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Blitz- und Überspannung

Jedes Jahr entladen sich über dem Gebiet der Bundesrepublik ca. 2 Millionen Blitze, oft mit verheerenden Folgen für Personen, Wohnobjekte und technische Einrichtungen.

Bei einem Blitzeinschlag kommt es zu einer Überspannung im häuslichen Stromnetz. Selbst wenn der Blitz in einiger Entfernung einschlägt, können Elemente der elektrischen Anlage und elektrische Geräte zerstört werden.

Um vor diesen Naturgewalten geschützt zu sein, ist ein mehrstufiges Blitz- und Überspannungs-Schutzkonzept, welches den äußeren und inneren Blitzschutz mit einschließt, notwendig.


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Mit den folgenden Informationen gehen wir ins Detail.

Blitzschutzsysteme schützen Gebäude vor Blitzeinschlägen und den Folgen

Blitzschutzsysteme

Wirksamer Schutz vor Brand und anderen Auswirkungen des eingeprägten Blitzstromes.

Ein Blitzschutzsystem besteht aus dem äußeren und dem inneren Blitzschutz.

Die Funktionen des äußeren Blitzschutzes sind:

  • Auffangen von Direkteinschlägen mit einer Fangeinrichtung,
  • sicheres Ableiten des Blitzstromes zur Erde mit einer Ableitungseinrichtung,
  • verteilen des Blitzstromes in der Erde über eine Erdungsanlage.

Der innere Blitzschutz verhindert eine gefährliche Funkenbildung innerhalb der baulichen Anlage. Dies wird durch den konsequenten Blitzschutz-Potentialausgleich oder die Errichtung einer Trennstrecke zwischen den Bauteilen des äußeren Blitzschutzes und anderen metallenen oder elektrischen Systemen innerhalb der baulichen Anlage erreicht.

Der Blitzschutz-Potentialausgleich reduziert die durch den Blitzstrom verursachten Potentialunterschiede. Dies geschieht durch die Verbindung aller leitenden Anlagenteile durch Leitungen / Klemmen oder durch indirekte Verbindungen mit Überspannungs-Schutzgeräten (SPDs).

Für ein Blitzschutzsystem sind vier Schutzklassen I, II, III und IV als Konstruktionsregeln festgelegt. Zum Sicherstellen einer kontinuierlichen Verfügbarkeit komplexer informationstechnischer Systeme - auch im Falle direkter Blitzeinwirkung - sind aufbauend auf einem Blitzschutzsystem weiterführende Maßnahmen zum Überspannungsschutz elektronischer Systeme notwendig.

Bestandteile eines Blitzschutzsystems
Quelle: Dehn + Söhne
Blitz-Schutzzonen-Konzept
Quelle: Dehn + Söhne
Äußerer Blitzschutz: Schutz vor direkten Blitzeinschlägen

Äußerer Blitzschutz

Die Fangeinrichtung eines Blitzschutzsystems bewahrt das zu schützende Gebäude vor direkten Blitzeinschlägen.

Fangeinrichtungen können aus folgenden Bestandteilen zusammengefügt und beliebig untereinander kombiniert werden:

  • Stangen
  • gespannte Drähte und Seile
  • vermaschte Leiter

Bei der Positionsbestimmung der Fangeinrichtungen muss besondere Sorgfalt auf den Schutz von Ecken und Kanten der zu schützenden baulichen Anlage verwendet werden. Dies gilt besonders bei Fangeinrichtungen auf Dachflächen und den oberen Teilen von Fassaden. Zur Ermittlung der geeigneten Standorte können drei Verfahren genutzt werden:

  • "Blitzkugel"-Verfahren
  • Maschenverfahren
  • Schutzwinkelverfahren

Dabei ist das „Blitzkugel“-Verfahren die universelle Planungsmethode, die insbesondere für geometrisch komplizierte Anwendungsfälle empfohlen wird.

