VDE-Sc h r ifte n re i he Normen ver stä n d I ic h 185 EMV Blitzschutz von elektrischen und elektronischen Systemen in baulichen Anlagen Risiko-Management, Planen und Ausführen nach den neuen Vornormen der Reihe VDE 0185 Dr.-lng. Peter Hasse Dr.-lng. Ernst Ulrich Landers Prof. Dr.-lng. Johannes Wiesinger 2004 VDE VERLAG GMBH
Inhalt Vorwort... 1 Einführung... 2 Schäden durch elektromagnetische Beeinflussung... 2.1 Schadensstatistiken... 2.2 Schadensbeispiele... 2.2.1 Schäden in explosionsgefährdeten Anlagen... 2.2.2 Schäden in Industrie-Anlagen... 2.2.3 Schäden in Elektrizitäts-Versorgungs-Anlagen... 2.2.4 Schäden in Wohnhäusern... 2.2.5 Schäden an Bahnanlagen, an Flugzeugen und auf Flughäfen... 3 Störquellen, Kopplungen und Störsenken... 3.1 Blitzentladungen... 3.2 Schalthandlungen und Netzrückwirkungen... 3.3 Elektrostatische Entladungen... 3.4 Nuklearer Elektromagnetischer Impuls... 3.5 Sende-Anlagen... 4 EMV-orientiertes Blitz-Schutzzonen-Konzept... 4.1 Frühere Schutzzonen-Konzepte... 4.2 Grundlagen des Blitz-Schutzzonen-Konzepts... 4.3 Blitz-Schutzzonen (LPZ)... 4.3.1 Definition der LPZ... 4.3.2 Verbindung mehrerer LPZ... 4.3.3 Ausstülpung einer LPZ... 4.3.4 Leitungsschirme beim Verbinden oder Ausstülpen von LPZ... 4.3.5 Einrichtung weiterer Stör-Schutzzonen (SPZ)... 4.4 Äußerer Blitzschutz... 4.5 Dämpfung durch Gebäude- oder Raumschirme... 4.6 Schnittstellen für Versorgungssysteme an Grenzen von LPZ... 4.7 Leitungsführung und -schirmung im geschützten Volumen... 4.8 Potentialausgleich-Anlagen im geschützten Volumen... 5 13 17 17 19 19 23 27 31 33 37 38 43 46 47 49 51 51 53 54 54 57 57 59 61 63 66 66 71 73 7
4.8.1 4.8.2 4.8.3 4.9 4.10 5 5.1 5.2 5.3 6 6.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.2.1 6.3.2.2 6.4 6.4.1 6.4.2 6.5 6.5.1 6.5.2 6.6 6.6.1 6.6.2 6.6.3 6.6.4 6.7 6.7.1 Stern- und baumförmiger Potentialausgleich... 73 Vermaschter Potentialausgleich... 77 Verbindung unterschiedlicher Potentialausgleich-Anlagen... 79 Grundfestigkeit der elektronischen Geräte und Systeme... 81 Konzeptionelles Vorgehen... 83 Der Blitzschutz von Gebäuden und von elektrischen und elektronischen Systemen... 91 Bauliche Anlagen und Personen (VDE V 0185 Teil 3)... 91 Elektrische und elektronische Systeme (VDE V 0185 Teil 4)... 93 Unterschiede im Blitzschutz VDE V 0185 Teil 3 und VDE V 0185 Teil 4... 95 Schutzmaßnahmen gegen LEMP... 103 Wahl des Gefährdungspegels... 103 Bestimmung der Impulsströme am Einbauort... 103 Impulsströme bei Einschlägen in die bauliche Anlage (S1)... 104 Impulsströme bei Einschlägen in eine Versorgungsleitung (S3)... 105 Sekundäre Impulsströme... 105 Festigkeit der elektronischen Geräte... 106 Festigkeit gegen Magnetfelder... 106 Festigkeit gegen Stoßspannungen und Stoßströme... 108 Festigkeit im energietechnischen Netz... 108 Festigkeit von Geräten... 109 Erdungsmaßnahmen... 110 Erdungsanlage... 110 Potentialausgleich-Netzwerk... 110 Potentialausgleich-Maßnahmen... 114 Potentialausgleich eintretender Versorgungsleitungen... 114 Integration der elektrischen und elektronischen Systeme... 114 Überspannungs-Schutzgeräte (SPD)... 116 Klassifizierung von SPD... 116 Anteilige Blitzströme am Einbauort der SPD... 117 Schaltungen von SPD für energietechnische Systeme... 120 Schaltungen von SPD für informationstechnische Systeme... 120 Räumliche Schirmung... 128 LEMP Situation bei einem Blitzeinschlag... 129 8
