09.08.2018

Der äußere Blitzschutz – Das müssen Sie wissen

Ein äußeres Blitzschutzsystem besteht aus den Fangeinrichtungen, den Ableitungen und dem Erdungssystem. Ziel eines äußeren Blitzschutzsystems ist es, Blitze einzufangen, den Blitzstrom gegen Erde abzuleiten und im Erdreich großflächig zu verteilen. Erfahren Sie mehr dazu in unserem Fachbeitrag.

Blitzschutzsystem

Standort und Besonderheiten bei der Installation

Meistens wird das äußere Blitzschutzsystem an den zu schützenden Anlagen oder Gebäuden befestigt. Bei Gebäuden oder Anlagen mit explosiven oder brennbaren Bereichen, Wänden und Dachaufbauten oder gegen elektromagnetische Strahlungen empfindlichen Anlagen können auch getrennte äußere Blitzschutzsystem zur Anwendung kommen. Natürliche Bestandteile der Anlage, die gut leitend sind und nicht verändert werden (z.B. Stahlskelette), dürfen ebenfalls als Ableitung genutzt werden.

Fangeinrichtungen

Die Fangeinrichtungen müssen so dimensioniert und positioniert werden, dass die Auswirkungen des Blitzes auf das Gebäude minimiert werden. Fangeinrichtungen können aus folgenden Bestandteilen errichtet werden und sind beliebig kombinierbar:

Fangstangen oder frei stehende Maste

Blitzschutz
Abb. 1: Fangstange

Gespannte Seile

Hierbei sind Fangmaste in einer bestimmten Höhe über den zu schützenden Anlagen auf dem Dach durch Seile miteinander verbunden. Dies wird besonders dort genutzt, wo die Trennungsabstände auf der Dachfläche nicht eingehalten werden können. Diese Seile haben immer einen Querschnitt von 50 mm2 und bestehen meist aus Aluminium.

Vermaschte Leiter

Die Leitungen werden in den den Blitzschutzklassen entsprechenden Abständen meist auf Flachdächer mittels Abstandshalter montiert und miteinander verbunden.

Verfahren

Zur optimalen Lage und Anordnung der Fangeinrichtungen werden verschiedene Verfahren genutzt:

  • Blitzkugelverfahren
  • Maschenverfahren
  • Schutzwinkelverfahren

Diese Verfahren sind kombinierbar und können nach baulichen Gegebenheiten einzeln oder als Gesamtheit angewandt werden.

Modelle zur Verwendung von Fangeinrichtungen

In den deutschsprachigen Ländern wird meist das universelle elektrogeometrische Modell (EMG) zur Anordnung bzw. Verwendung von Fangeinrichtungen angewandt. Dieses entspricht auch den anerkannten Regeln der Technik, die sich im deutschen Normenwerk (z.B. VDE 0185-305) wiederfinden. Die zurzeit gültige Norm stammt jedoch aus dem Jahr 2011 und bezieht sich mit nur geringen Abänderungen auf die Ausgabe von Oktober 2006. Selbstverständlich geht die Entwicklung und Forschung auch auf dem Gebiet Blitz- und Überspannungsschutz weiter und es gibt neuere Ansätze, die in den Normen noch nicht beschrieben werden. Hier soll als Beispiel das dynamische elektrogeometrische Modell (DEMG) genannt werden, das an der FH Aachen unter der Leitung von Prof. A. Kern entwickelt wird. Ebenfalls werden weltweit und auch im europäischen Raum ESE-Systeme (ESE: Early Streamer Emission) eingesetzt. Diese Systeme unterscheiden sich deutlich in der Art der Blitzkopplung sowie der Anzahl von Fangeinrichtungen und deren Positionierung vom herkömmlichen elektrogeometrischen Modell.

Die Schutzverfahren

Wann ist welches Verfahren zu wählen?

Für komplexe Anlagen mit einer komplizierten Planung sollte immer das Blitzkugelverfahren angewandt werden, für einfache Planungen das Schutzwinkel- und z.B. für Flachdächer das Maschenverfahren. Falls bei den beiden zuletzt genannten Verfahren Unsicherheiten auftreten, sollte immer auf das Blitzkugelverfahren zurückgegriffen werden.

Das Blitzkugelverfahren

Nachdem die Risikoanalyse durchgeführt und die für das Gebäude relevante Blitzschutzklasse ermittelt wurde, können mit dem Blitzkugelverfahren die Fangeinrichtungen positioniert werden.

Jeder Blitzschutzklasse sind Radien der Blitzkugel und der Maschenweiten zugeordnet. Wird jetzt die Blitzkugel über das zu schützende Gebäude gerollt, sind die Berührungspunkte der Kugel mit dem Gebäude relevante Einschlagstellen des Blitzes. Dort müssen Fangeinrichtungen montiert werden, die bewirken, dass der Blitz in diese einschlägt und kontrolliert über die Ableitungen zur Erdungsanlage geführt wird.

