Anmerkungen zur Berechnung des Trennungsabstands nach DIN EN (VDE ):

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1 DIN EN (VDE ): Dr.-Ing. Wolfgang Zischank, Universität der Bundeswehr, München Prof. Dr.-Ing. Ottmar Beierl, Georg-Simon-Ohm-Hochschule, Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Alexander Kern, FH Aachen, Jülich

2 DIN EN (VDE ): Die neue Norm DIN EN (VDE ): bringt: wesentliche Änderungen hinsichtlich der Berechnung des Trennungsabstands zur VDE V 085 Teil 3:2002- eine Überdimensionierung des erforderlichen Trennungsabstands in bestimmten Fällen bis zum Faktor 2,5 Verunsicherung, da auf Basis der neuen Norm unterschiedliche Antworten gegeben werden können (verschiedene Verfahren). 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 2

3 DIN EN (VDE ): Ziel dieses Beitrags ist: Fragestellungen zur Berechnung des Trennungsabstands zu klären. Lösungsmöglichkeiten aufzuzeigen. Hilfestellungen für die Praxis zu geben. vereinfachte Berechnungsverfahren vorzustellen und zu bewerten. 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 3

4 DIN EN (VDE ): Inhalt und Überblick Standard-Verfahren nach VDE , Abschnitt 6.3 Erweitertes Verfahren nach VDE , Anhang E Kontrollrechnungen mit Simulationsprogramm CONCEPT II Vereinfachte Verfahren zur Berechnung des Stromaufteilungskoeffizienten k c für die Praxis. Vergleich der Verfahren Zusammenfassung und Bewertung 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 4

5 DIN EN (VDE ): Standard-Verfahren nach VDE , Abschnitt 6.3 Berechnungsgrundlagen zur Bestimmung des erforderlichen Trennungsabstandes s s ki k k m c l k i : Faktor gemäß Schutzklasse des Blitzschutzsystems k c : Faktor abhängig von der erreichten Blitzstromaufteilung k m : Faktor abhängig vom Werkstoff der elektrischen Isolation entspricht soweit VDE V 085 Teil 3:2002 und DIN V ENV 6024-:996 neu: Länge l entspricht nicht mehr nur der senkrechten Höhe l : Länge entlang der Fangeinrichtung oder der Ableitung von dem Punkt, an dem der Trennungsabstand ermittelt werden soll, bis zum nächstliegenden Punkt des Potenzialausgleichs in [m]. 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 5

6 DIN EN (VDE ): Leitungslänge l nach VDE :2006 k c nach Anhang C k c 2n 0, 0,2 Im Beispiel (bisher): 3 c h k c l 8% 2% 25% n = 25; c = h = 0m k c = 0,32 k c nach Anhang C = worst-case des Stromanteils beim Eckeinschlag mehrfache Aufteilung des Stroms entlang l bei Dacheinschlag Stromanteile entlang l sind viel geringer als die k c - Berechnung suggeriert 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 6

7 DIN EN (VDE ): Fazit: Bisher stellte der Blitzeinschlag in die Ecke oder Kante den worst-case für den Trennungsabstand dar. l war dabei nur die Länge der unmittelbar anliegenden Ableitung (Gebäudehöhe). Neu ist zu beachten: Blitzeinschlag in Ecke oder Kante stellt weiterhin den worst-case dar. Nahezu alle anderen Näherungsstellen auf dem Dach werden konservativ mit abgedeckt (für maschenförmige Fangleitungen gemäß Schutzklasse). Bei Verwendung von Fangstangen oder Fangmasten wird der zusätzlicher Trennungsabstand zu dem der Dachfläche addiert. aber: Als Länge l dürfte dabei, entgegen der jetzigen Norm, nur die senkrechte Länge der Ableitungen verwendet werden. Sonst teilweise unrealistische und unnötig große Trennungsabstände. 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 7

8 DIN EN (VDE ): Erweitertes Verfahren nach VDE , Anhang E Der erforderliche Trennungsabstand s wird durch Aufaddieren einzelner Anteile, entlang n blitzstromdurchflossener Leiter (kürzester Weg vom Einschlagpunkt zum Potenzialausgleich) berechnet. Berücksichtigung der Stromaufteilung erfolgt durch verschiedene Stromanteile k c, die in jedem Leiterabschnitt entlang des Weges (Leiterlängen l... l n ) fließen. k k i Berechnungsgrundlagen: s k l k l... k l m c c2 2 cn n l : Teillängen entlang des Weges von dem Punkt der Fangeinrichtung oder der Ableitung an dem der Trennungsabstand ermittelt werden soll, bis zum nächstliegenden Punkt des Potenzialausgleichs in [m]. 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 8

