Auswirkungen von Blitzeinschlagen

Üblicherweise werden, je nach Art des Erdungssystems, die Überspannungsschutzgeräte zwischen Außenleiter und PE oder Außenleiter und PEN eingesetzt (siehe Abb. J61).

Der Erdungswiderstand vom Neutralleiter R1, der für die Erdung der Masten verwendet wird, hat einen geringeren Widerstand als der Erdungswiderstand R2 für die elektrische Anlage.

Der Blitzstoßstrom fließt auf dem einfachsten Weg direkt durch den Stromkreis ABCD zur Erde. Er durchläuft die in Serie geschalteten Varistoren V1 und V2 und führt im ungünstigsten Fall zu einer Spannungsdifferenz in zweifacher Höhe U_p der SPDs (U_p1 + U_p2) an den Anschlusspunkten A und C.

Abb. J61 – Normale Schutzmaßnahmen

Um die Lasten sicher zwischen Außenleiter und N zu schützen, muss die Differenzspannung (zwischen A und C) reduziert werden.

Aus diesem Grund wurde eine andere Anordnung der Überspannungsschutzgeräte gewählt (siehe Abb. J62).

Abb. J62 – Kombination von normalen und zusätzlichen Schutzmaßnahmen

Der Blitzstoßstrom fließt, aufgrund der geringeren Impedanz gegenüber Stromkreis ABCD, direkt durch den Stromkreis ABH, da die eingesetzten Betriebsmittel zwischen B und H keine Impedanz haben (Gasentladungsröhren).

In diesem Fall ist die Differenzspannung gleich der Restspannung der SPD (U_p2).

Bewertung des Überspannungsrisikos für die zu schützende Anlage

Um die Art des von einer elektrischen Anlage benötigten Überspannungsschutzes zu bestimmen, empfehlen wir das folgende vereinfachte Risikobewertungsverfahren (Ausführliche Risikoanalysen siehe IEC 62305-2 (VDE 0185-305-2)).

Es berücksichtigt einerseits die standortspezifischen Kriterien und andererseits die Kenndaten der Verbraucher in der zu schützenden Anlage.

Allgemeines Prinzip

Folgende Elemente sollten bei der Bewertung von Risiken berücksichtigt werden:

• Das Risiko, dass das Gebiet von Blitzen getroffen wird.
• Die Art des Energieverteilungs- und Telefonnetzes.
• Die Topographie des Gebietes.
• Das Vorhandensein eines Blitzableiters.
• Die Art der zu schützenden Betriebsmittel.
• Bemessungs-Stehstoßspannung der elektrischen Betriebsmittel.

Zwei Diagnosen können mit Hilfe dieser Elemente erstellt werden: eine Diagnose der zu schützenden Betriebsmittel/Verbraucher und eine Diagnose des zu schützenden Standorts.

Diagnose der zu schützenden Betriebsmittel/Verbraucher

Diese ergibt sich aus folgender Gleichung:

R = S + C + I (siehe Abb. J63)

wobei:

R = Verbraucherrisiko
S = Festigkeit der Betriebsmittel gegen transiente Überspannungen
C = Betriebsmittelkosten
I = Nichtverfügbarkeit von Betriebsmitteln und den damit verbundenen Einschränkungen

