DE10211764A1 - Verfahren zum Bestimmen der Effektivität einer Blitzschutzeinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Effektivität einer Blitzschutzeinrichtung eines Gebäudes. Hierfür wird das elektrische Netz (1) der Blitzschutzeinrichtung (2) als Modell nachgebaut. Das Modell des Netzes (1) wird an die geometrische Ausrichtung der Blitzschutzeinrichtung (2) eines jeden Gebäudes angepasst. Im Modell des Netzes (1) werden die außen liegenden Leiter (6, 7, 8, 9, 10, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 26, 27, 28, 29, 30) der Blitzschutzeinrichtung (2) erfasst.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmen der Effektivität einer Blitzschutzeinrichtung (2) eines Gebäudes gemäß den Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Solche Verfahren kommen dort zur Anwendung, wo Gebäude mittels Blitzschutzanlagen vor Beschädigungen gleich welcher Art durch Blitzeinschläge zu schützen sind.
• Solche Blitzschutzanlagen können aus einzelnen Blitzfangleitungen an exportierten Punkten von Gebäuden oder aus Leitungen bestehen, die in Form von Ableitungen an den Außenseiten von Gebäuden verlaufen und im Erdreich enden. Dort sind sie mit einem Erdungssystem der Blitzschutzeinrichtung verbunden. Dieses ist um das Gebäude herum oder oftmals zwischen mehreren nahe beieinander liegender Gebäude verlegt. Ein wichtiger Teil der Erdungssysteme sind Ringerder, die in einer Tiefe von ca. 0,5 m bis 1 m und in einem Abstand von etwa 1 m um Gebäude herum verlegt werden. Die von oben kommenden Ableiter werden mit diesen leitend verbunden. Die Ringleitungen verschiedener Gebäude einer zusammenhängenden Anlage werden oftmals untereinander durch ein Maschennetz von Erdungsseilen verbunden. An manchen Stellen einer solchen Anlage wird durch sogenannte Tiefenerder eine Verbindung zu tieferen Erdschichten hergestellt. Zu den Blitzschutzeinrichtungen eines Gebäudes gehören beispielsweise auch Ringsysteme in Form von horizontal verlaufenden Kupferkabeln oder -bänder, die in verschiedenen Höhen um ein Gebäude herum verlegt werden, sowie Auffangnetze, die auf dem Dach eines Gebäudes installiert sind.
• Für viele Gebäude sind Blitzschutzanlagen vorgeschrieben. In Abhängigkeit von der Anzahl der Blitzeinschläge am Ort eines Gebäudes, der Brennbarkeit von Anlagen, der Bedrohung von Menschen und Umwelt, dem Wert der Anlagen und weiteren Faktoren sind unterschiedliche Sicherheitsmaßnahmen vorgeschrieben. Um sicherzustellen, dass die hierfür geltenden Vorschriften eingehalten werden, werden Prüfungen durchgeführt. Hierfür werden Wahrscheinlichkeiten für verschiedene Ereignisse wie beispielsweise Blitzeinschlag, Blitzstärke und Einschlagsort angenommen. Die Wahrscheinlichkeiten werden dann mathematisch verknüpft, um eine Gesamtwahrscheinlichkeit für eine angenommene Katastrophe, beispielsweise eine Kernschmelze in einem Atomreaktor zu erhalten. Liegt diese unter einem vorgeschriebenen Wert gilt die Anlage als blitzschutzsicher.
• Ferner gibt es auch detaillierte Bestimmungen darüber, wie Blitzschutzeinrichtungen für bestimmte Gebäude ausgelegt sein müssen. Sie enthalten beispielsweise Vorgaben über die Maschenweite von Auffangnetzen, die Abstände von Ableitern, Netzweiten von Ableitnetzen, Anbindungen von Fassadenelementen und Bewehrungen an Erdleiter. Der Sicherheitsnachweis wird dadurch erbracht, dass überprüft wird, ob der Blitzschutz diesen Vorschriften entspricht.
