1 Fragen zu Blitzschutz

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1 1 Fragen zu Blitzschutz Entstehnung von Gewittern Ladungstrennung Was geht von der Unterseite der Gewitterwolke aus?leitblitz von der Erde Fangentladung Blitztypen Temp. Blitzkanal, wie wird sie festgestellt Veränderung der Atmosphäre durch Blitze? Stromverlauf von zündenden und kalten blitzen Interessante Werte für die Blitzforschung Kapitel ein bisschen überlegen was man sagen kann Blitzschutzparameter und deren Anwendung Probleme bei Messung des Spannungsabfalls an Messwiderstand (Schmilzt der Shunt = Stromfluss über Messeinrichtung) Skizzieren eines Messwiderstandes (bifilareroder koaxialer Aufbau) Methoden zur Bestimmung des Blitzstromes aus einem Magnetfeld (Halleffekt, Magnetsierung von Stahlstäbchen usw.) Messung der elektr. Gleichfeldstärke (Feldmühle) Skizze der technischen Ausrüstung der Blitzmessstation in Sbg,Gaisberg (ALDIS) Welche Methoden verwendet ALDIS zur Ortung einer Blitzentladung. Magnetisches Feld Einfallswinkel Direction Finder) (Elektrisches Feld Time of Arrivial Laufzeit) 4 Blitzparameter und deren Bedeutung für Blitzschutz, Auswirkungen? (Scheitelwert, Steilheit di dt, Transp. Ladung, spez. Energie) Welche Auswirkungen hat der Scheitelwert des Blitzstromes (Spannungserhöhung am Erdwiderstand Funkenbildung) Welche Auswirkungen hat die mittlere Steilheit des Blitzstromes induzierte Spannung: u = M di dt Relevante Größe für Punktuelle Erwärmung an Blitzeinschlagstelle? Ladung Was besagt: i 2 dt Spezifische Energie Wärme Kraftwirkung zw. stromdurchfl. Leitern mecht. Belastung I

2 Medianwert?,welche statistische Verteilung für die Blitzparameter? Logarithmische Normalverteilung Was versteht man unter einer Schutzklasse? Was ist äußerer Blitzschutz Fangeinrichtung, Ableiter, Erdung Was ist innerer Blitzschutz Blitzschutz,Potentialtrennung, Überspannungsableiter Blitzkugelverfahren Wie hängt der Blitzkugelradius mit dem Blitzstrom zusammen? Was versteht man unter dem Schutzzonenprinzip? Begriff der Näherung(Fremdnäherung,Eigennähreung) Erder bei historischen Gebäuden? Tiefenerder Nennen und beschreiben Sie zwei Blitzkanalmodelle II

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8 Entstehung von Gewittern 2 Voraussetzungen: warme Luftmassen mit ausreichender Feuchtigkeit Aufwinde für den Transport der Luftmassen in große Höhen Entstehung von Aufwinden: 1. Intensiver Sonnenschein erhitzt die bodennahen Luftschichten die warme Luft ist leichter und steigt nach oben Wärmegewitter 2. eine Kaltfront schiebt sich unter die warme Luft und drückt diese nach oben Kaltfrontgewitter es kann sich auch eine Warmfront über ein Kältegebiet schieben (selten Wärmefrontgewitter) 3. orthographische Gewitter - warme bodennahe Luftmassen werden beim Überströmen von Gebirgen angehoben Ladungstrennung Feuchte Luft wird durch sogenannte Aufwindschläuche ( ca. 100km/h ) nach oben befördert und kühlt ab erreicht ab einer gewissen Höhe eine Temperatur, bei der sie mit Wasserdampf gesättigt ist (Kondensationsniveau der feuchten Luft ) das Überschreiten dieser Temperatur bewirkt Kondensation ( Wolkenbildung ) die dabei entstandene Kondensationswärme führt zu weiterem Auftrieb (feucht labiler Zustand ) mit abnehmender Wasserdampfkonzentration nimmt dieser Vorgang mit zunehmender Höhe ab wird beim feucht labilen Ansteigen der Luft die 0 C- Grenze erreicht, gefrieren die Wasserteilchen dieser Vorgang ist für die Ladungstrennung und die Bildung des Niederschlages ( flüssig und fest ) verantwortlich. Der oberer Bereich eines Gewitters ist ( zumeist ) positiv geladen, und der untere negativ. Was geht von der Unterseite der Gewitterwolke aus? der Leitblitz negative Ladung Was geht von der Erde aus? Fangentladung ( m ) positive Ladung Blitztypen es gibt prinzipiell: Wolke Erde Blitze & Wolke Wolke Blitze Wolke-Wolke - Blitze:Entladung zwischen positiven und negativen Wolkenzentren Wolke-Erde - Blitze: Ladungsausgleich 1 Aufwärtsblitz - positiv 3 Aufwärtsblitz - negativ 2 Abwärtsblitz - positiv 4 Abwärtsblitz - negativ 4 Typen mit den Einteilungskriterien: Vorzugsrichtung ( W E, E W ) & Polarität 1 / 11

