DE102009056291B4

DE102009056291B4 - Isolated lightning protection system

Info

Publication number: DE102009056291B4
Application number: DE102009056291.5A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Trinkwald; Benjamin Echtermann
Original assignee: Obo Bettermann GmbH and Co KG
Current assignee: Obo Bettermann GmbH and Co KG
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2023-03-02
Anticipated expiration: 2029-12-01
Also published as: DE102009056291A1

Abstract

Isolierte Blitzschutzanlage, bestehend aus Fangleitungen (1) aus elektrisch leitfähigem Material, die mit Abstand von einer Fläche (4) eines Bauwerkes angeordnet und mittels rohrförmiger oder stangenförmiger Isolatoren (7) in dieser Position gehalten sind, wobei jeder Isolator (7) mit einer elektrisch schwach leitenden Oberfläche (3) ausgestattet ist, die einen elektrischen Widerstandswert von 1 bis 10 kOhm pro Längenmeter hat, wobei mindestens ein Ende des Isolators (7) von einem hülsenartigen, metallischen Halter (2) umfasst ist, der an der Fläche (4) des Bauwerks befestigt ist oder der die Fangleitung (1) hält, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (2) einen vorgewölbten Kragen (8) aufweist, der mit radialem Abstand (a) von der scharfkantigen, ringförmigen Kontaktstelle (5) zwischen Isolator (7) und Halter (2) ausgebildet ist.Insulated lightning protection system, consisting of arrester lines (1) made of electrically conductive material, which are arranged at a distance from a surface (4) of a building and are held in this position by means of tubular or rod-shaped insulators (7), each insulator (7) having an electrically weakly conductive surface (3) which has an electrical resistance value of 1 to 10 kOhm per meter of length, at least one end of the insulator (7) being surrounded by a sleeve-like, metallic holder (2) which is attached to the surface (4) of the building or which holds the air-termination conductor (1), characterized in that the holder (2) has a protruding collar (8) which is at a radial distance (a) from the sharp-edged, ring-shaped contact point (5) between the insulator (7 ) and holder (2) is formed.

Description

Die Erfindung betrifft eine isolierte Blitzschutzanlage, bestehend aus Fangleitungen aus elektrisch leitfähigem Material, die mit Abstand von einer Fläche eines Bauwerkes angeordnet und mittels rohrförmiger oder stangenförmiger Isolatoren in dieser Position gehalten sind, wobei jeder Isolator mit einer elektrisch schwach leitenden Oberfläche ausgestattet ist, die einen elektrischen Widerstandswert von 1 bis 10 kOhm pro Längenmeter hat, wobei mindestens ein Ende des Isolators von einem hülsenartigen, metallischen Halter umfasst ist, der an der Fläche des Bauwerks befestigt ist oder der die Fangleitung hält.The invention relates to an insulated lightning protection system, consisting of air-termination conductors made of electrically conductive material, which are arranged at a distance from a surface of a building and are held in this position by means of tubular or rod-shaped insulators, each insulator being equipped with an electrically weakly conductive surface which has a has an electrical resistance of 1 to 10 kOhm per meter of length, with at least one end of the insulator being surrounded by a sleeve-like, metallic holder which is fixed to the surface of the structure or which holds the air-termination conductor.

