Forschung, Normung und Praxis beim Blitz- und Überspannungsschutz

Aus den eingereichten Beiträgen wurden 17 als Vorträge in fünf Themenschwerpunkten ausgewählt und des Weiteren wurden 11 Beiträge als Poster präsentiert. Darin stellten fachkompetente Autorinnen und Autoren aktuelle Fragestellungen im breiten Feld von Blitzschutz, Überspannungsschutz bis hin zur Blitzforschung vor.

Einen Schwerpunkt bildeten aktuelle Themen der Normung, wie die Überspannungs- und Installationsvorschriften (DIN VDE 0100-443 und DIN VDE 0100-534) und die Verknüpfung von Blitzschutz und Baurecht. Die Problematik des sogenannten „Nichtkonventionellen Äußeren Blitzschutzes“ wurde mit Forschungsbeiträgen zur Collection Volume Method (CVM) und zu „niederimpedanten isolierten Ableitungen“ nicht ausgespart.

Beim Blitzschutz spezieller Objekte wurden Fragen zum Blitzschutz von explosionsgefährdeten Anlagen und von Biogasanlagen sowie der integrierte Blitzschutz und die EMV von Flughafentowern oder der Schutz von Seilbahnanlagen und von Gebäuden mit Glasdächern und Glasfassaden behandelt.

Der Komplex Blitzschutzeinrichtungen war sehr umfangreich und wurde mit zwei Sitzungen eingebracht. Dort waren das Dynamische Blitzkugelverfahren, der Trennungsabstand bei hohen Gebäuden, Fragen zum Blitzschutzpotentialausgleich im Dachbereich und Erdungsanlagen die zentralen Themen.

Im Schwerpunkt Blitzmessungen war ein besonderer Überblicksbeitrag zur Historie der Blitzortung bis heute in Deutschland enthalten. Außerdem wurde zu Blitzstromparametern und deren Messung an hohen Objekten sowie über extrem hohe Blitzströme berichtet.

Auch der Personenblitzschutz hatte wieder seinen festen Platz auf der Tagung. Fragen zur Blitzwirkung auf Personen, die Auswertung von Blitzunfällen, die Potentialsteuerung zum Schutz vor hohen Schrittspannungen und Forschungsergebnisse aus Laboruntersuchungen zur direkten Blitzeinwirkung auf Menschen wurden thematisiert.

Aktuelle Themen der Normung

Unter diesem Schwerpunkt diskutiert Dipl.-Ing. (FH) Josef Birkl von der Dehn + Söhne GmbH + Co.KG. ausführlich die neuen Überspannungs- und Installationsvorschriften DIN VDE 0100-443 und DIN VDE 0100-534 sowie besonders die im Entwurf vorliegende Anwendungsregel VDE-AR-N 4100. Dabei geht er auf die Installation von SPD Typ 1 im Hauptstromversorgungssystem bzw. Vorzählerbereich der Niederspannungsanlage ein, die früher in den TAB geregelt war. Nach den neuen Installationsvorschriften ist in Deutschland der Einsatz von Überspannungs-Schutzeinrichtungen (SPD) so nah wie möglich am Speisepunkt der elektrischen Anlage für praktisch alle Gebäude, einschließlich private Wohngebäude, verbindlich vorgeschrieben. Je nach Einspeiseart und ob das Gebäude ohne oder mit äußerem Blitzschutz ausgestattet ist, sind SPD Typ 1 oder mindestens SPD Typ 2 zu installieren. Aus dem bekannten Zählerplatz wird in Zukunft eine „Technikzentrale“, in der intelligente Messsysteme und Kommunikationseinrichtungen installiert sein werden, die ebenso wie der Zähler bzw. Überstrom- und Fehlerstromschutzeinrichtungen gegen Überspannungen und hohe Stoßströme zu schützen sind.

Im Beitrag „Rechtliche und normative Anforderungen an den Blitzschutz für bauliche Anlagen“ gibt Dipl.-Ing. Gabriele Schweble-Juch von der Schweble-Juch Sachverständige GbR einen Überblick zu den Zusammenhängen von öffentlichem und privatem Baurecht, die in der Musterbauordnung und in den Landesbauordnungen gefasst sind, dem vorbeugenden Brand- und Personenschutz sowie der Forderung nach Blitzschutz und Überspannungsschutz. Dabei ist die Einteilung baulicher Anlagen nach dem Baurecht von Bedeutung. Entsprechend beschäftigt sich der Beitrag ausführlich mit der Forderung nach einem Blitzschutzsystem für Sonderbauten und für weitere Objekte mit vergleichbaren Gefahren. Im Beitrag gibt ein Flussdiagramm Hilfestellung bei der Frage, wann Blitzschutz für eine bauliche Anlage gefordert ist und es werden Blitzschutzklassen für Bauten empfohlen. Zudem wird eine reduzierte Risikoanalyse vorgestellt, bei der zur Ermittlung der Blitzschutzklasse nur der Brand in Folge eines direkten Blitzeinschlages betrachtet wird.

