Ursachen für Überspannungen bei Blitzentladungen

Die Störquellen

Überspannungen, die infolge eines Gewitters auftreten, werden durch Direkt- / Naheinschlag oder durch Ferneinschlag des Blitzes verursacht.
Direkt- oder Naheinschläge sind Blitzeinschläge in die Blitzschutzanlage eines Gebäudes, in dessen unmittelbarer Umgebung oder in die in das Gebäude eingeführten elektrisch leitfähigen Systeme (z.B. Niederspannungsversorgung, Telekommunikations- und Steuerleitungen, ...). Die dadurch entstehenden Stoßströme und Stoßspannungen, sowie das zugehörige elektromagnetische Feld (LEMP) stellen bezüglich ihrer Amplitude und ihres Energiegehaltes eine besondere Bedrohung für das zu schützende System dar.
Bei einem Direkt- oder Naheinschlag des Blitzes entstehen die Überspannungen durch den Spannungsfall am Stoßerdungswiderstand und der daraus resultierenden Potentialanhebung des Gebäudes gegenüber der fernen Umgebung. Dies stellt die stärkste Beanspruchung elektrischer Anlagen in Gebäuden dar.

Ursachen für Überspannungen bei Blitzentladungen

Die charakteristischen Parameter des fließenden Stoßstromes (Scheitelwert, Stromanstiegsgeschwindigkeit, Ladungsinhalt, spezifische Energie) sind mit der Stoßstromwellenform 10/350 µs beschreibbar und in der internationalen, europäischen und nationalen Normung als Prüfstrom für Komponenten und Geräte zum Schutz bei Direkteinschlägen festgelegt.

Zusätzlich zum Spannungsfall am Stoßerdungswiderstand entstehen Überspannungen in der elektrischen Gebäudeanlage und in den mit ihr verbundenen Systemen und Geräten durch die Induktionswirkung des elektromagnetischen Blitzfeldes. Die Energie dieser induzierten Überspannungen und der daraus resultierenden Impulsströme ist wesentlich geringer als die des direkten Blitzstoßstromes und wird deshalb mit der Stoßstromwelle 8/20 µs beschrieben. Komponenten und Geräte, die nicht Ströme aus direkten Blitzschlägen führen müssen, werden deshalb mit Stoßströmen 8/20 µs geprüft.

Die Schutzphilosophie

Ferneinschläge sind Blitzeinschläge in weiterer Entfernung zum zu schützenden Objekt, Blitzeinschläge in das Mittelspannungsfreileitungsnetz bzw. in dessen unmittelbarer Umgebung oder Blitzentladungen von Wolke zu Wolke.

Analog zu induzierten Überspannungen werden die Auswirkungen aus Ferneinschlägen auf die elektrische Anlage eines Gebäudes durch Geräte und Komponenten beherrscht, die entsprechend der Stoßstromwelle 8/20 µs dimensioniert sind. Überspannungen, die durch Schalthandlungen (SEMP) verursacht werden, entstehen durch z.B.:

  • das Abschalten induktiver Lasten (z.B. Transformatoren, Drosseln, Motoren)
  • das Zünden und Abreißen von Lichtbögen (z.B. Lichtbogenschweißgerät)
  • das Auslösen von Sicherungen

Die Auswirkungen von Schalthandlungen in der elektrischen Anlage eines Gebäudes werden ebenfalls mit Stoßströmen der Wellenform 8/20 µs prüftechnisch nachgebildet.

EMV-orientiertes Blitz-Schutzzonenkonzept

Zum Sicherstellen kontinuierlicher Verfügbarkeit komplexer energietechnischer und informationstechnischer Systeme auch im Falle direkter Blitzeinwirkung sind, aufbauend auf eine Gebäude-Blitzschutzanlage, weiterführende Maßnahmen zum Überspannungsschutz elektrischer und elektronischer Systeme notwendig. Wichtig ist die Berücksichtigung aller Überspannungsursachen. Hierzu wird das in IEC 62305-4 (DIN V VDE V 0185-4) beschriebene Blitz-Schutzzonen-Konzept angewendet.

Dabei wird ein Gebäude in Zonen unterschiedlicher Gefährdung aufgeteilt. Anhand dieser Zonen können dann die notwendigen Schutzmaßnahmen, insbesondere die Geräte und Komponenten für den Blitz- und Überspannungsschutz bestimmt werden. Zu einem EMV-gerechten Blitz-Schutzzonen-Konzept gehören der Äußere Blitzschutz (mit Fangeinrichtung, Ableitung, Erdung), der Potentialausgleich, die Raumschirmung und der Überspannungsschutz für das energie- und informationstechnische System. Für die Definition der Blitz-Schutzzonen gelten die in Tabelle 1 getroffenen Festlegungen.

Definition der Blitz-Schutzzonen

LEMP-Schutz von baulichen Anlagen mit elektrischen und elektronischen Systemen
nach DIN EN 62 305-4 ( VDE 0185-305-4)

Schutzzone

Beschreibung

LPZ 0A

Gefährdet durch direkte Blitzeinschläge, durch Impulsströme bis zum vollen Blitzstrom und durch das volle Feld des Blitzes

LPZ 0B

Geschützt gegen direkten Blitzeinschlag. Gefährdet durch Impulsströme bis zu anteiligen Blitzströmen und durch das volle Feld des Blitzes

LPZ 1

Impulsströme weiter begrenzt durch Stromaufteilung und durch SPDs an den Zonengrenzen. Das Feld des Blitzes ist meistens durch räumliche Schirmung gedämpft.

LPZ 2

Impulsströme weiter begrenzt durch Stromaufteilung und durch SPDs an den Zonengrenzen. Das Feld des Blitzes ist meistens durch räumliche Schirmung gedämpft.

Tabelle1: Definition der Blitz-Schutzzonen
Quelle: Dehn + Söhne

Entsprechend den Anforderungen und Belastungen, die an Überspannungs-Schutzgeräte bezüglich ihres Installationsortes gestellt werden, sind diese in Blitzstrom- Ableiter, Überspannungs-Ableiter und Kombi- Ableiter unterteilt. Die höchsten Anforderungen hinsichtlich des Ableitvermögens werden an Blitzstrom- und Kombi-Ableiter gestellt, die den Übergang von Blitz-Schutzzone 0A auf 1 bzw. 0A auf 2 realisieren.

Diese Ableiter müssen in der Lage sein, Blitz-Teilströme der Wellenform 10/350 µs mehrmals zerstörungsfrei zu führen, um somit das Eindringen von zerstörenden Blitz- Teilströmen in die elektrische Anlage eines Gebäudes zu verhindern.
Am Übergang der Blitz-Schutzzone 0B auf 1 bzw. dem Blitzstrom-Ableiter nachgeordnet am Übergang der Blitz-Schutzzonen 1 auf 2 und höher werden Überspannungs- Ableiter zum Schutz vor Überspannungen eingesetzt. Ihre Aufgabe ist es, sowohl die Restgröße der vorgelagerten Schutzstufen weiter abzuschwächen, als auch die in der Anlage induzierten oder dort selbst erzeugten Überspannungen zu begrenzen.

Die vorab beschriebene Blitz- und Überspannungs- Schutzmaßnahme an den Grenzen der Blitz-Schutzzonen treffen für das energietechnische und informationstechnische System gleichermaßen zu.
Durch die Gesamtheit der im EMV-gerechten Blitz- Schutzzonen-Konzept beschriebenen Maßnahmen ist eine dauerhafte Anlagenverfügbarkeit einer modernen Infrastruktur erreichbar.

Quelle: Dehn + Söhne