Fangeinrichtungen auf einem Gebäude
VDE|ABB
22.03.2018 Fachinformation 469 0

Fangeinrichtungen als Teil des Äußeren Blitzschutzes: Das müssen Sie wissen

Fangeinrichtungen müssen für Blitze geignete Einschlagpunkte darstellen und möglichst schon auf der Dachebene die Blitzströme aufteilen.

Hier finden Sie wichtige Informationen für die Planung und Installation von Fangeinrichtungen.

Inhalt

  • Schutzbereich von Fangeinrichtungen des Äußeren Blitzschutzes - Blitzkugel-Verfahren VDE-Information Blitzschutz 2.1
  • Isolierte Fangeinrichtungen VDE-Information Blitzschutz 2.2
  • Normen, Downloads + Videos, Informationen + Veranstaltungen

Schutzbereich von Fangeinrichtungen des Äußeren Blitzschutzes - das Blitzkugel-Verfahren

Wie werden Fangeinrichtungen geplant?

Die Fangeinrichtungen eines Blitzschutzsystems haben die Aufgabe, die möglichen Einschlagstellen festzulegen und unkontrollierte Einschläge an anderen Stellen zu vermeiden.

Metallene Teile einer baulichen Anlage können als sogenannte natürliche Bestandteile der Fangeinrichtungen verwendet werden. Dazu gehören z.B. Verkleidungen aus Metallblech an Außenwänden und auf Dächern, Bewehrungen von Stahlbetonbauten, Regenrinnen, Verzierungen, Geländer, sowie Rohre und Behälter. Dazu müssen diese metallenen Teile die für Fangeinrichtungen vorgesehene Materialquerschnitte bzw. Blechdicken aufweisen.

Durch ihre Integration in das Blitzschutzsystem können architektonische Aspekte leichter berücksichtigt werden.

Tabelle und Grafik aus der Blitzschutznorm

Planungsverfahren: Masche, Schutzwinkel, Blitzkugel

Bei der Festlegung der Anordnung und der Lage von Fangeinrichtungen können drei Verfahren genutzt werden:

Tabelle und Grafik aus der Blitzschutznorm

Bei der Festlegung der Anordnung und der Lage von Fangeinrichtungen können drei Verfahren genutzt werden:

  • Das Maschen-Verfahren ist zur Planung des Schutzes von ebenen Flächen geeignet.
  • Das Schutzwinkel-Verfahren ist für die meisten Gebäude mit einfacher Form zweckmäßig.
  • Das Blitzkugel-Verfahren ist die universelle Planungsmethode, die insbesondere für geometrisch komplizierte Anwendungsfälle empfohlen wird. Es ist eine hervorragende Methode, blitzeinschlaggefährdete Bereiche festzulegen, wenn ein Modell für das betreffende Gebäude oder eine entsprechend genaue dreidimensionale Beschreibung für eine numerische Simulation vorhanden ist. Liegt das zu untersuchende Gebäude in unmittelbarer Nachbarschaft zu weiteren Gebäuden bzw. Objekten, so ist eine Nachbildung der Umgebung unerlässlich. Damit wird die Annahme unrealistischer Seiteneinschläge in das zu untersuchende Gebäude und damit eine unnötige Überdimensionierung von Fangeinrichtungen verhindert.
    Das Blitzkugel-Verfahren beruht auf dem elektro-geometrischen Modell, einer aus der realen Blitzphysik heraus erarbeiteten Modellvorstellung, die weiter unten beschrieben wird.

Die Werte des Schutzwinkels α, der Blitzkugelradius r und die Maschenabmessungen w in Abhängigkeit von der gewählten Schutzklasse sind in DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) in Tabelle 2 und Bild 1 angegeben.

Fangentladungen starten vom Haus und vom Baum. Die erste führt zum Blitz.

Das elektro-geometrische Modell

Bei Wolke-Erde-Blitzen wächst ein Leitblitz schrittweise in Ruckstufen von der Wolke in Richtung Erde voran.