Ausführlich beschreibt der Beitrag von Dipl.-Ing. Jürgen Wettingfeld von der W. Wettingfeld GmbH & Co. KG die Vielzahl an Vorschriften und gesetzlichen Vorgaben, die beim Blitzschutz für bauliche Anlagen mit explosionsgefährdeten Bereichen zu berücksichtigen sind. In seinen Ausführungen geht er auf die Bedeutung und die Verknüpfung von Produktsicherheitsgesetz, Betriebssicherheitsverordnung, die dazugehörigen Technischen Regeln für Betriebssicherheit (TRBS) und die Gefahrstoffverordnung mit den dazugehörigen Technischen Regeln für Gefahrstoffe (TRGS) ein. Für die Planung, Umsetzung, Prüfung und die Dokumentation von Blitzschutz an Ex-Anlagen sind insbesondere die Norm DIN EN 62305 Teil 3 und deren Beiblätter 2 und 3 sowie weitere Merkblätter anzuwenden. Im Beitrag wird klar herausgestellt, dass mit den Blitzschutzmaßnahmen nicht nur die normativen Forderungen zu erfüllen sind, sondern auch der gesetzliche Rahmen beachtet werden muss.

In seinem Beitrag untersucht Dr.-Ing. Martin Hannig von der Technischen Universität Darmstadt die Fangvolumenmethode CVM und insbesondere den dort verwendeten Feldintensivierungsfaktor sowie das Konzept mit dem kritischen Krümmungsradius an Ecken und Kanten baulicher Anlagen. Aus ermittelten Blitzeinfangvolumina nach CVM sollen die Platzierung und die Geometrie von Fangeinrichtungen abgeleitet werden. Mit großem Aufwand hat Dr. Hannig die Fangvolumenmethode aus Literaturangaben nachvollzogen und trotz anspruchsvoller Theorie verständlich beschrieben und eigene Berechnungen dazu durchgeführt. Ein Simulationsergebnis für ein einfaches Gebäude zeigt die Grafik.

Als Erkenntnis lässt sich festhalten, dass die Collection Volume Method (CVM) auf vielen unklaren Annahmen beruht, die einer großen Streubreite unterliegen, wodurch die Methode nicht schlüssig erscheint. Außerdem werden bei Anwendung der CVM Sicherheiten gegenüber der bewährten elektro-geometrischen Modellierung (EGM) deutlich reduziert.

Prof. Dr.-Ing. Jan Meppelink und B.Eng. Martin Bischoff von der OBO Bettermann GmbH & Co. KG erläutern in ihrem Beitrag die Typprüfung von isolierten Blitzschutzsystemen nach dem Normentwurf IEC 62561-8. Solche Blitzschutzbauteile sind Isolatoren und isolierte Ableitungen mit spezieller Potentialsteuerung, die zur Einhaltung des erforderlichen Trennungsabstands im sogenannten Isolierten Blitzschutz verwendet werden. Der vorliegende Normentwurf enthält Umweltprüfungen, mechanische Prüfungen und elektrische Prüfungen; diese werden im Beitrag beschrieben und anhand von Grafiken und Fotos veranschaulicht. Zudem werden neue Kenngrößen, wie der effektive Längenkorrekturfaktor, der äquivalente Trennungsabstand oder der Korrekturfaktor für die Steilheit der Stoßspannung erläutert.

Dipl.-Ing. (FH) Joseph Messerer vom Ingenieurbüro Joseph Messerer setzt sich in seinem Beitrag kritisch mit der Forderung nach Blitzschutz aus den Baurecht und der Anwendung des Risiko-Managements nach Blitzschutznorm DIN VDE 62305 Teil 2 auseinander. Bei eingehender Bewertung der Aussage aus dem Baurecht nach dauernd wirksamen Blitzschutzanlagen ist zu unterscheiden in bauliche Anlagen, bei denen unabhängig von der Nutzung Blitzschlag „leicht eintreten“ kann und in bauliche Anlagen, bei denen unabhängig vom leichten Eintreten Blitzschlag „zu schweren Folgen führen kann“. Insbesondere dann, wenn für die Umsetzung von Blitzschutzmaßnahmen keine gesetzlichen Forderungen, behördlichen Vorgaben oder Versicherungsbestimmungen vorliegen, kann die Risikoanalyse herangezogen werden, um geeignete Blitzschutzmaßnahmen für das Erreichen der Schutzziele auszuwählen.