9 Temperaturen im Blitzkanal und wie werden sie bestimmt? Der Maximalwert der Temperatur im Blitzkanal liegt in der Größenordnung von etwa K. Die Temperatur wird durch die Zerlegung des vom Blitzkanal emittierten Lichts ( Spektografie ) bestimmt. Die Zerlegung des Lichtes kann technisch auf mehrere Arten erfolgen, z.b.: Prismen Beugungsgitter Messprinzip: Die Luft besteht bei Zimmertemperatur aus Sauerstoff und Stickstoff: O2 und N2 T > C Moleküle zerbrechen in Atome ( O2 > O + O ) T > C die Atome werden ionisiert > ein e - wird frei > es entstehen Ionen: O + T > C es werden weitere e - freigesetzt, die Atome sind mehrfach ionisiert: O ++ > somit besteht der Blitzkanal aus: Sauerstoff- und Stockstoff -Atomen Sauerstoff- und Stockstoff -Ionen frei beweglichen Elektronen e - Jedes Molekül, Atom und Ion sendet bei höheren Temperaturen eine charakteristische Wellenlänge aus ( Spektralfarbe ). N rote Spektrallinie N + mehrere Linien im blauen Bereich Bestimmung des Durchmessers eines Blitzkanals aus Blitzfotografien > die meisten Bilder sind überbelichtet, und zeigen daher einen größeren Durchmessen ( 5cm bis 18cm ) Rindenschäden an Bäumen > oft spiralförmig um den Stamm ( 1,5cm bis 13cm ) Schmelzungen in Quarzsand > Fulgurite = Röhrchen aus geschmolzenem Sand ( 0,5 cm bis 5cm) Ausschmelzungen aus Metallen am Fußpunkt einer Blitzentladung ( ca. 0,5cm ) Ausschmelzungen bei Fiberglasgittern ( < 2,5cm ) Probleme bei der Bestimmung: es gibt kaum klare Grenzen zwischen dem Blitzkanal und der direkt umgebenden Luft im Mittel: 2-3 cm der Durchmesser ist sehr stark von der Blitzstromstärke abhängig Veränderungen der Atmosphäre durch Blitze Der Einfluss von Blitzentladungen auf die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre ist vernachlässigbar. Im Moment des Blitzeinschlags, werden aufgrund der großen Wärmeentwicklung, chemische Bindungen aufgerissen, diese fallen aber sehr schnell wieder in ihren Ausgangszustand zurück. Ausnahme: Es entsteht Stickoxyd: NO ( sehr gering ) bildet sich nicht mehr zurück 2 / 11