• Ferner sind Vorschriften bekannt, bei denen ausschließlich von Erfahrungswerten ausgegangen wird, die beschreiben, wie sich die von Blitzen verursachten Ströme in den Ableitungen einer Blitzschutzeinrichtung aufteilen. Bei der Bestimmung der Verteilung dieser Ströme wird beispielsweise für alle diese Ströme davon ausgegangen, dass ein Drittel dieser Ströme durch die Erdungsanlage des getroffenen Gebäudes in das Erdreich eintritt. Diese Methode kann in Zweifelsfällen zu falschen Ergebnissen führen, da hierbei viele Details außer Acht gelassen werden, und die angewendeten Faustregeln den tatsächlichen Sachverhalt nur sehr grob beschreiben. Um die Effektivität einer Blitzschutzeinrichtung genau bestimmen zu können ist, es jedoch erforderlich, die Ströme und die elektrischen Potentialdifferenzen, die durch die Einschläge von Blitzen verursacht werden, innerhalb der gesamten Blitzschutzeinrichtung zu erfassen.
• Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem für Blitze unterschiedlicher Stärke und verschiedenen Einschlagsorten in die Blitzschutzeinrichtung eines Gebäudes die hieraus resultierenden Ströme in den Leitern der Blitzschutzeinrichtung ermittelt werden können.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren wird der tatsächliche Zustand einer Blitzschutzeinrichtung eines Gebäudes für die Überprüfung zugrunde gelegt. Hierfür wird das elektrische Netz der Blitzschutzeinrichtung nachgebaut, wofür mindestens immer die außen liegenden Leiter der Blitzschutzeinrichtung erfasst werden. Metallische Bauelemente wie Fassadenelemente, Bewehrungen und Rohre werden dabei ebenfalls berücksichtigt. Diese baulichen Einrichtungen tragen häufig 90% der beim Einschlag eines Blitzes in ein Gebäude verursachten Ströme im Vergleich zu den Leitern, welche die eigentliche Blitzschutzeinrichtung bilden. Der Detaillierungsgrad des zu erstellenden elektrischen Netzes kann den jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden. Hierfür werden die tatsächlich vorliegenden Material- und Geometriedaten des Gebäudes und der Blitzschutzeinrichtung verwendet, und der tatsächliche Erdübergangswiderstand berücksichtigt. Die verschiedenen Stellen, an denen die Blitze einschlagen, die Blitzamplituden und -formen können frei gewählt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Schwachstellen der Blitzschutzeinrichtung erkannt werden. Gebäudedämpfungen werden bei der Bestimmung von Messwerten mit Hilfe des nachgebauten Netzes berücksichtigt. Die Verteilung der Stromamplituden in den verschiedenen Leitern der Blitzschutzeinrichtung sowie die zeitlichen Verläufe der Stromamplituden lassen sich mit Hilfe dieses Netzes veranschaulichen.
• Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
• Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einer schematischen Zeichnungen näher erläutert.
• Die einzige Figur der Beschreibung zeigt das elektrisch Netz 1 eine Blitzschutzeinrichtung 2 im Modell, mit der ein Gebäude (hier nicht dargestellt) ausgestattet ist. Die Blitzschutzeinrichtung 2 ist an die Geometrie und den Zustand des Gebäudes angepasst. Sie erstreckt bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel vom Erdreich 3 aus über zwei im Abstand übereinander angeordnete Ebenen 4 und 5 des Gebäudes. Um die Größe der elektrischen Ströme erfassen zu können, welche durch die Einschläge von Blitzen innerhalb der Blitzschutzeinrichtung 2 verursacht werden, dient das Modell des elektrischen Netz 1. In diesem Netz 1 sind nur die außen liegenden Leiter 16, 17, 18, 19, 20 der Ebene 4, die zwischen den beiden Ebenen 4 und 5 installierten Leiter 21, 22, 23, 24 und die ebenfalls außen liegenden Leiter 26, 27, 28, 29 und 30 der Ebne 5 dargestellt. Ferner sind hierbei auch die außen liegenden Leiter 6, 7, 8, 9 und 10 erfasst, die in das Erdreich geführt und mit dem Erdpotential verbunden sind. Für die geometrische Erfassung des elektrischen Netzes 1 sind in den Ebenen 3 und 4 Verbindungspunkte 40, 41, 42, 43, 44 bzw. 50, 51, 52, 53, 54 vorgesehen. Die Koordinaten der Verbindungspunkte