Fangentladungen starten vom Haus und vom Baum. Die erste führt zum Blitz.

Bei Wolke-Erde-Blitzen wächst ein Leitblitz schrittweise in Ruckstufen von der Wolke in Richtung Erde voran.

Hat sich der Leitblitz bis auf einige 10 bis einige 100 Meter der Erde genähert, wird die elektrische Isolationsfähigkeit der bodennahen Luft überschritten. Es beginnt von der Erde eine weitere, dem Leitblitz ähnliche Leader-Entladung in Richtung Leitblitzkopf zu wachsen: die Fangentladung. Damit wird die Einschlagstelle des Blitzes festgelegt (Bild).

Den Startpunkt der Fangentladung und damit die spätere Einschlagstelle bestimmt vor allem der Leitblitzkopf. Der Leitblitzkopf kann sich nur bis zu einem bestimmten Abstand der Erde nähern. Dieser wird bestimmt durch die ständig steigende elektrische Bodenfeldstärke während des Annähern des Leitblitzkopfs. Der kleinste Abstand zwischen Leitblitzkopf und Startpunkt der Fangentladung wird Enddurchschlagstrecke genannt. Unmittelbar nach dem Überschreiten der elektrischen Isolationsfähigkeit an einer Stelle entsteht die Fangentladung, die zum Enddurchschlag führt und die Enddurchschlagstrecke überwindet. Basierend auf der Beobachtung der Schutzwirkung von Erdseilen und Hochspannungsmasten wurde das sogenannte elektro-geometrische Modell erstellt. Es gründet auf der Hypothese, dass sich der Leitblitzkopf den Objekten auf der Erde willkürlich und unbeeinflusst bis auf die Enddurchschlagstrecke annähert. Die Einschlagstelle wird dann von dem Objekt festgelegt, das die kürzeste Entfernung zum Leitblitzkopf aufweist. Die von dort startende Fangentladung setzt sich durch.

Kennwerte für das Blitzkugel-Verfahren

Zusammenhang Schutzklasse und Blitzkugel-Radius

In erster Näherung besteht eine Proportionalität zwischen dem Scheitelwert des Blitzstroms und der im Leitblitz gespeicherten elektrischen Ladung. Weiterhin ist auch die elektrische Bodenfeldstärke bei heranwachsendem Leitblitz in erster Näherung von der im Leitblitz gespeicherten Ladung abhängig.

Kennwerte für das Blitzkugel-Verfahren

In erster Näherung besteht eine Proportionalität zwischen dem Scheitelwert des Blitzstroms und der im Leitblitz gespeicherten elektrischen Ladung. Weiterhin ist auch die elektrische Bodenfeldstärke bei heranwachsendem Leitblitz in erster Näherung von der im Leitblitz gespeicherten Ladung abhängig.

Der Zusammenhang zwischen dem Scheitelwert I des Blitzstroms und der Enddurchschlagstrecke lässt sich damit wie folgt beschreiben:

   R = 10 ∙ I 0,65 mit R in m, I in kA.

Diese Enddurchschlagstrecke wird nun als Radius der Blitzkugel verwendet.

Der Blitzschutz von Gebäuden ist in der DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) beschrieben. Diese Norm definiert u.a. die Einteilung in Schutzklassen und legt die daraus resultierenden Blitzschutzmaßnahmen fest. Sie unterscheidet vier Schutzklassen: Schutzklasse I bietet den größten, Schutzklasse IV den im Vergleich geringsten Schutz.

Mit der Schutzklasse einher geht das Beherrschen von Blitzströmen bis zu einem minimalen Stromscheitelwert, d.h. Blitzströme oberhalb des Wertes werden durch die Fangeinrichtungen sicher eingefangen, Blitzströme mit kleineren Scheitelwerten können noch neben den Fangeinrichtungen einschlagen. Dies kann auch vereinfacht als Einfangwirksamkeit Ei der Fangeinrichtungen verstanden werden. Damit wird ausgedrückt, welcher Anteil der zu erwartenden Blitzeinschläge durch die Fangeinrichtungen sicher beherrscht wird.