Solche isolierten Blitzschutzanlagen sind dann erforderlich, wenn die Abstände von Fangleitungen und Ableitungen zu elektrischen Anlagen, zum Beispiel einer auf dem Dach eines Hochhauses angeordneten Klimaanlage, mit konventionellen Mitteln nicht mehr erreicht werden können. Die Fangleitungen der Fangeinrichtung und Ableitungen der Ableitungseinrichtung bestehen dabei aus metallischen Leitern, insbesondere massiven Stäben oder Drähten, deren Querschnitte durch EN 62305-3 festgelegt sind. Beispielsweise ist der Querschnitt bzw. Durchmesser einer solchen Fangleitung 8 mm. Diese Fangleitungen sind über Isolatoren in einem gewünschten Abstand von den zu schützenden Objekten vorbeizuführen. Dazu sind solche Isolatoren beispielsweise mit einem Ende an der Fläche des Bauwerkes befestigt, während das andere Ende die Metallstange oder dergleichen trägt. Diese Isolatoren sind ganzjährig den Umweltbedingungen wie Sonne, Regen, Schnee, Eis und Verschmutzungen durch die Umweltablagerungen aus der Atmosphäre und Verschmutzung durch Lebewesen ausgesetzt. Mechanisch werden die Isolatoren durch Windlast, aber auch durch die induzierten Spannungen und elektrodynamischen Wirkungen bei einem Blitzeinschlag beansprucht. Im Stand der Technik werden Isolatoren, vorzugsweise aus Glasfaser verstärktem Kunststoff (GFK) in Form von massiven Stangen oder hohlen Rohren eingesetzt, da diese leicht zu konfektionieren sind. Auch die Erfindung geht von solchen Isolatoren aus GFK aus.Such isolated lightning protection systems are required when the distances from air-termination cables and discharge lines to electrical systems, for example an air-conditioning system arranged on the roof of a high-rise building, can no longer be achieved using conventional means. The air-termination conductors of the air-termination system and down conductors of the down-conductor system consist of metallic conductors, in particular solid rods or wires, whose cross-sections are specified by EN 62305-3. For example, the cross section or diameter of such a capture line is 8 mm. These air-termination lines are to be routed via insulators at a desired distance from the objects to be protected. For this purpose, such insulators are fastened, for example, with one end to the surface of the structure, while the other end carries the metal rod or the like. These insulators are exposed to environmental conditions such as sun, rain, snow, ice and pollution from the environmental debris from the atmosphere and pollution from living beings all year round. The insulators are mechanically stressed by wind loads, but also by the induced voltages and electrodynamic effects of a lightning strike. In the prior art, insulators, preferably made of glass fiber reinforced plastic (GRP), are used in the form of solid rods or hollow tubes, since these are easy to assemble. The invention is also based on such insulators made of GRP.

Untersuchungen der Spannungsfestigkeit solcher GFK-Materialien haben gezeigt, dass deren elektrische Festigkeit gegenüber Stoßspannungen geringer ist, als dies bei einer äquivalenten Luftstrecke der Fall wäre. Die Oberfläche des GFK-Werkstoffes ist dabei hoch isolierend. Die Einfassung der GFK-Stangen oder Rohre in Verbindung mit dem Gebäude und/oder mit den Fangleitungen erfolgt über ein metallisches Anschlussstück in Form einer Hülse oder dergleichen, welches meist scharfkantig ausgeführt wird, wodurch es zu einer lokalen Feldstärkeerhöhung kommen kann (im Falle eines Blitzeinschlages).Studies of the dielectric strength of such GRP materials have shown that their electrical resistance to surge voltages is lower than would be the case with an equivalent air gap. The surface of the GRP material is highly insulating. The framing of the GRP rods or pipes in connection with the building and/or with the air-termination lines takes place via a metallic connection piece in the form of a sleeve or the like, which is usually designed with sharp edges, which can lead to a local increase in field strength (in the event of a lightning strike ).

Die Durchschlagspannung am Isolator wird durch Regen und Verschmutzungen wie durch Kombination beider Effekte herabgesetzt. Dadurch ist eine größere Baulänge erforderlich, um die nach der EN 62305-3 geforderten Werte einzuhalten. Hieraus resultiert der Nachteil, dass die Architektur des Gebäudes durch sehr lange Isolatoren beeinflusst wird und die Kosten der Blitzschutzanlage steigen.The breakdown voltage at the insulator is reduced by rain and dirt as well as a combination of both effects. As a result, a greater overall length is required in order to comply with the values required by EN 62305-3. This results in the disadvantage that the architecture of the building is influenced by very long insulators and the costs of the lightning protection system increase.