werden für das Erstellen des Netzes 1 und die Bestimmung der Ströme in den Leitern 6, 7, 8, 9, 10, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 26, 27, 28, 29, 30 erfasst. Sowohl die Verbindungspunkte 40, 42, 43, 44 der Ebene 4 als auch die Verbindungspunkte 50, 52, 53, 54 der Ebene 5 sind bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in den Eckpunkten eines Rechtecks angeordnet. Nur die Verbindungspunkte 41 und 51 sind mittig auf jeweils einer Seite der Rechtecke angeordnet, welche die Ebenen 4, 5 umspannen. Jeweils ein Verbindungspunkt 40, 41, 42, 43, 44 bzw. 50, 52, 53, 54 der Ebene 4 bzw. 5 ist mit wenigstens zwei elektrischen Leitern 16 und 20, 16 und 17, 17 und 18, 18 und 19, 19 und 20, 26 und 30, 26 und 27, 27 und 28, 29 und 30 verbunden. Die Verbindungspunkte 40 und 50, 42 und 52, 43und 53 sowie 44 und 54 der beiden Ebenen sind über einen der Leiter 21, 22, 23, 24 miteinander verbunden. Die Verbindungspunkte 40, 41, 42, 43, 44 sind über die als Erdleiter genutzten Leiter 6, 7, 8, 9, 10 an das Erdpotential angeschlossen. Alle in dem elektrischen Netz 1 dargestellten Leiter 6, 7, 8, 9, 10, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 26, 27, 28, 29, 30 sind als 1D-Stab-Elemente dargestellt. Die Länge zwischen zwei unmittelbar benachbarten Verbindungspunkten 40 und 41, 41 und 42, 42 und 43, 43 und 44, sowie 40 und 44 bzw. 50 und 51, 51 und 52, 52 und 52, 53 und 54, sowie 50 und 54 des Netzes 1 entspricht der tatsächlichen Länge des jeweiligen Leiters 6, 7, 8, 9, 10, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 26, 27, 28, 29, 30, der zwischen diesen Verbindungspunkten des elektrischen Netzes 1 angeordnet ist. Jeder dieser Leiter 6, 7, 8, 9, 10, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 26, 27, 28, 29, 30 wird durch die jeweiligen Impedanzbeläge charakterisiert, was der Impedanz pro Länge L(f, 1), R(f, 1), C(f, 1) entspricht. Diese Impedanz pro Länge ist von der Frequenz und bei ferritischen Leitern auch vom Strom abhängig. Sie wird durch Materialeigenschaften wie Leitfähigkeit und Permeabilität, sowie den Leiterquerschnitt mitbestimmt. Die Impedanzbeläge aller Leiter 6, 7, 8, 9, 10, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 26, 27, 28, 29, 30 des Netzes 1 werden durch Messungen oder durch elektromagnetische Feldberechnungen ermittelt.
• Die Bestimmung von R und L wird auf eine für Blitze charakteristische Frequenz von 250 kHz beschränkt. Der Einfluß des Kapazitätsbelags C(f,1) auf den zeitlichen Verlauf eines Stroms in einem Leiter ist praktisch vernachlässigbar. Eine Abhängigkeit der Ströme in den Leitern von R und L ist nur schwach, so dass es ausreicht, die Größenordnung der zu erwartenden Ströme innerhalb eines jeden Leiters 6, 7, 8, 9, 10, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 26, 27, 28, 29, 30 der Blitzschutzeinrichtung 2 auf beispielsweise 1000 A festzulegen.
• Die gegenseitigen Beeinflussungen in Form von Gegeninduktivität und Proximityeffekt der verschiedenen Leiter 6, 7, 8, 9, 10, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 26, 27, 28, 29, 30 der Blitzschutzeinrichtung 2 müssen nicht notwendigerweise berücksichtigt werden. Das Gleiche gilt auch für die Änderung der Stromaufteilung auf die Leiter aufgrund des Proximity-Effekts. Das ist nur bei eng benachbarten antiparallel verlaufenden Strömen erforderlich, was bei Einschlägen von Blitzen nicht zu erwarten ist. Durch eine zusätzliche Ermittlung der elektromagnetischen Felder werden die Impedanzbeläge eines jeden Leiters so modifiziert, dass der Schirm- bzw. Proximityeffekt näherungsweise berücksichtigt wird. Falls erforderlich, können metallische Bauelemente des Gebäudes in Form von Rohren, Antennen, Kabelpritschen, Fassadenelementen, Bewehrungsstählen oder sonstige metallische Konstruktionen durch geeignete 1D- Ausgleichselemente (hier nicht dargestellt) in das elektrisch Netz 1 mit eingebracht werden. Dieses ist von großem Vorteil, da es sich gezeigt hat, dass diese Bauelement häufig einen Großteil des Blitzstromes tragen.
