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Die Erfindung betrifft eine Blitzstromableiteinrichtung für den äußeren Blitzschutz von Gebäuden, Containern, Zelten oder dergleichen Objekten mit mindestens einer Fangeinrichtung und mindestens einer, mit der Fangeinrichtung in Verbindung stehender Blitzstromableitung, welche zu einer Erdungsanlage führt und dort angeschlossen ist gemäß Anspruch 1.
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Blitzstromdurchflossene Ableitungen sind bekanntermaßen von einem starken Magnetfeld umgeben, welches mit der Entfernung abnimmt. Die Änderung dieses Magnetfeldes ist dafür verantwortlich, dass in durch Kabel oder Leitungen gebildeten Schleifen, wie sie in der elektrischen Installation oder durch die Leiteranordnung auf Leiterplatten vorliegen, Spannungen induziert sind. Dabei hängt die Höhe der induzierten Spannung sowohl von der Änderungsgeschwindigkeit des Magnetfeldes als auch von der Geometrie der jeweils mit dem Magnetfeld durchdrungenen Schleife ab.
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Blitzstromableitungen im äußeren Blitzschutz werden benötigt, um eine elektrisch tragfähige Verbindung zwischen der jeweiligen Blitzfangeinrichtung, zum Beispiel ausgebildet als Fangstange, und dem Erdungssystem herzustellen. In Gebäuden mit vergleichsweise eingeschränkten Möglichkeiten zur Ableitung des Blitzstromes von der Dachebene bis zum Anschluss an das Erdungssystem, zum Beispiel bei Gebäuden mit Glasfassade oder Gebäuden in Stahlskelettbauweise, besteht das Problem, dass sich die Blitzstromableitung funktionsbedingt oder aus ästhetischen Gründen auf wenige Ableitpfade konzentriert.
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Durch diese Konzentration erhöht sich auch das jeweilige Magnetfeld, das die einzelnen Ableitungen umgibt. Hierdurch entstehen hohen Maximalamplituden, große Änderungsgeschwindigkeiten des Magnetfeldes und folglich auch hohe induzierte Spannungen. Die Induktionswirkung, hervorgerufen durch das Magnetfeld der blitzstromdurchflossenen Ableitung ist dabei nicht nur auf die elektrische Installation beschränkt, sondern wirkt auch in hochempfindlichen elektronischen Geräten oder Systemen innerhalb eines Gebäudes. Dabei können diese empfindlichen Systeme sowohl durch die Induktion als auch durch die Wirkung des blitzstrombedingten Magnetfeldes gestört oder zerstört werden.
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Grundsätzlich ist daher die Reduktion des Magnetfeldes anstrebenswert. Hier kann zunächst auf eine Reduktion des auftretenden Magnetfeldes durch Aufteilung des Stromes auf mehrere Ableitungen zurückgegriffen werden, wenn der notwendige Bauraum zur Verfügung steht.
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Diesbezüglich wurde in der
EP 2 759 031 B1 eine Blitzstromableitvorrichtung vorgeschlagen, welche aus einer Fangeinrichtung und einer Erdungsanlage besteht, die durch eine elektrische Leiteinrichtung miteinander verbunden sind. Die elektrische Leiteinrichtung besteht aus mindestens zwei zueinander parallelgeschalteten, isolierten Ableitern.
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Gemäß der dortigen Lehre ist es Ziel, die Dimensionierung einer isolierten Ableitung durch Reduktion der induzierten Spannung bei vorgegebener Durchschlagsspannung der isolierten Ableitung zu optimieren. Dabei wird auf den Gedanken zurückgegriffen, die induzierte Spannung durch die Einstellung einer Gegeninduktivität zu senken. Diesbezüglich schlägt die dortige Lehre vor, dass die elektrischen Leiteinrichtungen aus mindestens zwei zueinander parallelgeschalteten, isolierten elektrischen Leitern besteht, wobei die Leiter zueinander im Wesentlichen räumlich parallel verlaufend angeordnet sind und der Mittenabstand zwischen benachbarten isolierten Leitern zwischen dem einfachen und dem fünfzigfachen Durchmesser der isolierten Leiter liegt.
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Die Reduktion der induzierten Spannung erfolgt mittels der längenbezogenen Gegeninduktivität durch Parallelschalten mehrerer isolierter Leiter als Ableitungen. Im ausreichenden Abstand von der jeweiligen Gebäudefläche wird hierbei eine elektrisch leitende und blitzstromtragfähige Verbindung zu den isolierten Leitern hergestellt, deren Abstand vom Gebäude oder Gebäudeteilen durch bauliche Gegebenheiten bestimmt ist. Die isolierten Leiter werden in einem ausreichenden Abstand angeordnet und im unteren Bereich im Übergang zur Erdungsanlage mittels eines elektrisch leitenden, blitzstromtragfähigen Anschlusses an die Erdverbindung zur Erdungsanlage angeschlossen. Durch die Verwendung von parallelgeschalteten, isolierten Leitern teilt sich der in die Fangstange der Fangeinrichtung eingeführte Blitzstrom annähernd gleichmäßig auf die isolierten Leiter auf. Hierdurch wird die magnetische Feldstärke zwischen den isolierten Leitern und dem Gebäude reduziert, so dass sich die längenbezogene Gegeninduktivität verringert.