10 Stromverlauf von zündenden und kalten Blitzen Blitze, bei denen ein Stromanteil über vergleichsweise lange Zeit konstant bleibt, werden zündende Blitze genannt. Die Stromstärke ist im Bereich einiger 100A, und daher viel niedriger aus der Scheitelwert. Blitzstrom-Verlauf eines zündenden Blitzes Blitze ohne konstanten Stromanteil werden kalte Blitze genannt. Dabei ist in gewissen Zeitabschnitten kein Stromfluss im Blitzkanal vorhanden. Blitzstrom-Verlauf eines kalten Blitzes Interessante Werte für die Blitzforschung, Bedeutung & Auswirkungen Scheitelwert des Stromes I in ka Stromänderungsgeschwindigkeit ( Steilheit di /dt ) transportierte Ladung ( Q in As ) spezifische Energie ( SE in kj /Ω ) Blitzdichte > Anzahl der Blitzentladungen pro km 2 und Jahr Beeinflussen die Auslegung von Blitzschutzanlagen wesentlich. Probleme bei der Messung des Spannungsabfalls mittels Messwiderstand Der stromdurchflossene Messwiderstand erzeugt in seiner direkten Umgebung ein elektromagnetisches Feld. Dieser Effekt / Wirkung der beiden Felder kann im Ersatzschaltbild (ESB) durch einen Kondensator parallel und einer Induktivität in Serie geschalten, dargestellt werden. Die Kapazität kann für sehr kleine Widerstände ( üblich in der Blitzforschung - ca. 100mΩ ) bei Frequenzen unter 100MHz vernachlässigt werden. Somit setzt sich der Spannungsabfall aus der Ω-schen und der induktiven Teilspannung zusammen: u = i r + L di/dt Um einen möglichst, zur Stromstärke proportionalen, Spannungsabfall zu generieren, muss die Induktivität klein gehalten werden. Dies geschieht durch die Konstruktion, und die baulichen Abmessungen der Shunts > bifilarer Aufbau & koaxialer Aufbau 3 / 11

11 Skizze: Messwiderstand ( bifilarer / koaxialer Aufbau ) Bei der bifilaren Konstruktion besteht der Messwiderstand aus einem gefaltetem Widerstandsmaterial. Der Fluss zwischen den gefalteten Bandleitern verursacht einen Fehler, der mittels der koaxialen Bauweiße vermieden werden kann. Konstruktion eines bifilaren Messwiderstands Koaxialer Aufbau: Der Blitzstrom fließt über eine Anschlussbuchse durch einen inneren Zylinder, und über einen Außenzylinder wieder zurück. Die Messgröße wird über einen Draht im Inneren (Achse) abgegriffen. Konstruktion eines koaxialen Messwiderstands Der Raum zwischen dem Draht (4) und den hinleitenden Innenzylinder ist feldfrei, und verursacht somit keinen Messfehler. Methoden zur Bestimmung des Blitzstroms aus einem Magnetfeld Der zeitliche Verlauf- bzw. der Maximalwert des Blitzstromes kann durch Messung des entstehenden Magnetfeldes gemessen werden. Dazu ist die Kenntnis über die Entfernung von Messstation und Blitzeinschlag notwendig. 3 Methoden zur Messung des Magnetfeldes: Hall-Effekt Faraday-Effekt Magnetisierung von Stahlstäbchen Die remanente Magnetisierung von Metallstäbchen gibt Aufschluss über den Maximalwert des Magnetfeldes. Zur Erfassung des transienten Magnetfeldes ( zeitlicher Verlauf ) werden Induktionsspulen oder Rogowski-Spulen eingesetzt. Die Ausgangssignale entsprechen der ersten zeitlichen Ableitung des Blitzstromverlaufes. Rogowski-Spule: eine Art Lufttransformator primäre Seite: ein oder mehrere blitzstromdurchflossene Leiter sekundäre Seite: gewickelte Spule die die Leiter umschließt. Vorteil: Erfassung von mehreren Leitern möglich 4 / 11

12 Faraday Effekt: beschreibt die Drehung der Polarisationsebene einer polarisierten elektromagnetischen Welle bei dem Durchgang von Licht durch ein transparentes Medium dabei ist ein zeitlich konstanter Fluss parallel zur Ausbreitungsrichtung der Lichtwelle angelegt. Am häufigsten verwendete Methoden zur Bestimmung des zeitlichen Blitzstromverlaufes: Messwiderstand Induktionsschliefen Messung der elektrischen Gleichfeldstärke ( Feldmühle ) Treffen elektrische Kraftlinien auf einem elektrischen Leiter, so entsteht eine Oberflächenladung. Wird die Ladungsverteilung verändert, so entsteht ein Ausgleichsstrom innerhalb des Leiters. Die Aufgabe der rotierenden Sektorscheibe S0 ist die periodische Freigabe und Abdeckung der feststehenden Elektroden S1 und S2. Die rotierenden Flügel von S0 in Kombination mit der Sektorblende S1 bewirken, dass eine Oberflächenladung auf der Elektrode S2 periodisch aufgebaut und nach Abdeckung durch den rotierenden Teil, wieder abgebaut wird. Der Ausgleichsstrom der zur Abfuhr der Oberflächenladung notwendig ist, fließt über den Widerstand R, wird verstärkt und angezeigt. Aufgrund der rotierenden Sektoren, wird diese Apparatur auch Windmühle genannt. 5 / 11