Blitzschutz spezieller Objekte

Der Beitrag „Spezifische Aspekte des Blitzschutzes von Seilbahnen für den Personenverkehr“ von Dr.-Ing. Ralf Frentzel, TÜV SÜD Industrie Service GmbH, München, war entstanden, weil Seilbahnen gegenüber Blitz sehr exponierte Anlagen sind, hohe Anforderungen für die Personensicherheit bestehen und für die Streckeninstallationen (Streckenbauwerke/Stützen, Seile, elektrische Systeme der Strecke) wenig spezifische Anforderungen an den Blitzschutz bekannt sind. Der Beitrag beschäftigt sich im Besonderen mit den verschiedenen Möglichkeiten der Entstehung von Überspannungen und spezifischer Schutzmaßnahmen. Heute werden Streckenkabel (Steuerseile) zur Signalübertragung und empfindliche elektronische Sensoren zur Überwachung der Seilbahnstrecken eingesetzt. Diese Systeme sind durch Überspannungen und Blitzmagnetfelder gefährdet. Einkopplungen von hohen Störspannungen treten bei Direkteinschlag in das Streckenkabel, bei Direkteinschlag in das Förderseil oder eine Stütze, bei Direkteinschlag in elektrische Komponenten, die an Stützen angebracht sind, oder deren Kabel und bei Naheinschlag neben die Streckentrasse auf. Anhand von Computersimulationen wird untersucht, ob die Gefährdung durch zusätzliche Blitzfangseile über der Strecke reduziert werden kann. Im Ergebnis zeigt sich, dass der erste negative Blitzstoßstrom (1/200 μs) die höchste Bedrohung darstellt und das Überschläge nur bis zu einer bestimmten Entfernung des Einschlages von einer Stütze vermieden werden können. Ein vollständiger Schutz, auch beim kritischen Einschlag in der Seilfeldmitte, kann mit Blitzfangseilen nicht erreicht werden. Neben der Verhinderung von direkten Einschlägen in Steuerleitungen werden deshalb ein Überspannungsschutzkonzept und die Erhöhung der Widerstandsfähigkeit von Sensoren an der Strecke diskutiert. Elektronische Sensoren wurden unter realitätsnahen Bedingungen im Blitzstrom-Labor geprüft. Wenn die Sensoren der auftretenden Beanspruchung nicht standhalten können, muss ein sicheres Ausfallverhalten gegeben sein und der Defektzustand eindeutig signalisiert werden.

Prof. Dr.-Ing. Alexander Kern, Fachhochschule Aachen, Jülich hat in seinem Beitrag die Ergebnisse der statistischen Auswertung von Blitzschäden landwirtschaftlicher Biogasanlagen für den Freistaat Sachsen auf Basis einer Befragung und für Deutschland anhand einer Internet-Recherche vorgestellt sowie Risikoanalysen und sich daraus ergebende Blitzschutzmaßnahmen für Biogasanlagen erarbeitet. Personenschäden sind im Zusammenhang mit Blitzeinwirkungen an Biogasanlagen bisher nicht bekannt; wirtschaftliche Schäden sind dominant, was sich auch aus der Risikoanalyse ergibt. Für den Umfang an Schutzmaßnahmen ist die Größe der Biogasanlage und das Vorhandensein der Ex-Zonen 1 und/oder 2 entscheidend. Äußeren Blitzschutz, i.d.R. nach Schutzklasse II auszuführen, ist bei vorhandener Ex-Zone 1 erforderlich, wird jedoch zur Reduzierung von Sachschäden auch ohne vorhandene Ex-Zone 1 empfohlen. Koordinierter Überspannungsschutz am Eintritt aller elektrischen Leitungen in die Ex-Zonen 1 ist unbedingt notwendig. Allgemein muss der Blitzschutz-Potentialausgleich für alle von außen in die Biogasanlage eingeführten Versorgungsleitungen und koordinierter Überspannungsschutz für die elektrischen Leitungen der automatischen Brandschutzmaßnahmen in der gesamten Biogasanlage durchgeführt werden. Voraussetzung für Potentialausgleichs- und Überspannungsschutzmaßnahmen ist eine vermaschte Erdungsanlage aus Fundamenterdern und Ringerdern entsprechend der Grafik.

Die Maßnahmen zum Überspannungsschutz werden durch die Verwendung geschirmter Kabel, geeignete Kabelverlegung in Kabeltrassen mit Schirmwirkung und vielen Anschlüssen an den Potentialausgleich wesentlich verbessert.

Im Beitrag „Integrierte Blitzschutzsysteme am Beispiel eines Flughafentowers – Ausfallsicherheit“ geht A.o. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Stephan Pack von der Technischen Universität Graz auf geeigneten Blitzschutzmaßnahmen für das Bauwerk Flughafentower ein. Er erläutert die Notwendigkeit einer aufeinander abgestimmten Betrachtung von Erdung, Potentialausgleich, Blitzschutz und Schirmung (Grafik). Für solche hochtechnisierten Bauwerke wird ein integriertes dreidimensionales Erdungs- und Potentialausgleichssystem benötigt.

