Die Bedeutung des Trennungsabstandes für den Blitzschutz

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1 Jürgen Wettingfeld Die Bedeutung des Trennungsabstandes für den Blitzschutz Erläuterungen Weiterführende Informationen Beispiele Erweiterter Beitrag zur 7. VDE / ABB Blitzschutztagung vom 15. bis 16. November 2007 in Neu-Ulm Seite 1-20

2 Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines Berechnung des Trennungsabstands Berechnung des Trennungsabstands nach DIN EN , Anhang C, Bild C Berechnung des Trennungsabstands nach DIN EN , Anhang C, Bild C Berechnung des Trennungsabstands nach DIN EN , Anhang C, Bild C Berechnung des Trennungsabstands für sehr große Gebäude nach DIN EN , Anhang E, Abschnitt Fazit:...20 Anschrift des Autors: Dipl.-Ing. Jürgen Wettingfeld Vektor Plan GmbH Blitzschutz, Elektrotechnik, Überspannungsschutz, Erdungsanlagen Hafelsstraße Krefeld info@wettingfeld.com Mitglied im K 251 der DKE (Deutsche Kommission für Elektrotechnik) Leiter des AK (Blitzschutz: Schutz von baulichen Anlagen und Personen Seite 2-20

3 Die Bedeutung des Trennungsabstandes für den Blitzschutz Dipl.-Ing. Jürgen Wettingfeld, Firma Vektor Plan GmbH, Krefeld Kurzfassung Die Einhaltung von Trennungsabständen zu Leitern des äußeren Blitzschutzsystems ist eine grundlegende Forderung der DIN EN , um das Auftreten gefährlicher Funken zu verhindern. Gegenüber der Vorgängernorm haben sich für die Berechnung des Trennungsabstandes wichtige Änderungen ergeben. Diskussionen in verschiedenen Fachgremien oder Rückfragen bei Seminaren haben gezeigt, dass erläuternde Informationen für die Berechnung des Trennungsabstandes erforderlich sind. Dieser Bericht informiert u.a. über zusätzliche Festlegungen des K 251 (zuständiges Komitee für Blitzschutz bei der DKE) und neueren wissenschaftlichen Publikationen (siehe [4] und [5]). 1 Allgemeines Die Einhaltung von Trennungsabständen zu Leitern des äußeren Blitzschutzsystems ist eine grundlegende Forderung, um das Auftreten gefährlicher Funken zu verhindern. Die DIN EN weist in Abschnitt 6.1 daraufhin, dass Funkenbildung innerhalb einer explosionsgefährdeten baulichen Anlage immer als gefährlich angesehen werden muss. Funkenbildung kann vermieden werden bei getrenntem "Äußeren Blitzschutz" durch Isolierung oder durch entsprechende Trennungsabstände bei nicht getrenntem "Äußeren Blitzschutz" durch Verbindung, durch Isolierung oder entsprechende Trennungsabstände Der Blitzschutz-Potentialausgleich wird erreicht durch Verbinden der Einrichtungen des "Äußeren Blitzschutzes" mit dem Metallgerüst der baulichen Anlage, mit den Installationen aus Metall, mit den äußeren leitenden Teilen und mit den Einrichtungen der elektrischen Energie- und Informationstechnik. Für den Fall, dass eine Isolation durch geeignetes Material oder durch geeignete Abstände zwischen den leitenden Teilen erreicht werden soll, muss ein Abstand d berechnet werden, der größer als der Trennungsabstand s ist. Gegenüber der vorigen Norm DIN V VDE V 0185 T3 wurde die Definition der Bezugslänge l geändert. Nach DIN EN , Anhang E, Abschnitt E ist die Bezugslänge l zur Berechnung des Trennungsabstandes s jetzt der Abstand zwischen der Anschlussstelle an den Potentialausgleich und der Näherungsstelle entlang der Ableitung. Bild 1 und Bild 2 zeigen, wie die kritische Länge l zur Berechnung des Trennungsabstandes s gemessen wird. Seite 3-20