Die Ableitung ist die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Fangeinrichtung und der Erdungsanlage. Ableitungen sollen den eingefangenen Blitzstrom zur Erdungsanlage leiten, ohne dass am Gebäude, z.B. durch unzulässig hohe Erwärmungen, ein Schaden entsteht. Um das Auftreten von Schäden bei der Ableitung des Blitzstromes zur Erdungsanlage zu verringern, sind die Ableitungen so anzubringen, dass vom Einschlagpunkt zur Erde

  • mehrere parallele Strompfade bestehen,
  • die Länge der Stromwege so kurz wie möglich gehalten wird
  • die Verbindung zu leitenden Teilen der baulichen Anlage überall hergestellt wird, wo es notwendig ist.

Die Erdungsanlage ist die Fortsetzung der Fangeinrichtungen und Ableitungen zum Einleiten des Blitzstromes in die Erde. Weitere Aufgaben der Erdungsanlage sind, den Potentialausgleich zwischen den Ableitungen sowie eine Potentialsteuerung in der Nähe der Wände der baulichen Anlage herzustellen. Eine zwingende Forderung ist, dass für die verschiedenen elektrischen Systeme (Blitzschutz, Niederspannungsanlagen, Hochspannungsanlage, IT-Anlage) eine gemeinsame Erdungsanlage zu errichten ist. Diese Erdungsanlage muss mit dem Hauptpotentialausgleich verbunden werden.

Der Fundamenterder ist ein bevorzugter Erder, denn bei fachgerechter Installation ist er allseitig mit Beton umschlossen und damit dauerhaft korrosionsbeständig. Durch die hygroskopischen Eigenschaften des Betons ergibt sich in der Regel ein ausreichend geringer Erdausbreitungswiderstand. Der Fundamenterder muss als geschlossener Ring im Streifenfundament oder der Betonplatte verlegt werden. Damit erfüllt er auch die Funktion des Potentialausgleiches.

Eine Gefahr des unkontrollierten Überschlages zwischen Teilen des äußeren Blitzschutzes und metallenen und elektrischen Systemen im Inneren des Gebäudes besteht dann, wenn der Trennungsabstand zwischen der Fangeinrichtung oder Ableitung einerseits und den innenliegenden Systemen der zu schützenden baulichen Anlage nicht ausreichend ist.

Durch metallene Leitungen entstehen Induktionsschleifen im Gebäude. Das rasch veränderliche magnetische Blitzfeld induziert Stoßspannungen in diese Induktionsschleifen. Aufgrund dieser Stoßspannungen darf es keinesfalls zu einem unkontrollierten Überschlag kommen, da dieser einen Brand verursachen kann.

Durch einen Überschlag, z.B. auf Elektroleitungen, können enorme Schäden an der Installation und an den angeschlossenen elektrischen Betriebsmitteln entstehen.

Verfahren für die Auslegung von Fangeinrichtungen
Quelle: Dehn + Söhne
Fangeinrichtung auf einem Flachdach
Fangeinrichtung auf einem Flachdach
Quelle: Dehn + Söhne
Fundamenterder nach DIN 18014
Fundamenterder nach DIN 18014
Quelle: Dehn + Söhne
Prinzipdarstellung - Trennungsabstand
Prinzipdarstellung - Trennungsabstand
Quelle: Dehn + Söhne
Innerer Blitzschutz: Überspannungsschutz und Potentialausgleich

Innerer Blitzschutz und Überspannungsschutz

Ein Potentialausgleich nach DIN VDE 0100-410 und -540 wird für alle elektrischen Verbraucheranlagen gefordert.

Der Potentialausgleich nach DIN VDE 0100 beseitigt unzulässige Potentialunterschiede, z.B. zwischen dem Schutzleiter der Niederspannungs-Verbraucheranlagen und metallenen Wasser-, Gas- und Heizungsrohrleitungen sowie zwischen geerdeten elektrischen Betriebsmitteln.