Allen Zielen der EMV und des Blitzschutzes kann man nur gerecht werden, wenn das notwendige elektrotechnische Gesamtkonzept über alle Planungsphasen, die Umsetzung bis zur Endabnahme konsequent entwickelt und verfolgt wird. Große Bedeutung wird einer effektiven Erdungsanlage beigemessen, die mit einem vermaschten Netz kleiner Maschenweite von 5 m ausgeführt wird und vielfach mit der Bewehrung verbunden ist. Darauf aufbauend entsteht das Potentialausgleichsnetzwerk für den gesamten Flughafentower. Als eine Besonderheit wird dafür die Ausführung von ungeschnittenen Ableitungen im Beitrag vorgestellt. Die auf Rollen befindlichen Ableitungsdrähte werden ausgehend von ihrer Anbindung an die Erdungsanlage bei der Errichtung des Stahlbetontowers durch Abrollen mit nach oben geführt. Exponierte Einrichtungen stellen die außen am Tower installierten Antennensysteme dar, die „selbstschützend“ ausgeführt sein können oder durch geeignete Fangeinrichtungen gegen direkten Einschlag zu schützen sind. In jedem Fall sind die Zuleitungskabel mit SPDs zu beschalten, um hohe Stoßwellen bis zu Sendern oder Empfängern zu verhindern. Alle Maßnahmen sind gegen Schäden an elektrischen und elektronischen Systemen wirksam und führen zu einer hohen Ausfallsicherheit.

Über experimentelle Untersuchungen und numerische Simulationen zur thermischen Wirkung am Fußpunkt von Blitzstromlichtbögen berichten Dipl.-Ing. Jens Schönau, CE-LAB GmbH, Prüfzentrum Ilmenau, Dr. Christian Karch, Airbus Defence and Space GmbH, München und Univ.-Prof. Dr.-Ing. Frank Berger, Technische Universität Ilmenau. Betrachtet werden leitfähigen Verbundmaterialien, wie carbonfaserverstärkte Kunststoffe CFK, die an Luftfahrzeugen oder in Windkraftanlagen eingesetzt werden. Anhand eines speziellen Versuchsaufbaus, der im Beitrag vorgestellt wird, wurde versucht, die thermischen Effekte zu trennen und der Einfluss der Wärmestrahlung vom Blitz-Langzeitstrom-Lichtbogen auf die Schädigung von CFK-Strukturen ermittelt. Die Schädigung der CFK-Struktur wird nicht nur durch die Joule´sche Erwärmung am Blitzfußpunkt aufgrund der geringen elektrischen Leitfähigkeit des Verbundmaterials verursacht, sondern auch durch die Wechselwirkungen der Plasma- und Wärmestrahlung mit der Strukturoberfläche. Zugleich wurde eine Nachrechnung der Vorgänge mit Finite-Elemente-Simulationen durchgeführt. Die Messungen haben entgegen den Erwartungen der Simulationen ergeben, dass nach dem Ende der thermischen Strahlungseinwirkung noch eine weitere Erwärmung der CFK-Anordnung durch heiße Umgebungsgase stattfindet. Diese ist jedoch für die unmittelbare Schadenswirkung zu vernachlässigen. Hervorzuheben ist die Feststellung, dass die Strahlung des Plasmakanals außerhalb des Blitzfußpunktes als Beitrag zur Schädigung der CFK-Struktur vernachlässigt werden kann.

Der Blitzschutz von Gebäuden mit Glasdächern und Glasfassaden wurde von Prof. Dr.-Ing. Jan Meppelink, Soest und Jürgen Trinkwald, OBO Bettermann GmbH & Co. KG, Menden betrachtet. Verbundglas ist ein Material, das zunehmend großflächig im Gebäudebereich bis hin zu Ganzglaskonstruktionen Anwendung findet. In den Konstruktions- und Installationsrichtlinien wird der Blitzschutz bisher nicht berücksichtigt. Glaskonstruktionen beinhalten metallene Rahmen- und Stützstrukturen oder Verspannungen aus Seilnetzen. Diese metallenen Strukturen führen Blitzströme, wenn diese Teil einer Fangeinrichtung oder einer Ableitung sind, häufig ist die Stützstruktur als Teil des äußeren Blitzschutzsystems aufzufassen. Stützstrukturen können auch als Fangeinrichtung technisch und architektonisch optimal ausgestaltet werden. Durch Blitzteilströme werden magnetische Felder im Gebäudeinneren erzeugt und auf gefährliche Näherungen ist zu achten. Außerdem können blitzbedingte Berührungsspannungen auftreten und direkt Personen gefährden. Bei Fassaden ist für den direkten Blitzeinschlag nachzuweisen, dass keine Splitterwirkung und damit Personengefährdung entstehen kann. Gegen die Druckwellen von Blitzentladungen weist Verbundglas jedoch eine hohe Festigkeit auf, was anhand von im Beitrag beschriebenen Blitzstoßstromtests im Labor nachgewiesen wurde. Insgesamt ist für Gebäude mit Glasdächern und Glasfassaden die Berücksichtigung des Blitzschutzes bereits in der Planungsphase angezeigt, um später hohe Folgekosten zu vermeiden.