Abb. J63 – Berechnung des Verbraucherrisikos, R = S + C + I

Festigkeit der Betriebsmittel
Die Festigkeit der Betriebsmittel gegen transiente Überspannungen hängt von der Überspannungskategorie der zu schützenden Geräte (Ui) ab
S = 1	S = 2	S = 3
Geräte mit hoher Bemessungs-Stehstoßspannung (4 kV)	Geräte mit normaler Bemessungs-Stehstoßspannung (2,5 kV)	Geräte mit niedriger Bemessungs-Stehstoßspannung (1,5 kV)
Verteiler Steckdosen, Motoren, Transformatoren,usw.	Alle elektrischen Haushaltsgeräte Geschirrspüler, Kühlschränke, Öfen, tragbare Werkzeuge	Geräte für elektronische Schaltkreise, Fernseher, HIFI-Anlagen, Videorecorder, Alarme, Computer und Telekommunikation
Betriebsmittelkosten
C = 1	C = 2	C = 3
Niedrige Kosten	Durchschnittliche Kosten	Hohe Kosten
< 2.000 Euro	2.000 bis 20.000 Euro	> 20.000 Euro
Nichtverfügbarkeit von Betriebsmitteln und den damit verbundenen Einschränkungen
Sie akzeptieren:
I = 1	I = 2	I = 3
Vollständige Betriebsunterbrechung (geringe finanzielle Auswirkungen)	Teilweise Betriebsunterbrechung (akzeptierbare finanzielle Auswirkungen)	Keine Betriebsunterbrechung (nicht akzeptierbare finanzielle Auswirkungen)

Diagnose des zu schützenden Standorts

Diese ergibt sich aus folgender Gleichung:

E = Ng (1 + NS + MS + d) (siehe Abb. J64)

wobei:

Ng = Blitzschlagsdichte (Anzahl von Einschlägen/km²/Jahr).
Die Blitzschlagsdichte lässt sich einer Karte entnehmen, auf der das spezielle Wetterdienstnetz abgebildet ist. Wenn Sie nur die Zahl für die Gewitterhäufigkeit (Nk) finden (Anzahl von Tagen mit Blitzschlag pro Jahr), können Sie die Blitzschlagsdichte aus der Gleichung Ng = Nk/20 errechnen.
NS = Die Länge der blanken oder isolierten Niederspannungs-Versorgungsleitungen der Anlage in Kilometern.
MS = Parameter, der vom Mittelspannungsnetz abhängt, das die MS/NS-Umspannstation versorgt.
d = Koeffizient, der den Standort der Freileitung und der Anlage berücksichtigt.
NS = Länge der blanken oder isolierten Kabel, die die Anlage versorgen, in Kilometern

Abb. J64 – Aufbau des NS-Versorgungsnetzes, E = Ng (1 + NS + MS + d)

NS: Länge der blanken oder isolierten Kabel, die die Anlage versorgen, in Kilometern
NS = 0	NS = 0,2	NS = 0,4	NS = 0,6	NS = 0,8	NS = 1
Erdkabel oder isolierte Kabel	L = 100-199 m	L = 200-299 m	L = 300-399 m	L = 400-499 m	L > 500 m
	Länge der Niederspannungs-Freileitung
MS: Parameter in Abhängigkeit vom MS-Netz, das die MS/NS-Netzstation versorgt
MS = 0			MS = 1
Stromversorgung durch MS/NS-Netzstation über Erdkabel			Stromversorgung durch MS/NS-Netzstation hauptsächlich über Freileitungen
d: Koeffizient, der den Standort der Freileitung und der Anlage berücksichtigt
d	d = 0	d = 0,5	d = 0,75	d = 1
Standort von Gebäuden, MS-, NS- oder Kommunikations- leitungen	Vollständig von hohen Objekten umgeben	Mehrere nahegelegene hohe Objekte	Offenes oder flaches Land	Auf einem Hügel, in Wassernähe in den Bergen, in der Nähe eines Blitzableiters

Bemessungs-Stehstoßspannung

Überspannungsschutzgeräte, die für den Schutz gegen Spannungsstöße durch Gewitter vorgesehen sind, schützen auch gegen Bemessungs-Stehstoßspannung von Betriebsmitteln.

Blitzableiter

Das Risiko von Spannungsstößen am Standort ist erhöht, wenn sich auf einem bis zu 50 m hohem Gebäude oder in der Umgebung ein Blitzableiter befindet.

Hinweis: Ein Objekt mit 20 Metern Höhe wie z. B. ein Fabrikschornstein, ein Baum oder ein Mast haben den gleichen Effekt wie ein Blitzableiter; Die Norm VDE 0185-100 empfiehlt die Montage eines Überspannungsableiters in der Niederspannungsanlage, wenn am zu schützenden Standort ein Blitzableiter vorhanden ist.