9 DIN EN (VDE ): Beispiel: Stromaufteilung (alle Leitungsabschnitte 0 m) l 2 l 25 %,6 % l 3 8, % Die Interpretation der induzierten Spannung erfolgt näherungsweise durch Summation der Längsspannungen entlang der stromdurchflossenen Impedanzen. Grundsätzlich können beliebig komplizierte Blitzschutzsysteme nachgebildet werden. Jedoch ist die Berechnung der jeweiligen k c - Werte erforderlich. 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 9

10 DIN EN (VDE ): Berechnung der jeweiligen k c - Werte Verfahren der Netzwerktheorie, z.b. Knotenpotenzial-Verfahren Kommerzielle Netzwerk-Analyseprogramme (z.b. PSPICE, EMTP) Spezielle für den Blitzschutz zugeschnittene Computerprogramme (siehe Screenshot) 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 0

11 DIN EN (VDE ): Anwendung des Verfahrens nach Anhang E zu berücksichtigen ist: Als worst-case ist üblicherweise die Stelle anzusetzen, an der der Trennungsabstand berechnet werden soll. Für unterschiedliche Stellen auf dem Dach ergeben sich in aller Regel auch unterschiedliche Trennungsabstände. Eine Berücksichtigung von Fangstangen oder Fangmasten zum Schutz von Dachaufbauten ist in diesem Verfahren problemlos möglich 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite

12 DIN EN (VDE ): Vergleich : VDE , Anhang E / CONCEPT II Lösung der Maxwell-Gleichungen nach der MoM im Frequenzbereich. Die Geometrie von Blitzschutzsystem und Installationsschleife sowie die transiente Strom- und Feldverteilung werden dabei vollständig berücksichtigt. Bestimmung der k c mit Knotenpotenzial-Verfahren Simulationsdaten: Gebäude mit Grundfläche von 20 m x 20 m; Höhen zwischen 0 m und 60 m Gebäude mit Grundfläche von 60 m x 60 m und geringer Höhe von 0 m Maschenweite 0 m x 0 m; Abstand der Ableitungen 0 m; Ringleiter alle 0 m Schutzklasse II; k i = 0,06, k m = Einschlag: Ecke und in die Mitte der Strukturen 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 2

13 DIN EN (VDE ): Gebäude Fläche [m x m] Höhe [m] Einschlagsort Vergleichsergebnisse: Trennungsabstand s [cm] MoM Anhang E Fehler % 20m x 20m 0 m Ecke 28, Mitte 23, m x 20m 20 m Ecke 43, Mitte 33, m x 20m 40 m Ecke 65, Mitte 44, m x 20m 60 m Ecke 77, Mitte 52, 62 9 Fazit: 60m x 60m 0 m Ecke 28, Mitte 3, relativ geringe Abweichungen in einem Bereich von max. 20 % Hinreichend genaue Ergebnisse mit dem Vorgehen nach Anhang E 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 3

14 DIN EN (VDE ): Vereinfachte Verfahren zur Berechnung von k c Problematik in / und Motivation aus der Praxis: Methoden zur Netzwerkanalyse sind nicht grundsätzlich verfügbar. Sie sind für die praktische Anwendung oft zu komplex. MoM ist viel zu aufwendig. Anwendung der MoM erfordert umfangreiche Kenntnisse der Feldtheorie. 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 4

15 DIN EN (VDE ): Vereinfachte Verfahren - Grundprinzipien Es erfolgt eine sukzessive Stromaufteilung an den Stromverzweigungen auf dem Weg vom Einschlagpunkt bis zur Erdungsanlage. die wesentliche Vereinfachung liegt jeweils in der näherungsweisen Bestimmung dieser Stromaufteilung alle Leiter der Fang- und Ableitungseinrichtung besitzen gleiches Material und gleichen Querschnitt Wird aufgrund der angewandten Vereinfachungen der physikalisch sinnvolle Wert für die Stromaufteilung von /n (n = Gesamtzahl der Ableitungen) vorzeitig erreicht, wird dieser Aufteilungswert bis zum Ende der Rechnung beibehalten. 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 5

16 DIN EN (VDE ): Stromteiler-Verfahren Behandlung der Verzweigungspunkte mit der Stromteilerregel I I Teil GTeil G V V Vereinfachende Annahme: alle Teilströme, die nach der Verzweigung weiter fließen, enden in einer Äquipotenzialfläche (Verzweigungsziel Z) Vereinfachende Annahme ist Z - V = konst. für alle abgehenden Leitungsabschnitte Verzweigungsstelle V mit m Verzweigungen und Potenzial V I I I 2 l l 2 Verzweigungsziel Z mit Potenzial Z Diese ist nur für die Erdungsanlage mit Erdpotential genau erfüllt. Für alle vorhergehenden Schritte ist diese eine Näherung. I m l m I Teil l Teil 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 6