4 Bild 1: Der berechnete Trennungsabstand s ist kleiner als der tatsächliche Abstand d, ein Funkenüberschlag ist nicht möglich Bild 2: Der berechnete Trennungsabstand s ist größer als der tatsächliche Abstand d, ein Funkenüberschlag ist möglich Kann der berechnete Trennungsabstand s entlang der gesamten Länge der betrachteten Installation nicht eingehalten werden (Bild 2), dann sollte nach DIN EN , Anhang E, Abschnitt E eine weitere Potentialausgleichsverbindung der Installation mit dem Blitzschutzsystem an dem vom Bezugspunkt des Potentialausgleichs entferntesten Punkt hergestellt werden (siehe Bild 3). Wenn die Verbindung zwischen der Installation und dem Blitzschutzsystem am Bezugspunkt des Potentialausgleichs und am entferntesten Punkt hergestellt ist, dann gilt die Abstandsbedingung entlang der gesamten Strecke der Installation als erfüllt. Bild 3: Potentialausgleichsverbindung der Installation mit dem Blitzschutzsystem an dem vom Bezugspunkt des Potentialausgleichs entferntesten Punkt, der Teilblitzstrom wird jedoch erst an der Verbindung zum Erdungssystem ausgekoppelt Seite 4-20

5 Dieser Zusammenschluss hat jedoch den Nachteil, dass in Folge der in das Gebäudeinnere eingekoppelten Teilblitzströme elektromagnetische Störungen auftreten. Durch den Einbau von Überspannungsschutzgeräten können an elektrischen Geräten Schäden verhindert werden, der Teilblitzstrom wird jedoch erst an der Verbindung zum Erdungssystem ausgekoppelt. Verbindungen zwischen Installationen und Blitzschutzsystem sollten daher nach Möglichkeit durch weitergehende Maßnahmen vermieden werden. Folgende Maßnahmen können bei der Lösung dieser Problematik helfen: 1. Vergrößerung des Abstandes durch Verlegung einzelner Fang- und Ableitungen. 2. Vergrößerung des Abstandes durch Verlegung der Installation. 3. Verringerung des Trennungsabstandes durch zusätzliche Ableitungen und horizontale Verbindungsringleitungen. 4. Getrennte Fangeinrichtungen und isolierte Ableitungen 5. Exakte Berechnung des Trennungsabstandes mit Hilfe spezieller Programme. In vielen Fällen sind die mit Hilfe eines Programms ermittelten Werte günstiger, als die überschlägige Berechnung mit Hilfe der in der Norm angegebenen Formeln, da diese Formeln so ausgelegt sind, dass für alle Fälle sichere Ergebnisse erzielt werden sollen (worst case Betrachtung). Erst wenn diese Maßnahmen nicht mehr weiterhelfen, sollte Potentialausgleichsverbindung nach DIN EN , Anhang E, Abschnitt E erfolgen 2 Berechnung des Trennungsabstands Die Berechnung des Trennungsabstands erfolgt nach folgender Formel: s = k Dabei ist: k i abhängig von der gewählten Schutzklasse des LPS (siehe Tabelle 1); k m abhängig vom elektrischen Isolierstoff (siehe Tabelle 2); k c abhängig vom Blitzstrom, der in den Ableitungen fließt (siehe Tabelle 3); l i k k die Länge entlang der Fangeinrichtung oder der Ableitung in Meter von dem Punkt, an dem der Trennungsabstand ermittelt werden soll, bis zum nächstliegenden Punkt des Potentialausgleichs. Tabelle 1: Isolation des äußeren LPS Werte des Koeffizienten k i (Quelle: DIN EN , Tabelle 10) Schutzklasse des LPS c m l k i I 0,08 II 0,06 III und IV 0,04 Hinweis: Gegenüber der DIN V VDE V 0185 T3 wurden die k i -Werte in der DIN EN um 20 % reduziert. Tabelle 2 Isolation des äußeren LPS Werte des Koeffizienten k m (Quelle: DIN EN , Tabelle 12) Material Luft 1 Beton, Ziegel 0,5 k m ANMERKUNG 1 ANMERKUNG 2 Wenn mehrere Isolierstoffe übereinander verwendet werden, wird in der Praxis der geringste Wert für k m benutzt. Der Einsatz anderer Isolierstoffe ist in Beratung. Seite 5-20