• Die Leiter 6, 7, 8, 9 und 10 des Netzes 1, die erdfühlig ohne Isolation im Erdreich 3 angeordnet sind, bilden das Erdungsnetz der Blitzschutzeinrichtung 2. Jeder dieser Leiter 6, 7, 8, 9 und 10 ist über jeweils einen Erdübergangswiderstand mit dem Erdpotential verbunden, das als Potentialreferenzpunkt für das Netz 1 dient. Der Erdübergangswiderstand eines jeden Leiters 6, 7, 8, 9, 10 wird durch eine globale oder mehrere individuelle Messungen bestimmt. Ebenso kann der Erdübergangswiderstand eines jeden Leiters 6, 7, 8, 9, 10 aus der Bodenbeschaffenheit und der Struktur des Erdungsnetzes ermittelt werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Erdübergangswiderstand eines jeden Leiters 6, 7, 8, 9, 10 umgekehrt proportional zu seiner Länge ist. Der geometrische Aufbau des elektrischen Netzwerks 1 der Blitzschutzeinrichtung 2 wird aus den Koordinaten der Verbindungspunkte 40, 41, 42, 43, 44 bzw. 50, 51, 52, 53, 54 bestimmt werden. Der Einschlag eines Blitzes in das Blitzschutzeinrichtung 2 kann durch das Anlegen einer Stromquelle zwischen dem Erdpotential und einem beliebigen Verbindungspunkt Verbindungspunkt 40, 41, 42, 43, 44 bzw. 50, 52, 53, 54 des Netzes 1 simuliert werden. Die Form der in den Leitern 6, 7, 8, 9, 10, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 26, 27, 28, 29, 30 hierdurch erzeugten Stromsignale wird charakterisiert durch Amplitude, Anstiegs- und Abklingzeiten. Mit Hilfe der Messwerte, deren Bestimmung oben beschrieben ist, kann die Größe der Ströme ermittelt werden, die beim Einschlag eines Blitzes in den Leitern 6, 7, 8, 9, 10, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 26, 27, 28, 29, 30 der Blitzschutzeinrichtung 2 auftreten. Hierfür kann beispielsweise ein Netzwerkanalyseprogramm genutzt werden.

Claims (10)

1. Verfahren zum Bestimmen der Effektivität einer Blitzschutzeinrichtung (2) eines Gebäudes, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch Netz (1) der Blitzschutzeinrichtung (2) als Modell nach gebaut wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell des Netzes (1) an die geometrische Ausrichtung der Blitzschutzeinrichtung (2) eines jeden Gebäudes angepasst wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für das Modell des Netzes (1) wenigstens die außen liegenden Leiter (6, 7, 8, 9, 10, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 26, 27, 28, 29, 30) der Blitzschutzeinrichtung (2) erfasst werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (16, 17, 18, 19, 20 bzw. 26, 27, 28, 29, 30) der Blitzschutzeinrichtung (2) einer jeden Ebne (4, 5) eines Gebäudes, die Leiter (21, 22, 23, 24) die zwischen jeweils zwei im Abstand übereinander angeordneten Ebenen (4 und 5) sowie die Leiter (6, 7, 8, 9 und 10), die in das Erdreich (3) geführt und mit dem Erdpotential in Verbindung stehen, in dem Netz (1) erfasst werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Netz (1) auch metallischen Bauelemente des Gebäudes in Form von Rohren, Antennen, Kabelpritschen, Fassadenelementen und/oder Bewehrungsstählen erfasst werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Ebene (4, 5) mit Verbindungspunkten (40, 41, 42, 43, 44 bzw. 50, 51, 52, 53, 54) versehen wird, dass jeweils zwei Leiter (16 und 20, 16 und 17, 17 und 18, 18und 19, 19 und 20 bzw. 26 und 30, 26 und 27, 27 und 28, 29 und 30) einer jeden Ebne (4, bzw. 5) über jeweils einen Verbindungspunkt (40, 41, 42, 43, 44 bzw. 50, 52, 53, 54) miteinander verbunden