17 DIN EN (VDE ): Stromteiler-Verfahren / Annahmen und Vorgehensweise nur Leiter gleichen Leitermaterials und gleichen Querschnitts betrachtet Leitwerte G umgekehrt proportional zu den Leiterlängen l in jeder Verzweigung wird der Teilstrom I Teil im betrachteten Leiter l Teil wird mit dem Teilstromfaktor k V beschrieben. k V I I Teil l Teil V l V im Zuge des Weges gehen die k c - Faktoren jeweils durch Bewertung mit dem Teilstromfaktor k V hervor. Beispiel : Abschnitt l mit k c mündet in Verzweigung V mit k V dann gilt für den folgenden Wegabschnitt l 2 mit k c2 : k k k c2 c V k Beginnt der Weg mit einer Verzweigung V0 gilt: c V 0 k 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 7

18 DIN EN (VDE ): Berechnungsbeispiel zum Stromteiler-Verfahren k l l V 0 V 0 V V 0 k C = k V0 = 0,25 0,25 V0 V l, k c 5 m l 2, k c2 40 m 40 m k l l V 3 2 V V 0,66 Auswertung: Blitzschutzklasse II; k i = 0,06; k m = k s k i m k c l k c2 l 2 0,06 (0,25 20 m 0,655 m) 0,35 m k C2 = k C k V = 0,250,66 = 0,65 Mehrstufige Varianten möglich (Aufwand, Nutzen) 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 8

19 DIN EN (VDE ): Empirisches Verfahren auf keiner wissenschaftlichen Basis beruhend an Hand einer größeren Anzahl von Beispielen entwickelt Regeln: am Einschlagpunkt verteilt sich der Strom gleichmäßig auf alle von dort abgehenden Leitungen. an allen weiteren Verzweigungsstellen halbiert sich der Strom, unabhängig von der Anzahl der weiterführenden Leitungen. Wird der physikalisch sinnvolle Wert für die Stromaufteilung von /n (n = Gesamtzahl der Ableitungen) vorzeitig erreicht, erfolgt keine weitere Stromaufteilung mehr und es wird für die verbleibenden Leitungsabschnitte mit diesem Wert gerechnet. 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 9

20 DIN EN (VDE ): Rechenbeispiel - Empirisches Verfahren, k c 4 Leitungen am Einschlagpunkt k c = /4 = 0,25 20 m 2 3 2, k c2 2 3, k c3 20 m Strom halbiert sich k c2 = 0,25 / 2 = 0,25 20 m 3 Auswertung: Blitzschutzklasse II; k i = 0,06; k m = ki s kc l kc2 l2 kc3 l3 km Halbierung k c2 / 2 = 0,25 / 2 = 0,0625 0,06 da 0,0625 < /n = /8 folgt k c3 = 0,25 (0,250 m 0,250 m 0,250 m) 0,30 m 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 20

21 DIN EN (VDE ): Vergleich der Näherungsverfahren mit dem Potenzialverfahren Exakte Lösung (Potenzialverfahren): Berechnung, die auf einer exakten Bestimmung der einzelnen k c entlang des Leitungsweges mit dem Potenzialverfahren beruht. Daten für Vergleich ( wie bei MoM ) Gebäude Grundfläche von 20 m x 20 m; Höhen zwischen 0 m und 60 m Gebäude Grundfläche von 60 m x 60 m und geringer Höhe von 0 m Maschenweite 0 m x 0 m; Abstand Ableitungen 0 m; Ringleiter alle 0 m Schutzklasse II; k i = 0,06, k m = Einschlag in die Ecke bzw. in die Mitte der Strukturen 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 2

22 DIN EN (VDE ): Vergleich exakte Lösung / vereinfachte Verfahren für Eckeinschlag 70 Potenzialverfahren Stromteiler -stufig Stromteiler 2-stufig Empirisch 60 Trennungsabstand [cm] x 20 / 0 20 x 20 / x 20 / x 20 / x 60 / 0 Gebäudetyp: Fläche [m x m] / Höhe [m] 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 22

23 DIN EN (VDE ): Vergleich exakte Lösung / vereinfachte Verfahren für Mitteneinschlag 70 Potenzialverfahren Stromteiler -stufig Stromteiler 2-stufig Empirisch 60 Trennungsabstand [cm] x 20 / 0 20 x 20 / x 20 / x 20 / x 60 / 0 Gebäudetyp: Fläche [m x m] / Höhe [m] 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 23