Für die Belastung der Isolatoren durch die induzierte Spannung kommen die in EN 62305-1:2006 genannten Stoßströme des Erstblitzes und des negativen Folgeblitzes in Frage. Dabei handelt es sich um Impulsströme mit einer Anstiegszeit von 0,25 bis 10 Mikrosekunden. Die induzierte Spannung ist aber durch die Ableitung des Stoßstromes nach der Zeit bestimmt und ist daher in ihrer Einwirkungsdauer kurz gegenüber der Stromflussdauer. Die Spannungsbeanspruchung dauert daher nur einige Mikrosekunden an. Bei einem Isolator, der für eine dauernd anliegende Hochspannung ausgelegt ist, zielt man auf einem sehr hohen Isolationswiderstand ab, damit dort keine thermischen Wirkungen auftreten. Bei einem Isolator für isolierte Blitzschutzanlagen werden wegen der nur im Mikrosekundenbereich anliegenden Spannung die thermischen Wirkungen vernachlässigt, so dass der Isolator nach anderen Kriterien gestaltet werden kann.The surge currents of the first flash and the negative subsequent flash mentioned in EN 62305-1:2006 come into consideration for the loading of the insulators by the induced voltage. These are pulsed currents with a rise time of 0.25 to 10 microseconds. However, the induced voltage is determined by the derivation of the surge current over time and is therefore short in terms of the duration of its effect compared to the duration of the current flow. The voltage stress therefore only lasts for a few microseconds. With an insulator that is designed for a continuously applied high voltage, the aim is for a very high insulation resistance so that no thermal effects occur there. In the case of an insulator for isolated lightning protection systems, the thermal effects are neglected because the voltage is only present in the microsecond range, so that the insulator can be designed according to other criteria.

Aus der DE 38 36 620 C2 ist eine Blitzschutzanlage mit Isolatoren aus Holz oder Porzellan bekannt, wobei die Isolatoren selbst an ihrer Oberfläche eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, so dass bei Überschreiten einer bestimmten, am Isolator angelegten Spannung zwischen Fangleitung und Dachfläche des Bauwerkes ein Stromfluss auf der Oberseite des Isolators auftritt, das heißt der Widerstand der Oberfläche des Isolators ist endlich hoch.From the DE 38 36 620 C2 a lightning protection system with insulators made of wood or porcelain is known, the insulators themselves having a low electrical conductivity on their surface, so that when a certain voltage applied to the insulator is exceeded between the air-termination conductor and the roof surface of the building, a current flow occurs on the upper side of the insulator, that is, the resistance of the surface of the insulator is finitely high.

Um eine isolierte Blitzschutzanlage zu schaffen, die hinsichtlich der Baulänge der erforderlichen Isolatoren und somit hinsichtlich der Installationskosten minimiert ist, ist aus der DE 10 2006 056 563 A1 eine Ausbildung bekannt, wonach jeder Isolator mit einer elektrisch schwach leitende Oberfläche ausgestattet ist, die einen elektrischen Widerstandswert von 1 bis 10 kOhm pro Längenmeter hat.In order to create an isolated lightning protection system that is minimized in terms of the length of the required insulators and thus in terms of installation costs, is from the DE 10 2006 056 563 A1 known training, according to which each insulator is equipped with an electrically weakly conductive surface, which has an electrical resistance of 1 to 10 kOhm per meter length.

Hierbei wird der Isolator mit einer schwach leitenden Oberfläche ausgestattet, wobei die Leitfähigkeit nach oben dadurch begrenzt ist, dass kein zu großer Strom in die zu schützenden Anlagenteile abfließen darf und nach unten dadurch begrenzt ist, dass die Verschmutzung der Oberfläche den dominierenden Einfluss über die Spannungsverteilung auf der Oberfläche gewinnt.In this case, the insulator is equipped with a weakly conductive surface, with the upper limit of the conductivity being that no excessive current may flow into the system parts to be protected and the lower limit being that the contamination of the surface has the dominant influence on the voltage distribution on the surface wins.

Eine schwach leitende Oberfläche macht den Isolator immun gegenüber einer Verschmutzung durch Staub oder Regentropfen, da die Spannungsverteilung im Wesentlichen durch die Leitfähigkeit der Oberfläche bestimmt ist.A poorly conductive surface makes the insulator immune to contamination from dust or raindrops, since the stress distribution is essentially determined by the conductivity of the surface.