Blitzschutzeinrichtungen

Laut Prof. Dr.-Ing. Alexander Kern, FH Aachen, Campus Jülich, mit dem Beitrag „Planung von Fangeinrichtungen mit dem dynamischen elektro-geometrischen Modell – Mögliche praktische Anwendungen“ ist die Einfangwirksamkeit (en: interception efficiency IE) der wichtigste Parameter, um die Wirksamkeit eines Fangeinrichtungssystems zu zeigen. Die IE kann mit dem dynamischen elektrogeometrischen Modell (DEGM), einem numerischen Verfahren, berechnet werden. Das Modell beruht ausschließlich auf international akzeptierten Modellen, Parametern, Ableitungen und Zusammenhängen, die in der Standard-Reihe DIN EN 62305 (VDE 0185-305) beschrieben sind. Bislang wurden mit dem DEGM die IE für Fangstangen berechnet. In seinem Beitrag stellte Prof. Kern mögliche weitergehende Anwendungen des DEGM vor. Dabei wird vorausgesetzt, dass eine „optimierte“ Version eines Fangeinrichtungssystems nicht alle Planungsgrundsätze gemäß DIN EN 62305-3 erfüllen muss. Die Untersuchung zeigt, dass Fangeinrichtungen, insbesondere Fangstangen, die mit dem standardisierten Blitzkugel-Verfahren nach DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) geplant sind, eine wesentlich höhere IE aufweisen, als eigentlich gefordert. Dieser Ansatz führt zu einer deutlichen Reduzierung der Anzahl von Fangstangen, und damit auch zu einer deutlichen Reduzierung der Kosten für ein LPS, da nur die am meisten wirksamen Fangstangen verbleiben müssen. Es ist aber klar herauszustellen, dass dieser Ansatz nur die IE-Werte benutzt. Das heißt, dass beim Ansatz mit dem DEGM zwar die gesamte IE den Zielwert erreicht, andererseits aber Bereiche auf der geschützten baulichen Anlage existieren, in denen Blitze einschlagen können, die höhere Scheitelwerte aufweisen als für die jeweilige Schutzklasse des LPS laut Norm eingefangen worden wären. Wird also für die Schutzklasse eines LPS neben der IE auch der maximale Scheitelwert eines Blitzes festgelegt, der neben den Fangeinrichtungen einschlagen darf (zum Beispiel ≤ 10 kA bei der Blitzschutzklasse III), erfüllt die im Vortrag als progressive Planungen mit dem DEGM dargestellte Maßnahme nicht diese Anforderung.

Prof. Dr.-Ing. Ottmar Beierl von der Technischen Hochschule Nürnberg, verwies in seinem Vortrag darauf, dass der von der Fangeinrichtung einer Blitzschutzanlage erfasste Blitzstrom bei einer größeren Installation über mehrere elektrische parallele Ableitungen verteilt wird. Der Trennungsabstand bei einer Blitzschutzanlage wird maßgeblich durch die magnetische Kopplung zwischen den blitzstromdurchflossenen Ableitungen und den betroffenen Installationen im Gebäude bestimmt. Die magnetische Kopplung ist u.a. von der Anzahl der verwendeten Ableitungen abhängig. Mit steigender Anzahl von parallelen Ableitungen werden die magnetische Kopplung und damit die Anforderungen an den Trennungsabstand geringer. Mit der Einführung von isolierten Blitzschutzsystemen besteht ein Trend dazu, eine möglichst geringe Anzahl von Ableitungen einzusetzen. Die Problematik des Trennungsabstands stellt bei isolierten Blitzschutzsystemen mit sinkender Anzahl an Ableitungen eine immer größere Herausforderung dar. Die Aussage einiger Hersteller von isolierten Ableitungen, dass diese durch eine spezielle, niederimpedante Konstruktion, einen geringeren Trennungsabstand benötigen als bei der Verwendung konventioneller Ableitungen, trifft laut Prof. Beierl nicht zu. Die von ihm durchgeführten Simulationen legen dar, dass unter praxisrelevanten Annahmen, die von den Herstellern beanspruchte Reduktion des Trennungsabstandes nicht zu treffend ist und ein mit derartigen Ableitungen aufgebautes Blitzschutzsystem kein isoliertes Blitzschutzsystem im eigentlichen Sinne darstellt.

Herr Dipl.-Ing. Jürgen Wettingfeld von der Firma W. Wettingfeld GmbH & Co. KG in Krefeld stellte an Hand eines praktischen Beispiels die Vorteile moderner Planungsmethoden (Grafik 1) für die Anordnung der Fangeinrichtungen unter besonderer Berücksichtigung des Blitzkugelverfahrens (Grafik 2) nach DIN EN 62305-3 in einem Posterbeitrag dar. Sein Beitrag lautet „Blitzschutzmaßnahmen für eine Haupt-Feuerwache mit integrierter Leitstelle“.