Ergänzend für die Vervollständigung des Blitzschutz-Potentialausgleiches kommt hinzu, dass auch die unter Betriebsspannung stehenden Systeme des energie- und informationstechnischen Versorgungssystems mit in den Potentialausgleich eingebunden werden. Diese Einbindung erfolgt, da diese Systeme eine Betriebsspannung haben, indirekt mit Überspannungs-Schutzgeräten (SPD).

Potentialausgleich für Niederspannungs-Verbraucheranlagen

Zusätzlich zu allen anderen fremden leitfähigen Systemen ist auch die Zuleitung der Niederspannungs-Verbraucheranlage in den Potentialausgleich einzubeziehen. Analog zum Potentialausgleich mit metallenen Installationen soll der Potentialausgleich für die Niederspannungs-Verbraucheranlage ebenfalls unmittelbar an der Einführungsstelle im Objekt durchgeführt werden.

Das Ableitvermögen der eingesetzten Blitzstrom-Ableiter (SPD Typ 1) muss den Belastungen am Einsatzort unter Zugrundelegung der für das Objekt eingesetzten Blitz-Schutzklasse entsprechen. Die für die jeweilige bauliche Anlage geeignete Schutzklasse ist aufgrund einer Risikoabschätzung auszuwählen. Liegt keine Risikoabschätzung vor oder können keine detaillierten Aussagen über die Blitzstromaufteilung gemacht werden, empfiehlt auch die VDN-Richtlinie die Blitz-Schutzklasse mit den höchsten Anforderungen (Schutzklasse I) zugrunde zu legen.

Ableiter auf Funkenstreckenbasis haben ein hohes Eigenlöschvermögen und eine hohe Folgestrombegrenzung. Sie sind dadurch selbstständig in der Lage, den aus dem Niederspannungsnetz nachfließenden Netzfolgestrom abzuschalten und ein Fehlauslösen von Überstrom-Schutzeinrichtungen, z.B. Sicherungen, zu verhindern.

Die Blitzstrom-Ableiter realisieren den konsequenten Blitzschutz-Potentialausgleich am Übergang von außen nach innen in die bauliche Anlage. 

Durch ausgedehnte Netze, insbesondere bei größeren baulichen Anlagen oder am Übergang zu empfindlichen elektronischen Betriebssystemen, kann der energetisch koordinierte Einsatz von nachgeschalteten Überspannungs-Ableitern (Typ 2) notwendig sein. Die Überspannungs-Schutzgeräte haben die Aufgabe, die Reststörgrößen weiter zu reduzieren und induzierte Überspannungen auf die in der baulichen Anlage verlegten Leitungen zu begrenzen.

Überspannungsschutz für informationstechnische Systeme

Auch die von außen eingeführten informationstechnischen Leitungen müssen in den Blitzschutz-Potentialausgleich und den Überspannungsschutz eingezogen werden. Die informationstechnischen Systeme unterscheiden sich durch eine Vielzahl von technischen Parametern, wie z.B.

  • maximale Betriebsspannung,
  • maximaler Betriebsstrom,
  • Signalfrequenz,
  • zulässige Bürde / maximaler Leitungswiderstand,
  • Schirmbehandlung
  • Spannungsfestigkeit Ader-Erde / Ader-Ader
  • mechanische Anschlusstechnik.

Überspannungs-Ableiter für die Informationstechnik schützen moderne elektronische Einrichtungen in Telekommunikations- und signalverarbeitenden Netzwerken vor indirekten und direkten Auswirkungen von Blitzschlägen und anderen transienten Überspannungen.

Prinzip des Blitzschutz-Potentialausgleichs
Quelle: Dehn + Söhne
Einsatz Blitzstrom-Ableiter
Quelle: Dehn + Söhne
Gestaffelter Überspannungsschutz für energietechnische Systeme
Quelle: Dehn + Söhne
Überspannungs-Ableiter für die Informationstechnik
Überspannungs-Ableiter für die Informationstechnik
Quelle: Dehn + Söhne

Videos

Mit diesen Beiträgen können Sie sich zusätzlich informieren.

Quelle: Bundesamt für Bevölkerungsschutz u. Katastrophenhilfe

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