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Innerer Blitzschutz

Wie im vorhergehenden Kapitel dargelegt, kann ein lediglich äusserer Blitzschutz nicht verhindern, dass im Inneren eines Gebäudes Schäden an elektrischen Anlagen entstehen. Denn diesem kommt ausschliesslich die Funktion zu, direkte Blitzeinschläge aufzunehmen und deren Strom über die Ableitung der Erdungsanlage zuzuführen. Damit nicht auf ande­ren Wegen gefährliche Überspannungen in das Gebäude eindringen, muss also zwingend auch ein innerer Blitzschutz geplant werden. 

Ein zeitgemässer Blitzschutz beinhaltet folglich neben den äusseren Massnahmen auch innere. Denn diese verhindern, wie bereits im vor­hergehenden Kapitel beschrieben, Schäden an technischen Einrichtungen, die infolge von Blitzströmen und Überspannungen entstehen können. 

Folglich umfasst diese Art von Blitzschutz sowohl den Potentialausgleich als auch den Überspannungsschutz. Denn diese Massnahmen verhindern bei einem Einschlag unkontrollierte Überschläge in Gebäudeinstallationen infolge des Spannungsfalls am Erdungswiderstand. Und dafür, dass auch die  Endgeräte unversehrt bleiben, sorgt der Überspannungsschutz. Indem dieser die hohe Spannung stufenweise abbricht, sodass die elektrischen Geräte nicht mehr davon betroffen sind.

Potentialausgleich

Als Potentialausgleich wird eine elektrisch gut leitfähige Verbindung be­zeichnet, welche unterschiedliche elektrische Potentiale und somit die elektrische Spannung zwischen leitfähigen Körpern verhindern oder zu­mindest stark reduzieren soll. Dazu gehören zum Beispiel Gehäuse elek­trischer Betriebsmittel, Wasser­ und Heizungsrohre, Antennenanlagen, Fundamenterder. Darüber hinaus sind Potentialausgleiche hilfreich, um den Erdungswiderstand zu minimieren.

Deshalb ist es unerlässlich, sämtliche metallenen Installationen und Bau­konstruktionen wie Gewässer­, Gas­, Heizungs­, und Lüftungsleitungen, Liftschienen, Metallkamine oder Metalleinsatzrohre in Kaminen und Ähn­liches, welche sich auf Erdniveau befinden, via Potentialausgleich an die Erdungsanlage anzuschliessen.

Für diesen Schutzpotentialausgleich in Gebäuden sollten Kupferleiter  mit einem Querschnitt gemäss Norm verwendet werden: Bei Potential­ausgleichsleitern, welche nicht mit einem Blitzschutzsystem verbunden sind, gilt ein Mindestquerschnitt von Cu 6 mm². Bei Potentialausgleichs­leitern, welche mit einem Blitzschutzsystem ausgerüstet sind, beträgt der Querschnitt des Schutzpotentialausgleichsleiters hingegen mindestens 10 mm².

Ganz entspannt dank Überspannungsschutz

Überspannung entsteht durch direkte oder indirekte Blitzeinschläge und bewirkt Schalthandlungen an elektrischen Geräten, welche Spannungsspitzen von mehreren 1000 Volt erzeugen können, was die angeschlossenen elektrischen Geräte ausser Betrieb setzt. Elek­trische Geräte, die solchen Überspannungen zum Opfer fallen, werden  zwar meistens durch die Versicherungen ersetzt – der zeitliche Ausfall dieser Anlagen, welcher bis zur Wiederinstandsetzung dauert und nicht selten erhebliche Kosten verursacht, ist jedoch vielfach nicht versichert. Unter Berücksichtigung dieses Aspekts ist es also höchst empfehlenswert, ein Blitz­ und Überspannungskonzept zu  erstellen. Denn nur dieses schützt elektrische Endgeräte zuverlässig vor derartigen Beschädigungen – und ihre Besitzerinnen und Besitzer vor den daraus entstehenden Folgekosten.