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In einer Ausführungsform besteht die elektrische Leiteinrichtung aus mindestens einem elektrischen Leiter mit rechteckigem Querschnitt, dessen Ecken gerundet sind und dessen Seitenkanten ein Breite-zu-Länge-Verhältnis von vorzugsweise 1:10 besitzen. Beispielsweise sind drei bis fünf parallelgeschaltete Leiter vorgesehen.
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Mit der Lehre nach
EP 2 759 031 B1 wird also versucht, das blitzstrombedingte Magnetfeld durch Aufteilung des Stromes auf mehrere Leiter zu reduzieren. Eine derartige Maßnahme ist jedoch bedingt durch bauliche Gegebenheiten nur begrenzt umsetzbar. Darüber hinaus gilt es zu berücksichtigen, dass bei elektrisch nicht voneinander isolierten parallelen Blitzstromableitungen Näherungen entstehen, die zu ungewollten Überschlägen zwischen Installation, metallener Konstruktion im Gebäude und anderen leitfähig verbundenen Teilen führen können.
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Aus der
JP 2010 -
281 234 A ist eine Blitzstromableitvorrichtung bekannt, die zum Dämpfen eines steilen transienten Potentialanstiegs an einer Basis eines Turmes einer Windkraftanlage Leiterschleifen aufweist. Die Leiterschleifen definieren die Höhe einer Strecke in einem Ankerbereich des Turmes, über welchen die Potentialdifferenz abgebaut werden soll.
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Die
US 2002/0162671 A1 offenbart eine Blitzstromableitvorrichtung für ein Fahrzeug, welche eine Aufteilung des Blitzstroms über mehrere Ableiter vorsieht, um eine lokale Reduktion des blitzstrombedingten Magnetfeldes durch destruktive Überlagerung zu erreichen.
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Nach wie vor besteht jedoch das Problem, dass blitzstrombedingte Magnetfelder empfindliche Elektronik innerhalb eines Gebäudes stören oder elektronische Komponenten zerstören können.
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Diesbezüglich gibt der Prüfschärfegrad nach EN 61000-4-9 1993+A1:2001 an, welche Feldstärke eines impulsförmigen Magnetfeldes nicht zu einem Ausfall eines Gerätes führen darf. Diesbezüglich werden fünf Schärfegrade definiert. Der Prüfschärfegrad 3 betrifft eine geschützte Umgebung. Der Spitzenwert der Feldstärke des impulsförmigen Magnetfeldes liegt beim Prüfschärfegrad 3 bei 0,128 mT.
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Bei dem Prüfschärfegrad 4, welcher einer typischen Industrieumgebung entspricht, liegt der Spitzenwert der Feldstärke bei 0,384 mT. Beim Prüfschärfegrad 5 mit sehr viel Industrieumgebung liegt der Spitzenwert bei 1,28 mT.
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Aus der vorgenannten Problematik abgeleitet ist es Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Blitzstromableiteinrichtung für den äußeren Blitzschutz von Gebäuden, Containern, Zelten oder dergleichen Objekten mit mindestens einer Fangeinrichtung und mindestens einer, mit der Fangeinrichtung in Verbindung stehenden Blitzstromableitung, welche zu einer Erdungsanlage führt und dort angeschlossen ist, anzugeben, wobei das entstehende Magnetfeld sowohl in seiner Amplitude reduziert ist als auch in räumlich abgesetzte Punkte im Raum verlegt wird, so dass empfindliche elektronische oder elektrische Systeme, die sich innerhalb des Objektes, insbesondere Gebäudes, befinden, vor den Auswirkungen des sich schnell verändernden Magnetfeldes geschützt sind.
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Da grundsätzlich die Anforderungen an den Trennungsabstand zwischen Installationsschleifen und blitzstromdurchflossenen Ableitungen proportional zur induzierten Spannung bzw. zur Änderungsgeschwindigkeit des Magnetfeldes sind, soll die erfindungsgemäße Blitzstromableiteinrichtung auch gleichzeitig eine Reduktion des notwendigen Trennungsabstandes ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
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Es wird demnach von einer Blitzstromableiteinrichtung für den äußeren Blitzschutz von Gebäuden, Containern, Zelten oder dergleichen Objekten ausgegangen. Die Blitzstromableiteinrichtung besitzt mindestens eine Fangeinrichtung, zum Beispiel ausgebildet als Fangstange, und mindestens eine, mit der Fangeinrichtung in Verbindung stehende Blitzstromableitung. Die Blitzstromableitung führt zu einer Erdungsanlage, zum Beispiel einem Tiefenerder, und ist dort angeschlossen.
