DE69310520T2

DE69310520T2 - Blitzschutz vorrichtung

Info

Publication number: DE69310520T2
Application number: DE69310520T
Authority: DE
Inventors: Richard Briet
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-07-24
Filing date: 1993-07-23
Publication date: 1997-09-25
Anticipated expiration: 2013-07-24
Also published as: US5365398A; EP0654187A1; HK1008126A1; AU4783993A; DE69310520D1; WO1994002980A1; CA2140932A1; EP0654187B1

Description

Allgemeiner Stand der Technik

Die vorliegende Ertindung ist auf Blitzschutzeinrichtungen bzw. Blitzableiter gerichtet und inbesondere auf ein System zum Schützen von Menschen, Bauten und anderen Aktiva (Anlagen, Objekte, Vermögenswerte) gegenüber den Gefahren, die mit Blitz verbunden sind.
Ein Blitzschutz ist notwendig, wo immer Menschen oder Aktiva (Anlagen, Objekte, Vermögenswerte) als durch unmittelbarem Blitzeinschlag bedroht empfilnden werden. Wenn mit den Wichtigsten begonnen wird, so gehören zu derartigen Aktiva Personen, die im Freien arbeiten, staatliche Gebäude, herköminliche und Kemenergie-Kraltwerksanlagen, militärische (das heißt Heer, Marine und Luftwaffe) und paramilitärische Anlagen und Einrichtungen, Radio- und Fernsehstationen, militärische und nicht-militärische Abschußanlagen (Raketenanlagen unter militärischer, kommerzieller, NASA- oder anderer Überwachung), Observatorien und Satellitenbahnverfolgungsstationen, Kirchen, Einlagerungsplätze für brennbare und/oder explosive Chemikalien, öffentliche Sammelplätze (zum Beispiel Open-Air-Stadien, Golfplätze), Hochspannungsleitungen usw. Es versteht sich, daß ähnliche Erfordernisse rund um den Globus vorhanden sind.
Das primare Ziel von vorhandenem Blitzschutz besteht darin, den Blitz von derartigen Bauten, Menschen und Aktiva (Anlagen, Objekten, Vermögenswerten) abzulenken. Dies wird gemäß dem Stand der Technik durch die Installation von einer oder mehreren, geerdeten Blitzableiter- Auffangstangen an hohen Türmen oder an den höchsten Punkten von Gebäuden bewerkstelligt, wobei diese Blitzableiter-Auffangstangen als Blitzanziehvorrichtungen dienen. Diese Methode beruht auf der falschen Meinung, daß Blitz immer an dem höchsten Punkt in dem Bereich einschlägt, und auf der wahrgenommenen Existenz von Blitzschutzzonen (LPC), welche in vielen Dokumenten beschrieben werden, einschließlich einer Standard-Blitzschutzvorschrift in dem NFPA #78-Dolcument, welches von der (US) National Fire Protection Association herausgegeben wurde. Ohne den Nutzen von Theorie ist das NFPA #78 mehrmals revidiert worden, um die nächstbeste Abschätzung der Größe und der Gestalt für die Schutzzone wiederzugeben.
Wenn Sicherheit ein pnmares Ziel ist, wird eine Mehrzahl von Erdkabeln in einem gewissen Abstand von einer dielektrischen Tragkonstruktion weg unterhalb der Blitzableiter-Auffangstange bei einem Blitzschutzsystem gemäß dem Stand der Technik verankert. Diese Ausgestaltung ist vorgesehen, um zwei Dinge zu bewerkstelligen: (1) um den aufgefangenen Blitzstrom von Arbeits-Bereichen wegzuführen und (2) um so viele Objekte wie nur möglich unter der resultierenden schirmartigen Struktur abzudecken. Zum Beispiel wurde ein derartiges Blitzschutzsystem von J.R. Stahmann (1969) für die Navy 2D2-Site in Pinecastle, Florida, konstruiert und gebaut. Bei diesem Schutzsystem werden aufgefangene Blitzströme ins Auge gefaßt, welche über eine Anzahl von Erdungsdrähten aufgeteilt werden, bevor sie in die Erde an entfernten Stellen für eine beträchtliche Verringerung von Oberflächenströmen und der Erzeugung von gefährlichen Stufenpotentialen in dem Arbeitsbereich unterhalb der Blitzableiter-Auffangstange eingeleitet werden. Ein Nachteil der mehrfach geerdeten, schirmartigen Konstruktion besteht darin, daß in der Tat das Volumen der Blitzschutzzone verkleinert wird, wenn die Erdungsdrähte ausgebreitet werden. Dies bedeutet, daß anstelle eines Vorsehens von mehr Schutz für Objekte unterhalb der Konstruktion die Wirkung geradezu entgegengesetzt ist! Es kann beispielsweise gezeigt werden, daß für ein Zweidraht-Katenoid-Schutzsystem ein Winkel von 60º mit der Vertikalen den Vorteil der Verwendung von zwei Erdungsdrähten als eine Möglichkeit zum Ausdehnen der Schutzzone bis jenseits deijenigen des Einzeldraht-Blitzschutzsystems beseitigt.
Die US-Patente Nr.4 180 698 und 5 043 527 für Carpenter, Jr. offenbaren jeweils noch eine andere Variation der Blitzableiter-Auffangstange. Die Patente für Carpenter, Jr. schlagen atomsphärische Ionisation als effektive Blitzbeseitiger vor. Eine metallische, bürstenartige Konstruktion ist an der Oberseite des Blitzableiters angebracht, um als eine Ionenquelle zu dienen, um Ladungszentren in Wolken oder sonstwo in der Atmosphäre zu neutralisieren. Obwohl die Methode der Entladung eines geladenen Körpers durch Anordnen einer spitzen Nadel an ihm, durch Vorsehen von spitzen Kanten oder durch Bringen einer geerdeten spitzen Nadel nahe an den geladenen Körper bereits etwa 250 Jahre zuvor durch den ursprünglichen Erfinder des Blitzableiters, Benjamin Franklin (1747) entdeckt worden ist, so kann gezeigt werden, daß die Einführung von atmosphärischen lonisatoren die Blitzgefahr tatsächlich verstärken kann anstatt sie zu beseitigen.
Infolgedessen sind Blitzschutzeinrichtungen nach dem Stand der Technik oftmals sowohl bezüglich einer Verhinderung direkter Einschläge an zu schützenden Bauten als auch bezüglich einer Vermeidung von schädlichen Oberflächenströmen und induzierten Stufenpotentialen innerhalb nahegelegener Arbeitsbereiche unwirksam. Darüber hinaus sind die Blitzschutzeinrichtungen nach dem Stand der Technik nicht dazu konzipiert, um sensitive elektronische Ausrüstung gegenüber einer Beschädigung durch wiederabgestrahlte EMI (electromagnetic interference) und RFI (radio frequency interference) von Abwärtsleitern zu schützen.
Es besteht daher eine Notwendigkeit für einen Blitzableiter bzw. eine Blitzschutzeinrichtung, welcher bzw. welche einen oder mehrere der folgenden Punkte in einer einzigen Konstruktion abschwächen oder beseitigen wird.
1. Direkte Blitzeinschläge an geschützten Bauten;
2. Obertlächenströme und induzierte Stufenpotentiale in Arbeitsbereichen; und
3. Von Abwärtsleitern wiederabgestrahlte EMI und RFI.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Blitzanziehungsvorrichtung zum Schützen von sekundären Strukturen vorgesehen, wobei die sekundären Strukturen relativ zu einem Körper mit einem Referenz-Erdpotential angeordnet sind und wobei die Vorrichtung aurweist: Einen langgestreckten, mittleren Leiter mit einem oberen äußeren Ende und einem unteren äußeren Ende; eine Basiseinrichtung zum Tragen des mittleren Leiters und eine Haupterdungseinrichtung zum elektrischen Verbinden eines unteren Bereichs des mittleren Leiters mit dem Körper mit dem Referenz-Erdpotential, gekennzeichnet durch: einen ersten hülsenförmigen Leiter mit einem oberen äußersten Ende und einem unteren äußersten Ende; eine isolierende Abstandeinrichtung, welche den hülsenlörmigen Leiter in einer koaxial beabstandeten Beziehung mit dem mittleren Leiter verbindet; wobei die genannte Basiseinrichtung den mittleren Leiter und den hülsenförmigen Leiter trägt, während das obere äußerste Ende des mittleren Leiters oberhalb des oberen äußersten Endes des hülsenförmigen Leiters vorsteht, so daß ein Bereich des mittleren Leiters oberhalb des hülsenförmigen Leiters und zumindest ein oberer Bereich des hülsenförmigen Leiters für eine Blitzanziehung freiliegend sind; und dadurch gekennzeichnet, daß die Haupterdungseinrichtung einen unteren Bereich des hülsenförmigen Leiters mit dem Körper mit dem Referenz-Erdpotential elektrisch verbindet.
Somit entspricht die vorliegende Ertindung der Notwendigkeit durch Vorsehen eines abgestuften koaxialen Turmes. Der Körper mit dem Erdpotential ist in typischer Weise ein Körper aus Erde mit hierin befindlichem Grundwasser und er wird als eine Referenz-Erde angesehen.
Es kann eine voneinander beabstandete Mehrzahl von Öffnungen in den Wänden des hülsenförmigen Leiters zum Entlüften von heißem Gas hieraus gebildet sein. Die Basiseinrichtung kann ein Basiselement zum relativen Verankern mit der Bodenfläche aufweisen, wobei ein unteres äußerstes Ende des hülsentörmigen Leiters mit dem Basiselement starr verbunden ist und wobei das Stangenelement starr von dem Basiselement vorsteht. Die Basiseinrichtung kann einen jeweiligen Basisbereich des Stangenelements und der hülsenförmigen Leiter aufweisen, wobei die entsprechenden Basisbereiche so ausgebildet sind, um axial in den Boden zum Zwecke einer Abstützung hierdurch getrieben zu werden, und wobei die Haupterdungseinrichtung einen direkten elektrischen Kontakt swischen den entsprechenden Basisbereichen und dem Körper mit dem Referenz-Erdpotential aufweist.
Es kann zumindest eines der Elemente, das heißt Stangenelement und hülsenförmiges Element, zum Erleichtern des Transports und der Errichtung der Vorrichtung axial segmentiert sein. Die Vorrichtung kann ferner einen zweiten hülsenlörmigen Leiter aufweisen, der durch die Basiseinrichtung getragen ist und der mit der Erdungseinrichtung elektrisch verbunden ist, wobei der zweite hülsenförmige Leiter um einen unteren Bereich des ersten hülsenförmigen Leiters herum koaxial beabstandet ist. Der zweite hülsenförmige Leiter kann eine voneinander beabstandete Mehrzahl von Öffnungen aufweisen, die hierin zur Entlüftung von heißem Gas aus der Vorrichtung ausgebildet sind. Der hülsenförmige Leiter kann zylindrisch oder kreisförmig im Querschnitt sein. Alternativ hierzu kann der hülsenförmige Leiter kreiszylindrisch sein.
Die Vorrichtung kann weiterhin einen äußeren Ringleiter aufweisen, wobei der äußere Ringleiter um einen unteren Bereich des ersten hülsenförmigen Leiters herum beabstandet und von diesem elektrisch isoliert ist; sowie eine äußere Erdungseinrichtung zum elektrischen Verbinden des äußeren Ringleiters mit dem Körper, welcher das Referenz-Erdpotential aufweist. Die äußere Erdungseinrichtung kann einen vertikal ausgerichteten, leitfähigen Stab zum elektrischen Verbinden des äußeren Ringleiters mit dem Körper mit dem Referenz-Erdpotential aufweisen. Es kann eine Mehrzahl der leitfähigen Stäbe voneinander beabstandete Stellen an dem äußeren Ringleiter mit dem Körper mit dem Referenz-Erdpotential verbinden. Die äußere Erdungseinrichtung kann eine Mehrzahl von leitfähigen Elementen zum elektrischen Verbinden von voneinander beabstandeten Stellen an dem äußeren Ringleiter mit der Haupterdungseinrichtung aufweisen. Eine isoherende Abdeckung kann für zumindest einen unteren Bereich des äußeren Ringleiters miteinbezogen sein, um Aktiva (Anlagen, Objekte, Vermögenswerte) in unmittelbarer Nähe zu der Vorrichtung gegenüber einer direkten Berührung mit deren stromführenden Elementen zu schützen. Der äußere Ringleiter kann kreisförmig sein.
Ein anderer Gesichtspunkt der Erfindung sieht ein Verfahren zum Schützen einer sekundären Struktur gegenüber Beschädigung durch Blitz vor, wobei dieses Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Vorsehen eines leitfähigen Turms mit einer Höhe h&sub0;; Bestimmen einer spitz auslaufenden Zone des Schutzes als ein Rotationskörper um den Turm, wenn der Turm oberhalb des Bodenniveaus vertikal vorstehend ist; Verankem des Turms mit dem Boden in Nähe zu der sekundären Struktur an einer Stelle, derart, daß die Struktur sich lediglich innerhalb der Schutzzone erstreckt; und Elektrischerden des Turms an dem Referenzboden, gekennzeichnet durch:
Bestimmen einer Minimalhöhe , von der aus ein Blitzeinschlag wahrscheinlich die sekundäre Struktur beschädigen würde;
Bestimmen einer ellipsoiden letalen Zone, die gemäß der Beziehung gestal tet ist:
(h/zx - 1)² + ( / x)² = 1,
worin h die Höhe eines Punktes an der Oberfläche der ellipsoiden Zone oberhalb des Bodens ist, zx = (1cosβ) und x = zxsinβ, mit cosβ = u&sub0;/us, wobei u&sub0; bzw. us die mittlere Geschwindigkeit der Blitzausbreitung in Luft bzw. in einer leitenden Anziehungsvorrichtung ist;
Vorsehen eines Turmes als den leitfähigen Turm, wobei dieser Turm eine Höhe h&sub0; aufweist, welche nicht geringer als zx ist, und einen langgestreckten Steuerleiter aufweist, wobei ein hülsenförmiger Leiter den mittleren Leiter umgibt und wobei ein jeweiliger oberer Bereich des mittleren Leiters bzw. des hülsenförmigen Leiters für eine Blitzanziehung freiliegend ist;
Bestimmen der genannten Zone des Schutzes durch Herumdrehen der letalen Zone um den Turm, wobei die letale Zone in Bezug auf den Boden tangential ist und den Turm bei einer Höhe zx oberhalb des Bodens berührt.
Die wird anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in welchen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines aufrecht stehenden, stangenförmigen Blitzschutzes gemäß der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit zu schützenden Strukturen, wobei herköminliche und "Rollkugel"- Zonen des Schutzes gemäß dem Stand der Technik im Vergleich mit einem spitz auslaufenden Kegel des Schutzes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt sind;
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Blitzschutz gemäß Fig. 1;
Fig. 3 eine perspektivische Schrägansicht zur Veranschaulichung weiterer Merkmale des Blitzschutzes gemäß Fig. 1;
Fig. 4 eine perspektivische Schrägansicht, wie in Fig. 3, wobei eine letale Zone veranschaulicht ist, welche den spitz auslaufenden Kegel gemäß Fig. 1 begrenzt;
Fig. 5 eine perspektivische Schrägansicht zur Veranschaulichung einer voneinander beabstandeten Mehrzahl der Blitzschutzvorrichtungen nach Fig. 1, welche eine einzelne hohe, zentral angeordnete Struktur schützen;
Fig. 6 eine Seitenansicht zur Veranschaulichung einer alternativen Ausführungsform, bei welcher lediglich eine der Blitzschutzvorrichtungen nach Fig. 1 die Struktur gemäß Fig. 5 schützt;
Fig. 7 eine bruchstückhafte, geschnittene Seitenansicht der Blitzschutzvorrichtung nach Fig. 1;
Fig. 8 eine geschnittene Seitenansicht zur Veranschaulichung eines Basisbereichs der Blitzschutzvorrichtung gemäß Fig. 7;
Fig. 9 eine geschnittene Seitenansicht Zur Veranschaulichung von Stangensegmentbereichen der Blitzschutzvorrichtung gemäß Fig. 7 in teilweise auseinandergezogener Anordnung;
Fig. 10 eine geschnittene Seitenansicht zur Veranschaulichung der Stangensegmentbereiche gemäß Fig. 9 mit umgebenden Bereichen der Blitzschutzvorrichtung gemäß Fig. 7;
Fig. 11 eine auseinandergezogene Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform der Stangenbereiche gemäß Fig. 9;
Fig. 12 eine auseinandergezogene Darstellung, wie in Fig. 11, zur Veranschaulichung einer anderen, alternativen Ausführungsform der Stangenbereiche gemäß Fig. 9;
Fig. 13 eine perspektivische Seitenansicht zur Veranschaulichung einer alternativen Ausführungsform der Blitzschutzvorrichtung gemäß Fig. 7;
Fig. 14 eine geschnittene Seitenansicht zur Veranschaulichung einer alternativen Ausführungsform der Blitzschutzvorrichtung gemäß Fig. 7, welche auf einer Schwimmplattform, zum Beispiel einem Wasserfahrzeug, installiert ist; und
Fig. 15 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der empirischen Beziehung zwischen der Turmhöhe und dem Anziehungsbereich für die Blitzschutzvorrichtung gemäß Fig. 1.

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung ist auf einen abgestuften köaxialen Turm zum Schützen von Menschen, Bauten und anderen Aktiva (Anlagen, Objekte, Vermögenswerte) gegenüber den Gefahren gerichtet, welche mit Blitz verbunden sind. Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 der Zeichnungen wird erläutert, daß eine leitende Blitzanziehungsvorrichtung oder ein Turm 10 oberhalb eines horizontalen Stücks Erde 12 nach aufwärts bis zu einer Turinhöhe h hochsteht. Eine Quelle 14 eines Blitzes 15 ist bei einer Höhe oberhalb der Erde 12 und bei einem horizontalen Abstand x von dem Turm 10 angeordnet. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist eine traditionelle Schutzzone 16 kegelförmig mit einem Spitzen-Halbwinkel von 450 ausgebildet. Eine "Rollkugel"-Schutzzone 16', wie in der Blitzschutzvorschrift in NFPA #78 definiert, weist eine Fläche von gleichförmigem Radius r auf, welche die Erde 12 und die Anziehungsvorrichtung 10 berührt. Der Radius r beträgt normalerweise 150 Fuß gemäß der Vorschrift, er beträgt 100 Fuß, wenn gefährliche oder entflammbare Aktiva (Anlagen, Objekte, Vermögenswerte) zu schützen sind. Fig. 1 ist somit maßstäblich zu ändern, wenn die Höhe h 150 Fuß ist [oder 100 Fuß bei gefährlichen Aktiva (Anlagen, Objekten, Vermögenswerte)].
Ferner ist in Fig. 1 und 2 ein Gebäude 18 auf der Erde 12 innerhalb der traditionellen Schutzzone 16 und ebenfalls innerhalb der Rollkugelzone 16' gezeigt. Das Gebäude 18 ist auf der Seite des Turms 10 angeordnet gezeigt, welche zu der Blitzquelle 14 entgegengesetzt ist. Eine andere, derartige Konstruktion, die als Gebäude 18' bezeichnet ist, ist auf derselben Seite des Turms 10 wie die Quelle 14 angeordnet. Wie durch die Schattierung in Fig. 2 angegeben, neigt der Turm 10 dazu, die Konstruktion 18 gegenüber der Blitzquelle 14 abzuschirmen, welche von der entgegengesetzten Seite des Turmes 10 ausgeht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ermittelt worden, daß weder die traditionelle Schutzzone 16 noch die Rollkugelzone 16' einen angemessenen Schutz für die Konstruktion 18 ergeben, wenn die Blitzquelle 14 so betrachtet wird, daß sie von derselben Seite des Turms 10 einschlägt. Eine bevorzugte Schutzzone 20 gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch eine ellipsoide letale Zone 22 begrenzt, wobei die letale Zone 22 ein Rota- tionsellipsoid ist, welches in Bezug auf den Turm 10 bei einer Höhe zx und in Bezug auf die Erde 12 bei dem horizontalen Abstand x von dem Turm 10 tangential ist. Die Schutzzone 20 ist somit ein spitz auslaufender Rotationskegel, der sich nach aufwärts bis zu der Höhe zx erstreckt und einen Basisradius entsprechend dem horizontalen Abstand x aufweist. Die höhe zx befriedigt die Beziehungen zx = /(1+cosβ) und x = zxsinβ, mit cosβ = u&sub0;/us, wobei u&sub0; und us die mittlere Geschwindigkeit der Blitzausbreitung in Luft bzw. in der Anziehungsvorrichtung 10 ist. Diese Geschwindigkeiten sind der Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum vergleichbar, wobei die Geschwindigkeit eines Rück-Schlages 1935 von Schönland et al. (vgl. Uman, M.A., "Lightning", Dover, 1984, Seite 27, Tabelle 2.7) als zwischen 5,5 x 1&sup7; und 1,6 x 10&sup8; Meter pro Sekunde ± 20% gemessen wurde. Eine typische Geschwindigkeit in einer Anziehungsvoffichtung beträgt 1,5 x 10&sup8; Meter pro Sekunde. Diese Messungen sind übereinstimmend mit den Messungen von Mr. Peek, welcher in den 20-er Jahren des 20. Jahrhunderts Schutzkegel mit Spitzen-Halbwinkeln gemessen hat, die zwischen 30º und 76º variieren. Wie unten noch vollständiger erläutert wird, bezieht sich die Größe der letalen Zone 22 auf die Höhe der Blitzquelle 14.
Wie ferner in Fig. 1 gezeigt ist, erstreckt sich die Konstruktion 18 bis außerhalb der bevorzugten Schutzzone 20, was angibt, daß der Turm 10 sich zu weit von der Konstruktion 18 befindet, um diese gegenüber einem unmittelbaren Einschlag des Blitzes 15 zu schützen. Im Gegensatz hierzu ist die Konstruktion 18' innerhalb der Schutzzone 20 eingeschlossen, wobei die Konstruktion 18' näher zu dem Turm 10 (und niedriger) als die Konstruktion 18 ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird angenommen, daß die Gestalt und die Abmessungen der bevorzugten Schutzzone 20 dem Blitz 15 entsprechen, welcher einem Weg der "geringsten Zeit" folgt, wobei dieser Weg durch die obigen Gleichungen für die letale Zone 22 wiedergegeben wird. Im einzelnen ist der am meisten wahrscheinliche Weg, welchem der Blitz folgen wird, wenn er sich zwischen einem Ursprungsgebiet und einer Senkenzone bewegt, deijenige Weg, welcher die geringste Zeit zum Durchlaufen erfordert. Die maximale Wahrscheinlichkeit, daß einem gegebenen Weg gefolgt wird, ist zu dem Kehrwert der minimalen Zeit proportional.
Im Zusammenhang mit "relativer Wahrscheinlichkeit" kann irgendein Element innerhalb einer Gesamtheit als ein Standard dienen, mit welchem alle anderen Elemente in der Gesamtheit verglichen werden. Der Vorgang des Vergleichens sämtlicher Elemente innerhalb einer Gesamtheit mit dem gewählten "Standard" ist dem Separieren der Gesamtheit in drei Teilmengen äquivalent: (1) die Menge der Elemente oder die Elemente der Menge mit einer höheren Wahrscheinlichkeit als der Standard, (2) die Menge der Elemente mit gleicher Wahrscheinlichkeit und (3) die Menge der Elemente mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit als der gewählte Standard. Bei der vorliegenden Erfindung bilden diese drei Teilmengen (1) die letale Zone 22, (2) die Begrenzungszone 17 zwischen der letalen Zone 22 und der Sicherheitsoder Schutzzone 20 und (3) die Schutzzone 20 selbst, wobei die genaue Wahl für den Standard die Wahrscheinlichkeit ist, daß ein Blitz in den Erdboden in einem flachen Bereich einschlägt, in dem keine Struktur bzw. Gebäude in der Nähe steht. Die Bezeichnung "in der Nähe" bedeutet: "Innerhalb des kritischen Bereichs x", welcher hier weiter erlautert wird.
Auf der Grundlage dieses Prinzips folgt, daß über einem flachen Terrain die letale Zone 22 ein Ellipsoid ist, welches durch die Gleichung beschrieben wird: worin und
In der obigen Gleichung ist x bzw. zx die horizontale bzw. die vertikale Halb-Hauptachse der ellipsoiden letalen Zone; ist das Maß für die Höhe des Blitzquellenbereichs oberhalb der Erde; p und h sind zusammen die horizontalen und vertikalen Koordinaten eines Punktes an der Begrenzungsfläche 17 der letalen Zone 22 (in Zylinderkoordinaten); u&sub0; bzw. us ist die mittlere Geschwindigkeit der Blitzausbreitung in Luft bzw. in der Konstruktion der Blitzanziehungsvorrichtung 10, wie oben angegeben. Die Halb-Hauptachsen der letalen Zone, x bzw. zx, werden ebenfalls als der kritische Bereich bzw. als die kritische Höhe bezeichnet, weil eine Blitzanziehungsvorrichtung eine 50%-ige relative Wahrscheinlichkeit des Anziehens eines direkten Einschlags haben wird, wenn das Ursprungsgebiet bei einer horizontalen Entfernung x von der Basis der Blitzanziehungsvorrichtung ist; und es wird sodann, wenn ein direkter Einschlag erfolgt, der am meisten wahrscheinliche Anbringungspunkt bei der kritischen Höhe zx oberhalb der Basis der Anziehungsvorrichtung sein, wie ferner in Fig. 1 gezeigt.
Die Wechselwirkung eines Blitzes mit in der Nähe stehenden Strukturen bzw. Bauten ist gekennzeichnet durch (1): die minimale Ausbreitungszeit zwischen einer Blitz-Ursprungs- und einer Senkenzone, τmin, (2): die maximale Wahrscheinlichkeit, daß ein gegebener Verlauf durch den Blitzeinschlag ausgewählt wird, Pmax, und (3): eine Quantität, welche hierin als die relative Wahrscheinlichkeit oder der Effektivitätskoefflzient, Eij, bezeichnet wird, welcher die Effektivität einer primären Struktur angeben kann, einen Schutz flir sekundäre Strukturen gegenüber einem direkten Einschlag zu ergeben. Eine "primäre Struktur" ist eine Struktur, welche aufgrund ihres Aufbaus bzw. Konstruktion ein pnmares Blitzziel ist. Mit anderen Worten, die Blitzanziehungsvorrichtung 10 ist eine pnmare Struktur. Alle anderen in der Nähe befindlichen Strukturen (einschließlich der Struktur 18') werden als "sekundäre Strukturen" bezeichnet, weil aufgrund Aufbau bzw. Konstruktion, Anordnung oder aufgrund irgendeiner anderen denkbaren Technik der Blitz dazu veranlaßt wird, die nahestehenden Strukturen zugunsten der primären Struktur bzw. Strukturen zu meiden. Dementsprechend sind die Strukturen innerhalb der Schutzzone 20 sekundäre Strukturen. Im Zu sammenhang mit diesen Definitionen bedeutet "in der Nähe" "innerhalb des kritischen Bereichs x". Strukturen außerhalb des kritischen Bereichs sind weder "primäre" noch "sekundäre"; sie werden weniger wahrscheinlich durch Blitz getroffen, einfach, weil sie außer Reichweite sind. Dies ist die Verbindung mit dem Konzept eines "Einschlagabstands", welcher manchesmal in der Blitzliteratur erwähnt wird. Es wird angenommen, daß die folgenden Beziehungen für den Turm 10 gelten, wenn er vertikal oberhalb der Erde 12 ausgerichtet ist, wobei die Erde 12 das Niveau bildet:
(1): Die minimale Ausbreitungszeit τmin ist gegeben durch:
(2): Die maximale Wahrscheinlichkeit, daß ein gegebener Verlauf gewählt wird, das heißt Pmax ist gegeben durch:
Wenn "N" die Gesamtzahl der Ziele innerhalb des kritischen Bereichs ist (dies schließt den Erdboden unmittelbar unterhalb des Ursprungsgebiets mit ein!), dann ist die Normalisierungskonstante KB gegeben durch:
Und schließlich (3): die relative Wahrscheinlichkeit oder der Effektivitätskoeffizient Eij ist gegeben durch:
worin "i" und "j" Indexzahlen für verschiedene Blitzziele sind. Wenn die Blitzanziehungsvorrichtung 10 für den Schutz von in der Nähe befindlichen Strukturen bzw. Konstruktionen vorgesehen ist, dann wird die Effektivität jenes Schutzes bezüglich einer sekundären Struktur bzw. Konstruktion durch den Effektivitätskoefflzienten Eij quantifiziert, wobei das genau ge-
wählte Referenzziel die Blitzanziehungsvorrichtung ist, welche per definitionem die primäre Struktur bezeichnet wird. Es ist geeignet, eine "Dezibel- Effektivität" dBE&sub1;&sub2; für die Quantifizierung der Effektivität der Blitzanziehungsvorrichtung 10 zu definieren, wobei dBE&sub1;&sub2; gegeben ist durch:
Wenn die Dezibel-Effektivität positiv ist, so kann gesagt werden, daß das Schutzsystem wirksam ist; wenn sie Null ist, ist es nicht wirksam. Wenn die Dezibel-Effektivität negativ ist, dann ist das Schutzsystem in gefährlicher Weise fehlerhaft, selbst bis zu dem Maße, daß die Rolle der primären und sekundären Strukturen umgekehrt werden, was bedeutet, daß die sekundäre Struktur wahrscheinlicher als die Blitzanziehungsvorrichtung getroffen wird! Wenn dies erfolgt, wirkt die sekundäre Struktur als die Schutzeinrichtung bzw. der Blitzableiter für die primäre Struktur.
Dementsprechend sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Schützen sekundärer Strukturen, ähnlich der Struktur 18' gegenüber einer Beschädigung durch Blitz vor, wobei dieses Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
(a) Bestimmen einer Minimalhöhe , von der aus ein Blitzeinschlag wahrscheinlich die sekundäre Struktur beschädigen würde;
(b) Bestimmen einer ellipsoiden letalen Zone (22), die gemäß der Bestimmung gestaltet ist:
(h/zx - 1)² + ( / x)² = 1,
worin h die Höhe eines Punktes an der Oberfläche der ellipsoiden Zone oberhalb des Erdbodens ist, zx = /(1+cosβ) und x = zxsinβ, mit cosβ = u&sub0;/us, wobei u&sub0; bzw. us die mittlere Geschwindigkeit der Blitzausbreitung in Luft bzw. in einer leitenden Anziehungsvorrichtung ist;
(c) Vorsehen eines leitfähigen Turms (10), wobei der Turm 10 eine Höhe h&sub0; aufweist, welche nicht geringer als zx ist;
(d) Bestimmen eines spitz auslaufenden Kegels des Schutzes (20) als ein Rotationskörper um den Turm 10, wenn der Turm oberhalb des Bodenniveaus vertikal vorstehend ist, durch Herumdrehen der letalen Zone um den Turm, wobei die letale Zone in Bezug auf den Erdboden 12 tangential ist und den Turm 10 bei einer Höhe zx oberhalb des Erdbodens berührt;
(e) Verankern des Turms 10 mit dem Erdboden 12 in der Nähe zu der sekundären Struktur 18' an einer Stelle, derart, daß sich die Struktur 18' lediglich innerhalb der Schutzzone 20 erstreckt; und
(f) Elektrischerden des Turms 10 mit dem Referenz-Erdboden.
Innerhalb der Blitz-Gemeinschaft wird angenommen, daß die stärkeren Einschläge von höheren Ursprungsgebieten herrühren (vgl. zum Beispiel M.F. Stringfellow, "Lightning and Surge Protection of Large Ground Facilities", 1988, International Aerospace and Ground Conference on Lightning and Static Electricity, 19.-22. April 1988, Oklahoma City, OK und A.J. Eriks son, "An Improved Electro-Geometric Model for Transmission Line Shlelding Analysis", IEEE Trans., Band PWRD-2, Nr.3, Juli 1987). Eriksson definiert einen Anziehungsbereich, der R&sub1; bezeichnet wird und der die hori zontale Entfernung von einem Objekt entsprechend dem Einschlagabstand ist und schlägt die Formel vor: R&sub1; = 0,84 H0,6I0,74, worin H der Turmhöhe h entspricht und I der Spitzeneinschlagstrom ist. Diese Gleichung ist streng empirisch und es ermangelt ihr an der Stützung durch eine einwandfreie theoretische Grundlage. Nichts desto weniger und mit weiterer Bezugnah me auf Fig. 15 liefert eine Schar von graphischen Darstellungen von "H" gegenüber "R&sub1;" eine Approximation für die Parameter der bevorzugten Schutzzone 20. Fig. 15 zeigt typische Wert von R&sub1; gemäß der Formel von Eriksson. Der "anziehende Bereich" von Eriksson entspricht dem "kritischen Bereich" x, wie hierin beschrieben; er ist zu zx proportional. Es wird angenommen, daß die kritische Höhe zx eine quadratische Funktion des kritischen Bereichs x ist. Somit ist, wenn in die Form des Ausdrucks von Eriksson gebracht, eine theoretische Beziehung R&sub1; = KE H0,5 = x, wobei KE = 0,84 I0,74. Der Modul 0,84 in der Gleichung von Eriksson kann in Ubereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung präziser bestimmt werden als 0,83 für einen 45º-Kegel. Es wird angenommen, daß die Differenz in der Potenz von H (0,5 gegenüber 0,60) experimentellen und/oder arithmetischen Fehlern in dem Kurvenanpassungsprogramm zuzuschreiben ist, welches von Eriksson verwendet wird.
Unter einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung und mit weiterer Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 weist die Anziehungsvorrichtung 10 vorzugsweise eine abgestufte, koaxiale Ausgestaltung auf, welche insbesondere zum Schützen von Arbeitern oder dergleichen in der Nähe der Anziehungsvorrichtung 10 sowie zum Abschwächen der ungünstigen Wirkungen der durch den Blitz 15 erzeugten elektromagnetischen Strahlung wirksam ist. Wie in Fig. 3 gezeigt, weist der Turm, der mit 10' bezeichnet ist, eine mittlere leitfähige Stange 24 auf, welche sich innerhalb eines ersten zylindrischen Leiters 26 erstreckt, wobei die Stange 24 oberhalb des Leiters 26 bis zu einer Höhe h vorsteht, welche in Fig. 3 mit h&sub0; bezeichnet ist, wobei sowohl die Stange 24 als auch der Leiter 26 an der Erde 12 durch nachstehend beschriebene Mittel elektrisch geerdet sind. Der Turm 10' weist ferner einen außeren Schutzring auf, welcher in typischer Weise nicht mehr als einige Inch oberhalb der Erde erreicht, wobei dieser Schutzring als Ringleiter 28 bezeichnet ist, welcher um den Turm 10' herum konzentrisch beabstandet ist, wobei der Ringleiter 28 zumindest durch eine Erdungsstange 30 separat geerdet ist. Vorzugsweise gibt es eine Mehrzahl von Erdungsstangen 30 für eine Redundanz und, um einen Erdungspfad von geringer Impedanz zu gewährleisten. Fig. 3 weist eine dreidimensionale Darstellung der bevorzugten Schutzzone 20 auf, während Fig. 4 ebenfalls eine dreidimensionale Darstellung der ellipsoiden letalen Zone 22 zeigt, welche mit dem Blitz 15 verbunden ist, wie oben beschrieben, wobei die Schutzzone 20 in Form eines spitz auslaufenden Kegels durch die Rotationsfläche definiert ist, die in Bezug auf die letale Zone 22 zwischen der Erde 12 und dem Turm 10' tangential ist.
Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 5 und 6 wird erläutert, daß die sekundäre Struktur verhältnismäßig hoch sein kann, wie durch die nach oben stehende Raketenstruktur 18" angedeutet ist, wobei die Struktur 18" in der Größenordnung von der Hälfte der Höhe h des Turmes 10' ist. Wie in Fig. 5 gezeigt, weist eine bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine voneinander beabstandete Mehrzahl von Türmen 10' in einer Gruppierung auf, welche die Struktur 18" umgibt. Insbesondere sind zumindest drei und vorzugsweise sechs der Türme 10' mit gleichem Zwischenabstand äquidistant gegenüber der Struktur 18" angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung ist die Begrenzung einer letalen Zone 22 zumindest durch eine der Anziehungsvorrichtungen 10' unterbrochen, bevor die Begrenzung in einen Arbeitsbereich innerhalb der Gruppierung eindringt. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, ist eine einzelne der Anziehungsvorrichtungen 10' zum Schützen der Struktur 18" insbesondere gegenüber den stärksten Einschlägen wirksam, wenn in nachster Nachbarschaft zu dieser Struktur 18" angeordnet.
Unter weiterer Bezugnahme auf die Fig. 7 bis 10 wird erläutert, daß eine bevorzugte Ausgestaltung der Anziehungsvorrichtung 10' einen hülsenlörmigen, koaxialen, zweiten Leiter 32 aufweist, welcher im Zwischenraum zwischen den Leitern 26 und 28 angeordnet ist, wobei der Leiter 26 bzw. der Leiter 32 bzw. der Leiter 28 eine Höhe h&sub1; bzw. eine Höhe h&sub2; bzw. eine Höhe hn aufweist. Es versteht sich, daß sich die Zahlenindizes auf aufeinanderfolgende koaxiale Leiter beziehen, welche die Stange 24 umgeben, wobei n die Zahl derartiger Leiter ist, wobei die Höhe eines speziellen Leiters mit hx bezeichnet ist, worin hx weniger als hx-1 ist, wobei x ein Index für die abgestufte Struktur ist, und wobei h&sub1; ebenfalls geringer ist als die Höhe h&sub0; der Stange 24, wie oben beschrieben. Die Stange 24 und ein jeder der koaxialen Leiter (26, 32, 28 usw.) weisen einen im wesentlichen gleichförmigen Außenradius orx auf, wobei die Leiter (26, 32, 28 usw.) ebenfalls einen Innenradius irx aufweisen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Strom von dem Blitz 15 nach abwärts durch die Anziehungsvorrichtung von der Höhe zx bis zu der Erde 12 durch die Stange 24 oder den äußersten Leiter (26, 28 oder 32) mit der Höhe hx übertragen, welche gleich zu oder größer als zx ist. Somit sind die höchsten (und stärksten) Einschläge an der Stange 24, wobei ein beträchtlicher und vorherrschender Teil des Strompfades in der Anziehungsvorrichtung 10' durch einen oder durch mehrere der koaxialen Leiter abgeschirmt ist. Ein unmittelbarer Einschlag mit irgendeiner, eine Beschädigung verursachenden Größe an dem äußeren Ringleiter 28 ist im Hinblick auf dessen geringe Höhe hx unwahrscheinlich. Stärkere Einschläge, welche nicht an der Stange 24 erfolgen, werden durch die Leiter 26 oder 32 übertragen. Es wird angenommen, daß die abgestufte, koaxiale Ausgestaltung der Anziehungsvorrichtung 10' in vorteilhafter Weise für eine Abschirmung insbesondere der stärkeren Einschläge effektiv ist, weil die Einschlagentfernung unmittelbar auf den Spitzeneinschlagstrom bezogen ist, wie in Fig. 15 gezeigt. Dementsprechend zieht die Anziehungsvorrichtung 10' gemäß der vorliegenden Erfindung selektiv die leistungsstärkeren Blitzströme an die höheren innenseitigen Leiter an und die schwächeren Ströme an die kürzeren außenseitigen Leiter. Der Ringleiter 28 verhindert, daß sich aufgefangene Blitzströme seitlich quer über die Erdoberfläche 12 ausbreiten, wodurch die Erzeugung von Stufenpotentialen jenseits seines äußeren Durchinessers orn verhindert wird. Um eine Bogenbildung zwlschen koaxialen Leitern zu unterdrücken, wird angenommen, daß ein ausreichender Zwischenraum zwischen der Stange 24 und den Leitern 26 und 32 vorgesehen ist, wenn benachbarte Leiter die Beziehung im ≥ e(orn-1) befliedigen, wobei e = 2,71828.
Vorzugsweise weist der untere Teil der Außenseite des äußeren koaxialen Leiters, zum Beispiel 32, eine Abdeckung 34 aus einem geeigneten isoherenden Material zum Schützen von Personen in der Nähe der Anziehungsvorrichtung 10' gegenüber elektrischen Schock auf, wenn ein derartiger Leiter Strom von dem Blitz 15 überträgt. Die Abdeckung 34 braucht sich nicht höher an dem Leiter 32 als die Bereiche von diesem zu erstrecken, welche durch Arbeiter oder andere Aktiva (Anlagen, Objekte, Vermögenswerte) eng erreicht werden können, welche durch den Strom und die zugeordnete Spannung geschädigt werden können. Die Abdeckung 34 kann eine
geeignete dielektrische Beschichtung oder ein separat ausgebildeter koaxialer, dielektrischer Zylinder sein, welcher eng auf den zugeordneten Leiter 32 paßt.
Wie ebenfalls in Fig. 5 bis 7 und 10 gezeigt, weisen die koaxialen Leiter 26 und 32 Schlitze oder Öffhungen 36 hierin auf, um es heißer Luft zu erlauben, zu entweichen, wenn ein unmittelbarer Einschlag auf die Anziehungsvorrichtung 10' erfolgt. Eine beispielsweise Ausgestaltung der Öffnungen 36, welche in den Zeichnungen veranschaulicht ist, weist eine in Vertikalrichtung langgestreckte, rechteckförmige Gestalt auf Die Möglichkeit, daß die koaxialen Leiter 26 und 32 ausfallen, wenn die dem Druck von entweichendem Gas unterworfen werden, wird durch eine sorgfältige Wahl von Materialien für die Festigkeit und durch genaue Auswahl der Wandstärke der Leiter 26 und 32 und die Größe und Gestalt der Öffnungen 36 abgeschwächt oder sogar beseitigt.
Vorzugsweise ist, und wie in Fig. 7 bis 10 gezeigt, die Anziehungsvorrichtung 10' für die Erleichterung des Transports und der Errichtung modular segmentiert. Insbesondere ist die Stange 24 aus einer Mehrzahl von Stangensegmenten 38 aufgebaut, welche in verschraubbarer Weise mittels entsprechender Stangenkupplungen 40 verbunden sind, wie am besten aus Fig. 9 und 10 ersichtlich ist. Die koaxialen Leiter 26 sind in ähnlicher Weise aus Leitersegmenten 42 gebildet, welche in verschraubbarer Weise mittels hülsenförtniger Leiterkupplungen 44 verbunden sind, wobei die Kupplungen 40 und 44 aus geeigneten leitfähigen Materialien gebildet sind. Der erste koaxiale Leiter 26 ist von der Stange 24 durch ein oder mehrere erste koaxiale Abstandsstücke 46 beabstandet, der zweite Leiter 32 ist in ähnlicher Weise von dem Leiter 26 durch ein zweites koaxiales Abstandsstück 48 beabstandet, wobei die Abstandsstücke 46 und 48 aus einem geeigneten dielektri schen Material, zum Beispiel Glas oder Keramik gebildet sind. Die Stange 24 und die Leiter 26 und 32 sind auf Erdniveau durch ein leitfähiges Basiselement 50 elektrisch und mechanisch verbunden und getragen, wobei das Basiselement 50 entsprechende aufrechtstehende verschraubte Ringbereiche 52 und 54 zum Ineingriffgelangen mit den Leitern 26 und 32 aufweist. Das Basiselement so ist mit einem Fundament 56 unter Verwendung geeigneter Befestigungselemente 58 verankert, wobei sich die Stange 24 nach abwärts in die Erde 12 unterhalb der Basis 50, vorzugsweise so weit wie ein örtlicher Grundwasserspiegel 60 erstreckt, um die Basis 50 in effektiver Weise zu erden.
Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 11 wird erläutert, daß eine alternative Ausführungsform des Stangenelements 24 Gegenstücke für die Segmente 38 aufweist, wobei diese Gegenstücke ein unmittelbares verschraubtes Ineingriffgelangen ohne die Verwendung der Kupplung 40 erbringen. Unter weiterer Bezugnahme auf die Fig. 12 wird erläutert, daß eine andere alternative Ausführungsform des Stangenelements 24 andere Gegenstücke für die Segmente 38 aufweist, welche ein teleskopartiges Ineingriffgelangen ebenfalls ohne die Verwendung der Kupplung 40 ergeben. Es versteht sich, daß bei der vorliegenden Erfindung sowohl entsprechende alternative Ausführungsformen der Leitersegmente 42 als auch ein unmittelbarer End-Zu- End-Tragkontakt zwischen den Leitersegmenten 42 in Betracht gezogen werden.
Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 13 wird erläutert, daß eine alternative Ausführungsform der Anziehungsvorrichtung 10' Gegenstücke für die koaxialen Leiter 26 und 32 und einen dritten koaxialen Leiter 26 aufweist, welcher in dem Zwischenraum zwischen dem zweiten Leiter 32 und dem Ringleiter 28 angeordnet ist, wobei sich die Leiter 26, 32 und 62 über eine wesentliche Tiefe in den Erdboden 12, vorzugsweise unterhalb des Grundwasserspiegels 60, erstrecken. Wie ferner in Fig. 13 gezeigt ist, ist der Erdboden 12 abgestuft, um sich nach unten hin und nach auswärts in Richtung zu dem äußeren Ringleiter 28 von dem dritten Leiter 62 zu neigen, wie bei 64 angedeutet, und um sich nach unten hin und nach einwärts in Richtung zu dem Ringleiter 28 zu neigen, wie bei 66 angedeutet, wobei ein oberer Oberflächenbereich 68 des Erdbodens 12 aus einem geeigneten porösen Material für eine Drainage von Regenwasser von der Oberfläche des Erdbodens 12 gebildet ist. Der poröse Erdbodenbereich 68 schützt separat oder in Kombination mit den geneigten Bereichen 66 und 64 in vorteilhafter Weise Arbeiter und andere Aktiva (Arlagen, Objekte, Vermögenswerte) gegenüber gefährlichen Oberflächenströmen und induzierten Stufenpotentialen von unmittelbaren oder nahen Einschlägen.
Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 14 wird erläutert, daß eine weitere Ausgestaltung der Anziehungsvorrichtung 10, welche mit 10" bezeichnet ist, ein schwimmendes Wasserfahrzeug 70 schützt, wobei die Anziehungsvorrichtung 10" von einem unteren Schiffskörperbereich 72 des Wasserfahrzeugs 70 getragen ist und sich von diesem unteren Schiffskörperbereich 72 aus nach aufwärts erstreckt. Von dem unteren Schiffskörperbereich 72 erstreckt sich die Anziehungsvorrichtung 10" nach aufwärts innerhalb eines Bohrungshohlraums 74 des Wasserfahrzeugs 72. Bin Erdleiter 76 erstreckt sich von einem Gegenstück des Basiselements, welches mit 50' bezeichnet ist, an dem Boden des Bohrungsbereichs 74 bis zu einer galvanischen Opferpiatte 78, welche außen an dem Wasserfahrzeug 72 angebracht ist. Ein Gegenstück des äußeren Ringleiters 78 mit der Abdeckung 34 erstreckt sich von dem Basiselement 50' bis zu der Höhe hn relativ zu einem Deckbereich 80 des Wasserfahrzeugs 72, wobei der Leiter 28 und die anderen Komponenten der Anziehungsvorrichtung 10" funktionieren, wie oben erläutert. Der Leiter 28, welcher innerhalb des Bohrungshohlraums 74 mit Zwischenraum angeordnet ist, vermeidet ebenfalls in vorteilhafter Weise die Übertragung von hohen Einschlagströmen durch strukturelle Bereiche des Wasserfahrzeugs 70. Wenn erforderlich, ist der Bohrungshohlraum 74 mit einer Drainage mittels einer (nicht gezeigten) Drainpumpe oder mit anderen geeigneten Mitteln versehen, um die elektrische Isolation zwischen der Anziehungsvorrichtung 10" und Bereichen des Wasserfahrzeugs 70 aufrecht zu erhalten, welche von der Basis 50' entfernt sind.
Obwohl die vorliegende Erfindung in beträchtlichem Detail unter Bezug nahme auf gewisse bevorzugte Versionen der Erfindung beschrieben worden ist, so sind andere Versionen möglich. Beispielsweise können die Öffnungen 36 für eine Dämpfüng akustischer Geräusche gestaltet und beabstandet sein, welche mit dem Entweichen heißer Luft verbunden sind Ferner können eine oder mehrere Blitzanziehungsvorrichtungen an äußeren
Seiten eines Wasserfahrzeugs angebracht werden, wodurch die notwendigkeit des Bohrungshohlraums 74 vermieden wird, während eine elektrische Isolierung zwischen der Anziehungsvorrichtung 10" und dem Wasserfahrzeug 70 aufrechterhalten wird. Daher sollte der Schutzumfang der beigefügten Ansprüche nicht notwendigerweise auf die Beschreibung der hierin enthaltenen, bevorzugten Versionen beschränkt werden.

Claims

1. Eine Blitzanziehungsvorrichtung (10) zum Schützen von sekundären Strukturen (18, 18"), wobei die sekundären Strukturen (18, 18") relativ zu einem Körper (12) mit einem Referenz-Erdpotential angeordnet sind und wobei die Vorrichtung (10) aufweist: Einen langgestreckten, mittleren Leiter (24) mit einem oberen ußersten Ende und einem unteren äußersten Ende; eine Basiseinrichtung (50) zum Tragen des mittleren Leiters (24) und eine Haupterdungseinrichtung zum elektrischen Verbinden eines unteren Bereichs des mittleren Leiters (24) mit dem Körper (12) mit dem Referenz-Erdpotential, gekennzeichnet durch: Einen ersten hülsenförmigen Leiter (26) mit einem oberen äußersten Ende und einem unteren äußersten Ende; eine isolierende Abstandseinrichtung (46), welche den hülsenförmigen Leiter (26) in einer koaxial beabstande ten Beziehung mit dem mittleren Leiter (24) verbindet; wobei die genannte Basiseinrichtung (50) den mittleren Leiter (24) und den hülsenförmigen Leiter (26) trägt, während das obere äußerste Ende des mittleren Leiters (24) oberhalb des oberen äußersten Endes des hülsenförmigen Leiters (26) vorsteht, so daß ein Bereich des mittleren Leiters (24) oberhalb des hülsenförmigen Leiters (26) und zumindest ein oberer Bereich des hülsenförmigen Leiters (26) für eine Blitzanziehung freiliegend sind; und dadurch gekennzeichnet, daß die Haupterdungseinrichtung einen unteren Bereich des hülsenförmigen Leiters (26) mit dem Körper mit dem Referenz-Erdpotential elektrisch verbindet.

2. Eine Blitzanziehungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei welcher eine voneinander beabstandete Mehrzahl von Öffnungen (36) in dem ersten hülsenförmigen Leiter (26) zur Entlüftung von heißem Gas hieraus ausgebildet sind.

3. Eine Blitzanziehungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Basiseinrichtung (50) ein Basiselement (50) zum Verankern relativ mit der Bodenfläche aufweist, wobei ein unteres äußerstes Ende des hülsenförmigen Leiters (26) mit dem Basiselement (50) starr verbunden ist und ein Stangenelement (24) starr von dem Basiselement (50) vorsteht.

4. Eine Blitzanziehungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei welcher die Basiseinrichtung einen jeweiligen Basisbereich des mittleren Leiters (24) und des hülsenförmigen Leiters (26) aufweist, wobei die entsprechenden Basisbereiche so ausgebildet sind, um axial in den Boden zum Zwecke einer Abstützung hierdurch getrieben zu werden, wobei die Haupterdungseinrichtung einen direkten elektrischen Kontakt zwischen den entsprechenden Basisbereichen und dem Körper (12) mit dem Referenz-Erdpotential aufweist.

5. Eine Blitzanziehungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, bei welcher zumindest der mittlere Leiter (24) oder das hülsenförmige Element (26) zum Erleichtern des Transports und der Errichtung der Vorrichtung (10) axial segmentiert (38) sind.

6. Eine Blitzanziehungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 5, ferner einen zweiten hülsenförmigen Leiter (32) aufweisend, der durch die Basiseinrichtung (50) getragen ist und mit der Erdungseinrichtung elektrisch verbunden ist, wobei der zweite hülsenförmige Leiter (32) um einen unteren Bereich des ersten hülsenförmigen Leiters (26) herum koaxial beabstandet ist und ein oberer Bereich des zweiten hülsenförmigen Leiters (32) für eine Blitzanziehung freiliegend ist.

7. Eine Blitzanziehungsvorrichtung gemäß Anspruch 6, ferner eine isolierende Abdeckung (34) an einem unteren Bereich des zweiten hülsenförmigen Leiters (32) aufweisend.

8. Eine Blitzanziehungsvorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, bei welcher der zweite hülsenförmige Leiter (32) eine voneinander beabstandete Mehrzahl von Öffnungen (36) aufweist, die hierein zur Entlüftung heißen Gases aus der Vorrichtung (10) ausgebildet sind.

9. Eine Blitzanziehungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der erste hülsenförmige Leiter (26) zylindrisch ist.

10. Eine Blitzanziehungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der erste hülsenförmige Leiter (26) im Querschnitt kreisförmig ist.

11. Eine Blitzanziehungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend: Einen äußeren Ringleiter (28), wobei der äußere Ringleiter (28) um einen unteren Bereich des ersten hülsenförmigen Leiters (26) herum beabstandet und von diesem elektrisch isoliert ist; und

eine äußere Erdungseinrichtung (30) zum elektrischen Verbinden des Ringleiters (28) mit dem Körper (12) mit dem Referenz-Erdpotential.

12. Eine Blitzanziehungsvorrichtung gemäß Anspruch 11, bei welcher die äußere Erdungseinrichtung (30) einen vertikal ausgerichteten, leitfähigen Stab (30) zum elektrischen Verbinden des äußeren Ringleiters (28) mit dem Körper (12) mit dem Referenz-Erdpotential aufweist.

13. Eine Blitzanziehungsvorrichtung gemäß Anspruch 12, eine Mehrzahl von leitfähigen Stäben (30) aufweisend, welche voneinander beabstandete Stellen an dem äußeren Ringleiter (28) mit dem Körper (12) mit dem Referenz-Erdpotential verbinden.

14. Eine Blitzanziehungsvorrichtung gemäß Anspruch 13, bei welcher der Körper (12) mit dem Referenz-Erdpotential Grundwasser ist.

15. Eine Blitzanziehungsvorrichtung gemaß Anspruch 11, 12, 13 oder 14, bei welcher die äußere Erdungseinrichtung (30) eine Mehrzahl von leitfahigen Elementen zum elektrischen Verbinden von voneinander beabstandeten Stellen an dem äußeren Ringleiter (28) mit der Haupterdungseinrichtung aufweist.

16. Eine Blitzanziehungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, ferner eine isolierende Abdeckung (34) für zumindest einen unteren Bereich des äußeren Ringleiters (28) aufweisend, um Aktiva (Anlagen, Objekte, Vermögenswerte) in unmittelbarer Nähe zu der Vorrichtung (10) gegenüber einer direkten Berührung mit deren stromführenden Elementen zu schützen.

17. Eine Blitzanziehungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, bei welcher der äußere Ringleiter (28) kreisförmig ist.

18. Eine Blitzanziehungsvorrichtung gemaß Anspruch 14 oder irgendeinem von diesem abhängigen Anspruch, bei welcher der erste hülsenförmige Leiter (26) von dem mittleren Leiter (24) durch die Abstandseinrichtung (46) um eine Entfernung beabstandet ist, um eine Bogenbildung zwischen den Leitern (24, 26) zu unterdrücken.

19. Ein Verfahren zum Schützen einer sekundären Struktur (18, 18") gegenüber Beschädigung durch Blitz, die folgenden Schritte aufweisend: Vorsehen eines leitfähigen Turms (10) mit einer Höhe h&sub0;; Bestimmen einer spitz auslaufenden Zone des Schutzes (20) als ein Rotationskörper um den Turm (10), wenn der Turm (10) oberhalb des Bodenniveaus (12) vertikal vorstehend ist;

Verankern des Turms (10) mit dem Boden (12) in Nähe zu der sekun dären Struktur (18, 18") an einer Stelle, derart, daß die Struktur (18") sich lediglich innerhalb der Schutzzone (20) erstreckt; und Elektrischerden des Turms (10) an dem Referenzboden (12), gekennzeichnet durch:

Bestimmen einer Minimalhöhe , von der aus ein Blitzeinschlag wahr scheinlich die sekundäre Struktur (18, 18") beschädigen würde; Bestimmen einer ellipsoiden letalen Zone (22), die gemäß der Beziehung gestaltet ist:

(h/zx - 1)² + ( / x)² = 1,

worin h die Höhe eines Punktes an der Oberfläche der ellipsoiden Zone oberhalb des Bodens ist, zx = /(1cosβ) und x = zxsinβ, mit cosβ = u&sub0;/us, wobei u&sub0; bzw. us die mittlere Geschwindigkeit der Blitzausbreitung in Luft bzw. in einer leitenden Anziehungsvorrichtung ist;

Vorsehen eines Turmes (10) als den leitfähigen Turm (10), wobei dieser Turm (10) eine Höhe h&sub0; aufweist, welche nicht geringer als zx ist, und einen langgestreckten Steuerleiter (24) aufweist, wobei ein hülsenförmiger Leiter (26) den mittleren Leiter (24) umgibt und wobei ein jeweiliger oberer Bereich des mittleren Leiters (24) bzw. des hülsenförmigen Leiters (26) für eine Blitzanziehung freiliegend ist;

Bestimmen der genannten Zone des Schutzes (20) durch Herumdrehen der letalen Zone (22) um den Turm (10), wobei die letale Zone (22) in Bezug auf den Boden (12) tangential ist und den Turm (10) bei einer Höhe zx oberhalb des Bodens (12) berührt.