6 Hinweis: Die äquivalente Luftstrecke k m, gesamt, z.b. für eine mehrschalige Mauerwerkskonstruktion kann auch nach Bild 4 ermittelt werden. Dies gilt jedoch nur, wenn die Luftschicht nicht durch feste Stoffe überbrückt wird, über die ein Gleitfunkenüberschlag stattfinden kann. In diesem Fall gilt Bild 5. In den meisten Fällen kann der Aufbau einer Wand oder eines Daches nicht überprüft werden. In der Praxis empfiehlt es sich von der schlechtesten Situation auszugehen. Bild 4: Ermittlung der äquivalenten Luftstrecke k m, gesamt, für eine mehrschalige Mauerwerkskonstruktion Bild 5: Überbrückung der Luftschicht durch feste Stoffe Tabelle 3 Isolation des äußeren LPS Werte des Koeffizienten k c (Quelle: DIN EN , Tabelle 11) Anzahl der Ableitungen n Genaue Werte (siehe Tabelle C.1) k c ,5 4 und mehr 1 1/n Die in Tabelle 3 angegebenen Werte für k c sind als Hinweis zu verstehen, in welchem Bereich sich die k c -Werte bewegen können. Beispiel: Ein Blitzschutzsystem hat 2 Ableitungen. In diesem Fall kann der k c -Wert zwischen 1 und 0,5 liegen. Für eine erste überschlägige Berechnung kann der Trennungsabstand s mit einem k c = 1 berechnet werden. Wird der Trennungsabstand eingehalten, dann ist eine genaue Bestimmung von k c nicht mehr erforderlich. Kann der berechnete Trennungsabstand s nicht eingehalten werden, dann muss der Faktor k c näher untersucht werden. In der Tabelle 3 steht daher der Hinweis, dass weitere Informationen im Anhang C, der DIN EN , Tabelle C.1 zu finden sind (siehe Tabelle 4). Seite 6-20

7 Tabelle 4 Werte des Koeffizienten k c (Quelle: DIN EN , Anhang C, Tabelle C.1) Typ der Fangeinrichtung Anzahl der Ableitungen n Erderanordnung Typ A k c Erderanordnung Typ B einzelne Fangstange Drähte oder Seile 2 0,66 d 0, (siehe Bild C.1) a vermaschte Leiter 4 und mehr 0,44 d 0, ,5 (siehe Bild C.2) b vermaschte Leiter a b c d 4 und mehr, verbunden durch horizontale Ringleiter 0,44 d Bereich der Werte von k c = 0,5 wenn c << h ist, bis k c = 1 wenn h << c ist (siehe Bild C.1). 1/n... 0,5 (siehe Bild C.3) c Die Gleichung für k c in Bild C.2 ist eine Näherung für kubische bauliche Anlagen und für n 4. Die Werte von h, c s und c d werden im Bereich von 5 m bis 20 m angenommen. Wenn die Ableitungen horizontal durch Ringleiter miteinander verbunden sind, ist die Stromaufteilung in den unteren Teilen der Ableitungseinrichtung homogener und k c entsprechend verringert. Dies gilt besonders bei hohen baulichen Anlagen. Diese Werte gelten, wenn die Einzelerder annähernd gleiche Erdungswiderstände aufweisen. Unterscheiden sich die Erdungswiderstände der Einzelerder stark voneinander, wird angenommen, dass k c = 1 ist. ANMERKUNG Wenn genaue Berechnungen durchgeführt werden, dürfen andere k c -Werte benutzt werden. In der Tabelle 4 werden für die Berechnung von s die nach DIN EN möglichen Erderanordnungen Typ A und Typ B berücksichtigt. Werden alle Erder einer Erderanordnung Typ A in Höhe des Erdreiches (Abstand vom Boden max. 1,0 m) durch eine horizontale Ringleitung miteinander verbunden, dann sind die k c -Werte für die Erderanordnung B maßgebend. Besteht ein Blitzschutzsystem aus 3 Ableitungen, dann sind für k c die Angaben für 4 und mehr Ableitungen zu wählen (Festlegung des K 251). In Einzelfällen ist es eventuell nicht möglich Einzelerder des Typs A durch eine horizontale Ringleitung miteinander zu verbinden. Bei Erdungswiderständen, die stark von einander abweichen, ist die Berechnung des Trennungsabstandes mit k c = 1 zu berechnen. Niedrigere k c -Werte können herangezogen werden, wenn die Erdungswiderstände der Einzelerder annähernd gleich sind ( d ). Gemäß Festlegung des K 251 der DKE gilt folgender Hinweis: Die Erdungswiderstände gelten als annähernd gleich, wenn der größte Widerstand maximal doppelt so groß ist wie der niedrigste Widerstand. Bild 6 - Bild 9 zeigen verschiedene Beispiele zur Bestimmung der kc-werte. Hinweis: Die in der DIN EN angegebenen Formeln für die Berechnung des Stromaufteilungsfaktor k c wurden aus umfangreichen theoretischen Berechnungen ermittelt und stellen in den meisten Fällen den worst case dar. Die in der Norm aufgeführten Formeln sollten daher auch nur für die dargestellte Situation angewendet werden. Da die exakte Berechnung des Trennungsabstandes von vielen Faktoren abhängt, sind Diskussionen um wenige Zentimeter oder Nachkommastellen für die Einhaltung des Trennungsabstandes nicht zielführend. Seite 7-20