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Erfindungsgemäß sind zur Reduktion des blitzstrombedingten Magnetfeldes in der unmittelbaren Umgebung der Blitzstromableitung, bevorzugt außerhalb des zu schützenden Objektes, eine oder mehrere geschlossene Leiterschleifen ausgebildet.
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Die Ausbildung erfolgt derart, dass ein magnetfeldreduzierter Schutzraum im Objekt entsteht. Die Abmessungen der Leiterschleifen bestimmen hierbei die Größe des Schutzraumes im Gebäude.
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Mindestens Abschnitte der Leiterschleifen sind derart in der Nähe der Blitzstromableitung angeordnet, insbesondere zu dieser parallelgeführt, so dass im Blitzstromfall in der jeweiligen Schleife ein Strom iind induziert wird, der einen magnetischen Fluss Bind erzeugt, welcher dem magnetischen Fluss BBlitz in der Blitzstromableitung entgegenwirkt und diesen auf einen Wert Bred reduziert.
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Mit der vorgeschlagenen Maßnahme ergibt sich also eine Verbesserung der Gegebenheiten bezogen auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) bei einem Blitzeinschlag in Gebäuden. Dabei kann es sich um ortsfeste Gebäude, aber auch grundsätzlich mobile Gebäude wie zum Beispiel Container oder Zelte aber auch Wohnmobile und ähnliche Objekte handeln.
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In Ausgestaltung der Erfindung wird eine isolierte Blitzstromableitung eingesetzt. Eine derartige isolierte Blitzstromableitung ist unter dem Handelsnamen HVI-Leitung (eingetragene Marke der DEHN + SÖHNE GmbH + Co. KG) bekannt.
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Eine solche isolierte Blitzstromableitung wird im Bereich des zu schaffenden Schutzraumes mit einer leitfähigen Umhüllung zum Beispiel in Form eines leitfähigen Mantels oder eines leitfähigen Netzes versehen, wobei an der leitfähigen Umhüllung mindestens eine, bevorzugt zwei Leiterschleifen angeschlossen sind. Dabei wird ein Anschlussabschnitt gebildet, der einen Teil der Leiterschleife darstellt. Mit anderen Worten wird die Leiterschleife erst durch den vorerwähnten Abschnitt der metallischen Umhüllung geschlossen.
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Wie bereits angedeutet ist es vorteilhaft, mindestens zwei Leiterschleifen auszubilden, welche sich in einer Ebene, jedoch zu verschiedenen Seiten der Blitzstromableitung erstrecken. Vom Gebäudeäußeren betrachtet ergibt sich dann quasi hinter der Ebene der Leiterschleifen ein sich in das Gebäude hineinerstreckender, angestrebter Schutzraum.
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Insofern ist die mindestens eine, bevorzugt sind die beiden Leiterschleifen außerhalb des Objektes an oder vor einer Außenwand befindlich.
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Mindestens Teile metallischer Konstruktionselemente des jeweiligen Objektes können dabei Bestandteil einer Leiterschleife sein oder in eine solche Leiterschleife eingebunden werden.
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Der Schutzraum erstreckt sich, wie ausgeführt, im Wesentlichen senkrecht zur Ebene der Leiterschleifen in das Gebäudeinnere hinein.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung können mehrere konzentrische oder ineinander verschachtelte Leiterschleifen ausgebildet werden.
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Die Leiterschleifen sind erdverbindungsfrei ausgeführt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Leiterschleifen aus Band- oder Flachleitern mit rechteckigem Querschnitt.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
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Hierbei zeigen:
- 1 ein Prinzipschaltbild eines Teiles einer Blitzstromableiteinrichtung mit isolierter Blitzstromableitung und zwei Reduktionsschleifen nebst Wirkung der induzierten Ströme und sich daraus ergebenden Magnetflüssen sowie eine graphische Darstellung des Verlaufes des magnetischen Flusses ohne und mit Reduktionsschleifen (unterer Teil der 1);
- 2 eine prinzipielle Darstellung der erfindungsgemäßen Blitzstromableiteinrichtung ausgebildet an einem Gebäude mit dem sich in das Gebäudeinnere hineinerstreckenden Schutzraum, erhalten durch die erfindungsgemäßen Reduktionsschleifen; und
- 3 das Ergebnis der Auswirkungen auf das Magnetfeld unter Nutzung der erfindungsgemäßen Blitzstromableiteinrichtung, und zwar in einem Abstand (m) hinter der blitzstromführenden Ableitung in mT.