Der Beitrag gibt Erläuterungen zu den einzelnen Planungs- und Umsetzungsschritten. Hier werden auf anschauliche Weise die Umsetzung, der vom Betreiber geforderten hohen Verfügbarkeit und sich daraus ergebende besondere Anforderungen an die Blitzschutzmaßnahmen dargestellt. Damit alle relevanten Maßnahmen berücksichtigt werden, bzw. vorab festgelegt werden können, ist eine frühzeitige Einbindung des Betreibers und aller Fachfirmen in die Planung und Ausführung unerlässlich. Zudem wird eindeutig dargestellt, dass sich im gesamten Projektverlauf gezeigt hat, dass sich die normativen Vorgaben, insbesondere der Normenreihe DIN EN 62305 und der DIN 18014, sehr gut realisieren lassen, wenn frühzeitig ein Schutzkonzept erstellt wird, dass mit allen Beteiligten kommuniziert wird.

Dr. Gernot Finis, Dr. Martin Wetter, Thomas Meyer, Rainer Durth und Holger Heckler, Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg, stellten an Hand eines Posterbeitrags zur Ableitung von Blitzströmen in leistungsstarken Energieversorgungssystemen moderne Funkenstrecken zur Unterdrückung von Netzfolgeströmen vor. In der Praxis sollen die entsprechenden Funkenstrecken nach ihrer Zündung so wenig Netzfolgestrom zulassen, dass Sicherungen mit minimalen Sicherungsnennwerten nicht ausgelöst werden. Einfache Funkenstrecken stellen zwar ein hohes Ableitvermögen zur Verfügung, erzeugen bei geringen Gegenspannungen aber Netzfolgeströme, die, je nach Größe, nicht gelöscht werden können. Dieses kann zum Auslösen von Ableitervorsicherungen (i.d.R. Schmelzsicherungen) und zum Auslösen von betriebsstromführenden Überstromschutzeinrichtungen z.B. Schmelzsicherungen der Betriebsklasse gG führen. Der damit verbundene mögliche Betriebsausfall kann hohe Kosten und kritische Situationen erzeugen. Moderne Funkenstrecken unterdrücken Netzfolgeströme daher konsequent.

Dr.-Ing. Alessandra Camara und Professor Dr.-Ing. Fridolin Heidler von der Universität der Bundeswehr München in Neubiberg simulierten an Hand verschiedener Computermodelle, die verschiedene Gebäudetypen nachbilden, wie sich Teilblitzströme in Leitungen in das Gebäudeinnere einkoppeln, wenn sich Potentialausgleichsverbindungen auf der Dachebene nicht vermeiden lassen. Als Ergebnis wurde für die Praktiker eine Tabelle entwickelt, die Hinweis gibt, wann Überspannungsschutzgeräte SPD Typ 1 oder Typ 2 einzusetzen sind. Grundsätzlich sollten aber Verbindungen zum Zwecke des Potentialausgleiches auf Erdniveau ausgeführt werden, so Professor Heidler.

Die Schulung einer ordnungsgemäßen Messung von Erdungsanlagen wurde im Beitrag von Dipl.-Ing. Gerhard Wolff von Phoenix Contact in Blomberg eindrucksvoll vorgetragen. Der neu erstellte Erdungsgarten ermöglicht eine umfassende Messausbildung, die die Aspekte der Erdungsanlagen für Blitzschutz, Netzformen, verschiedener Spannungsebenen von Niederspannung bis Hochspannung und von Bahnerdungsmaßnahmen berücksichtigt.

Abgerundet wurde dieser Tagungsabschnitt durch den Vortrag des Sachverständigen Sven Bonhagen vom Planungs- und Sachverständigenbüro elektroXpert aus Wardenburg, der über die Schwierigkeiten einer nachträglichen Anpassung des Blitzschutzsystems eines über hundert Meter hohen Hochhauses berichtete. Durch zusätzliche Potentialausgleichsmaßnahmen, nachträgliche Bewehrungsanschlüsse und Überspannungsschutzmaßnahmen wurde das Blitzschutzsystem, dass der Altnorm DIN VDE 0185 T1 entsprach, annähernd an die Norm DIN EN 62305-3 angepasst.

Blitzmessungen

Dipl.-Ing. Stephan Thern von der Siemens AG Karlsruhe berichtete über „25 Jahre Blitzortung in Deutschland“. Er erläuterte die Entwicklung des Messnetzes in Deutschland sowohl in der Fläche als auch in der deutlichen Verbesserung der Messqualität. Im Fokus standen ferner die heutigen Möglichkeiten der Datenauswertung, die sich in den letzten 25 Jahren ebenfalls wesentlich verbessert haben. Heute ist das deutsche Messnetz Bestandteil von EUCLID (European Cooperation for Lightning Detection), dass heute die größten Teile Europas abdeckt und über die kommerziellen Aspekte hinaus, wichtige Daten für wissenschaftliche Auswertungen liefert.

Dr. Gerhard Diendorfer von OVE-ALDIS Wien informierte anhand einer Vielzahl von wissenschaftlichen Untersuchungen über die besonderen Eigenschaften von Blitzströmen, wie sie bei hohen Bauwerken und Windkraftanlagen auftreten. Dabei sind die Einschlaghäufigkeit und die physikalischen Parameter des dort häufig auftretenden Aufwärtsblitzes, insbesondere der damit häufig verbundenen Blitzlangzeitströme, besonders beachtenswert. Die weitere intensive Messung dieses Blitztyps an hohen Objekten und insbesondere an Windkraftanlagen ist äußerst wichtig und liefert wichtige Erkenntnisse für deren Schutz.