Blitzschlag und transiente Überspannungen

Die Anwender elektronischer Geräte sowie kommunikations-­ und informationstechnischer Systeme müssen ihre Anlagen jederzeit in Betrieb halten können – auch im Fall eines Blitzschlags oder kurz­zeitigen Spannungsspitzen auf den Stromversorgungs­ und Daten­leitungen. Deshalb müssen solche Anlagen besonders geschützt sein, denn: 

  • Die verwendeten elektronischen Komponenten machen diese Anlagen störanfälliger.
  • Kostenintensive Betriebsunterbrechungen sind nicht akzeptabel.
  • Datenübertragungsnetze erstrecken sich über weite Strecken und Gebiete und sind öfters Störungen ausgesetzt.


Ursachen von transienten Überspannungen sind:

  • Blitzschlag
  • Spannungsspitzen aufgrund von Schaltvorgängen, etwa in Industrieanlagen
  • Elektrostatische Entladungen (Electrostatic Discharge, ESD)
  • Nukleare elektromagnetische Impulse (NEMP)


Überspannungen unterscheiden sich in ihrer Amplitude, Dauer und Frequenz. Denn eine Überspannung kann verschiedene Ursachen haben: Sie werden einerseits hervorgerufen durch Blitzschlag und Schalthandlungen von Industrieanlagen. Aber ebenso durch ESD­- und NEMP­Störungen, welche weitaus speziellere Einflüsse haben und sich aus neueren technologischen Einflüssen ergeben. So hat zum Beispiel der massive Einsatz von Halbleitern zur Anfälligkeit auf ESD­-Störungen geführt, während NEMP-­Störungen von Kernwaffen verursacht werden.


Indirekte Einkopplung von Überspannungen

Einkopplungen von Überspannungen durch Blitzeinschläge sind auf drei unterschiedlichen Wegen möglich:

  • Einschlag in Freileitungen
    Bei Freileitungen ist aufgrund ihrer sehr exponierten Lage das Risiko besonders hoch, dass sie unmittelbar vom Blitz getroffen werden. Dies zerstört zuerst die Leiter teilweise oder ganz. Anschliessend bauen sich hohe Stossspannungen auf, welche sich über die Lei­tungen fortpflanzen und schliesslich die mit der Freileitung verbundenen Elektroanlagen erreichen. Das Ausmass des auf diese Weise entstehenden Schadens richtet sich nach der Entfernung zwischen der Einschlagstelle und dem Standort der betroffenen Anlagen.
     
  • Anstieg des Erdpotentials
    Der Eintritt des Blitzes in das Erdreich verursacht einen Anstieg des Erdpotentials, welcher je nach der Stromstärke des Blitzes sowie der örtlichen Erdimpedanz unterschiedlich ausfällt. In einer Anlage, die mit mehreren Erdungspunkten verbunden ist (zum Beispiel ei­ner Verbindung zwischen Gebäuden), bewirkt ein Blitzschlag somit eine sehr grosse Potentialdifferenz, die dazu führt, dass Geräte, die an die betroffenen Netze angeschlossen sind, zerstört oder in ihrem Betrieb massiv beeinträchtigt werden.
     
  • Elektromagnetische Strahlung
    Was die elektromagnetische Strahlung betrifft, kann ein Blitz als Kilometer hoch reichende Antenne angesehen werden, die einen Impulsstrom von mehreren zehn Kiloampere führt und entsprechend starke elektromagnetische Felder (mit Feldstärken von mehreren kV/m in mehr als einem Kilometer Entfernung) abstrahlt. Diese Felder induzieren hohe Spannungen und Ströme in Leitun­gen, welche in Elektroanlagen oder in deren Nähe verlegt sind. Die dabei auftretenden  Werte  hängen von der Entfernung des Blitzeinschlags und von  den physikalischen Eigenschaften der Verbindung ab. 


Industriell verursachte Stossspannungen

Unter diesem Begriff  werden Phänomene zusammengefasst, die durch das Ein­ oder Ausschalten von elektrischen Energiequellen hervorgerufen werden.