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Gemäß der Darstellung nach 1 wird von einer Blitzstromableiteinrichtung für den äußeren Blitzschutz ausgegangen. Zur Vereinfachung wurde der größte Teil der Blitzstromableitung nebst Fangeinrichtung sowie die Erdungsanlage weggelassen.
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Die isolierte Ableitung 1 weist in ihrem Kernbereich einen durchgehenden elektrischen Leiter, der als Blitzstromableitung 2 wirkt, auf.
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Die isolierte Ableitung 1 ist von einer metallisch leitfähigen Umhüllung 3 umgeben, die sich über einen Längenabschnitt erstreckt, der im Wesentlichen dem zu schützenden Bereich (siehe 2) entspricht.
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An diese metallische leitfähige Umhüllung 3 sind zwei Reduktionsschleifen als Leiterschleifen 4 ausgebildet.
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Unter Bezugnahme auf die 2 erstreckt sich ausgehend von der isolierten Ableitung 1 mit Blitzstromableitung 2 eine linksseitige Leiterschleife und eine rechtsseitige Leiterschleife (Reduktionsschleife) 4.
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Im Blitzstromfall bildet sich der magnetische Fluss BBlitz aus.
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Dieses Magnetfeld induziert in den Reduktionsschleifen 4 einen Strom iind mit einem Vektor gemäß Pfeildarstellung nach 1.
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Der induzierte Strom iind wiederum führt zu einem magnetischen Bind. Die Flussrichtung ist dabei entgegen zur Flussrichtung BBlitz gerichtet. Infolgedessen kommt es zu einer Reduzierung des sich ergebenden Gesamtmagnetfeldes bzw. des Flusses Bred.
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Die in der 1 beispielhaften Kurvenverläufe machen deutlich, in welchem Maße der magnetische Fluss Br bzw. Bred im Vergleich ohne einen Aufbau mit den erfindungsgemäßen Leiterschleifen reduziert ist.
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Die Ausbildung der erfindungsgemäßen Blitzstromableiteinrichtung an einem beispielhaften Gebäude oder dergleichen Objekt 5 zeigt die 2.
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Auf dem Dach des Gebäudes 5 befindet sich eine bekannte Blitzfangstange 6 in aufgeständerter Bauform.
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Zwischen der Blitzfangstange 6 und der Erdungsanlage 7 verläuft eine metallische Blitzstromableitung 2.
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Ein zu schützender Bereich 8 im Gebäude bzw. Objekt 5 wird dadurch geschaffen, dass die erfindungsgemäßen Reduktionsschleifen an der Gebäudeaußenseite ausgebildet werden.
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Im Falle der Anwendung einer isolierten Ableitung als Blitzstromableitung 2 wird, wie in der 1 erläutert, diese isolierte Ableitung mit einer metallischen, leitfähigen Umhüllung 3 (siehe auch 1) versehen.
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Die sich entsprechend flächenmäßig erstreckenden Reduktionsschleifen 4 sind jeweils mit zwei Enden an der metallisch leitfähigen Umhüllung 3 elektrisch angeschlossen, so dass sich eine geschlossene Leiterschleife ergibt.
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Obwohl die Darstellung nach 2 nur prinzipieller Natur ist, wird ersichtlich, dass die Reduktionsschleifen 4 eine erhebliche Fläche einnehmen, wobei eine sehr große, gemeinsame Ebene gebildet wird, die sich zu verschiedenen Seiten der Blitzstromableiteinrichtung 2 hin erstrecken, und zwar mit dem Ziel der Schaffung eines möglichst großen Schutzraumes 8.
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Die 3 zeigt das Ergebnis und die Auswirkungen auf das Magnetfeld hinter der blitzstromführenden Ableitung 2 bzw. im Bereich hinter der metallischen, leitfähigen Umhüllung 3 der isolierten Ableitung 2.
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Berücksichtigt man den notwendigen Abstand bei Einhaltung des Grenzwertes gemäß dem Prüfschärfegrad 4 von 0,384 mT, müsste ohne Reduktionsschleifen ein Abstand von ca. 6,0 m eingehalten werden. Wird eine einzige, sich zu einer Seite erstreckende Reduktionsschleife ausgebildet, ergibt sich ein bereits reduzierter Abstand von im Wesentlichen 4,7 m. Bei der Ausbildung von zwei Reduktionsschleifen wie in der 2 gezeigt, ergibt sich in einem Abstand von 4,0 m bereits der einzuhaltende Grenzwert von 0,384 mT.
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Aus Untersuchungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Lösung hat sich gezeigt, dass das blitzstrombedingte Magnetfeld innerhalb des Schutzraumes im Vergleich zu Abschnitten außerhalb des Schutzraumes um 2-6 dB reduziert ist. Dies entspricht einer Magnetfeldreduzierung von bis zu 50 % im Vergleich zur Umgebung.
