DE1440924B2 - Schutzanordnung gegen atmosphärische Entladungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzanordnung gegen atmosphärische Entladungen (Blitzschläge) für unter der Erdoberfläche errichtete Bauwerke.

Für auf der Erdoberfläche errichtete Bauwerke sind zum Schutz gegen atmosphärische Entladungen seit langem Blitzableiter bekannt. Sie werden üblicherweise unmittelbar auf dem Bauwerk angeordnet, wobei der Erdungsleiter am Bauwerk nach unten geführt wird. Diese verhältnismäßig einfache Anordnung ist möglich, da das Mauerwerk des Bauwerks einen weitgehenden Isolator bildet, der für den Entladungsstrom einen größeren Widerstand als der Erdungsleiter darstellt.

Andere Verhältnisse liegen dagegen bei unter der Erdoberfläche errichteten Bauwerken vor, wie sie neuerdings beispielsweise als Luftschutzbunker, als Abschußbasen für Raketen oder ähnliche Zwecke vorgesehen werden. Diese Bauwerke bestehen vielfach zumindest teilweise aus Metall und stellen daher für einen Entladungsstrom einen wesentlich kleineren Widerstand als die umgebende Bodenschicht dar. Ein in der Nähe eines solchen unterirdischen Bauwerks auftretender Entladungsstrom hat daher die Tendenz, durch das Bauwerk zu verlaufen, wobei sich erhebliche Personen- und Sachschäden ergeben können.

Diese Gefahr läßt sich durch Anwendung der von oberirdischen Bauwerken her bekannten Blitzableitertechnik nicht beseitigen. Ein auf einem teilweise metallischen unterirdischen Bauwerk angeordneter und mit einem unmittelbar am Bauwerk entlanggeführten Erdungsleiter versehener Blitzableiter hält nämlich — wie Versuche zeigen — Entladungsströme nicht mit hinreichender Sicherheit vom Bauwerk fern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schutzanordnung zu entwickeln, die einen einwandfreien Schutz von unter der Erdoberfläche errichteten Bauwerken gegen atmosphärische Entladungen gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelößt, daß oberhalb des Bauwerks ein von diesem durch eine Bodenschicht getrenntes Leitersystem angeordnet ist, das durch wenigstens einen Erdungsleiter mit einer räumlich weit entfernten Erdung verbunden ist, wobei Leitersystem und Erdungsleiter derart bemessen sind, daß sie für eine Entladung einen geringeren Widerstand darstellen als eine durch das Bauwerk und die es umgebende Bodenschicht verlaufende Entladungsbahn.

Durch die oberhalb des Bauwerkes zwischen dem Bauwerk und dem Leitersystem vorgesehene Bodenschicht und die gewählte Bemessung von Leitersystem und Erdungsleiter wird mit Sicherheit verhindert, daß Entladungsströme das Bauwerk erreichen. Die Verwendung einer räumlich weit entfernten Erdungsstelle schließt dabei aus, daß ein über das Leitersystem und den Erdungsleiter bereits abgelenkter Entladungsstrom von der Erdungsstelle aus (durch einen Rückstrom im Boden) das Bauwerk tangiert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen vertikalen Schnitt durch einen unterirdischen Schutzraum, der mit einer erfindungsgemäßen Schutzanordnung versehen ist,

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht der Anordnung gemäß F i g. 1, die die Einzelheiten des Schutzgitters näher zeigt,

F i g. 3 eine Variante von F i g. 2,
F i g. 4 und 5 mit Fehlern behaftete Anordnungen, F i g. 6 eine gegenüber den F i g. 4 und 5 abgewandelte Anordnung, die einen sehr wirkungsvollen Schutz gemäß der Erfindung gewährleistet.