8 Bild 6: Erderanordnung Typ A, der Erdungswiderstand des Einzelerders B ist größer als der doppelte Erdungswiderstand des Einzelerders A, nach Tabelle 3 ist k c = 1 Bild 7: Erderanordnung Typ A; der Erdungswiderstand des Einzelerders B hat den doppelten Erdungswiderstand des Einzelerders A, nach Tabelle 4 ist k c = 0,66 Bild 8: Erderanordnung Typ A, die Erdungswiderstände der Einzelerder B und C sind größer als der doppelte Erdungswiderstand des Einzelerders A, nach Tabelle 3 ist k c = 1 Bild 9: Erderanordnung Typ A, die Erdungswiderstände der Einzelerder B-D überschreiten nicht den doppelten Erdungswiderstand von Einzelerder A, nach Tabelle 4 ist k c = 0,44 Der Faktor k c kann für ein Blitzschutzsystem mit einer Erderanordnung Typ B nach Tabelle 4 näher untersucht und überschlägig berechnet werden, wenn die in Bild 10, Bild 14 und Bild 26 enthaltenen Informationen beachtet werden. 3 Berechnung des Trennungsabstands nach DIN EN , Anhang C, Bild C.1 Werden zwei Fangstangen oder Fangmaste durch eine Fangleitung überspannt, dann kann sich der Blitzstrom auf zwei Pfade aufteilen. Da der Blitz nicht immer genau die Mitte der Anordnung trifft, sondern auch im Verlauf der Fangeinrichtung einschlagen kann, muss der ungünstigste Fall bei der Berechnung des Faktors k c berücksichtigt werden. Die für diesen Anwendungsfall gültige Formel ist in Bild 10 dargestellt. Für die Berechnung wird eine Erdungsanlage Typ B vorausgesetzt. Sind Einzelerder Typ A vorhanden, sind diese untereinander zu verbinden. Seite 8-20

9 h + c k c = (Formel C.1) 2 h + c Bild 10: Wert des Koeffizienten k c im Falle einer Fangleitung und Erdungsanlage Typ B (Quelle: DIN EN , Anhang C, Bild C.1) Die in Bild 10 angegebene Formel kann für die Berechnung des Trennungsabstandes eines Einfamilienhauses angewendet werden, wenn das Blitzschutzsystem 2 Ableitungen und eine Firstleitung hat (Bild 11). Bild 11: Berechnung des Koeffizienten k c im Falle einer Fangleitung und Erdungsanlage Typ B (Quelle: DIN EN , Anhang C, Bild C.1) Seite 9-20

10 Beispiel: Ein Einfamilienhaus wird durch ein Blitzschutzsystem der Schutzklasse III gemäß Bild 12 geschützt. Der Koeffizient k c wird wie folgt berechnet: Bild 12: Beispiel für die Berechnung des Koeffizienten k c im Falle einer Fangleitung und Erdungsanlage Typ B k c h + c = 2h + c = = 0,688 (2 10) + 12 Beispiel: Im Dachgeschoss des Gebäudes befindet sich eine Deckenleuchte (Bild 13). Der Abstand zwischen Leuchte und Blitzschutzsystem beträgt 1,0 m feste Stoffe. Frage: Wird der Trennungsabstand s für feste Stoffe eingehalten? Bild 13: Ist der Abstand d zwischen Leuchte und Blitzschutzsystem ausreichend? kc 0,688 s ki l = 0,04 18 = 0,99[ m] k 0,5 = für feste Stoffe m Antwort: Im vorliegenden Fall ist s < d da 0,99 m < 1,0 m, weitere Maßnahmen müssen nicht berücksichtigt werden. Seite 10-20