M.Sc. Eduard Shulzhenko von der Technischen Universität Ilmenau stellte eine umfangreiche statistische Auswertung von Blitzortungsdaten für Windenergieparks in Deutschland vor. Dabei wurden die Blitzortungsdaten für 5 Jahre vor Errichtung und 5 Jahre nach Errichtung hinsichtlich Anzahl der Erdblitze, Polarität der Blitze und Amplituden der Blitzströme ausgewertet. Eine deutliche Erhöhung der Anzahl der negativen Blitze und eine erkennbare Verschiebung der Stromamplituden positiver Blitze in Richtung größerer Scheitelwerte nach Errichtung der Windparks wurden festgestellt. Erste Untersuchungen für Offshore-Windparks lassen auf der See höhere Blitzstromamplituden als an Land vermuten.

Prof. Dr. Alexander Kern von der Fachhochschule Aachen, Jülich referierte über extrem hohe Blitzströme über 300 kA, wie sie Berichte von großen Schäden und Zerstörungen nennen. Werte dieser Größenordnung kennt die „klassische“ Blitzstatistik bisher nicht, sie ergeben sich aber aus den Daten der Blitzortungssysteme. Der Beitrag setzt sich kritisch mit den bekannten Blitzstrommessungen und der Berechnung von Blitzstromscheitelwerten aus den Felddaten der Blitzortungssysteme auseinander. Blitzströme >300 kA wurden bislang noch nicht direkt gemessen, sind aber nicht gänzlich auszuschließen. Sie lassen sich mit hoher Wahrscheinlichkeit durch die Toleranzen bei der Bestimmung der Stromamplituden aus den elektromagnetischen Felddaten im Einzelfall erklären.

M.Sc. Christian Paul von der Universität der Bundeswehr München präsentierte den Einfluss des oberen Turmsegments des Fernmeldeturms „Hoher Peißenberg“ auf die Frequenz der Oszillationen im Stirnbereich der dort gemessenen Blitzströme. Im Jahr 2007 wurde das obere Turmsegment erneuert und dabei verkürzt. Die nach der Erneuerung zeigten die gemessenen Blitzströme deutliche Veränderungen in den Oszillationen, verglichen mit den vor der Erneuerung gemessenen. Durch Computersimulation konnte die Veränderung der Oszillationen nachempfunden und damit die Rückwirkung der Turmgeometrie auf die Blitzstrommessung verifiziert werden.

Personenblitzschutz

Die diesjährigen Beiträge der Sitzung 5 Personenblitzschutz beschäftigen sich unter anderem mit Maßnahmen, um einen sicheren Schutz von Personen bei Gewittern an unterschiedlichen Aufenthaltsorten zu gewährleisten (Schutzhütte, Unterstand, Zelt), mit der Verteilung von Blitzströmen in einem Kopfphantom und auch mit der Auswertung von Blitzunfällen mit Personenschäden aus den Jahren 1952 bis 1965.

Bei Schutzhütten, Schutzunterständen und Gebäuden mit kleinen Grundflächen besteht eine erhebliche Gefahr innerhalb dieser Gebäude im Falle eines Blitzeinschlages durch eine über dem Grenzwert von 25 kV auftretende Schrittspannung. In dem praxisorientierten Beitrag „Beispiele aus der Praxis bei der Umsetzung von Maßnahmen zur Schrittspannungsbegrenzung bei Blitzströmen“ werden technische Möglichkeiten aufgezeigt und erläutert, wie die berechneten Maßnahmen (Potentialsteuergittermatten mit einer Maschenweite von 25 cm) zur Begrenzung von Schritt- und Berührungsspannungen bei einem Unterstand in einer Park-Grünanlage realisiert werden können.

Bei einem Zeltlager kann nicht von festen Gebäuden, die bei Gewitter einen sicheren Aufenthalt erlauben würden, ausgegangen werden. Im Beitrag „Temporärer Blitzschutz für ein Pfadfinder-Zeltlager“ wird ein Blitzschutzkonzept für ein Zeltlager beschrieben, welches kurzzeitig und mit begrenztem Aufwand realisiert werden kann. Dieses Konzept wird auch auf ein konkretes Zeltlager angewendet.

Ein direkter Blitzeinschlag in den Kopf einer Person kann Wirkungen wie Verbrennungen, Bewusstlosigkeit oder den Tod verursachen. Um die Stromausbreitung bei einem Blitzeinschlag im Kopf zu analysieren, wird im Beitrag „Analyse von Blitzstromverteilungen in einem Kopfphantom mittels Messungen und Simulationen“ ein Phantom entwickelt, welches drei Kompartimente (Kopfhaut, Schädelknochen, Hirn) nachbildet. Dieses Kopfphantom wird mit elektrischen Impulsen beaufschlagt, die reale Blitzparameter annährend abbilden, um die Effekte während eines Blitzschlages auf den Menschen besser verstehen zu können.

