotografischen Aufnahme eines Einschlages in das Empire State Building (1936) Die von Prof. K. Berger geleitete Blitzmessstation auf einem Rundfunkturm auf dem Monte San Salvatore ELEKTROCAD 8.0 Planungssoftware für die Elektrotechnik und die Elektroinstallation Kostenlose Testversion: www.aucos-elektrocad.de Halle 17, Stand C69 Anzeige Blitz- und Überspannungsschutz FÜR DIE PRAXIS Elektropraktiker, Berlin 62 (2008) 3 236 FÜR DIE PRAXIS Blitz- und Überspannungsschutz Aufwärtsblitz - wie er auch von einem hohen Turm ausgehen kann - unter Verdampfen des Drahtes auszulösen (Bild ). In diesem geschaffenen Kanal können dann Abwärtsblitze folgen, die den Folgeblitzen natürlicher multipler Blitze entsprechen. · Raketentrigger-Stationen wurden dann in Frankreich, an der Elfenbeinküste, in Japan, Deutschland (Steingaden, 1976 bis 1981, Bild ) und in Florida (Camp Blanding) errichtet. · Die Messungen getriggerter Blitze haben neben wichtigen entladungsphysikalischen Erkenntnissen gezeigt, dass Blitzströme in ihrer Stirn sehr hohe, bis dahin nicht für möglich gehaltene Stromsteilheiten aufweisen können. Des Weiteren konnten bei diesen Experimenten Beziehungen zwischen den Blitzströmen und den gleichzeitig gemessenen, vom Blitzkanal abgestrahlten elektromagnetischen Feldern, den Lightning Electromagnetic Impulses (LEMPs), hergestellt werden. 2.3.9 LEMPs (Lightning Electromagnetic Impulses) LEMPs haben seit Ende der 70er Jahre des vergangenen Jahrhunderts besonders im Hinblick auf die Gefährdung der in atemberaubendem Tempo in alle technisierten Bereiche einziehenden Elektronik mit ihren gegen Blitzstörungen besonders sensiblen Komponenten ein ungeahntes Interesse erfahren. Deshalb ist die Erforschung der LEMPs weltweit ein aktuelles Ziel der Blitzforschung. Mit der Vermessung der Felder natürlicher Blitze im Bereich des hörbaren Donners (der zur Entfernungsabschätzung dient) wurde in der Bundesrepublik Deutschland 1983 an der Universität der Bundeswehr München begonnen. Mit elektrischen und magnetischen Feldsonden und Transienten-Rekordern mit Zeitauflösevermögen im Nanosekunden-Bereich wurden LEMPs breitbandig aufgezeichnet (Bild 2.3.9 Simulation des Blitzstromes Zur Simulation des Blitzstromes im Laboratorium werden Stoßstromgeneratoren verwendet, sie erzeugen Stoßströme mit Scheitelwerten von 200 kA einem Ladungstransfer von 200 As und einem spezifischen Energieinhalt von 10 MJ/. Teil 2: Geschichte des Blitzschutzes, Richtlinien und Normen Fortsetzung ELEKTRO PRAKTIKER Schaltungsaufbau der Blitzmess-Station Peißenberg Transientes elektrisches Störfeld Kennlinie eines transienten elektrischen Störfelds mit über 100 V/m eines einige Kilometer entfernten Blitzes, aufgezeichnet mit einem Transientenrekorder Quelle: Universität der Bundeswehr München Blitztriggerung von Prof. Newmans Schiff „Thunderbolt“ (1966) Durch den getriggerten Blitzstrom verdampfender Draht Foto: Blitzforschungsgruppe München
Autor
- P. Hasse
Downloads
Laden Sie diesen Artikel herunterTop Fachartikel
In den letzten 7 Tagen:
Sie haben eine Fachfrage?