13 Skizze: tech. Ausrüstung der Blitzmessstation in SBG, Gaisberg ( ALDIS ) Die Anlage ALDIS ( Austrian Lightning Detection & Information System ) dient zur Ermittlung von Orten erhöhter Blitzdichte. Der Blitzstrom wird über einen Shunt ( R = 0.25mΩ ) geleitet, der Spannungsabfall digitalisiert und gespeichert. Die Übertragung des Messsignals von der Mastspitze zum Mastfuß erfolgt über eine Lichtwellenleiterübertragungsstrecke. Das transiente E-Feld wird mit Hilfe einer sogenannten Flat-Plate Antenne mit nachgeschaltetem Integrator gemessen. Welche Methode verwendet ALDIS zur Ortung einer Blitzentladung? Einerseits wird die elektrische Feldstärke von Blitzentladungen im Nahbereich ( ca. 10m ) zur Bestimmung des zeitlichen Verlaufes, sowie des Scheitelwertes vorgenommen. Andererseits wird das E-Feld im Fernbereich bemessen ( einige 100m bis einige km ). Für die Blitzortung werden viele dieser Messsonden verwendet, bzw. benötigt ( in Österreich: 8 ). Jede dieser Stationen misst das E-Feld, ausgehend von einer Blitzentladung. Durch geschickte Triangulation, wird somit, über die Stärke / Schwäche der Messwerte, und der Time of Arrival ( Ankunftszeit der elektrischen Welle ) die Position der Blitzentladung bestimmt. Es wird das elektrische Feld ( E-Feld ), sowie das magnetische Feld ( B-Feld ) verwendet: magnetische Feld:Einfallswinkel, DF Direction Finder > aus welcher Richtung trifft die magnetische Komponente ein elektrisches Feld: Zeitdifferenz zwischen ankommenden Signalen, TOA Time of Arrival > wann gelangt die elektrische Komponente ein Welche Auswirkung hat der Scheitelwert des Blitzstroms? Die Stromstärke erzeugt am Erdwiderstand ( Erdausbreitungswiderstand RE ) einen Spannungsabfall u = I RE. Dadurch wird das vom Blitz getroffene Objekt gegenüber der weit entfernten Erde um die Spannung u angehoben. Daher kann es zu gefährlichen, unkontrollierten Funkenbildung und Überschlägen kommen. Vermeidung: kleinerer Erdungswiderstand RE Potentialausgleich Überspannungsableiter 6 / 11