Industriell verursachte Stossspannungen entstehen durch 

  • Schaltvorgänge von induktiven Lasten wie Motoren oder Transformatoren
  • Einkopplungen von Zündspannungen von konventionellen  Gasentladungsleuchten
  • Schalten von Stromkreisen mit induktiven Lasten oder kapazitiven Lasten
  • Auslösen von Sicherungen und Leitungsschutzschaltern
  • ungewollte Fehlerzustände im Versorgungsnetz


Diese Phänomene rufen Transienten von mehreren Kilovolt mit An­stiegszeiten in der Grössenordnung von einigen  Mikrosekunden hervor, was den Betrieb von Geräten in Netzen beeinträchtigt, mit denen die Störquelle verbunden ist.


Auswirkungen der Überspannung

  • Spannungsdurchschlag von Halbleiterübergängen
  • Zerstörung der Bonddrahtanschlüsse von Bauelementen
  • Defekte Leiterbahnen oder Anschlüsse von Leiterplatten
  • Ausser­-Betrieb­Setzung von Triacs oder Thyristoren durch zu gros­se dV/dt­Werte.


Betriebsstörungen

  • Undefinierter Betrieb von Logikgattern, Thyristoren und Triacs
  • Löschen von Speicherinhalten
  • Programmfehler oder ­-abstürze
  • Daten-­ und Übertragungsfehler


Vorzeitige Alterung

Auch wenn Bauelemente, die Überspannungen ausgesetzt sind, nicht sofort ausfallen – diese Belastung wirkt sich negativ auf ihre Lebensdauer aus.

Ein Überspannungsschutz sichert Gebäude auch gegen von der Industrie verursachte Stossspannungen ab.

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Anordnung der Überspannungsschutzgeräte

Entsprechend den Normen IEC 61643­-1 und EN 61643-­11 werden alle Überspannungsschutzgeräte dem Typ 1, 2 oder 3 zugeordnet. Aufgrund welcher Kriterien dies erfolgt, erklärt die folgende Aufstellung.

Typ 1: Blitzstromableiter, LPZ 0–1
Die Typ­-1-Ableiter, früher Klasse B genannt, werden je nach Ausfüh­rung im Vorzählerbereich oder direkt dahinter eingesetzt, also dort, wo im Fall eines direkten Blitzeinschlags die höchsten Ströme abzu­leiten sind. Die Klassifizierung als Typ ­1­Blitzstromableiter wird durch die im obigen Abschnitt erwähnten Normen festgelegt und setzt einen Klasse­1­Test voraus, bei dem die Prüfwelle 10/350 μs zur Anwendung kommt, welche einen direkten Blitzeinschlag simuliert.

Typ 2: Überspannungsschutz, LPZ 1–2
Die Typ- 2-Ableiter, früher Klasse C genannt, werden in der Haupt­beziehungsweise Unterverteilung der elektrischen Installation einge­setzt und schützen die nachgeschalteten Leitungen sowie elektrische Anwendungen. Gemäss den Normen IEC 61643­-1 und EN 61643­-11 erfolgt die Klassifizierung als Typ- ­2-­Ableiter über die Prüfwelle 8/20 μs des Klasse­-2-­Tests.

Typ 3: Überspannungsschutz, LPZ 2–3
Als Typ 3, früher Klasse D genannt, werden jene Ableiter bezeichnet, deren Einsatzort sich in unmittelbarer Nähe von empfindlichen elek­trischen oder elektronischen Endgeräten befindet. Sie reduzieren die schon von den Typ-­2­-Ableitern verringerte Überspannung auf ein für handelsübliche Endgeräte verkraftbares Niveau. Die Klassifizierung zum Typ-­3-­Überspannungsschutzgerät wird von den entsprechenden EN-­ und IEC­-Normen geregelt und setzt den Klasse-­3­Test voraus.

Überspannungsschutz-Kombination (Kombi-Ableiter)
Überspannungsschutzgeräte in VG­-Technology bieten einen Schutz, der jenem von entkoppelten Überspannungsschutzgeräten der Typen 1, 2 und 3 gleichwertig ist. Die Argumente, welche für sie sprechen, sind vor allem die Reduktion der Installationskosten und -­zeiten sowie die einfachere Auswahl.


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