Blitzschutz
Abb. 2: Blitzkugelverfahren 1 (Quelle: Dehn & Söhne)

Mit modernen CAD-Programmen kann die Blitzkugel über eine dreidimensionale Darstellung des Gebäudes gerollt werden. Je nach Blitzschutzklasse können unterschiedliche Radien der Blitzkugel bei der Simulation realisiert werden.

Blitzschutz
Abb. 3: Blitzkugelverfahren 2 (Quelle: Reiner Linder)

Ziel muss es sein, alle möglichen Einschlagpunkte mit Fangstangen zu sichern. Diese Fangstangen müssen so dimensioniert sein, dass sich alle Teile der zu schützenden Anlage im Schutzbereich befinden. Bei der Installation von mehreren Fangstangen muss auch die Eindringtiefe der Blitzkugel zwischen den einzelnen Fangstangen berücksichtigt werden, damit durch den Durchhang der Kugel nicht gefährliche Näherungen zu den zu schützenden Teilen entstehen (nachzulesen in der DIN EN 62305-3 (VDE 10185-305-3) E.5.2.2.2). Damit eine Blitzstromaufteilung gewährleistet ist, müssen die Fangstangen auf Dachebene miteinander verbunden werden. Durch das Blitzkugelverfahren können die Anzahl und die Orte von Fangstangen exakt festgelegt werden.

Das Maschenverfahren

Das Maschenverfahren wird hauptsächlich zum Schutz ebener Flächen eingesetzt, meist aber kombiniert mit Fangstangen und Fangmasten. Die Maschenweite richtet sich nach der durch eine Risikoanalyse berechneten Blitzschutzklasse. Die Leitungen der Maschen können unmittelbar auf dem Flachdach entweder mittels Dachleitungshalter oder geständert in einem berechneten Trennungsabstand vom Dach montiert werden. Die Entscheidung, welche Art der Installation zu wählen ist, trifft die Blitzschutzfachkraft. Hierbei sind besonders Näherungen zu elektrisch leitenden Objekten bzw. elektrischen Leitungen zu beachten.

Das Schutzwinkelverfahren

Das Schutzwinkelverfahren sollte dann angewandt werden, wenn die zu schützenden Anlagenteile innerhalb des durch die Schutzeinrichtung (hier: Fangstangen oder Maste) geschützten Volumens liegen.

Dieses geschützte Volumen wird als kreisförmiger Kegel mit senkrechter Achse definiert, an dessen Spitze der Winkel α entsprechend der jeweiligen Schutzklasse und der Höhe der Fangeinrichtung das Schutzvolumen aufspannt.

Natürliche Fangeinrichtungen

Teile einer baulichen Anlage, die gewisse Kriterien erfüllen, können ebenfalls als Fangeinrichtungen genutzt werden. Sie sind dann Teil des Blitzschutzsystems. Hier sind meist Metalldächer, durchverbundene Bewehrungen und Metallrohre bzw. Metallbehälter gemeint, die keine leitende Verbindung in das zu schützende Gebäude haben. Diese natürlichen Fangeinrichtungen müssen eine gewisse Materialdicke aufweisen, die gewährleistet, dass der Blitz diese Bleche nicht durchlöchert, und sie müssen gut leitend miteinander verbunden und in die weiteren Fangeinrichtungen eingebunden sein.

Alle Fangeinrichtungen müssen jedoch so angeordnet werden, dass durch sie keine Gefahr für elektrische Installationen auf dem Dach entsteht. Das bedeutet, dass mathematisch ermittelte Trennungsabstände zwischen den Installationen existieren müssen. Sind die Trennungsabstände nicht eingehalten bzw. nicht einzuhalten, muss ein getrenntes Blitzschutzsystem errichtet werden. Getrenntes Blitzschutzsystem bedeutet, dass durch alle Fangeinrichtungen und deren Verbindungen auf dem Dach die berechneten Trennungsabstände eingehalten werden. Dies kann durch eine geschickte Positionierung der Fangstangen und eine geständerte Leitungsführung der Verbindungen erreicht werden. Fangmaste können mit Seilen (Aldreyseile) außerhalb des Berührungsbereichs verbunden werden. Ebenso ist der Einsatz von hochspannungsfester, isolierter Leitung empfehlenswert.

Entscheidend ist die Blitzstromaufteilung auf möglichst viele leitfähige Teile. Je höher die Aufteilung ist, umso geringer werden die Trennungsabstände und die Einwirkungen der elektromagnetischen Komponente auf die Elektroinstallationen der Dachaufbauten.

Weiterentwickelte Methoden

Die Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet des äußeren Blitzschutzes bleibt natürlich auch nach der Fixierung in den Normen (aktuell: DIN EN 62305) nicht stehen, denn es gibt vielversprechende Ansätze, den äußeren Blitzschutz zu vereinfachen bzw. völlig neu zu betrachten.