11 4 Berechnung des Trennungsabstands nach DIN EN , Anhang C, Bild C.2 Für Gebäude mit einem vermaschten Fangleitungssystem (Bild 14) erfolgt die Berechnung von k c gemäß nachstehender Formel C.2. 1 k c 2 n Legende: n Gesamtzahl der Ableitungen c Abstand einer Ableitung zur nächsten Ableitung h Abstand (oder Höhe) zwischen Ringleitern c h = + 0,1 + 0,2 3 (Formel C.2) Der nach der Formel C.2 berechnete Faktor k c gilt für den Eckeinschlag, den Dachkanteneinschlag und in den meisten Fällen auch für den Einschlag in die Dachmitte. Hinweis: Bei Gebäuden mit großen Abmessungen kann die erforderliche Berechnung Trennungsabstandes für den Einschlag in die Dachmitte nach Anhang E, Abschnitt E der Norm genauer untersucht werden (siehe Abschnitt 6. Bild 14: Vermaschtes Fangleitungsnetz mit einer Erdungsanlage Typ B (Quelle: DIN EN , Anhang C, Bild C.2) Hinweis: In der DIN V VDE V 0185 T3 konnte der Einfluss von unsymmetrisch angeordneten Ableitungen auf die Stromaufteilung berücksichtigt werden. Die unterschiedlichen Ableitungsabstände haben jedoch nur eine geringe Auswirkung auf die Berechnung des Trennungsabstandes. In der DIN EN entfällt daher der Ausdruck 6 c s. c d Im Abschnitt der Norm wird gefordert, dass Ableitungen gleichmäßig auf den Umfang verteilt werden sollen. Beachtet man diese Aussage der Norm, dann fällt der Einfluss des Abstandes c für die Berechnung des Trennungsabstandes noch geringer aus. Um Fragen aus der Praxis zuvorzukommen hat das K 251 der DKE empfohlen, dass für den Abstand c immer der größte Abstand zur nächsten Ableitung gewählt wird. Nachstehende Tabelle 5 zeigt Beispielberechnungen, die zeigen, welche Auswirkung unterschiedliche Ableitungsabstände auf den Trennungsabstand haben. Tabelle 5: Beispiel über die Auswirkung unterschiedlicher Ableitungsabstände auf den Trennungsabstand Zahl der Ableitungen n Schutzklasse Gebäudehöhe h Abstand der Ableitungen c Faktor k m Faktor k i Faktor k c Länge l Trennungsabstand S III ,04 0, ,18 III ,04 0, ,17 III ,04 0, ,19 Seite 11-20

12 Beispiel: Die normative Berechnung des Trennungsabstandes s für ein Gebäude mit Flachdach ist in Bild 15 dargestellt. Die nach der Formel C.2 berechneten Werte gelten für den Eck-, Dachkanten- und Dacheinschlag. Bild 15: Berechnung des Trennungsabstandes s für ein vermaschtes Fangleitungsnetz, ausgelegt für Schutzklasse II Führt man die Berechnung des Trennungsabstandes mit Hilfe spezieller Programme durch, dann ergeben sich für dieses Gebäude vergleichbare Ergebnisse. Bild 16: Berechnung des Trennungsabstandes s = 0,26 m (Luft) für ein vermaschtes Fangleitungsnetz, ausgelegt für Schutzklasse II, Situation Eckeinschlag Bild 17: Berechnung des Trennungsabstandes s = 0,21 m (Luft) für ein vermaschtes Fangleitungsnetz, ausgelegt für Schutzklasse II, Situation Dachkanteneinschlag Seite 12-20

13 Bild 18: Berechnung des Trennungsabstandes s = 0,24 m (Luft) für ein vermaschtes Fangleitungsnetz, ausgelegt für Schutzklasse II, Situation Dacheinschlag Werden für das Blitzschutzsystem eines Einfamilienhauses 4 Ableitungen gewählt und die Fangleitungen bilden z.b. mit der Regenrinne ein vermaschtes Fangleitungssystem, dann kann die Berechnung von k c auch mit der zuvor aufgeführten Formel C.2 durchgeführt werden. Als Höhe h kann die Traufenkante gewählt werden, wenn der berechnete Trennungsabstand auf der sicheren Seite liegen soll. Wählt man dagegen die Firsthöhe als Bezugsmaß für die Höhe h, dann sind die berechneten Werte des Trennungsabstandes niedriger. In beiden Fällen liegen jedoch die tatsächlichen Werte des Trennungsabstandes unterhalb dieser normativ berechneten Werte, wenn eine exakte Berechnung mit Hilfe eines speziellen Programms für Trennungsabstände erfolgt (Bild 20). Beispiel: Berechnung des Trennungsabstandes s für ein Wohnhaus mit einem Blitzschutzsystem der Schutzklasse III (Bild 19). Bild 19: Berechnung des Trennungsabstandes s für ein Wohnhaus mit vermaschtem Fangleitungsnetz, ausgelegt für Schutzklasse III h = 3 m, c = 15 m, n = 4, l = 10,26 m + 3,0 m = 13,26 m k c 1 = + 0,1 + 0,2* 2 n c 1 = + 0,1 + 0,2 h = kc 0,567 s = ki l = 0,04 13,26 = 0,301[ m] (Luft) k 1 m Eine Berechnung des Trennungsabstandes mit Hilfe eines speziellen Programms ergibt wesentlich günstigere Werte (Bild 20). Die berechneten Werte zeigen, dass sich die Trennungsabstände in der Regel dann einhalten lassen, wenn auch für Wohnhäuser mindestens 4 Ableitungen und ein vermaschtes Fangleitungssystem vorgesehen werden. 0,567 Seite 13-20