6.7.2 6.7.3 6.7.4 6.8 6.8.1 6.8.2 6.8.3 6.8.4 6.8.5 6.8.6 6.9 6.9. I 6.9.2 6.9.3 7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.7.1 7.7.2 7.7.3 7.7.4 7.7.5 7.8 7.8.1 7.8.2 7.9 7.9.1 7.9.2 7.9.3 7.9.4 Magnetfelder bei direkten Blitzeinschlägen... 132 Magnetfelder bei nahen Blitzeinschlägen... 136 Praktische Ausführung der räumlichen Schirmung... 138 Leitungsführung und -schirmung... 140 Induzierte Spannungen bei direkten Blitzeinschlägen... 142 Induzierte Spannungen bei nahen Blitzeinschlägen... 144 Spannungsfestigkeit bei leitungsgebundenen Störungen... 144 Induzierte Ströme bei direkten Blitzeinschlägen... 145 Induzierte Ströme bei nahen Blitzeinschlägen... 146 Stromtragfähigkeit bei leitungsgebundenen Störungen... 147 Schutzmaßnahmen in bestehenden baulichen Anlagen... 147 Integration von neuen elektrischen Systemen... 147 Varianten für die Blitzschutzzonen... 149 Beispiele für besondere Schutzmaßnahmen... 152 Risikomanagement nach VDE V 0185 Teil 2... 155 Risikoanalyse... 155 Schadensquellen... 155 Schadensursachen... 156 Schadensarten... 156 Bestimmung des Risikos aus Risikokomponenten... 158 Parameter für die Risikokomponenten... 160 Häufigkeit N von gefährlichen Blitzeinschlägen (VDE V 0185 Teil 2 Anhang A)... 161 Erdblitzdichte Ng... 161 Blitzeinschläge ND direkt in die bauliche Anlage (S1)... 162 Blitzeinschläge NM neben der baulichen Anlage (S2)... 164 Blitzeinschläge NL direkt in eine Versorgungsleitung (S3)... 164 Blitzeinschläge NI neben einer Versorgungsleitung (S4)... 166 Schadenswahrscheinlichkeiten P (VDE V 0185 Teil 2 Anhang B). 166 Einfache Wahrscheinlichkeiten p... 167 Reduktionsfaktorenr... 170 Schadensfaktoren 6 (VDE V 0185 Teil 2 Anhang C)... 172 Verlust von Menschenleben (D1)... 173 Verlust von Dienstleistungen für die Öffentlichkeit (D2)... 173 Verlust von unersetzlichem Kulturgut (D3)... 174 Wirtschaftliche Verluste (D4)... 174 9
7.10 7.10.1 7.10.2 7.10.3 7.10.4 7.11 7.11.1 7.11.2 7.11.3 7.11.4 7.11.5 8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 9 9.1 9.1.1 9.1.2 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.6.1 9.6.2 9.6.2.1 9.6.2.2 Formeln für die einzelnen Risikokomponenten... 175 Schock von Lebewesen (C1)... 175 Physikalische Schäden (C2)... 175 Störung an elektrischen und elektronischen Systemen (C3)... 176 Versorgungsleitungen auf mehreren unabhängigen Trassen... 176 Anwendung der Risikoanalyse... 176 Vereinfachtes Verfahren... 177 Detailliertes Verfahren... 177 Akzeptierbares Schadensrisiko Ra... 178 Abschätzung der Notwendigkeit von Schutzmaßnahmen... 178 Auswahl von Schutzmaßnahmen... 178 LEMP-Schutz-Management... 181 Erste Risikoanalyse... 182 Planung... 183 Auslegung... 184 Installation und Überprüfung... 185 Abnahme... 185 Abschließende Risikoanalyse... 