Hier sollen besonders die Art und Weise der Positionierung von Fangeinrichtungen allgemein und der Ableitungen genannt werden. Ziel ist es jedoch immer, den Blitz einzufangen, kontrolliert in das Erdungssystem zu leiten und dort gefahrlos für Personen, Tiere und Sachwerte zu verteilen.

Methoden zur Positionierung von Fangeinrichtungen:

  • dynamisches elektrogeometrisches Modell (DEGM)
  • ESE-Fangeinrichtung
  • CVM-Modell

Das heute in der Norm DIN EN 62305 verankerte elektrogeometrische Modell (EGM) ist bereits seit 1940 bekannt und wird in vielen europäischen Ländern angewandt. Nach diesem Modell werden mit sogenannten Blitzkugeln, deren Radien mit den Schutzklassen variieren, die Einschlagpunkte des Blitzes bestimmt und dort Fangstangen gesetzt. Besonders präferiert wird diese Struktur in Deutschland, Österreich und der Schweiz. In anderen europäischen Ländern wird sie als eine weitere Möglichkeit zum Schutz gegen Blitzeinschläge betrachtet. In diesen Ländern (z.B. Frankreich, Norwegen, Irland, Spanien und einige osteuropäische Länder) werden verstärkt ESE-Fangeinrichtungen (siehe unten) eingesetzt.

Dynamisches elektrogeometrisches Modell (DEGM)

An der FH Aachen wird unter Prof. A. Kern an einem dynamischen elektrogeometrischen Modell geforscht, dessen Ziel es ist, eine Optimierung der Anzahl, der Höhe und der Positionierung von Fangstangen rechnerisch durchzuführen. Als Grundlage dient hier das elektrogeometrische Modell. Nach dem Blitzkugelverfahren werden die Einschlagpunkte ermittelt. Mithilfe des Rechenprogramms wird die Einschlagwahrscheinlichkeit an den relevanten Punkten bzw. an den dort gesetzten Fangstangen bestimmt. Es wird festgestellt, wo sich die höchsten Wahrscheinlichkeiten von Blitzeinschlägen ergeben. Anhand dieser Ergebnisse kann die Anzahl der Fangstangen optimiert werden. In Zukunft wird es also möglich sein, mit einem softwaregestützten Rechenprogramm 3D-Blitzschutzplanungen mit optimierten Fangsystemen am Computer zu erstellen.

ESE-Fangeinrichtung

Dieser Begriff steht für ein Blitzfangsystem, das durch aktive Komponenten oder aufgrund einer besonderen physikalischen Form die Blitze „einfangen“ soll. Die Hersteller dieser Systeme versprechen dadurch einen minimierten Einsatz von Fangeinrichtungen und einen größeren Schutzbereich. Der Einsatz solcher Fangeinrichtungen ist erlaubt und in französischen und spanischen Normen erwähnt (NFC 17-102/1995, UNE 21186/2011). Man geht davon aus, dass der Blitzimpuls von der Wolke in einem vorionisierten Kanal besser und gerichteter zur Erde bzw. zur Fangeinrichtung gelangen wird. Zur Vorionisierung wurden in den 1950er- und 1960er-Jahren radioaktive Materialien verwendet. In Deutschland ist die Verwendung von radioaktivem Material zur Vorionisation der Luft verboten. Die neueren ESE-Systeme nutzen zur Vorionisation der Luft z.B. durch Wind angetriebene Oszillatoren bzw. Lasertechnologie.

Kritisch ist die Ableitung zu betrachten. Da von diesen ESE-Systemen meist nur eine einzige Ableitung zum Erdungssystem erfolgt, sind unbedingt die Trennungsabstände zu beachten und eine Potenzialsteuerung beim Übergang zum Erdungssystem durchzuführen.

CVM-Modell

Das CVM-System beruht auf zwei wichtigen neuen Aspekten:

  • einem Rechnerprogramm, das das Schutzvolumen nach physikalischen Vorgaben berechnet
  • einer neu entwickelten Fangeinrichtung, die aus einer Fangstange und einer von dieser gleichstrommäßig getrennten Halbkugel besteht

Diese Fangeinrichtung wird erst aktiv, wenn sich ein Gewitter nähert, und sendet durch die Entladung der Halbkugel (kapazitive Aufladung) in Richtung des ankommenden Blitzimpulses eine Fangladung aus. Durch ein bis zu 200 kA (Impuls: 10/350 µs) festes Ableitkabel ist es möglich, den Blitzstrom mit nur einer Ableitung in das Erdungssystem zu führen. Trennungsabstände sind unbedingt zu beachten bzw. es ist ein umfassendes Blitz- und Überspannungskonzept umzusetzen.

Autor: Dipl. Ing. Helmut Zitzmann