14 Bild 20: Berechnung des Trennungsabstandes s = 0,21 m (Luft) für ein Wohnhaus mit vermaschtem Fangleitungsnetz, ausgelegt für Schutzklasse III Die Installation eines Blitzschutzsystems in der so genannten Z-Form ergibt erheblich ungünstigere Werte (Bild 21), so dass der Trennungsabstand zu metallenen und elektrischen Installationen im Dachgeschoss meistens nicht eingehalten werden kann. Bild 21: Berechnung des Trennungsabstandes s = 0,39 m (Luft) für ein Wohnhaus mit Fangleitungsnetz in Z- Form, ausgelegt für Schutzklasse III Seite 14-20

15 Generell gilt, je höher ein Gebäude, umso günstiger ist die Stromaufteilung auf die Ableitungen (der k c -Faktor ist im Vergleich mit flacheren Gebäude niedrig), da der typische Abstand c zwischen den Ableitungen, unabhängig von der Höhe, gleich bleibt. Bild 22 - Bild 25 stellen die Berechnung für ein 60 m hohes Gebäude dar. Bild 22: Berechnung des Trennungsabstandes s = 0,69 m (Luft) für ein 60 m hohes Gebäude nach der Formel C.2, Schutzklasse III, Bild 23: Berechnung des Trennungsabstandes s = 0,57 m (Luft) für ein 60 m hohes Gebäude, ausgelegt für Schutzklasse III, Situation Eckeinschlag Bild 24: Berechnung des Trennungsabstandes s = 0,49 m (Luft) für ein 60 m hohes Gebäude, ausgelegt für Schutzklasse III, Situation Dachkanteneinschlag Bild 25: Berechnung des Trennungsabstandes s = 0,47 m (Luft) für ein 60 m hohes Gebäude, ausgelegt für Schutzklasse III, Situation Dacheinschlag Seite 15-20

16 5 Berechnung des Trennungsabstands nach DIN EN , Anhang C, Bild C.3 Die in Bild 26 angegebene Berechnung des Trennungsabstandes kommt bei hohen Gebäuden zur Anwendung, wenn auf verschiedenen Höhen Blitzschutz-Potentialausgleichsebenen vorhanden sind. Wenn alle metallene Installationen und alle elektrische und elektronische Leitungen direkt oder über Überspannungsschutzgeräte in den Blitzschutz- Potentialausgleich eingebunden sind, dann können die in Bild 26 dargestellten Berechnungen für einzelne Abschnitte durchgeführt werden (Tabelle 6). Tabelle 6: Berechnung der Trennungsabstände für einzelne Abschnitte, wenn auf verschiedenen Höhen Blitzschutz-Potentialausgleichsebenen vorhanden sind ki ki ki d a sa = kc1 la d b sb = kc2 lb d f s f = ( kc1 l f + k c2 h2 ) k k k m k d i i e se = kc4 le d c sc = kc lc km km m k ki 3 d g sg = ( kc2 lg + k c3 h3 + kc4 h 4) k m m Legende: n Gesamtzahl der Ableitungen c Abstand von der nächsten Ableitung h Abstand (Höhe) zwischen Ringleitern d Abstand zur nächsten Ableitung l Höhe über der Verbindung mit dem Potentialausgleich Bild 26: Beispiel für die Berechnung des Trennungsabstands bei einem vermaschten Fangleitungsnetz, durch Ringleiter verbundenen Ableitungen in jeder Ebene und einer Erdungsanlage Typ B (Quelle: DIN EN , Anhang C, Bild C.3) Der Trennungsabstand kann durch zusätzliche horizontale Ringleiter positiv beeinflusst werden, da durch diese Maßnahmen der Teilblitzstrom auf den Ableitungen gleichmäßiger wird. Für die einzelnen Abschnitte werden unterschiedliche Koeffizienten k c berechnet. Soll nun für einen Dachaufbau der Trennungsabstand ermittelt werden, dann sind die Informationen aus Abschnitt 6 zu beachten. Seite 16-20

