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Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
Ströme auf Leitungen 
im Gebäudeinneren

Bei einem Blitzeinschlag in ein Gebäude kann gefährliche Funkenbildung durch einen geeigneten (Blitzschutz)-Potentialausgleich vermieden werden. In diesem Fall fließt jedoch ein Teil des Blitzstroms auf den verbundenen elektrischen 
Leitungen in das Gebäude.

Einfamilienhaus mit einer elektrischen Leitung senkrecht vom Dach zur idealleitenden Erde (Bild: F. Heidler/A. Camara/ep)

Hinsichtlich der Gefährdung durch diese Teilströme wurden die wichtigsten Stromparameter untersucht – Strommaximum, Ladung, spezifische Energie, maximale Stromsteilheit. Die Untersuchungen wurden mit dem Computerprogramm CONCEPT II durchgeführt.

Gegenstand der durchgeführten Untersuchungen war, die maximalen Ströme zu ermitteln, die bei einem Blitzeinschlag auf elektrischen Leitungen in Gebäuden fließen. Die Leitungen sind auf Höhe des Daches mit dem äußeren Blitzschutzsystem LPS (Lightning Protection System) verbunden.

Die Ladung ist für die Auswahl eines SPD (Surge Protective Device: Überspannungsschutzgerät) der wichtigste Parameter. Für eine einzelne Ader einer Leitung beträgt die Ladung bis zu 0,6 Coulomb, wenn das Gebäude mit einer Metallfassade versehen ist. Wenn es zusätzlich ein metallenes Flachdach besitzt, reduziert sich die Ladung auf weniger als 0,1 C. Für Gebäude mit Stahlarmierung in den Decken (und im Dach) ist die Ladung ebenfalls sehr gering mit typischen Werten unter 0,1 C. Weist das Gebäude hingegen keine schirmenden Elemente (stahlarmierte Decken, Metalldach, Metallfassade, usw.) auf, ist die Ladung relativ hoch mit Werten von einigen Coulomb. Dies gilt für Gebäude mit einem äußeren Blitzschutzsystem aus Kupfer und Aluminium. Bei Verwendung von Stahl erhöht sich die Ladung nur leicht. Wird jedoch Edelstahl verwendet, steigt die Ladung aufgrund der relativ schlechten Leitfähigkeit von Edelstahl erheblich an.

Auftretende 
Strombelastungen

Das Blitzschutzsystem LPS (Lightning Protection System) besteht aus der Fangeinrichtung, der Ableitungseinrichtung, der Erdungsanlage, dem Blitzschutz-Potentialausgleich und dem Trennungsabstand. Die Fangeinrichtung, die Ableitungseinrichtung und die Erdungsanlage sind Komponenten des äußeren Blitzschutzsystems, während der Blitzschutz-Potentialausgleich und der Trennungsabstand Schutzmaßnahmen des inneren Blitzschutzsystems sind. Die Funktion des äußeren Blitzschutzsystems besteht darin, den Blitz aufzufangen, sicher abzuleiten und in der Erde zu verteilen.

Bei einem Blitzeinschlag kann es zur Funkenbildung und zum Überschlag zwischen dem äußeren Blitzschutzsystem und elektrischen Installationen im Gebäudeinnern kommen. Die Funktion des inneren Blitzschutzsystems besteht darin, dieses zu verhindern. Dies kann erreicht werden durch

  • Blitzschutz-Potentialausgleich oder
  • Einhalten eines mindestens notwendigen Trennungsabstands zwischen dem äußeren Blitzschutzsystem und leitfähigen Teilen im Gebäudeinneren.

Der notwendige Trennungsabstand hängt von mehreren Parametern ab, z. B. von der Gebäudehöhe. Er beträgt typischerweise einige 10 cm bis zu über einem Meter [1] bis [7]. Wenn der erforderliche Trennungsabstand nicht eingehalten werden kann, muss ein Blitzschutz-Potentialausgleich realisiert werden. In diesem Fall fließt ein Teil des Blitzstroms vom äußeren Blitzschutzsystem über Verbindungsleitungen ins Gebäudeinnere.

Notwendig ist es, den maximalen Strom zu bestimmen, der auf elektrischen Leitungen des Niederspannungsnetzes (230 V) bei einem Blitzeinschlag ins Gebäudeinnere fließt. Derartige Untersuchungen werden üblicherweise mit Rechenprogrammen durchgeführt, die auf der Netzwerkanalyse unter Verwendung konzentrierter Elemente wie Widerständen, Induktivitäten, Kapazitäten usw. basieren [8]. Die vorliegende Arbeit basiert hingegen auf Simulationsrechnungen bei vollständiger Lösung der Maxwell-Gleichungen.

Der Blitzschutz-Potentialausgleich der spannungsführenden Leiter (L) und des Neutralleiters (N) des Niederspannungsnetzwerkes erfordert den Einsatz von SPD (Surge Protective Device: Überspannungsschutzgerät). Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die dabei maximal auftretenden Strombelastungen zu ermitteln, wenn ein Blitzschutz-Potentialausgleich auf der Dachebene realisiert wird. Die Analyse umfasst die wichtigsten Blitzstromparameter – maximale Blitzstromsteilheit, Strommaximum, Ladung, spezifische Energie. Dazu werden verschiedene Typen von Leitungen sowie ihre Verlegungsart untersucht.

Die Strombelastungen hängen insbesondere vom äußeren Blitzschutzsystem und dem verwendeten Material ab. Daher wurden verschiedene Konfigurationen unter der Verwendung der Materialien Kupfer, Aluminium, Stahl und Edelstahl untersucht.

Autoren: F. Heidler; A. Camara

Literatur:

[1] DIN EN 62305-1 (VDE 0185-305-1):2011-10 Blitzschutz – Teil 1: Allgemeine Grundsätze.

[2] DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3):2011-10 Blitzschutz – Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen.

[3] Beierl, O.; Steinbigler, H.: Induzierte Überspannungen im Bereich von Ableitungen bei Blitzschutzanlagen mit maschenförmigen Fanganordnungen. 18. Intern. Conf. on Lightning Protection ICLP, München, paper 4.1, Sept. 1985.

[4] Zischank, W.: Isolated lightning protection systems for buildings with flammable content. 19. Intern. Conf. on Lightning Protection ICLP, Graz, paper 6.8, April 1988.

[5] Kind, D.: Die Aufbaufläche bei Stoßbeanspruchung technischer Elektrodenanordnungen in Luft. Dissertation, TU München, 1957.

[6] Thione, L.: The Dielectric Strength of Large Air Insulation, in K. Ragaller: Surges in High-Voltage Networks. Plenum Press, New York, 1980.

[7] Panicali, A.R.; Silva, J.C. O.; Barbosa, C.F.; Alves N. V.B., Separation distance between external LPS and structure conductive parts. Intern. Symposium on Lightning Protection SIPDA, Balneário Camboriú, Brasilien, 28. Sept. – 2. Oct. 2015.

Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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