24 DIN EN (VDE ): Vergleich exakte Lösung / vereinfachte Verfahren - proz. Abweichungen Prozentuale Stromteiler Stromteiler Abweichung -stufig 2-stufig Empirisch Eckeinschlag Maximum -23 % -22 % -23 % Mittelwert -8 % -2 % -7 % Mitteneinschlag Maximum -7 % -3 % -9 % Mittelwert -9 % -7 % -0 % Resümee Stromteilerverfahren -stufig und Empirsches Verfahren liegen etwa gleich Stromteilerverfahren 2-stufig liegt etwas besser bei höherem Aufwand 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 24

25 DIN EN (VDE ): Zusammenfassung Standard-Verfahren nach VDE , Abschnitt 6.3 ergibt einen für die gesamte Dachfläche gültigen Trennungsabstand mit worst-case ist der Einschlag in Ecke oder Kante des Blitzschutzsystems. Länge l : nur die senkrechte Länge der Ableitungen wäre zu verwenden sonst unrealistisch und unnötig große Trennungsabstände Detailliertes Verfahrens nach Anhang E von VDE liefert realistischere, genaue Werte für Trennungsabstände. Vergleich CONCEPT II (Maxwell Gl.) ergibt Abweichungen unter 20% Kenntnis der Blitzstrom-Verteilung erforderlich Software-Lösungen vereinfachte Verfahren ermöglichen ausreichend genaue Ergebnisse Abweichungen k c - Koeffizienten unter 25 % (Vergleich exakte Berechnung) Das Empirische Verfahren stellt für die Praxis ein besonders einfaches, hinreichend genaues, Vorgehen dar. 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 25

26 DIN EN (VDE ): Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 26

27 DIN EN (VDE ): Zweistufiges Berechnungsverfahren: Stromteiler - Verfahren erweitert auf 2 Verzweigungsstufen (Unterverzweigung) Eine Unterverzweigung z.b. (im Bild V) wird durch eine (verlängerte) fiktive Länge l' in diesem Strompfad berücksichtigt. l l l V V Verzweigungsstelle V Unterverzweigungsstelle V I I I 2 I m l m I Teil l l 2 l Teil l l 2 l m' Verzweigungsziel Z 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 27

28 DIN EN (VDE ): Berechnungsbeispiel für das zweistufige Verfahren V0 V04 l l V 04 V 04 0 m 3 0 m 4 l4 l l 0 m 2 V 02 lv 02 0 m l3 l2 (gleiche Geometrie) l l (da Erdpotential erreicht) 2 2 3,3 m 5 m V03 0 m l 3 V0 l 4 l, k c 20 m l 2 V02 20 m V 0 V ,3 k V 0 k C = k V0 = 0,324 0,324 Auswertung: Blitzschutzklasse II; k i = 0,06; k m = s k k i m 0,06 k c l (0,324 0 m) 0,9 m 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 28

29 DIN EN (VDE ): Vergleich : VDE , Anhang E / CONCEPT II Lösung der Maxwell-Gleichungen nach der MoM im Frequenzbereich. Die Geometrie von Blitzschutzsystem und Installationsschleife sowie die transiente Strom- und Feldverteilung werden dabei vollständig berücksichtigt. Bestimmung der k c mit Knotenpotenzial-Verfahren Simulationsdaten Gebäude: Typ: Grundfläche von 20 m x 20 m; Höhen zwischen 0 m und 60 m Typ2: Grundfläche von 60 m x 60 m und geringer Höhe von 0 m Maschenweite 0 m x 0 m; Abstand der Ableitungen 0 m; Ringleiter alle 0 m Schutzklasse II; k i = 0,06, k m = Varianten: Einschlag in die Ecke bzw. in die Mitte der Strukturen 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 29

30 DIN EN (VDE ): Vergleich : VDE , Anhang E / CONCEPT II Simulationsdaten Blitzstrom: i max = 37,5 ka und T = 250 ns (Hinweis: entspricht 75m Wellenausbreitung) Simulationsdaten Installationsschleifen: Eckeinschlag: 0 m breite Schleife Ecke - Strukturmitte - Erde Mitteneinschlag: vertikaler Draht zwischen Dach und Erde jeweils hochohmiger Abschluss (M) = offene Schleife Auswertung: erforderlicher Trennungsabstand s wird aus den zeitlichen Spannungsverläufen über das Flächengesetz ermittelt (Hinweis: Laufzeitverhalten berücksichtigt!) 7. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm Seite 30