Herstellerprüfung von Blitzschutzbauteilen

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1 Herstellerprüfung von Blitzschutzbauteilen Sonderdruck Nr. 74 aus de 20/2010

2 Elektroinstallation Komponenten des äußeren Blitzschutzes Herstellerprüfung von Blitzschutzbauteilen AUF EINEN BLICK Blitzschutzkomponenten, die zur Er - richtung des äußeren Blitzschutzsys - tems verwendet werden, müssen be - stimmten mechanischen und elektrischen Anforderungen genügen, die in der Normenreihe DIN EN x festgelegt sind. Über deren Prüfung seitens der Hersteller berichten wir in diesem Beitrag. Gemäß ihrer Funktion sind Blitzschutzbauteile in Gruppen eingeteilt, z.b. Verbindungsbauteile (Klemmen), Leitungen und Erder. Für diese Gruppen gibt es entsprechende Normenteile, nach denen die Bauteile geprüft werden müssen [1, 2]. Blitzschutzsysteme werden jedoch auch als getrennte, isolierte Systeme aufgebaut. So müssen z.b. auch Blitzschutzkomponenten aus GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff) vom Hersteller einer Prüfung unterzogen werden, für die es jedoch derzeit noch keine normativen Vorgaben gibt [3, 4, 5]. Metallene Blitzschutzbauteile also Klemmen, Leitungen, Fangstangen oder Erder die der freien Bewitterung ausgesetzt sind, müssen vor der Herstellerprüfung einer künstlichen Alterung bzw. Konditionierung unterzogen werden, um die tatsächliche Einsatzfähigkeit für diese Anwendungsfälle nachzuweisen. Natürliche Bewitterung und Korrosionsbeanspruchung Die künstliche Alterung und die Prüfung metallener Bauteile erfolgt entsprechend [6] und [7] in zwei Schritten. Schritt 1: Salznebelbehandlung Diese Prüfung ist zur Anwendung bei Bauteilen oder Geräten vorgesehen, die konstruiert wurden um Beanspruchungen in salzhaltiger Atmosphäre zu widerstehen. Die Prüfeinrichtung (Bild 1) besteht aus einer Feuchteprüfkammer, in welcher die Prüflinge über drei Tage dem Schärfegrad 2 ausgesetzt werden. Schärfegrad 2 besteht aus drei Sprühphasen von je 2h mit einer 5%igen Natriumchloridlösung (NaCl) bei einer Temperatur zwischen 15 C und 35 C, mit jeweils anschließender Feuchtelagerung zwischen 20h und 22h bei einer relativen Luftfeuchte von 93% sowie einer Temperatur von 40 C [6]. Schritt 2: Behandlung unter feuchter schwefeliger Atmosphäre Diese Prüfung ist ein Verfahren zur Beurteilung der Beständigkeit von Werkstoffen oder Gegenständen ge - genüber kondensierter, schwefeldioxidhaltiger Feuchtigkeit [7]. Die Prüfeinrichtung (Bild 2) besteht aus einer Prüfkammer, in welcher die Prüflinge in sieben Zyklen behandelt werden. Jeder Zyklus hat eine Dauer von 24 h. Er besteht aus einer Erwärmungszeit von 8 h bei einer Temperatur von 40 ± 3 C in feuchter gesättigter Atmo - sphäre und einer Ruhezeit von 16h. Danach wird die feuchte schwefeldioxidhaltige Atmosphäre ersetzt. Die Alterung/ Konditionierung gilt sowohl für Bauteile, die im Außenbereich eingesetzt werden als auch für Bauteile, die ins Erdreich eingebracht werden. Bei Bauteilen zur Anwendung im Erdreich sind jedoch noch zusätzliche Vorgaben und Maßnahmen zu berücksichtigen. Generell sollten keine Klemmen oder Leitungen aus Al im Erdreich verlegt werden. Kommt hier Edelstahl zum Einsatz, so muss dieser hochlegiert sein, z. B. Niro V4A. Die Edelstahlsorte Niro V2A ist nach DIN VDE 0151 [8] nicht zulässig. Für Bauteile, die nur für Innenraumanwendungen vorgesehen sind, ist Bild 1: Prüfungen mit einer Salzsprühtruhe oder Bild 2: einem Kesternichgerät 2