17 Bild 27: Beispiel für die Berechnung des Trennungsabstands für ein Hochhaus nach DIN EN , Anhang C, Bild C.2 ohne horizontale Ringleitung Bild 28: Beispiel für die Berechnung des Trennungsabstands für ein Hochhaus nach DIN EN , Anhang C, Bild C.3 mit horizontaler Ringleitung 6 Berechnung des Trennungsabstands für sehr große Gebäude nach DIN EN , Anhang E, Abschnitt Die in den Abschnitten 3, 4 und 5 angegebenen Berechnungsformeln gelten für den Eckeinschlag, den Dachkanteneinschlag und in der Regel auch für den Einschlag in die Dachmitte. Bei Gebäuden mit großen Abmessungen ergeben sich für einen Blitzeinschlag, der in der Dachmitte erfolgt, zu hohe Trennungsabstände. Für diesen Anwendungsfall werden in der DIN EN , Anhang E, Abschnitt E zusätzliche Angaben gemacht: Wenn über die gesamte Länge des Leiters l der gleiche Strom fließt, ist die Gleichung für den erforderlichen Trennungsabstand s in Luft: s = k i kc l Wenn aufgrund der Stromaufteilung entlang der Leiterlänge verschiedene Stromwerte fließen, müssen in der Gleichung die unterschiedlichen (verringerten) Ströme, die entlang jedes Leiterabschnittes fließen, berücksichtigt werden. In diesem Fall gilt: s = k k l + k l +... k l ) i ( c1 1 c2 2 cn n Für die Bestimmung der unterschiedlichen k c -Werte werden in der Norm keine Angaben gemacht. Gemäß einer Festlegung des K 251 der DKE können die k c -Werte wie folgt bestimmt werden, wenn das Fangeinrichtungssystem eine weitestgehend symmetrische Vermaschung (z.b. Maschenweite 15 x 15 m bei Schutzklasse III) aufweist (Bild 29 und Bild 30): 1. Zuerst wird der kürzeste Pfad für den Blitzstrom zur Erdungsanlage festgelegt 2. Erfolgt der Blitzeinschlag in einen Knoten mit 4 Fortleitungen, dann gilt für den ersten Abschnitt k c1 = 0,25 3. Erfolgt der Blitzeinschlag in einen Knoten mit 2 Fortleitungen, dann gilt für den ersten Abschnitt k c1 = 0,5 4. Für alle weiteren Knoten gilt, Reduzierung der Stromaufteilung k c2 k cn um den Faktor 0,5 5. Das beschriebene Verfahren funktioniert nur solange, bis ein k c -Wert von 1/n erreicht wird. Danach erfolgt keine weitere Stromaufteilung mehr und es wird für die verbleibenden Leitungsabschnitte mit einem k cn = 1/ n gerechnet. Die beschriebene Vorgehensweise kann unter Beachtung der zuvor genannten Rahmenbedingungen auch angewendet werden, wenn der erforderliche Trennungsabstand von Dachaufbauten berechnet werden muss. Für die Praxis gilt: Der Blitzstrom sollte so früh wie möglich nach dem Einschlag in die Fangeinrichtung aufgeteilt werden. Fangstangen sollten nach Möglichkeit mit kurzen Längen an einen Fangleitungsknoten angeschlossen werden, oder den Blitzstrom wenigsten über zwei oder noch besser vier Leitungen in das Fangleitungssystem einleiten. Seite 17-20