186 Wiederkehrende Prüfungen... 186 Bauteile und Schutzgeräte... 187 Fangeinrichtungen... 187 Kegelförmiger Schutzraum einer Fangstange... 191 Quaderförmige Schutzräume... 192 Gebäude- und Raumschirme für innere Blitz-Schutzzonen... 195 Schirme für Leitungen zwischen räumlich getrennten Blitz- Schutzzonen... 205 Schirme für Leitungen in inneren Blitz-Schutzzonen... 209 Potentialausgleich-Anlagen... 210 Schutzgeräte an den Schnittstellen der Blitz-Schutzzonen... 216 Überspannungs-Schutzgeräte an der Schnittstelle LPZ... 217 Überspannungs-Schutzgeräte an den Schnittstellen LPZ sowie LPZ und höher... 227 Überspannungs-Schutzgeräte für energietechnische Anlagen und Systeme... 227 Überspannungs-Schutzgeräte für informationstechnische Systeme. 230 10
9.6.2.3 Kombinierte Überspannungs-Schutzgeräte für energie- und informationstechnische Geräteeingänge... 241 10 10.1 10.1.1 10.1.2 10.2 10.2.1 10.2.2 10.2.3 10.2.4 10.2.5 10.3 10.3.1 10.3.2 10.3.3 10.3.4 10.3.5 10.3.6 10.3.7 10.3.8 10.4 10.4.1 10.4.2 10.4.3 10.5 10.5.1 10.5.2 10.6 10.6.1 10.6.2 10.7 10.7.1 10.7.2 10.8 10.8.1 LEMP-Schutz in einem Industriekomplex... 243 Planungsgrundlagen... 243 Bauvorhaben... 243 Schutzkonzept und Gefährdungspegel... 244 Kenndaten für das zu schützende Gebäude V... 247 Erdblitzdichte und Umgebungsdaten... 247 Abmessungen des Gebäudes... 247 Eintretende Versorgungsleitungen... 248 Einfangflächen und jährliche Blitzeinschläge... 250 Schadenswahrscheinlichkeiten und Reduktionsfaktoren... 253 Risikomanagement für LPZ 2 (EDV-Komplex)... 254 Schadenskennwerte für den EDV-Komplex... 254 Notwendigkeit von Schutzmaßnahmen... 255 Übersicht über die angewandten Schutzmaßnahmen... 256 Schritt 1: Risikowerte für das ungeschützte Gebäude... 257 Schritt 2: Potentialausgleich am Eintritt in LPZ 1... 258 Schritt 3: Räumlicher Schirm von LPZ 1 und Äußerer Blitzschutz. 260 Schritt 4: Potentialausgleich am Eintritt in LPZ 2... 263 Schritt 5: Räumlicher Schirm von LPZ 2... 264 Risikomanagement für LPZ 1... 265 Schadenskennwerte für das gesamte Gebäude... 265 Notwendigkeit von Schutzmaßnahmen... 265 Weitere Schutzmaßnahmen bei erhöhten Anforderungen in LPZ 1. 266 Risikomanagement für LPZ OB... 267 Schadenskennwerte für die Anlagen auf dem Dach... 267 Notwendigkeit von Schutzmaßnahmen... 267 Risikomanagement für LPZ 0,... 268 Schadenskennwerte für LPZ Oc... 268 Notwendigkeit von Schutzmaßnahmen... 268 Impulsmagnetfelder des Blitzes... 263 Impulsmagnetfelder in LPZ 1... 270 Impulsmagnetfelder in LPZ 2... 270 Induzierte Spannungen in Leiterschleifen... 271 Induzierte Spannungen in LPZ 1... 272 11
10.8.2 Induzierte Spannungen in LPZ 2... 273 10.9 Stromtragfahigkeit der Schutzelemente... 273 10.9.1 Anteilige Blitzströme an der Grenze von LPZ 1... 274 10.9.2 Sekundär induzierte Impulsströme innerhalb von LPZ 1... 274 10.10 Gesamtes LEMP-Schutzsystem... 276 10.11 Detailausführung des LEMP-Schutzsystems... 278 11 Anhang... 287 11.1 Begriffe... 287 11.2 Normen und Richtlinien... 291 11.3 Literatur... 296 11.4 Internet-Links... 298 Sachwortverzeichnis... 301 Die Autoren... 303 12