3 eine Alterung/ Konditionierung nicht gefordert z.b. für Potentialausgleichsschienen. Ebenso entfallen kann dies für Bauteile, die in den Beton eingebracht werden sie bestehen daher häufig aus unverzinktem (schwarzen) Stahl. Fangeinrichtungen und -stangen Als Fangeinrichtung setzt man überwiegend Fangstangen von 1m Länge (z. B. im Betonsockel für Flachdachbauten) bis hin zu 25m langen Ausführungen (z.b. bei Biogasanlagen). Die Norm DIN EN [2] legt die Mindestquerschnitte und die zulässigen Werkstoffe fest einschließlich ihrer elektrischen und mechanischen Eigenschaften. Bei Fangstangen für größere Höhen ist die Festigkeit der Fangstange gegen Einknicken und auch die Standfestigkeit kompletter Systeme (Fangstange im Dreibeinstativ) über eine statische Be rechnung nachzu weisen. Entsprechend dieser Berechnungen sind dann die notwendigen Querschnitte und Ma terialien auszuwählen. Als Berechnungsgrundlage dienen auch die Wind geschwin - dig keiten der jeweiligen Windlastzone. Prüfung der Verbindungsbauteile Verbindungsbauteile häufig einfach nur als Klemmen bezeichnet verwendet man im Blitzschutzbau, um Leiter (Ableitung, Fangleitung, Erdeinführung) untereinander zu verbinden oder an eine Installation anzuschließen. Je nach Klemmentyp und Klemmenwerkstoff sind dabei etliche Klemmkombinationen möglich. Entscheidend hierfür sind die Art der Leiterführung und die entsprechenden Materialkombinationen. Unter der Art der Leiterführung ist zu verstehen, ob die Klemme den oder die Leiter in einer Kreuzanordnung oder in einer Parallelanordnung verbindet. Bei einer Blitzstrombelastung entstehen elektrodynamische und thermische Kräfte, welche auf die Klemme wirken und von ihr aufgenommen werden müssen. Die resultierenden Kräfte hängen stark ab von der Art der Leiterführung und der Klemmverbindung. Die Tabelle auf S. 31 zeigt Materialien, die man kombinieren kann, ohne dass es zur Kontaktkorrosion kommt. Die Kombination verschiedener Werkstoffe untereinander sowie deren differierende mechanische VEREINBARE WERKSTOFFKOMBINATIONEN Stahl Aluminium Kupfer Niro Titan Zinn Stahl (StZn) ja ja nein ja ja ja Aluminium ja ja nein ja ja ja Kupfer nein nein ja ja nein ja Niro ja ja ja ja ja ja Titan ja ja nein ja ja ja Zinn ja ja ja ja ja ja Werkstoffkombinationen von Fangeinrichtungen und Ableitungen untereinander und mit Konstruktionsteilen Festigkeiten und thermische Eigenschaften wirken sich bei Blitzstrombelastung unterschiedlich auf die Verbindungsbauteile aus. Dies zeigt sich insbe sondere bei Verbindungsbauteilen aus Edelstahl (Niro), wo aufgrund der geringen spezifischen Leit fähigkeit hohe Temperaturen bei Blitzstromdurchgang entstehen. Deshalb müssen alle Klemmen einer Blitzstromprüfung im Labor gemäß [1] unterzogen werden. Der Ablauf der Prüfungen soll nachfolgend am Beispiel einer MV-Klemme gezeigt werden. Zunächst ist zu ermitteln, wie viele Prüfkombinationen durchzuführen sind. Die hier betrachtete MV-Klemme besteht aus Edelstahl (Niro) und kann mit Leitungen aus Stahl, Al, Niro und Kupfer kombiniert werden. Des Weiteren kann die Verbindung in Kreuz- und Parallelanordnung erfolgen, was ebenfalls zu prüfen ist. Damit ergeben sich für die betrachtete MV-Klemme acht mögliche Prüfkombinationen (Bilder 3 und 4). Nach [1] muss jede dieser Prüf - kombinationen mit drei entsprechenden Prüflingen/Prüfauf bauten ge prüft