Auswirkungen auf elektrische Anlagen

Blitzschlag schädigt insbesondere elektrische und elektronische Systeme: Transformatoren, Stromzähler und Elektrogeräte in Wohngebäuden und Industrieanlagen. Die Kosten für die Reparatur der durch Blitzschlag verursachten Schäden sind sehr hoch. Es ist jedoch sehr schwierig, die Folgen folgender Ereignisse einzuschätzen:

• Störungen, die Computer und Telekommunikationsnetze betreffen;
• Fehler, die beim Ausführen von programmierbaren Steuerungsprogrammen (SPS-Zyklen) und Regelungssystemen erzeugt werden.

Darüber hinaus können die Betriebskosten bei Weitem höher sein als der Wert der zerstörten Geräte.

Auswirkungen von Blitzschlag

Blitzschlag ist ein hochfrequentes elektrisches Phänomen, das Überspannungen an allen leitenden Elementen, insbesondere an elektrischen Kabeln und Geräten, verursacht.

Blitzeinschläge können die elektrischen (und/oder elektronischen) Systeme eines Gebäudes auf zwei Arten beeinflussen:

• durch direkte Auswirkungen des Blitzschlags auf das Gebäude (siehe Abb. J5a);
• durch indirekte Auswirkungen des Blitzschlags auf das Gebäude:
• Ein Blitz kann auf eine Freileitung einschlagen, die ein Gebäude versorgt (siehe Abb. J5b). Überstrom und Überspannung können sich über mehrere Kilometer vom Aufschlagpunkt aus ausbreiten.
• Ein Blitz kann in der Nähe einer Stromleitung einschlagen (siehe Abb. J5c). Durch die elektromagnetische Strahlung des Blitzstroms, kann ein hoher Strom und eine Überspannung im Strom-Versorgungsnetz erzeugt werden.

In den beiden letztgenannten Fällen werden die gefährlichen Ströme und Spannungen vom Strom-Versorgungsnetz übertragen.

• Ein Blitzschlag kann in die Nähe eines Gebäudes fallen (siehe Abb. J5d). Das Erdungspotenzial um den Aufschlagpunkt steigt gefährlich.

Abb. J5 – Verschiedene Blitzschlagarten

In allen Fällen können die Folgen für elektrische Anlagen und Lasten dramatisch sein.

Abb. J6a – Folgen eines Blitzeinschlags

Blitzeinschlag in Gebäude ohne Blitzableiter	Blitzeinschlag in der Nähe einer Freileitung	Blitzeinschlag in der Nähe eines Gebäudes
Der Blitzstrom fließt mit zerstörender Wirkung durch die leitfähigen Strukturen des Gebäudes: Thermische Auswirkungen: Sehr starke Überhitzung von Materialien, welche einen Brandgefahr verursachen können Mechanische Auswirkungen: Strukturelle Verformung (Zerstörungen am Gebäude) Thermischer Überschlag: Extrem gefährliche Erscheinung bei Vorhandensein brennbarer oder explosiver Stoffe (Kohlenwasserstoffe, Staub usw.)	Der Blitzschlag erzeugt Überspannungen durch elektromagnetische Induktion in der Energieverteilung. Diese Überspannungen werden entlang der Leitung auf die angeschlossenen elektrischen Verbraucher innerhalb des Gebäudes übertragen.	Der Blitzschlag erzeugt Überspannungen durch elektromagnetische Induktion in der Energieverteilung. Darüber hinaus steigt der Blitzstrom von der Erde zurück zur Energieverteilung an, was zu einem Geräteausfall führen kann.
Das Gebäude und die angeschlossenen elektrischen Verbraucher im Gebäude werden im Allgemeinen zerstört.	Die an das Netz angeschlossenen elektrischen Verbraucher, als auch das Netz selbst, können zerstört werden.