Die in F i g. 1 in einem senkrechten Schnitt veranschaulichte Anordnung enthält einen Schutzraum 1, beispielsweise einen Befehlsraum oder eine unterirdische elektrische Zentrale, ferner ein unterirdisches

ίο Bauwerk 2, beispielsweise eine Abschußbasis für Raketen oder einen Schutzraum für die Zivilbevölkerung. Die Bauten 1 und 2 sind miteinander über ein Leitungssystem 3 verbunden, das beispielsweise durch elektrische Leitungen oder durch wichtige Rohrleitungen gebildet werden kann. Knapp unter der Erdoberfläche 4 ist ein Gitter 5 aus sich kreuzenden Leiterelementen angeordnet, dessen Einzelheiten an Hand von F i g. 2 näher erläutert werden. Weiterhin ist ein Rohr 6 aus Keramik oder einem sonstigen nicht leitenden Material vorgesehen, das dem Bauwerk 2 Frischluft zuführt. Dieses Rohr 6 ist durch eine der Maschen des Gitters 5 hindurchgeführt.

In F ί g. 2 ist in perspektivischer Darstellung die ganze Schutzanordnung veranschaulicht; man erkennt hieraus insbesondere die Lage des Gitters 5 oberhalb der Teile 1, 2 und 3. Ein Leiter 7 mit starkem Querschnitt ist mit dem Gitter 5 verschweißt und zu einer ziemlich weit (beispielsweise 2 km) entfernten Erdung 8 geführt, so daß eine Entladung, die die Erde an der Stelle 8 erreicht, keine schädliche Wirkung auf die zu schützenden Teile 1, 2, 3 bzw. die dort untergebrachten Personen ausübt. Die Erdung 8 kann beispielsweise durch feuchten Boden, Grundwasser oder durch eine übliche Erdungsanlage gebildet werden. Es ist grundsätzlich erwünscht, daß der Querschnitt des Leiters 7 der Summe der Querschnitte der kleinen Leiter 9 des Gitters entspricht, die ihm Strom zuführen. Vorteilhaft kann man ferner am Umfang dieses elektrischen Schutzgitters einen Leiter 10 mit starkem Querschnitt vorsehen, ferner einige weitere (teilweise schräg verlaufende) Zuführungsleiter 11, 12, 13 mit großem Querschnitt, die mit allen sie kreuzenden Leitungen verschweißt sind.
Um einen wirksamen Schutz zu gewährleisten, müssen gewisse Vorsichtsmaßregeln getroffen werden. Insbesondere müssen die Abmessungen der Maschen wesentlich kleiner als der Abstand der zu schützenden unterirdischen Objekte von der Erdoberfläche sein; anderseits muß der elektrische Widerstand des Gitters und des in Reihe liegenden Zuführungsleiters zur Erdungsstelle wesentlich kleiner als der Widerstand sein, den der durch die Erde und die zu schützenden Objekte in vertikaler Richtung verlaufende Weg aufweist.

Wenn das Gitter aus Kupferleitern besteht und die vorstehend genannten Bedingungen erfüllt sind, wird einerseits eine elektrische Entladung leichter durch das Kupfer als durch die Erde verlaufen (Wirkung ähnlich der eines Blitzableiters); wenn anderseits die Entladung über dem Erdboden stattfindet, werden sich die hierdurch hervorgerufenen Ströme eher in den benachbarten Maschen des Gitters und im Erdungsleiter ausbilden, als in dem Schutzobjekt, das nur über einen wesentlich größeren Widerstand erreichbar ist.

Betrachtet man den Fall, daß eine Atombombe oder eine sonstige thermonukleare Waffe hinreichend nahe über dem Erdboden explodiert (in der Höhe

von einigen hundert Metern), so daß die hierdurch hervorgerufene Ionisation der Luft bis auf den Erdboden reicht, so hat eine derartige Explosion Wirkungen ähnlich der eines Blitzschlages auf die unterirdischen Leiter; der hierdurch hervorgerufene elektrische Strom im Boden bildet sich in einem ziemlich großen Querschnitt aus, der durch den Schnitt des Erdbodens mit der durch die Explosion ionisierten Luftkugel gegeben ist. In diesem Fall hat das Schutzgitter die Wirkung, daß es die Elektronen von der ionisierten Luftkugel zur Erde oder umgekehrt leitet. Die im Erdbereich induzierten Potentiale sind infolgedessen wesentlich kleiner, so daß die unterirdischen Anlagen geschützt werden.