14 Welche Auswirkung hat die mittlere Steilheit des Blitzstroms? Der Mittelwert der Anstiegssteilheit des Stromes wird von 30% bis 90% des Scheitelwertes, in der Stirn des Blitzes gemessen ( Einheit: ka /μs ). Die Änderung des Stromes ( di /dt ) hängt direkt mit der Änderung des Magnetfeldes ( dφ /dt ) zusammen. Diese wiederum ist der induzierten Spannung in einer Leiterschleife gleich. ==> je größer die Stromsteilheit ( -änderung ), desto höher die induzierte Spannung Diese Spannung kann Werte von einigen kv annehmen, wodurch elektrische Geräte gefährdet sind. u = M di/dt Relevante Größe für punktuelle Erwärmung an Blitzeinschlagstellen. Die relevante Größe für die punktuelle Erwärmung am Einschlagsort, ist die Ladung. Das Integral über i 2 nach der Zeit entspricht der spezifischen Energie, und führt zur Erwärmung. Was besagt das Integral von i 2 nach dt? Die spezifische Energie: W /R = i 2 dt ( [W/R] = J/Ω, A 2 s ) Die umgesetzte Energie W ( durch einen Ω-schen Widerstand ) bewirkt eine Leitererwärmung, und kann bis zur Schmelzung des Leiter führen. Führen zwei parallele Leiter Strom, kommt es zu einer mechanischen Belastung. Median-Wert? Welche statistische Verteilung für die Blitzparameter? Für die Blitzparameter wird meist die logarithmische Normalverteilung verwendet. Dabei ist der Logarithmus des Blitzparameters normalverteilt. Der Median ist jener Wert ( x-achse z.b.: Stromstärke ), der die Verteilung in zwei gleiche Abschnitte teilt. Zum Beispiel: Dabei sind bei 50% aller Blitzeinschläge, die Stromstärke keiner des Median-Wertes ( eine bestimmte Stromstärke ), und bei 50% der Einschläge liegt sie darüber. Weiterführend gibt es Quantile: x95% 5% aller Einschläge haben eine größere Stromstärke als der Wert für x95%, und bei 95% der Einschläge liegt sie unterhalb dieser Schranke. Was versteht man unter einer Schutzklasse? Eine Schutzklasse gibt an, wie kritisch, wie genau, wie gut die Auslegung einer Blitzschutzanlage sein muss. Die Auslegungen der Schutzklasse I bieten besseren Schutz, als jene der Klasse II. Es gibt 4 Schutzklasse: Klasse I bis IV. Was ist der äußere Blitzschutz? Der äußere Blitzschutz ist Teil des Blitzschutzsystems, bestehend aus einer Fangeinrichtung, einer Ableitungseinrichtung und einer Erdungsanlage. 7 / 11

15 Was ist der innere Blitzschutz? Der innere Blitzschutz ist Teil des Blitzschutzsystems, bestehend aus einem Blitzschutz- Potentialausgleich und / oder der Isolation gegenüber dem äußeren Blitzschutz. Blitzkugelverfahren Grundlage: Gesetz der kürzesten Schlagweite - besagt, dass der Blitzkopf den kürzest, möglichen Abstand zu einem Objekt ( hoher Turm, Baum, Erde ) wählt, und dort einschlägt ==> Blitzableiter = gezieltes Fangen von Blitzen. Wenn sich Wolke-Erde-Blitze der Erde annähern, erreichen sie irgendwann einen Punkt, von dem sie den Rest in einem Schritt überbrücken / erreichen können. Dieser Punkt ist von der Stromstärke abhängig ==> r = f( imax ). Der Leitblitz nähert sich willkürlich und unbeeinflusst bis auf die Enddurchschlagsstrecke r einem Objekt an. Die Fangentladung mit der kürzesten Entfernung zum Leitblitzkopf setzt sich durch. Stromschwache Blitze nähern sich auf kürzere Distanzen an, als Stromstarke ( r prop. zu imax ). Der geometrische Ort aller Punkte mit diesem Abstand r ist die Oberfläche einer Kugel. Das Blitzkugelverfahren ist die Anwendung dieses geometrisch-elektrischen Modells ( kurz GEM ). Rollt man nun eine Kugel mit dem Radius r über ein Gebäude, so tritt nur ein Einschlag auf, an Orten die von der Kugel berührt werden. Der Enddurchschlagsabstand r ist abhängig von der Stromstärke. Für stromschwache Blitze nähert sich der Blitzkopf näher an der Kugelradius ist kleiner. Somit ist ein Gebäude der Schutzklasse I bereits vor direkten Blitzeinschlägen, mit Stromstärken ab ca. 4kA gesichert. Gebäude der Schutzklasse II sind erst ab höheren Stromstärken geschützt ( ca. 10 ka ). Wie hängt der Blitzkugelradius mit dem Blitzstrom zusammen? Die Länge des Enddurchschlagsabstandes hängt vom Scheitelwert der Blitzstromstärke ab. Stromstarke Blitze nähern sich somit nicht so weit an Gebäude, etc. an ( r ist groß ), als stromschwache ( r ist klein ) r = f ( Imax ) = 2 imax + 30 ( 1 - e imax/6.8 ) 8 / 11

16 Was versteht man unter dem Schutz-Zonen-Prinzip? Für ausgedehnte Anlagen und Bauwerke ist die Trennung in den äußeren und inneren Blitzschutz nicht mehr ausreichend der Blitzschutz muss in die allgemeinen EMV-Maßnahmen eingebunden werden z.b.: bewährte Schutzkonzept gegen einen nuklearen EM-Puls Das zu schützende Gebäude wird in EMV-Zonen ( räumlicher Bereich elektromagnetischer Störkategorie ). Die Zonengrenzen heißen Schnittstellen. Energie- und Informationstechnische Leitungen müssen eindeutige Beschaltungsanforderungen unterliegen. Beispiel: das Gebäude wird in 2 Zonen aufgeteilt: BSZ 1 und BSZ 0 Die BSZ 0 ist außerhalb, und ist vor direktem Blitzschlag nicht geschützt. Die EM-Felder wirken ungeschwächt. Die BSZ 1 ist innerhalb und wird durch Fangeinrichtungen vor direktem Blitzschlag gesichert. Durch Stahlarmierung, Blechverkleidungen usw. wird das EM-Feld sehr geschwächt. Der EM-Schirm von BSZ 1 ist an der erdseitigen Peripherie mit einem Ringerder abgeschlossen. Die Blitzschutz- Potentialausgleichsleitung muss vielfach mit dem Ringerder verbunden werden. Metallische Installationen ( Antennen, Außenleuchten, ) werden an die örtliche Potentialausgleichsschiene angehängt. An der Grenzschicht zwischen BSZ 1 und BSZ 0 ist der äußere Blitzschutz anzubringen. Der Bereich BSZ 0/E ist außerhalb von BSZ 1, kann aber mit dem Blitzkugelverfahren abgegrenzt, und vor direktem Blitzschutz geschützt werden. Begriff der Näherung ( Fremdnäherung, Eigennäherung ). Von Eigennäherung sprich man, wenn Ableiter bei der Führung an Gebäuden Schleifen bilden. An diesen Schleifen werden Spannungen induziert, was zu Überschlägen führen kann. Fremdnäherung: in diesem Zusammenhang beschreibt die Näherung einen zu geringen Abstand zwischen dem leitenden Blitzschutz und metallischer Installation und / oder elektrischen Anlagen. Der zu geringe Abstand würde zu einem Überschlag führen, daher muss die Distanz größer als der Sicherheitsabstand sein. Erder bei historischen Gebäuden? Tiefenerder 9 / 11

17 Nenne und beschreiben Sie zwei Blitzkanalmodelle. Für die Berechnung des elektromagnetischen Feldes einer Blitzentladung benötigt man Kenntnis über den zeitliche Verlauf des Blitzstromes über den gesamten Blitzkanal. Parktisch ist die Messung nur am Einschlagspunkt möglich. Daher müssen sogenannte Blitzmodelle / Blitzkanalmodelle herangezogen werden. SCHONLAND ging von der Vorstellung aus, dass vor dem Einsetzen der Hauptentladung ein Blitzkanal mit gleichförmig verteilter Ladung vorliegt, der durch eine rechteckförmige Stromwelle mit konstanter Geschwindigkeit neutralisiert wird. Blitzmodell nach SCHONLAND Vor der Wellenfront ist der Strom i = 0, hinter der Wellenfront ist der Strom unabhängig von der Höhe z, konstant und gleich jenem Strom, der im Einschlagspunkt zu diesem Zeitpunkt beobachtet wird. ( physikalische nicht konsistent: Ausgleichsvorgänge können max. mit c0 stattfinden ). Blitzmodell nach BRUCE und GOLDE 10 / 11

18 Das Transmission Line Modell geht davon aus, dass eine Stromwelle mit dem am Einschlagsort messbaren, zeitlichen Verlauf, mit konstanter Geschwindigkeit v und unveränderter Form den Blitzkanal in Richtung Wolke lauft. Der Blitzkanal wird als ideale Übertragungsleitung angenommen. Das heißt, dass Ladung von der Erde zur Wolke transportiert wird, und keine Ladung im Blitzkanal deponiert wird. Transmission Line Blitzmodell Das sogenannte Modified Transmission Line Model (MTLE) ist mit einer exponentiellen Abnahme der Amplitude erweitert. Liste aller Modelle: Modell nach SCHONLAND Modell nach BRUCE und GOLDE Transmission Line Model Modified Transmission Line Model Travelling Current Source Model 11 / 11