wer den. Somit müssen 24 Prüf linge dieser einen MV-Klemme getestet werden, um das ganze Spektrum abzudecken. Jeder einzelne Prüfling wird nach Normvorgaben mit dem entsprechenden Anzugsdrehmoment montiert und, wie bereits oben be - schrieben, mittels Salznebelbehandlung und feuchter schwefeliger Atmosphäre künstlich gealtert. Für die anschließende elektrische Prüfung kommen die Prüflinge auf eine Isolierplatte (Bild 5). Je drei Blitzstromimpulse der Wellenform 10/ 350µs mit 50kA (normale Belastung) und 100kA (hohe Belastung) werden auf jeden Prüfling aufgebracht. Nach der Blitzstrombelas - tung dürfen die Prüflinge keine erkennbaren Schäden aufweisen. Der Übergangswiderstand gemessen über der Klemme darf bei Klemmen aus Aluminium, Kupfer oder Stahl nicht mehr als 1mΩ und bei Klemmen aus Edelstahl nicht mehr als 2,5mΩ betragen. Ebenso muss das geforderte Lösedrehmoment noch gegeben sein. Für jede Prüfkombination wird ein Herstellerprüfbericht erstellt, der Kunden in Bild 3: Bauteile im Neuzustand und nach der künstlichen Alterung 3

4 Elektroinstallation Bild 4: Prüfkombinationen für MV-Klemme (Parallel- und Kreuzanordnung) ausführlicher Form von den Herstellern auf Anfrage zur Verfügung gestellt wird oder in vereinfachter Ausführung über das Internet heruntergeladen werden kann (z.b. unter -> Produktdaten). Als Konsequenz für den Errichter von Blitzschutzanlagen bedeutet dies, dass die Verbindungsbauteile für die zu erwartende Belastung (H oder N) am Installationsort ausgewählt werden müssen. So ist z.b. bei einer Fangstange (voller Blitzstrom) eine Klemme für die Be lastung H (100kA) und z.b. in einer Masche oder an einer Erdeinführung (Blitzstrom bereits aufgeteilt) eine Klemme mit der Belastung N (50kA) einzusetzen. Anforderungen an Leitungen Bild 5: Auf Isolierplatte befes - tigter Prüfling (MV-Klemme) für Test im Stoßstromlabor Auch an Leitungen (Fang- und Ableitungen oder z. B. Ringerder) stellt [2] konkrete Anforderungen, z. B.: mechanische Eigenschaften (Mindestzugfestigkeit und -bruchdehnung), elektrische Eigenschaften (max. spezifischer Widerstand) und korrosionsschützende Eigenschaften (künstliche Alterung wie bereits beschrieben). Das Bild 6 zeigt den Aufbau für die Prüfung der Zugfestigkeit von Rundleitern (z. B. Al). Speziell bei beschichteten Werkstoffen wie verzinktem Stahl (St/ tzn), sind die Güte der Beschichtung sowie die Mindestdicke und die Haftung auf dem Grundwerkstoff wichtig und zu prüfen. Weiterhin wird an die Leitungsmaterialien die Anforderung nach leichter und einfacher Verarbeitung beim Er - rich ten von Blitzschutzsys temen ge - stellt. So sollen z. B. Drähte oder Bänder leicht mittels Drahtrichtgerät (Richtrollen) oder durch Tordieren (in sich drehen) gerade zu richten sein. Diese Anforderungen aus der Norm sind re - levante Produktmerkmale, die in den Unterlagen dokumentiert werden müssen. Aus den Produktdatenblättern der Hersteller können diese Informationen entnommen werden. Erder und Tiefenerder Die Norm DIN EN [2] legt Anforderungen an Erder fest, d. h. an den Werkstoff, die Geometrie, die Mindestmaße sowie die mechanischen und elektrischen Eigenschaften. Als Schwachstellen bei den Tie fen erdern gelten die Kupplungsstellen, über die die einzelnen Erderstäbe verbunden werden. Aus diesem Grund schreibt [2] vor, die Qualität dieser Kupplungen noch zusätzlich durch mechanische und elektrische Prüfungen zu