Gattungsgemäße hülsenartige metallische Halter sind im Regelfall scharfkantig ausgebildet. Aus diesem Grunde kommt es an der Kante zwischen der Stirnfläche des metallischen Halters und dem Mantel des Isolators zu Vorentladungen. Solche Vorentladungen sind unerwünscht. Es könnte zwar anstelle eines metallischen Halters ein Halter aus Kunststoff eingesetzt werden, jedoch wird dies deswegen nicht bevorzugt, weil solche Halter unter Umständen nicht ausreichend UV-beständig sind, so dass sie nicht über den gewünschten Zeitraum beständig sind, beispielsweise über 30 Jahre. Aus diesem Grunde sind metallische Halter bevorzugt im Einsatz.Generic sleeve-like metallic holders are generally designed with sharp edges. For this reason, pre-discharges occur at the edge between the end face of the metal holder and the jacket of the insulator. Such pre-discharges are undesirable. While a plastic holder could be used instead of a metal holder, this is not preferred because such holders may not be sufficiently UV resistant to last for the desired period of time, such as 30 years. For this reason, metallic holders are preferred.

Um das geschilderte Problem der Vorentladungen zu vermeiden, schlägt die Erfindung vor, dass der Halter einen vorgewölbten Kragen aufweist, der mit radialem Abstand von der scharfkantigen, ringförmigen Kontaktstelle zwischen Isolator und Halter ausgebildet ist.In order to avoid the problem of pre-discharges described, the invention proposes that the holder has a protruding collar which is formed at a radial distance from the sharp-edged, ring-shaped contact point between the insulator and holder.

Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass der radiale Abstand des Kragens vom Isolator und die Höhe des Kragens in Richtung parallel zur Längserstreckung des Isolators so bemessen ist, dass im Falle eines Blitzeinschlages die maximale elektrische Feldstärke im Bereich zwischen Kragen und Isolator unter 24,5 kV pro Zentimeter liegt.It is preferably provided that the radial distance of the collar from the insulator and the height of the collar in the direction parallel to the longitudinal extent of the insulator is dimensioned such that in the event of a lightning strike, the maximum electric field strength in the area between the collar and the insulator is less than 24.5 kV per centimeters.

Durch diese Anordnung wird der scharfkantige Übergang zwischen dem Halter und dem Isolator in den Bereich eines Feldschattens verlagert, der durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Kragens erzeugt wird. Die Entladung wird hierbei vorzugsweise von dem gekrümmten Kragen ausgehen, wobei die hierbei auftretende Randfeldstärke geringer ist als bei der herkömmlichen Anordnung. Der radiale Abstand des Kragens vom Isolator und die Höhe des Kragens in Richtung parallel zur Längserstreckung des Isolators können durch eine numerische Feldberechnung dimensioniert werden, wobei die Zielrichtung ist, dass die maximale Feldstärke an dem gekrümmten Kragen des metallischen Halters unter 24,5 kV pro Zentimeter bleibt.This arrangement shifts the sharp-edged transition between the holder and the insulator into the area of a field shadow, which is produced by the design of the collar according to the invention. In this case, the discharge will preferably emanate from the curved collar, with the edge field strength occurring here being lower than in the conventional arrangement. The radial distance of the collar from the insulator and the height of the collar in the direction parallel to the length of the insulator can be dimensioned by a numerical field calculation, the aim being that the maximum field strength at the curved collar of the metallic holder is below 24.5 kV per centimeter remains.

Vorzugsweise kann die Ausgestaltung derart vorgesehen sein, dass der Isolator mit einer durch elektrisch leitfähige Partikel schwach leitfähigen Kunststoffbeschichtung versehen ist.Preferably, the configuration can be provided in such a way that the insulator is provided with a plastic coating that is weakly conductive due to electrically conductive particles.

Hierbei kann der beispielsweise aus GFK bestehende Isolator mit einer Kunststoffbeschichtung versehen sein, deren Leitfähigkeit durch Zugabe von leitfähigen Additiven in gewünschtem Maße eingestellt ist.In this case, the insulator consisting of GRP, for example, can be provided with a plastic coating, the conductivity of which is adjusted to the desired extent by the addition of conductive additives.

Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass auf den Isolator ein Schlauch aus elektrisch schwach leitendem Material aufgebracht ist.Alternatively or additionally, it can be provided that a tube made of electrically weakly conductive material is applied to the insulator.

Hierbei ist bevorzugt vorgesehen, dass der Schlauch als Schrumpfschlauch ausgebildet und auf den Isolator aufgeschrumpft ist.It is preferably provided here that the hose is designed as a shrink hose and is shrunk onto the insulator.

Durch diese Ausbildung wird ein inniger Kontakt zwischen Schrumpfschlauch und Isolator sichergestellt.This design ensures intimate contact between the shrink tubing and the insulator.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine prinzipielle Anordnung bei einer Blitzschutzanlage;
2 einen herkömmlichen Halter zur Einfassung des Isolators;
3 einen erfindungsgemäßen Halter zur Aufnahme des Isolators, jeweils im Querschnitt gesehen.

An embodiment of the invention is shown in the drawing and described in more detail below. It shows:

1 a basic arrangement in a lightning protection system;
2 a conventional holder for framing the insulator;
3 a holder according to the invention for receiving the insulator, each seen in cross section.

In 1 sind wesentliche Bestandteile einer isolierten Blitzschutzanlage gezeigt. Sie besteht aus einer Fangleitung 1 aus elektrisch leitfähigem Material, insbesondere in Form von Metallstangen oder Metalldrähten, beispielsweise mit 8 mm Durchmesser. Diese Fangleitung 1 ist mit erheblichem Abstand von einer Fläche 4 eines Bauwerkes angeordnet und mittels stangenförmiger Isolatoren 7 oder wie im Ausführungsbeispiel rohrförmiger Isolatoren 7 in dieser Position gehalten. Der Isolator 7 weist eine elektrisch schwach leitende Oberfläche 3 auf, wobei hierzu der Isolator 7 beispielsweise mit einer Kunststoffbeschichtung beschichtet sein kann, die durch elektrisch leitfähige Partikel schwach leitfähig ausgebildet ist oder aber der Isolator 7 kann durch einen Schlauch aus elektrisch schwach leitendem Material umhüllt sein, der als Schrumpfschlauch ausgebildet und auf dem Isolator 7 aufgeschrumpft ist. Hierdurch ist die elektrisch schwach leitende Oberfläche 3 gebildet.In 1 essential components of an isolated lightning protection system are shown. It consists of an air-termination line 1 made of electrically conductive material, in particular in the form of metal rods or metal wires, for example with a diameter of 8 mm. This air-termination line 1 is arranged at a considerable distance from a surface 4 of a building and is held in this position by means of rod-shaped insulators 7 or, as in the exemplary embodiment, tubular insulators 7 . The insulator 7 has an electrically weakly conductive surface 3, for which purpose the insulator 7 can be coated, for example, with a plastic coating that is made weakly conductive by electrically conductive particles, or the insulator 7 can be encased in a tube made of electrically weakly conductive material , which is designed as a shrink tube and shrunk onto the insulator 7. As a result, the electrically poorly conductive surface 3 is formed.

Im Ausführungsbeispiel sind an beiden Enden des Isolators 7 jeweils hülsenartige, metallische Halter angeordnet. Der eine dieser Halter 2 ist an der Fläche 4 des Bauwerks befestigt, während der andere Halter 2 zur Fixierung und zum Anschluss der Fangleitung 1 dient.In the exemplary embodiment, sleeve-like metallic holders are arranged at both ends of the insulator 7 . One of these holders 2 is attached to the surface 4 of the building, while the other holder 2 is used to fix and connect the air-termination line 1 .