18 Bild 29: Beispiel für die Bestimmung des Koeffizienten k c bei Gebäuden mit sehr großen Abmessungen Bild 30: Beispiel für die Berechnung des Trennungsabstandes s, Schutzklasse III Die Anwendung des beschriebenen Verfahrens wird an einem Beispiel in Bild 30 dargestellt. Ein Vergleich des berechneten Wertes mit Werten, die mit Hilfe eines speziellen Programms ermittelt wurden (Bild 31 - Bild 32), zeigt, dass das beschriebene Verfahren zu realistischen Ergebnissen führt. Bild 31: Berechnung des Trennungsabstandes s= 0,16 m (Luft), Schutzklasse III, Situation Eckeinschlag Bild 32: Berechnung des Trennungsabstandes s= 0,28 m (Luft), Schutzklasse III, Situation Dacheinschlag, mit Hilfe eines speziellen Programms Bild 33 zeigt als Vergleich die Berechnung nach DIN EN , Anhang C, Bild C.2. Aus den Ergebnissen ist ersichtlich, dass für Gebäude mit sehr großen Abmessungen die Anwendung dieser Formel nicht mehr zu realistischen Ergebnissen führt. Seite 18-20

19 Bild 33: Berechnung des Trennungsabstandes s= 0,11 m (Luft) Schutzklasse III, nach DIN EN , Anhang C, Bild C.2 Der in Bild 32 berechnete Trennungsabstand s = 0,28 m (Luft) zeigt, dass bei großen Dachflächen der Trennungsabstand zwischen Fangeinrichtung und Dach in der Praxis nicht eingehalten werden kann. Kommt es zu einem Funkenüberschlag, dann besteht zumindest die Gefahr, dass die Dacheindichtung beschädigt wird. Um dies zu vermeiden können folgende Maßnahmen angewendet werden: a. Möglichst frühe Aufteilung des Blitzstromes, durch eine geeignete Anordnung der Fangeinrichtungen (siehe Bild 34) b. Leitende Verbindungen zwischen Fangeinrichtungen und Dach, z.b. im Abstand der 2-fachen Maschenweite (siehe Bild 35) c. Verlegung der Fangleitungen auf Isolierstützern (siehe Bild 36) Bild 34: Reduzierung des Trennungsabstandes durch eine möglichst frühe Aufteilung des Blitzstromes Seite 19-20

20 Bild 35: Verbindungen zwischen Fangleitung und Dachtrapezblech sind erforderlich, wenn der Trennungsabstand nicht eingehalten werden kann Bild 36: Fangleitung auf Isolierstützern, wenn der Trennungsabstand zum Dach nicht eingehalten werden kann 7 Fazit: Mit den in der Norm DIN EN dargestellten Formeln ergeben sich viele Möglichkeiten den erforderlichen Trennungsabstand zu berechnen. In Zukunft wird man der frühzeitigen Aufteilung des Blitzstromes mehr Aufmerksamkeit widmen müssen (siehe Bild 34). Dies gilt insbesondere dann, wenn Dachaufbauten auf Dächern mit großen Abmessungen durch Fangstangen geschützt werden. Mit Hilfe der Blitzkugelmethode als bevorzugte Planungsmethode sollten Fangstangen in der Nähe von Knotenpunkten des Fangleitungssystems angeordnet werden. Im Zweifelsfall sollten höhere Fangstangen zur Anwendung kommen. Eine wesentliche Erleichterung stellt dabei die im Abschnitt 6 dargestellte Berechnungsmethode für Gebäude mit großen Abmessungen dar. Literatur: [01.] DIN EN (VDE ), Oktober 2006 [02.] Berechnung des Trennungsabstandes, Programm der Fa. Aixthor (Aachen), Februar 2007 [03.] VDB Montagehandbuch, Ausgabe 04/07, VDB Verband Deutscher Blitzschutzfirmen e.v., Köln, vdb.blitzschutz.com [04.] Anmerkungen zur Berechnung des Trennungsabstands nach DIN EN (VDE ): ; Verfasser Dr.-Ing. Wolfgang Zischank, Universität der Bundeswehr, München, Prof. Dr.- Ing. Ottmar Beierl, FH Nürnberg, Prof. Dr.-Ing. Alexander Kern, FH Aachen, Jülich, 7. VDE / ABB Blitzschutztagung Neu-Ulm, November 2007 [05.] Reduktion des Trennungsabstands durch Nutzung ausgedehnter Metallflächen als natürliche Bestandteile des Blitzschutzsystems, Verfasser: Dr.-Ing. Wolfgang Zischank, Universität der Bundeswehr München, Dr.-Ing. Fridolin Heidler, Universität der Bundeswehr München 7. VDE / ABB Blitzschutztagung Neu-Ulm, November 2007 Bildquellen: Titelbild, Fa. Dehn Neumarkt (Opf.) Alle anderen Bilder Fa. Wettingfeld Seite 20-20