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Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
Extrem hohe Blitzströme - Diskussion über die Genauigkeit von Blitzortungssystemen

Blitze sind nach wie vor eine enorme Schadensquelle für Personenschäden, Brände, mechanische Zerstörungen und insbesondere auch Überspannungen. Das zeigen nicht zuletzt aktuelle Statistiken der Schadensversicherer.

Meldung zu „Megablitz“ in Essen [1] Am 29.04.2016 um 6.00 Uhr wurde in Essen ein Blitz registriert, der auf 405000 Ampere geschätzt wurde. Er war zu stark, um seine Stärke sicher bestimmen zu können. (Foto: Lars Wienand)

Immer wieder gibt es Meldungen über extrem hohe Blitzströme, die natürlich auch zu großen Schäden und Zerstörungen führen können. Dabei werden Scheitelwerte von teilweise deutlich über 300 kA genannt. Dies wirft Fragen auf, da die 
„klassische“ Blitzstatistik (z. B. nach CIGRE und IEC [8][10]) bisher solche Werte nicht kennt. Diese extremen Blitzströme werden meist aus den Daten 
von Blitzortungssystemen ermittelt.

Schäden 
durch Megablitze

Im Jahre 2016 findet sich eine Meldung über einen „Mega-Blitz“ in Essen in der Tagespresse [1]. Der Scheitelwert wird auf Basis der Messungen des Blitzortungssystems BLIDS (Blitz Informationsdienst Siemens) mit 405 kA angegeben (Bild). In der Nähe von Berching in Bayern ist eine gewaltige Eiche durch einen Blitzeinschlag im wahrsten Sinne zerborsten. BLIDS hat am 8. Juni 2016 genau an der Stelle praktisch zeitgleich (Zeitabstand 2 µs!) zwei Wolke-Erde-Blitze von 335,1 bzw. 347,3 kA registriert [2]. Das waren gewaltige „kalte“ Blitze. Kalt, da der Blitz nicht gezündet und somit den Baum auch nicht abgebrannt hat. Durch die Stromstärke des Blitzes und die damit verbundene starke Hitzeentwicklung wird die Flüssigkeit im Baum binnen Bruchteilen von Sekunden zu Wasserdampf. Dieser dehnt sich „blitzschnell“ aus, da aus einem Liter Wasser unter Normalbedingungen 1673 Liter Wasserdampf entstehen, und der Baum wird gesprengt.

Im Fall der Eiche ist davon auszugehen, dass tatsächlich nur eine einzige stromstarke Entladung aufgetreten ist. Derartige Entladungen werden auf Grund der extrem großen Feldamplituden von 40 und mehr Ortungssensoren registriert, die viele hundert Kilometer vom Einschlagsort entfernt sind. Es kommt, wie im vorliegenden Fall, dann manchmal vor, dass der Ortungsalgorithmus aus der verfügbaren Fülle an Sensormeldungen zwei nahezu zeitgleiche Entladungen ermittelt, obwohl in der Realität nur ein einziges Blitzereignis stattgefunden hat. Detaillierte Untersuchungen zu Blitzeinschlägen in Bäume siehe [3].

Es stellt sich natürlich die Frage, inwieweit solch stromstarke Blitze wirklich existieren. Naturgemäß beruhen die Angaben der Stromscheitelwerte bei der Blitzortung auf einer Modellrechnung ausgehend von Scheitelwerten der gemessenen elektromagnetischen Felddaten. Dennoch werden die daraus ermittelten Scheitelwerte in wissenschaftlichen Publikationen und Informationen für die Öffentlichkeit direkt herangezogen, ohne darauf hinzuweisen, dass sie lediglich Ergebnis einer Modellrechnung sind, und daher natürlich mit einer gewissen Unsicherheit behaftet sind.

Ortung von Blitzströmen mit sehr hohen Scheitelwerten

Grundlagen der Blitzortung

Blitzortungssysteme ermitteln die maximale Stromstärke Imax einer Entladung aus dem Maximalwert Emax bzw. Hmax des von den Ortungssensoren registrierten elektromagnetischen Feldes. Dabei wird ein linearer Zusammenhang nach Gl. (1) zugrunde gelegt.

(1)

Formel

Die Konstante K kann entweder experimentell durch Messung bestimmt werden [4] oder aus dem sogenannten „Transmission-Line”-Blitzmodell [5] abgeleitet werden; sie ist lediglich von der Geschwindigkeit vRS der Hauptentladung im Blitzkanal abhängig, die in einem Bereich von 1/3 bis 2/3 der Lichtgeschwindigkeit c variiert. Beim EUCLID-Ortungssystem [6] (deckt nahezu ganz Europa bis zur russischen Grenze ab) wird vRS gleich 1,2·108 m/s angenommen und damit ergibt sich für die Referenzdistanz D = 100 km die Konstante K = 5,12, wenn der Strom in kA und die Feldstärke in V/m angegeben sind.

Unter der Annahme einer unendlichen Bodenleitfähigkeit der Erde nimmt die Feldstärke Emax umgekehrt proportional mit der Entfernung D zum Blitzschlag ab. Die Ortungssensoren in verschiedenen Entfernungen vom Einschlagpunkt registrieren und melden daher unterschiedliche Feldstärken. Sobald der Ort des Blitzeinschlags vom Ortungssystem aber ermittelt wurde, ist die Entfernung Di zu den einzelnen beteiligten Sensoren bekannt und die gemessenen Feldstärken Ei,gem werden auf die Referenzdistanz von 100 km durch die einfache Beziehung

Ei,100 = Ei,gem·Di/100 (2)

normiert. Im Idealfall sollten diese ermittelten Referenzfeldstärken Ei,100 für alle Sensoren gleich sein. In der Realität gibt es Abweichungen z.B. auf Grund der nicht idealen Bodenleitfähigkeit oder wegen Messfehlern. Zur Minimierung dieser Fehler wird daher in Gl. (1) für Emax der Mittelwert aller verfügbaren Werte von Ei,100 eingesetzt.

Literatur:

[1] www.derwesten.de/staedte/essen/mega-blitz-in-essen-stadtwald-elektrisiert-experten-id11778676.html

[2] www.dehn.de

[3] Heidler, F.; Diendorfer, G.; Zischank, W.: Examples of severe destruction of trees caused by lightning in Proc. 27th ICLP, Avignon, France, 2004.

[4] Cloud-to-Ground Lightning Parameters Derived from Lightning Location Systems – The Effects of System Performance. CIGRE Report 376, 2010.

[5] Uman, M. A.; McLain, D. K.; Krider, E. P.: The Electromagnetic Radiation from a Finite Antenna. Am. J. Phys., vol. 48, no. January, 1975.

[6] Schulz, W.; Diendorfer, G.; Pedeboy, S.; Poelman, D. R.: The European lightning location system EUCLID – Part 1: Performance analysis and validation. Nat. Hazards Earth Syst. Sci., vol. 16, no. 2, pp. 595–605, 2016.

[7] Mallick, S.; Rakov, V. A.; Hill, J. D.; Ngin, T.; Gamerota, W. R.; Pilkey, J. T.; Biagi, C. J.; Jordan, D. M.; Uman, M. A.; Cramer, J. A.; Nag, A: Performance characteristics of the NLDN for return strokes and pulses superimposed on steady currents, based on rocket triggered lightning data acquired in Florida in 2004–2012. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 119(7), 3825-3856, 2014.

Autoren: J. Birkl, A. Kern, S. Thern

Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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