Man erkennt hieraus, daß eine derartige oberhalb einer unterirdischen Anlage vorgesehene Schutzanordnung im Falle einer atomaren Explosion wirksam ist, wenn diese Schutzanordnung die Anlage überragt und einen (Schutz-)Radius aufweist, der dem der Ionisationskugel der Bombe unter den ungünstigsten Explosionsbedingungen entspricht. Diese Bedingung der zu überdeckenden Oberfläche kommt zu den vorstehend bereits genannten Bedingungen der Dichte, der Abmessungen der Maschen und der Größe des Leiterdrahtes hinzu.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel kann man beispielsweise davon ausgehen, daß ein sehr trockener Boden in einer Größe eines Quadrates von 100 m Seitenlänge für den Strom so durchlässig wie ein Kupferdraht von 1 mm Durchmesser ist. Bei einem derartigen Boden führt somit ein Gitter mit Kupferdrähten von 1 mm Durchmesser und 100 m Seitenlänge der Maschen jedes dem Boden entzogene Elektron durch das Kupfer genauso gut wie der Boden. Ein Gitter mit Drähten von 1 mm Durchmesser und 10 m Seitenlänge der Maschen gewährleistet infolgedessen einen vollständigen Schutz für jedes Objekt, das mehr als 5 m unter der Erdoberfläche angeordnet ist. Wenn die zu schützenden Objekte in einer geringeren Tiefe unter dem Erdboden angebracht werden, muß man die Abmessungen der Maschen entsprechend verringern; man könnte dann auch einen entsprechend dünneren Draht wählen, sofern hierdurch das Gitter noch eine hinreichende mechanische Festigkeit besitzt.

Geht man von einem sehr ieitfähigen »Boden« aus, beispielsweise von Meerwasser mit einem Widerstand von J

„ Ocm-²

und wählt man ein Netz mit Kupferdrähten von

Ω mm²

1,7 10-^β

so sieht man, daß 1 mm² Kupfer etwa 170 m² Meereswasser entspricht, d. h. einem Quadrat von 13 m Seitenlänge. Ein Gitter aus Kupferdrähten von 1 mm² Querschnitt und 1 oder 2 m Seitenlänge der Maschen, angeordnet an der Meeresoberfläche und in Kontakt mit dieser, gewährleistet daher einen hinreichenden Schutz für ein unter der Meeresoberfläche befindliches metallisches Objekt, falls man einen solchen zusätzlichen Schutz als notwendig ansieht; tatsächlich zwingt nämlich im Meereswasser die als Haut- oder Skin-Effekt bekannte Erscheinung die induzierten Ströme zur Konzentration an der Oberfläche. Man sieht auch, daß die Anbringung einer wirksamen Erdung im Meereswasser in diesem Fall einfach darauf hinausläuft, den Strom des Gitters wieder in das Meer zu leiten, indem eine hinreichend große und genügend weit entfernte Elektrode vorgesehen wird.

In Fällen, in denen weder reiner Sand noch Salzwasser vorliegt, sind bezüglich der Leitfähigkeit mittlerer Verhältnisse gegeben; die Anbringung eines Gitters

ίο ist hier immer möglich, sehr einfach und wenig aufwendig.

Eine Variante der Erfindung besteht darin, im Erdboden ein Leitersystem vorzusehen, das nicht gitterförmig, sondern nach Art eines Kammes ausgebildet ist, indem es nahe benachbarte Drähte enthält, die in annähernd konstantem Abstand abgeordnet und an jeweils einem einzigen Punkt mit einem Sammelleiter verbunden sind, der zu einer weit entfernten Erdungsstelle geführt ist.