Die Tabelle zeigt die Zusammenhänge zwischen Schutzklasse, Einfangwirksamkeit Ei der Fangeinrichtungen, Enddurchschlagstrecke = Blitzkugel-Radius und Blitzstrom-Scheitelwert.

Untersuchungen mit numerischen Verfahren zeigen, dass die Einfangwirksamkeiten von Fangstangen, die nach dem Blitzkugel-Verfahren geplant und installiert wurden, wesentlich höher sind, als die in der Tabelle  angegebenen Werte. Das Blitzkugel-Verfahren ist sehr konservativ aufgebaut und liefert dem Planer alle möglichen Stellen für einen Einschlag oberhalb des für die Blitzschutzklasse genannten Blitzstrom-Scheitelwertes, ohne allerdings für die einzelnen Stellen eine Einschlagwahrscheinlichkeit mitzuliefern. Die Werte der Einfangwirksamkeiten sind also Mindestwerte; mit dem Blitzkugel-Verfahren liegt man stets auf der sicheren Seite.

Ebenso gibt es geschützte Bereiche, die von der Blitzkugel nicht berührt werden.

Das Blitzkugel-Verfahren

Basierend auf der Hypothese des elektro-geometrischen Modells, dass sich der Leitblitzkopf den Objekten auf der Erde willkürlich und unbeeinflusst bis auf die Enddurchschlagstrecke annähert, lässt sich ein allgemeines Verfahren ableiten, das eine Überprüfung des Schutzraums beliebiger Anordnungen gestattet.

Ebenso gibt es geschützte Bereiche, die von der Blitzkugel nicht berührt werden.

Basierend auf der Hypothese des elektro-geometrischen Modells, dass sich der Leitblitzkopf den Objekten auf der Erde willkürlich und unbeeinflusst bis auf die Enddurchschlagstrecke annähert, lässt sich ein allgemeines Verfahren ableiten, das eine Überprüfung des Schutzraums beliebiger Anordnungen gestattet.

Dazu wird eine fiktive "Blitzkugel" verwendet, eine Kugel mit einem Radius, der mit der Enddurchschlagsstrecke gemäß der gewählten Schutzklasse identisch ist. Im Mittelpunkt dieser Blitzkugel befindet sich gedanklich der Leitblitzkopf, zu dem sich Fangentladungen von den verschiedenen Objekten auf der Erde aus bilden.

Die Blitzkugel wird nun um und über das zu schützende Objekt "gerollt". Dies kann an einem maßstäblichen (Computer-) Modell z.B. im Maßstab 1:100 erfolgen, das die äußeren Konturen und ggf. Fangeinrichtungen dreidimensional nachbildet. Je nach Standort des zu untersuchenden Objekts ist es ebenfalls notwendig, die umliegenden Gebäude und Objekte mit einzubeziehen, da diese als natürliche Schutzmaßnahmen für das zu untersuchende Objekt wirksam sein könnten.

Alle Berührungspunkte sind mögliche Einschlagstellen des Blitzes; sie werden farblich markiert. So werden auch Bereiche sichtbar, die durch Seiteneinschläge gefährdet sind. Die natürlichen Schutzräume, die sich aufgrund der Geometrie des zu schützenden Objekts und seiner Umgebung ergeben, werden ebenfalls deutlich; an diesen Stellen kann auf die Montage von Fangeinrichtungen in der Regel verzichtet werden. Zu beachten ist dabei allerdings, dass an Turmspitzen auch schon Blitzfußspuren an Stellen festgestellt wurden, die durch das Überrollen der Blitzkugel nicht direkt berührt wurden. Dies wird u.a. darauf zurückgeführt, dass bei Mehrfachblitzen der Fußpunkt des Blitzes aufgrund der Windverhältnisse gewandert ist. Es kann demnach vorkommen, dass sich um die ermittelten Einschlagstellen herum ein Bereich in der Größenordnung von etwa einem Meter ausbildet, in dem ebenfalls Blitzeinschläge möglich sind.