Im Beitrag „Auswertung von VDE|ABB-Alt-Akten über Blitzunfälle mit Personenschäden“ werden Blitzunfallakten aus den Jahren 1952 bis 1965 bearbeitet, wobei technisch determinierte Angaben mit biologisch/pathophysiologischen Merkmalen zusammengeführt werden.

Ehrungen

Besondere Höhepunkte der 12. Blitzschutztagung waren die Ehrungen von zwei verdienten Kollegen und langjährigen Mitarbeitern im ABB.

Dipl.-Wirtsch.-Ing. (FH) Wolfgang Heuhsen erhielt die Goldene Ehrennadel des ABB-Fördererkreises. Neben seinem ehrenamtlichen Engagement in vielen Gremien des ABB und im Fördererkreis wurde er für seine Bemühungen um den VDE|ABB-Kindercomic „Donner-Wetter! Wissen für Kids zu Donner & Blitz“ und die langjährige Erarbeitung der Blitzunfallstatistik geehrt.

Vom Anschluss des ABB wurde der national und international hochangesehene Blitzschutzfachmann Dr.-Ing. Wolfgang Zischank mit der Benjamin-Frankling-Medaille ausgezeichnet. Diese höchste Auszeichnung des ABB erhielt der an der Universität der Bundeswehr München tätige, herausausragende Wissenschaftler für seine jahrzehntelangen Arbeiten in der praxisorientierten Forschung zum Blitzschutz und zu Überspannungseinrichtungen sowie deren Umsetzung in nationale und internationale elektrotechnische Standards.

Die Blitzschutztagung 2017 hatte durch die anspruchsvollen Beiträge, die zum Teil in den theoretisch-wissenschaftlichen Bereich weit hineinragen, ein hohes Niveau. Zugleich war der Tagungsinhalt durch eine große Breite in Bezug auf die Umsetzung von Blitzschutz in der Praxis gekennzeichnet, was den angeregten Erfahrungsaustausch neben den Sitzungen, an den attraktiven Ständen der Fachaussteller sowie an den anschaulich und leicht verständlich gestalteten Postern bestimmte.

Alle Beiträge der Blitzschutztagung sind im VDE-Fachbericht 74 veröffentlicht.

Autoren: Michael Rock, Ottmar Beierl, Raimund Eulberg, Alexander Kern, Heinz-Josef Krämer, Stephan Pack, Gabriele Schweble-Juch, Reinhard Soboll, Martin Wetter, Jürgen Wettingfeld, Andre Witzel, Peter Zahlmann

Beiträge der 12. VDE/ABB-Fachtagung, 12. - 13. Oktober 2017 in Aschaffenburg
2017, CD, ISBN 978-3-8007-4459-6

Im Umfeld der VDE|ABB-Blitzschutztagung 2017 sind Äußerungen bekannt geworden, die darauf hinweisen, dass das Konzept des Review-Verfahrens bzw. dessen Umsetzung zu Missverständnissen zwischen Programmausschuss und Autoren geführt hätte.

Vor diesem Hintergrund stellt der VDE|ABB  klar:

• Der VDE|ABB als Veranstalter der VDE|ABB-Blitzschutztagung beruft für jede Tagung ausgewiesene Experten in den Programmausschuss, deren Aufgabe die inhaltliche Vorbereitung und Durchführung der Veranstaltung ist.
• Die berufenen Experten handeln bei der Wahrnehmung ihrer Aufgaben als Mitglieder des Programmausschusses nicht in Ihrer eigentlichen, beruflichen Funktion, sondern ehrenamtlich im gemeinnützigen, technisch-wissenschaftlichen VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnologie e.V. (nachfolgend VDE). Sie sind der Neutralität und der wissenschaftlichen Objektivität verpflichtet, haben die Integrität und Reputation des VDE zu wahren und den Verhaltenskodex des VDE stets zu beachten.
• Das Review-Verfahren der VDE|ABB-Blitzschutztagung sieht einen direkten Kontakt der Programmausschuss-Mitglieder mit den Autoren zwecks Abstimmung von Änderungswünschen vor. Die Kommunikation zwischen Autoren und Programmausschuss-Mitglieder ist grundsätzlich vertraulich zu behandeln. Mitteilungen, die ausschließlich an die Autoren gerichtet sind, sind  nicht für eine Weitergabe an Dritte, außerhalb des Review-Verfahrens, gedacht.
• Alle am Review-Verfahren Beteiligten pflegen einen professionellen, vertrauens- und respektvollen Umgang, der den hohen Anforderungen des VDE an Integrität und Fairness entspricht.
• Hinweise, Kritik oder Empfehlungen bezüglich des Review-Verfahrens sind an den VDE|ABB oder an den Programmausschuss zu richten.

Die im Zuge der Diskussionen geäußerten Verbesserungsvorschläge werden nun aufgegriffen und auf ihre Umsetzung bei der nächsten Blitzschutztagung hin geprüft werden.