Diese herkömmlich scharfkantig ausgebildeten Halter 2, wie sie in 1 und 2 gezeigt sind, haben den Nachteil, dass im scharfkantigen Bereich 5, der in 2 gezeigt ist, bevorzugt elektrische Vorentladungen auftreten. Um dies zu vermeiden, ist eine erfindungsgemäße Gestaltung bevorzugt, wie sie in 3 gezeigt ist. Hierbei weist der Halter 2 einen vorgewölbten Kragen 8, also eine gekrümmte Kontur auf, die mit radialem Abstand a von der ringförmigen Kontaktstelle 5 zwischen Isolator 7 und Halter 2 ausgebildet ist. Der radiale Abstand a des Kragens 8 vom Isolator 7 und die Höhe b des Kragens 8 in Richtung parallel zur Längserstreckung des Isolators 7 ist so bemessen, dass im Falle eines Blitzeinschlages die maximale elektrische Feldstärke im Bereich zwischen Kragen 8 und Isolator 7 unter 24,5 kV pro Zentimeter liegt. Der mit 6 bezeichnete Bereich gibt dabei den Bereich eines Feldschattens der gekrümmten Kontur (des Kragens 8) des Halters 2 an. Durch diese Ausbildung wird die Ausbildung von Vorentladungen im scharfkantigen Bereich 5, der im Feldschatten liegt, vermieden.These conventionally sharp-edged holders 2, as shown in 1 and 2 are shown have the disadvantage that in the sharp-edged area 5, which is 2 is shown, preferential electrical pre-discharges occur. To avoid this is a design according to the invention is preferred, as shown in 3 is shown. Here, the holder 2 has a protruding collar 8, ie a curved contour, which is formed at a radial distance a from the ring-shaped contact point 5 between the insulator 7 and holder 2. The radial distance a of the collar 8 from the insulator 7 and the height b of the collar 8 in the direction parallel to the longitudinal extent of the insulator 7 is dimensioned such that in the event of a lightning strike, the maximum electric field strength in the area between the collar 8 and the insulator 7 is less than 24.5 kV per centimeter. The area denoted by 6 indicates the area of a field shadow of the curved contour (of the collar 8) of the holder 2. This design avoids the formation of pre-discharges in the sharp-edged area 5, which lies in the field shadow.

Die Erfindung löst die eingangs gestellte Aufgabe vorzüglich, da infolge der erfindungsgemäßen Ausbildung relativ kurze Isolatoren 7 eingesetzt werden können, um die Fangleitungen 1 in ausreichendem Abstand von zu schützenden Objekten vorbeizuführen.The invention solves the problem set at the outset excellently, since as a result of the design according to the invention relatively short insulators 7 can be used in order to route the air-termination cables 1 at a sufficient distance from objects to be protected.

Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.The invention is not limited to the exemplary embodiment, but is variable in many ways within the scope of the disclosure.

Claims

Insulated lightning protection system, consisting of arrester lines (1) made of electrically conductive material, which are arranged at a distance from a surface (4) of a building and are held in this position by means of tubular or rod-shaped insulators (7), each insulator (7) having an electrically weakly conductive surface (3) which has an electrical resistance value of 1 to 10 kOhm per meter of length, at least one end of the insulator (7) being surrounded by a sleeve-like, metallic holder (2) which is attached to the surface (4) of the building or which holds the air-termination line (1), characterized in that the holder (2) has a protruding collar (8) which is at a radial distance (a) from the sharp-edged, ring-shaped contact point (5) between the insulator (7 ) and holder (2) is formed.

lightning protection system claim 1 , characterized in that the radial distance (a) of the collar (8) from the insulator (7) and the height (b) of the collar (8) in the direction parallel to the longitudinal extension of the insulator (7) is dimensioned such that in the case of a Lightning strike the maximum electric field strength in the area between collar (8) and insulator (7) is below 24.5 kV per centimeter.

lightning protection system claim 1 , characterized in that the insulator (7) is provided with a plastic coating which is weakly conductive due to electrically conductive particles.

lightning protection system claim 1 , characterized in that on the insulator (7) a hose made of electrically weakly conductive material is applied.

lightning protection system claim 4 , characterized in that the tube is designed as a shrink tube and is shrunk onto the insulator (7).

Lightning protection system according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the air-termination line (1) is formed from metal rods or metal wires.