Das Blitzkugel-Verfahren in der Anwendung

Beispiel DAS-Verwaltungsgebäude, München

Während der Planung des neuen DAS-Verwaltungsgebäudes in München-Neuperlach kam das Blitzkugel- Verfahren zum Einsatz, um bei dieser komplexen Gebäudegeometrie die blitzeinschlaggefährdeten Bereiche zu identifizieren. Als Anforderung an das Blitzschutzsystem wurde die Schutzklasse I festgelegt, d.h. der Blitzkugel-Radius betrug im Modell 20 cm.

Das Blitzkugel-Verfahren in der Anwendung

Während der Planung des neuen DAS-Verwaltungsgebäudes in München-Neuperlach kam das Blitzkugel- Verfahren zum Einsatz, um bei dieser komplexen Gebäudegeometrie die blitzeinschlaggefährdeten Bereiche zu identifizieren. Als Anforderung an das Blitzschutzsystem wurde die Schutzklasse I festgelegt, d.h. der Blitzkugel-Radius betrug im Modell 20 cm.

An den Stellen, an denen die Blitzkugel Gebäudeteile berührt, kann ein direkter Blitzeinschlag mit dem Mindest-Stromscheitelwert von 3 kA auftreten. Dort sind geeignete Fangeinrichtungen erforderlich. Darüber hinaus wurden Fangeinrichtungen zum Schutz von elektrischen Einrichtungen z.B. auf dem Gebäudedach eingeplant.

Durch die Anwendung des Blitzkugel-Verfahrens wurden Fangeinrichtungen an den Stellen vermieden, wo sie aus physikalischer Sicht nicht erforderlich sind. Auf der anderen Seite konnte der Schutz vor direkten Einschlägen dort noch verbessert werden, wo es notwendig ist.

Anwendung des Blitzkugel-Verfahrens

Beispiel Aachener Dom

Direkt neben dem Aachener Dom befindet sich ein Modell im Maßstab 1:100, das den Besuchern die Geometrie des Bauwerks besser begreiflich machen soll. Auf dieses Modell wurde das Blitzkugel-Verfahren angewendet. Ziel war es, den Aufwand für zusätzliche Fangeinrichtungen zu ermitteln, wenn eine höhere Blitzschutzklasse angewendet wird, hier Schutzklasse II anstatt Schutzklasse III.

Anwendung des Blitzkugel-Verfahrens

Direkt neben dem Aachener Dom befindet sich ein Modell im Maßstab 1:100, das den Besuchern die Geometrie des Bauwerks besser begreiflich machen soll. Auf dieses Modell wurde das Blitzkugel-Verfahren angewendet. Ziel war es, den Aufwand für zusätzliche Fangeinrichtungen zu ermitteln, wenn eine höhere Blitzschutzklasse angewendet wird, hier Schutzklasse II anstatt Schutzklasse III.

Der Dom befindet sich mitten in der Aachener Altstadt. Einige der benachbarten hohen Gebäude bieten dem Aachener Dom einen natürlichen Schutz vor Blitzeinschlägen. Sie werden im Modell maßstabgerecht nachgebildet. Das linke Bild zeigt das ergänzte Modell mit den beiden Blitzkugeln für die Schutzklasse II (rot, Radius  30 cm) und III (blau, Radien 45 cm).

Zuerst wird die blaue Kugel (Schutzklasse III) über das Modell gerollt und die Berührungsflächen werden gelb markiert. Anschließend wird die rote Blitzkugel (Schutzklasse II) über das Modell gerollt. Sie berührt das Modell an Stellen, die von der blauen Blitzkugel mit dem größeren Radius nicht berührt wurden. Diese Bereiche werden rot markiert.