testen. Die Prüfung erfolgt in einer Stabführung mit einer Stahlplatte als Aufschlagfläche. In diese Prüfvorrichtung wird der Prüfling, bestehend aus zwei zusam mengesetzten Stabteilen von jeweils 500mm Länge, aufgenommen. Für jeden Erdertyp sind drei die ser Bild 6: Zugversuch von Leitern Prüflinge notwendig. Am oberen Ende des Prüflings wird über einen Vibrationshammer eine Schlagbeanspruchung über die Dauer von 2min auf den Prüfling aufgebracht. Die Schlagzahl des Hammers muss dabei 2000 ±1000min -1 und die Schlagenergie des Einzelschlages 50 ± 10 [Nm] betragen. Haben die Kupplungen die Schlagprüfung ohne erkennbare Mängel bestanden, so folgt auch hier die künstliche Alterung durch Salznebelbehandlung und feuchter schwefeliger At - mosphäre. Anschließend werden die Kupplungen mit je drei Blitzstromimpulsen der Wellenform 10/ 350ms mit 50kA und 100kA belastet. Der Übergangswiderstand (gemessen über der Kupplung) darf bei Tiefenerdern aus Edelstahl nicht mehr als 2,5mΩ betragen. Um zu prüfen, ob die Verbindung auch nach der Blitzstrombelastung noch ausreichend fest ist, wird die Kuppelkraft mit einer Zugprüfmaschine getestet. Blitzschutz bauteile aus GFK Dachaufbauten, wie Lichtkuppeln, An - tennen, Klimaanlagen, Werbeschilder, Sirenen usw., befinden sich heute meis - tens auf den Dächern großer Büro- und Industriebauten. Diese Dachaufbauten werden in der Regel elektrisch betrieben oder weisen eine leitfähige Verbindung in das Innere des Gebäudes auf. Nach dem aktuellen Stand der Blitz - schutz technik schützt man diese Dachaufbauten mit getrennten Fangeinrichtungen gegen direkte Blitzeinschläge. Dadurch wird vermieden, dass Blitzteilströme in das Gebäudeinnere gelangen können. Getrennte Fangeinrichtungen Fangeinrichtungen können freistehend im Betonsockel oder Dreibeinstativ (ohne zusätzliche mechanische Befestigung) errichtet werden. Ab einer Fangstangenhöhe von 2,5m bis 3,0m müssen die Fangstangen im Beton - sockel errichtet und bedingt durch die Windlast mechanisch mit Distanz - haltern aus elektrisch isolierendem Material (Isolierstrecke aus GFK glasfaserverstärkter Kunststoff) an dem zu schützenden Objekt befestigt werden. Hohe Impulsspannungen verursachen ohne zusätzliche Maßnahmen Überschläge an Isolierstoffoberflächen. Dieser Effekt ist als Gleitüberschlag bekannt. Ist die sogenannte Gleitentla- 4

5 Elektroinstallation Bild 7: Überschlag entlang des GFK-Distanzhalters»Dehniso«dungs-Einsetzspannung überschritten, wird eine Oberflächenentladung initiiert, die problemlos eine Strecke von einigen Metern zu geerdeten Teilen überschlagen kann. Mit Einhaltung des errechneten notwendigen Trennungsabstands nach DIN EN [10] kann der ungewollte Überschlag zu metallenen Installationen am oder innerhalb des zu schützenden Objektes vermieden werden. Der Trennungsabstand s wird allgemein wie folgt berechnet: ki kc s = l k m mit: s Trennungsabstand k i Faktor in Abhängigkeit von dem gewählten Gefährdungspegel des Blitzschutzsystems k c Faktor in Abhängigkeit von der Blitzstromaufteilung k m Faktor in Abhängigkeit vom Werkstoff der elektrischen Isolation l Länge entlang der Fangleitung oder Ableitung vom Punkt, an dem der Trennungsabstand s er mittelt werden soll, bis zum nächstliegenden Punkt des Potentialausgleichs. Es ist ersichtlich, dass die Größe des Trennungsabstands durch die Länge der Ableitung, den gewählten Gefährdungspegel, die Aufteilung des