Auswirkungen von Blitzeinschlägen auf typische bauliche Anlagen

Abb. J65 – Auswirkungen von Blitzeinschlägen auf typische bauliche Anlagen gemäß IEC 62305-1 (VDE 0185-305-1)

Art der baulichen Anlage entsprechend ihrer Funktion und/oder Inhalte	Auswirkungen von Blitzen
Wohnhaus	Durchschlag der elektrischen Anlage, Brand sowie Materialschäden. Schäden sind üblicherweise auf die Objekte begrenzt, in die der Blitz eingeschlagen hat oder die auf dem Weg des Blitzstromes liegen. Ausfälle von elektrischen und elektronischen Betriebsmitteln und installierten Systemen (Fernsehgeräte, Rechner, Modems, Telefone usw.).
Bauernhof	Primäres Risiko durch Brand und gefährliche Schrittspannungen sowie Materialschäden. Sekundäres Risiko durch Ausfall der Elektroenergie, Lebensgefahr für den Viehbestand durch Ausfall der elektronischen Steuerung für Lüftung und Fütterungsanlagen usw.
Theater, Hotel, Schule, Warenhaus, Sportplatz	Beschädigung der elektrischen Anlage (z. B. elektrische Beleuchtung), die Panik auslösen kann. Ausfall der Brandmeldeanlagen, welches zu verspäteten Feuerlöschmaßnahmen führt.
Bank, Versicherung, Handelsgesellschaft usw.	Wie oben, zusätzlich Probleme, die sich durch Ausfall von Kommunikationseinrichtungen und Rechnern sowie durch Datenverlust ergeben.
Krankenhaus, Pflegeheim Gefängnis	Wie oben, zusätzlich Probleme, die sich aus der intensiven Pflege von Personen und den Schwierigkeiten bei der Bergung hilfloser Personen ergeben.
Industrie	Zusätzliche Auswirkungen, abhängig vom Inhalt der Fabriken, die von vernachlässigbaren bis zu unzulässigen Schäden und dem Ausfall der Produktion reichen.
Museen und archäologische Stätten, Kirchen	Verluste von unersetzlichem Kulturgut.
Telekommunikation, Kraftwerksanlage	Unannehmbarer Verlust von Dienstleistungen für die Öffentlichkeit.
Pyrotechnikfabrik, Munitionsfabrik	Folgeauswirkungen von Brand und Explosion für die Anlage und ihre Umgebung.
Chemieanlagen, Raffinerien, Kernkraftwerke, Biochemische Laboratorien und Anlagen	Brand und Fehlfunktion der Anlage mit schädlichen Folgen für die örtliche und globale Umwelt.

Auswirkungen von Blitzeinschlägen auf typische Versorgungsleitungen

Abb. J66 – Auswirkungen von Blitzeinschlägen auf typische Versorgungsleitungen gemäß IEC 62305-1 (VDE 0185-305-1)

Art der Versorgungsleitungen	Auswirkungen von Blitzen
Telekommunikationsleitungen	Mechanische Schäden an der Leitung, Schmelzen von Schirmen und Leitern, Durchschlag der Isolierung von Kabeln und Betriebsmitteln führen zu einem Primärausfall mit unmittelbarem Ausfall der Versorgungsleitung. Sekundärausfall an Lichtwellenleiter-Kabeln mit Beschädigung des Kabels, jedoch ohne Ausfall der Versorgungsleitung.
Stromversorgungsleitungen	Schäden an Isolatoren von Niederspannungs-Freileitungen, Durchschlag der Isolierung von Leitungseinrichtungen und Transformatoren mit nachfolgendem Ausfall der Versorgungsleitung.
Wasserrohre	Schäden an elektrischen und elektronischen Steuereinrichtungen, die wahrscheinlich zu einem Ausfall der Versorgungsleitung führen.
Gasrohre, Kraftstoffrohre	Durchschlag nichtmetallener Flanschdichtungen, die möglicher weise Brand und/oder Explosion verursachen. Schäden an elektrischen und elektronischen Steuereinrichtungen, die wahrscheinlich zu einem Ausfall der Versorgungsleitung führen.