werden, dass die zwischen zwei Ebenen (4, 5) installierten Leiter (21, 22, 23, 24) an jedem Ende mit jeweils einem Verbindungspunkt (40 und 50, 42 und 52, 43 und 53 sowie 44 und 54) der zwei Ebenen (4, 5) verbunden werden, dass die ins Erdreich geführten Leiter (6, 7, 8, 9, 10) mit jeweils einen Verbindungspunkt (40, 41, 43, 44) einer Ebene (4) und mit dem Erdpotential verbunden werden, und dass die Koordinaten aller Verbindungspunkte (40, 41, 42, 43, 44 bzw. 50, 51, 52, 53, 54) zum Nachbau des Netzes (1) und zum Bestimmen der von einem Blitz in den Leitern (6, 7, 8, 9, 10, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 26, 27, 28, 29, 30) erzeugten Ströme erfasst werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle in dem elektrischen Netz (1) erfassten Leiter (6, 7, 8, 9, 10, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 26, 27, 28, 29, 30) als 1D-Stab-Elemente dargestellt werden, dass die Länge zwischen zwei unmittelbar benachbarten Verbindungspunkten (40, 41, 42, 43, 44 bzw. 50, 51, 52, 53, 54) (40 und 41, 41 und 42, 42 und 43, 43 und 44, sowie 40 und 44 bzw. 50 und 51, 51 und 52, 52 und 52, 53 und 54, sowie 50 und 54) des Netzes (1) an die tatsächliche Länge des dazwischen liegenden Leiters (16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 26, 27, 28, 29, 30) der Blitzschutzeinrichtung (2) angepasst wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Leiter (6, 7, 8, 9, 10, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 26, 27, 28, 29, 30) der Blitzschutzeinrichtung die Impedanz pro Länge L(f, 1), R(f, 1), C(f, 1) durch Messungen oder durch elektromagnetische Feldberechnungen ermittelt werden, dass die Bestimmung von R und L auf eine für Blitze charakteristische Frequenz von 250 kHz beschränkt wird, und dass die Größenordnung der zu erwartenden Ströme innerhalb eines jeden Leiters (6, 7, 8, 9, 10, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 26, 27, 28, 29, 30) bei der Messung oder Berechnung auf einen Wert von 1000 A festgelegt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenseitigen Einflüsse in Form von Gegeninduktivität und Proximityeffekt der verschiedenen Leiter (6, 7, 8, 9, 10, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 26, 27, 28, 29, 30) aufeinander berücksichtigt werden, dass die Impedanzbeläge eines jeden Leiters (6, 7, 8, 9, 10, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 26, 27, 28, 29, 30) durch eine zusätzliche Ermittlung der elektromagnetischen Felder so modifiziert werden, dass der Schirm- bzw. Proximityeffekt berücksichtigt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeder erdfühlig ohne Isolation im Erdreich (3) angeordnete Leiter (6, 7, 8, 9 und 10) des Erdungsnetzes (3) über jeweils einen Erdübergangswiderstand mit dem Erdpotential verbunden und der Erdübergangswiderstand eines jeden Leiters (6, 7, 8, 9, 10) durch eine globale oder mehrere individuelle Messungen oder aus der Bodenbeschaffenheit und der Struktur des Erdungsnetzes (3) der Blitzschutzeinrichtung (2) ermittelt wird, und dass die Einschläge von Blitzen in die Blitzschutzeinrichtung (2) durch das Anlegen einer Stromquelle zwischen dem Erdpotential und einem beliebigen Verbindungspunkt (40, 41, 42, 43, 44 bzw. 50, 51, 52, 53, 54) des Netzes (1) simuliert und mit Hilfe aller ermittelten Messwerte die Größe der Ströme in den Leitern (6, 7, 8, 9, 10, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 26, 27, 28, 29, 30) bestimmt werden.