Blitzstromes auf verschiedene Ableitungen und das Isolationsmaterial in der Trennstrecke bestimmt wird. So ist neben den Faktoren k i, k c und der Länge l auch der Faktor k m zu betrachten. Für feste Baustoffe sowie für den Isolator Luft sind die k m -Werte bereits ausreichend bestimmt und nachgewiesen worden. Die Dehniso-Distanzhalter und Dehniso-Combi-Stützrohre der Fa. Dehn wurden, wie in [3], [4] und [5] beschrieben, experimentell mit Impulsstoßspannung ausreichend untersucht und mit einem k m -Faktor von 0,7 spezifiziert. Dieser wird nun zur Berechnung des Trennungsabstandes s herangezogen. Somit kann bei der Berechnung des notwendigen Trennungsabstands für das jeweilige Objekt (nach Norm Luft oder fester Baustoff), auch der k m -Faktor von 0,7 berücksichtigt werden. Der errechnete Trennungsabstand muss der Isolierstrecke des eingesetzten Produkts sein, um den im Bild 7 dargestellten Überschlag zu vermeiden welcher die Funktion der gesamten getrennten Fangeinrichtung außer Kraft setzen würde. Wird der Trennungsabstand jedoch korrekt berechnet [11] und die dafür notwendigen Bauteile richtig ausgewählt und vor Ort korrekt montiert, kann ein wirksames und effektives getrenntes Blitzschutzsystem für die bauliche Anlage realisiert werden. Fazit Um ein funktionales Blitzschutzsystem errichten zu können, ist es notwendig, normenkonform geprüfte Komponenten und Bauteile zu verwenden. Der Errichter von Blitzschutzanlagen muss die Bauteile entsprechend den Anforderungen am Installationsort auswählen und korrekt einsetzen. Neben den mechanischen Anforderungen sind die MEHR INFOS Fachbeiträge zum Thema Kopecky, V.: Näherungen bei PV- Anlagen,»de«7/2008, S. 54 ff. Links zum Thema elektrischen Kriterien in der derzeitigen Blitzschutztechnik zu beachten und einzuhalten. Dies ist, wie im Beitrag gezeigt, ebenso notwendig für die im Blitzschutz eingesetzten Bauteile aus GFK. Weiterführend zu den beschriebenen Normen sind auf internationaler Ebene Bauteilenormen z. B. für Trennstellen oder Leitungshalter in Erstellung oder bereits in Umsetzung. Literatur [1] DIN EN (VDE ): : Blitzschutzbauteile Teil 1: Anforderungen für Verbindungsbauteile [2] DIN EN (VDE ): : Blitzschutzbauteile Teil 2: Anforderungen an Leitungen und Erder [3] Beierl, O.; Brocke, R.; Wechsler, A.:»Keine Chance dem Gleitüberschlag (1)«; de 7/2008, S [4] Beierl, O.; Brocke, R.; Wechsler, A.:»Keine Chance dem Gleitüberschlag (2)«; de 8/2008, S [5] Beierl, O.; Brocke, R., Rother, C.;»Stoßkenn - linien und Flächen-Zeit-Gesetz Grundlage heutiger und zukünftiger normgerechter Bestimmung des Trennungsabstandes?«; 8. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu-Ulm, Okt. 2009, S [6] DIN EN :1996: Umweltprüfung Teil 2 Prüfverfahren, Prüfung Kb: Salznebel zyklisch (Natriumchloridlösung) [7] EN ISO 6988:1994: Metallische und andere organische Überzüge Prüfung mit Schwefeldioxid unter allgemeiner Feuchtigkeitskondensation [8] DIN VDE 0151: : Werkstoffe und Mindestmaße von Erdern bezüglich der Korrosion [9] Blitzplaner, 2. aktualisierte Auflage ISBN , Dehn + Söhne, Neumarkt [10] DIN EN (VDE ): : Blitzschutz. Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen. [11] DS 709/01.10 Dehnsupport Toolbox, Dehn + Söhne, Neumarkt. Norbert Pfister, Dipl.-Ing. (FH) Claudia Rother, Dipl.-Ing. (FH) Siegfried Seger, Dehn + Söhne GmbH + Co.KG., Neumarkt 5

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