F i g. 3 zeigt in perspektivischer Darstellung einen derartigen Schutzkamm 5, der beispielsweise an der Oberfläche des Erdbodens angebracht ist und eine Zone 14 schützt. Im Falle des Schutzes gegen atomare Explosionen kann die Zone 14 ein Quadrat von 100 bis 500 m Seitenlänge darstellen; die Drähte des Kammes müssen in allen Richtungen um etwa 300 m über die Zone 14 hinausragen. Der Kamm wird durch einen Sammelleiter 15 gebildet, in den die einzelnen Drähte 16, 17 münden. Der Sammelleiter 15 ist an die Erdungsstelle 8 geführt.

Die kammartige Vorrichtung erfüllt vollständig die Aufgabe, den gesamten Strom der Entladung zu sammeln; die maschenförmige Schutzanordnung erfüllt darüber hinaus noch eine weitere Schutzfunktion. Die in den Maschen fließenden Kreisströme, die nicht zur Erde abgeleitet werden, geben einen Schutz gegen Veränderungen des Magnetfeldes im Erdboden; dieser Effekt wird nur bei einer maschenförmigen Anordnung, nicht dagegen bei einer kammartigen Ausführung erreicht.

Im folgenden sind noch einige mit Fehlern behaftete Anordnungen erläutert, die aus den nachstehend dargelegten Gründen zu vermeiden sind.
F i g. 4 zeigt eine Anordnung, bei der die einzelnen Leiter, z. B. 19, 20, an zwei Sammelleiter 21, 22 angeschweißt sind, die zu der gleichen entfernten Erdungsstelle 23 geführt sind. Diese Anordnung ist ungünstig, da die beiden Sammelleiter und die Verbindungsleiter eine große Schleife bilden, die von einem erheblichen Kreisstrom durchflossen werden und hierdurch Induktionsschäden im Erdboden hervorrufen kann.

F i g. 5 zeigt eine Anordnung mit zwei Sammelleitern 24 und 25, die zu zwei Erdungsstellen 26 und 27 geführt sind. Auch diese Anordnung ist ungünstig, da sich zwischen den beiden Erdungsstellen Kreisströme entwickeln können, was die genannten Mängel aufweist.

F i g. 6 zeigt demgegenüber eine korrekte Schutzanordnung. Hierbei ist das Gitter 5 mit einem einzigen starken Leiter 7 verbunden, der zu mehreren Erdungsstellen 8 a, 8 b, Sc, 8 el geführt ist, die in einem gewissen Abstand voneinander liegen, nämlich jedoch weit von der zu schützenden Anlage 14 entfernt sind.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellten und erläuterten Ausführungsbeispiele; es sind vielmehr zahlreiche Abwandlungen im einzelnen möglich, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schutzanordnung gegen atmosphärische Entladungen (Blitzschläge) für unter der Erdoberfläche errichtete Bauwerke, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Bauwerks (1, 2, 3) ein von diesem durch eine Bodenschicht getrenntes Leitersystem (5) angeordnet ist, das durch wenigstens einen Erdungsleiter (7) mit einer räumlich weit entfernten Erdung (8) verbunden ist, wobei Leitersystem (5) und Erdungsleiter (7) derart bemessen sind, daß sie für eine Entladung einen geringeren Widerstand darstellen als eine durch das Bauwerk und die es umgebende Bodenschicht verlaufende Entladungsbahn.

2. Schutzanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtquerschnitt der Erdungsleiter (7) wenigstens gleich der Summe des Querschnitts aller Leiter des Leitersystems (5) ist.

3. Schutzanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitersystem (5) gitterförmig ausgebildet ist.

4. Schutzanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitersystem (5) kammartig ausgebildet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen