Blitz (LEMP - Lightning Electro Magnetic Puls) und Blitzschutz. Allgemeines
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- Karin Hofmann
- vor 6 Jahren
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1 Blitz (LEMP - Lightning Electro Magnetic Puls) und Blitzschutz Der Blitz nimmt in der EMV eine Sonderstellung ein, denn er kann als extrem starker, sporadischer Störer in seiner Emission nicht beeinflusst werden. Allgemeines Blitzschläge zwischen den Wolken sind zwar die häufigsten Erscheinungen, aber für unsere Betrachtung weniger interessant (wichtig jedoch für Flugzeuge). Blitzeinschläge, die sich auf der Erdoberfläche auswirken, erfolgen zwischen Wolke und Erde (größter Teil der Einschläge, davon sind im Jahresmittel ca. 80 % der Fälle negative Blitzstöße und ca. 20 % der Fälle positive Blitzstöße - bezogen auf die Ladungspolarität) sowie zwischen Erde und Wolke (seltenere Ereignisse). Wichtig für die EMV-Betrachtung sind noch die Folgeblitze (ca. 0,1-0,2 sec nach dem Erstblitz mit 20% bis 50% Maximalstrom des Erstblitzes), die den selben Blitzkanal benutzen und wesentlich steilere Anstiegszeiten des Stromes aufweisen. Kurz zum physikalischen Ablauf eines Blitzschlages: Ein Leitblitz wächst stark verästelt in sprungartiger Fortbewegung mit starken Verästelungen von der Gewitterwolke in Richtung Erdoberfläche; nahe der Erdoberfläche wird nun die elektrische Feldstärke sehr hoch, und es wachsen vom Boden her Fangentladungen von den Stellen der höchsten Feldstärke in Richtung Leitblitz (damit werden die tatsächlichen Einschlagstellen fixiert); über diesen "Kanal" erfolgt nun die Hauptentladung mit einer Geschwindigkeit von ca km/sec bei einer Temperatur von ca C, durch den temperaturbedingten Überdruck entsteht eine Schockwelle, die wir als Donner hören; anschließend folgen in der Regel nach ca. 0,15-0,20 sec 3 bis 4 Folgeblitze, die wir jedoch aufgrund der Netzhautträgheit nicht von der Hauptentladung unterscheiden können. Die wesentlichste Größe in Bezug auf die Eigenschaft des Blitzes als starker Störer ist die extreme Steilheit seines Stromanstieges (bis ca.100 ka/µs). Einmal abgesehen von der möglichen thermischen Zerstörung (die freiwerdende Energie bei einem Blitzschlag beträgt einige MJ, dies reicht etwa zum Verdampfen von ca. 100 l Wasser), die ein direkter Blitzeinschlag verursachen kann, so sind die dabei auftretende Potentialunterschiede enorm. (Die angeführten Blitzparameter beziehen sich auf Langzeitmessungen, die am Monte San Salvatore im Tessin, Schweiz durchgeführt wurden).
2 Die maßgebende Größe für die EMV ist nicht, wie man vielleicht im ersten Moment glauben möchte, der ohmsche Widerstand, sondern der induktive Widerstand, wie eine kurze Rechnung leicht beweisen kann. Wir verwenden dazu relativ niedrige Werte für die auf die Anlage wirkenden Blitzgrößen (also keinen Volltreffer): Spitzenstrom 10 ka, Stromanstieg 30 ka/µs ein 10 m Cu - Kabel 2,5 mm² hat ca. 71 mω und 15 µh oder ein 10 m Cu - Kabel 95 mm² hat ca. 2 mω und 9 µh Berechnung: Nur mit Berücksichtigung des ohmschen Anteils: u = i * R ==> 10 ka * 71 mω = 710 V bzw. 10 ka * 2 mω = 20 V Nur mit Berücksichtigung des induktiven Anteils: u = L di/dt ==> 15 µh * 30 ka / µs = 450 kv bzw. 9 µh * 30 ka / µs = 270 kv der induktive Anteil ist also bestimmend! Blitzstromparameter Die hier angeführten Werte und Kurvenformen basieren auf Langzeituntersuchungen, die Prof. Berger auf dem Monte San Salvatore im Tessin, Schweiz, durchgeführt hat. Folgende Wirkungsparameter werden für einen Blitzstromverlauf zu Berechnungen verwendet (nach H. Prinz 5% Normblitz - d.h. dass 5% der Blitze über diesem Wert liegen): maßgebend für die Potentialanhebung an den Erdern und die daraus folgenden Schrittspannungen ist: maßgebende Größe für die induzierten Spannungen und Spannungsabfälle in den induktiven Widerständen ist: maßgebende Größe für thermische und dynamische Effekte und damit energieproportional ist: Die in einem Leiter in Form von Wärme in Erscheinung tretende Energie ergibt sich somit aus: Dieser Wert bestimmt den Leiterquerschnitt, der zumindest so lange erhalten bleiben muss, bis der Blitzstrom abgeleitet ist (ein Cu-Leiter mit 1,5 mm 2 kann einen Blitzstrom von 50 ka Form 8/20 µs ableiten). maßgebend für Ausschmelzungen am Einschlagpunkt ist die Ladung (z.b. bei Schmelzstellen an Seilen) î = 100 ka di/dt max = 100 ka/µs i 2.dt = 5 ka 2.s W = R i 2.dt i.dt = 10 As
3 Typischer Verlauf eines positiven Blitzstoßes Die Dauer eines Blitzes beträgt ca. 1 ms, die Zeit der größten Induktionswirkung beträgt dagegen 2 bis 3 µs (dies ist die steile Anstiegsflanke des Blitzstromverlaufes); die Beeinflussungszeit beispielsweise für eine Datenübertragungsleitung kann mit etwa 1 sec (durch das Zünden des Überspannungsableiters) angenommen werden. Der subjektiv längere Eindruck für einen Beobachter ergibt sich durch ein "Nachleuchten" in der Netzhaut, dies erklärt auch, dass wir ein manchmal auftretendes mehrmaliges Nachzünden (restrike) nicht sehen können. Typischer Verlauf eines negativen Blitzstoßes ca. 80% der Wolke-Erde-Blitze verlaufen so Blitzstromparameter im Nahfeldbereich El. Feld (LEP) in ca. 100 m Entfernung ==> Scheitelwert 10 kv/m Magn. Feld (LMP) in ca. 200 m Entfernung ==> Scheitelwert 3A/m Der zeitliche Verlauf ist nahezu ident dem Direktschlag Daten nach 18. ICLP in München
4 Begrenzungsmöglichkeiten Da es uns nicht möglich ist, diese Störgrößen an der Quelle zu begrenzen, müssen wir versuchen, eine Einkopplung zu verhindern bzw. zu mindern oder den gefährdeten Bereich abzuschirmen. Kann dies nicht in ausreichendem Maß ausgeführt werden, können noch Überspannungsableiter, Begrenzungsschutzschaltungen und dergleichen an den Störsenken eingebaut werden. Hier noch ein kleiner Größenvergleich aus dem Alltag. Der Blitzschutz selbst kann nach seinem Zweck wie folgt gegliedert werden: Schutz der Gebäude und der Menschen im Gebäude (herkömmliche Blitzschutzanlage, die das Gebäude vor Brand und die darin befindlichen Menschen schützt, nicht jedoch vor induzierten Spannungen in der elektrischen und elektronischen Einrichtung) Ein Blitzeinschlag hebt das gesamte Potential des Hauses und der Umgebung ==> es entstehen gefährlich hohe Spannungen gegenüber weit entfernte Punkte, die über Leitungen in das Haus "eingeschleppt" werden können! (zb: Niederspannungsnetz, Telefon-, Gasleitung udgl.) Abhilfe: Potentialausgleichschiene, Überspannungsableiter nahe der Hauseinführung Schutz der elektrischen und elektronischen Einrichtungen in den Gebäuden, zwischen den Gebäuden und den Außenanlagen siehe dazu die emv-tipps (Hauptseite) Für den Blitzschutz ist, insbesondere für den Geräteschutz, eine sorgfältige Planung und Ausführung wichtig. Es lässt sich dann mit einem relativ geringen Aufwand ein hoher
5 Schutzgrad erzielen. Nachträgliche Maßnahmen hingegen sind in der Regel weniger wirksam und sehr teuer. Links dazu: ALDIS Blitzortung - Bezug und weitere Informationen: Buch "EMV für Planer und Betreiber elektrotechnischer und elektronischer Anlagen" Erschienen bei Carl Hanser Verlag, 1997, ISBN gad@salzburg.at
Power and Signal Quality TRABTECH
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