Schaltüberspannungen

Eine plötzliche Änderung der normalen Betriebsbedingungen in einem elektrischen Netz führt dazu, dass vorübergehende Erscheinungen auftreten. Das sind im Allgemeinen Stoßüberspannungen mit hochfrequenter oder gedämpfter Schwingung (siehe Abbildung J1), die normalerweise eine langsame Steigung haben: Ihre Frequenz schwankt zwischen einigen zehn und mehreren hundert Kilohertz.

Schaltüberspannungen können verursacht werden durch:

• das Ziehen von Sicherungen unter Last, durch Öffnen von Schutzeinrichtungen (Leitungsschutzschalter, Leistungsschalter) und das Betätigen von Spulen in Steuerungsgeräten (Relais, Schütze usw.);
• das Schalten induktiver Verbraucher z.B. Motoren, Zu- oder Abschalten von Transformatoren in MS/NS-Umspannstationen;
• das Schalten kapazitiver Lasten, z.B. von Kondensatoren;
• alle Geräte, die eine Spule, einen Kondensator oder Transformator an den Einspeiseklemmen enthalten: Relais, Schütze, Fernseher, Drucker, Computer, elektrische Öfen, Filter usw.

Transiente Überspannungen bei Betriebsfrequenz

(siehe Abb. J6b)

Diese Überspannungen haben die gleiche Frequenz wie das Netz (50, 60 oder 400 Hz) und können verursacht werden durch:

• Isolationsfehler zwischen Außenleiter/Neutralleiter oder Außenleiter/Schutzleiter in einem Netzsystem mit einem isolierten oder einem durch eine Impedanz geerdeten Neutralleiter oder in geerdeten Systemen durch die Unterbrechung des Neutralleiters. Im Falle einer Unterbrechung des Neutralleiters bilden nun die Widerstände der Verbraucher an den einzelnen Außenleitern einen Spannungsteiler, wodurch sich das Potential des freien Sternpunktes verschiebt. So kann bei stark asymmetrischer Belastung nahezu die volle Leiterspannung von 400 V zwischen dem Neutralleiter und dem am geringsten belasteten Außenleiter auftreten, was zu Überspannungsschäden führt.
• Fehler zwischen Hoch- und Niederspannungskabeln, z.B. wenn eine Mittelspannungsfreileitung auf eine Niederspannungsfreileitung fällt.
• Lichtbogenbildung bei einer Höchst- oder Hochspannungs-Schutzfunkenstrecke, die einen Anstieg des Erdpotentials während der Betätigung der Schutzeinrichtungen verursacht.

Abb. J6b – Transiente Überspannungen bei Betriebsfrequenz

Stoßüberspannungen durch elektrostatische Entladung

In trockener Umgebung können elektrische Ladungen auftreten und ein sehr starkes elektrostatisches Feld erzeugen. Eine Person, die z.B. mit Gummisohlen über einen Teppich läuft, wird elektrostatisch bis auf mehrere Kilovolt aufgeladen. Läuft diese Person in der Nähe leitfähiger, geerdeter Teile vorbei, z.B. einer Gebäudekonstruktion bzw. berührt sie diese, gibt sie innerhalb von wenigen Nanosekunden eine elektrische Ladung von mehreren Ampere frei. Handelt es sich um empfindliche Elektronik (z.B. einen Computer), die dabei berührt wird, können deren Bauelemente bzw. Steckkarten beschädigt werden.

Verschiedene Ausbreitungsarten

Gleichtakt

Gleichtakt-Spannungsstöße treten zwischen stromführenden Leitern und Erde auf, z. B. zwischen Außenleiter und Schutzleiter oder Neutralleiter und Schutzleiter (siehe Abb. J7). Sie sind vor allem für Geräte gefährlich, deren Gehäuse geerdet ist, da die Gefahr eines Körperschlusses besteht.

Abb. J7 – Gleichtakt

Gegentakt

Gegentakt-Spannungsstöße treten zwischen stromführenden Leitern auf, z. B. zwischen zwei Außenleitern oder Außenleiter und Neutralleiter (siehe Abb. J8). Sie sind besonders gefährlich für elektronische Geräte, sensible Hardware wie Computersysteme usw.

Abb. J8 – Gegentakt