Diese Untersuchung zeigt:

  • Die umliegenden Gebäude und der Dom selbst bilden Schutzräume für viele Dachflächen. So ist z.B. das Dach des Oktogon zur Hälfte durch die benachbarte Turmspitze des Doms geschützt (rechtes Bild).
  • Seiteneinschläge gefährden nur wenige Bereiche des Doms.
  • Die rot markierten Flächen zeigen die Bereiche, bei denen Blitzeinschläge auftreten können, wenn die Schutzklasse II anstatt Schutzklasse III angewendet wird. Dies betrifft insbesondere die Seitenflächen des Turms (rechtes Bild). Auffallend ist, dass nur wenige Flächen rot gefärbt sind, d.h. die flächenmäßige Zunahme der blitzeinschlag- gefährdeten Bereiche fällt sehr gering aus. Dies ist einerseits dem Baustil des Doms, der keine größeren glatten Flächen kennt, und andererseits der Umgebung geschuldet.
Fachbücher und Normen zum Blitzschutz, Überspannungsschutz, zur Blitzforschung

Literatur

Fachbücher und Normen zum Blitzschutz, Überspannungsschutz, zur Blitzforschung
  • DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3): Blitzschutz - Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen
  • Hasse, P.; Wiesinger, J.; Zischank, W.: Handbuch für Blitzschutz und Erdung. Pflaum Verlag München. 5. Auflage 2006
  • Kern A.; Wettingfeld J.: Blitzschutzsysteme 1 - Allgemeine Grundsätze, Risikomanagement, Schutz von baulichen Anlagen und Personen. VDE-Schriftenreihe Band 44.  VDE-Verlag, 2014.
  • DIN EN 62305-1 (VDE 0185-305-1): Blitzschutz - Teil 1: Allgemeine Grundsätze
  • Kern A.: Das dynamische elektro-geometrische Modell zur detaillierten Berechnung der Einschlagwahrscheinlichkeit in Fangeinrichtungen – 3 Fallstudien. 11.VDE/ABB-Blitzschutztagung. Neu-Ulm, 2015.
  • VDB-Info 12: Blitzkugelverfahren - Untersuchung von blitzeinschlaggefährdeten Bereichen am Beispiel des Aachener Doms. 1998.

VDE-Information Blitzschutz 2.1 Schutzbereich von Fangeinrichtungen des Äußeren Blitzschutzes - Blitzkugel-Verfahren

VDE
Veröffentlichungsdatum 20.03.2018
PDF: 7 KB

Isolierte Fangeinrichtung

Was ist beim Schutz elektrischer und metallener Einrichtungen auf Gebäudedächern zu beachten?

Eine isolierte Fangeinrichtung schützt elektrische und metallene Einrichtungen, die eine leitende Fortführung in ein Gebäude besitzen, vor direktem Blitzeinschlag und verhindert dadurch Blitzteilströme in der Installation im Gebäude.

(Klick auf das Bild zeigt alle Bilder vergrößert an.)

Bei mangelhafter Installation der isolierten Fangeinrichtung oder bei nicht eingehaltenem Trennungsabstand besteht die Gefahr eines direkten Blitzeinschlages bzw. eines Überschlages von der Fangeinrichtung in das zu schützende Objekt. Die Folge sind erhebliche Blitzteilströme im Gebäude, für die die Gebäudeinstallation ohne weitere Schutzmaßnahmen in aller Regel nicht ausgelegt ist.

Gebäude mit mehreren Fangeinrichtungen, die nach den unterschiedlichen Verfahren geplant sind

Schutzbereich, Näherungen

Gebäude mit mehreren Fangeinrichtungen, die nach den unterschiedlichen Verfahren geplant sind

Eine elektrische oder metallene Einrichtung ist durch eine isolierte Fangeinrichtung geschützt, wenn diese sich vollständig im Schutzbereich befindet.
Die Ermittlung des Schutzbereichs erfolgt mit dem Blitzkugel-Verfahren oder mit dem Schutzwinkel-Verfahren: Für einfache Fangeinrichtungen wird in der Regel der Schutzbereich über den für die jeweiligen Verhältnisse gültigen Schutzwinkel ermittelt; bei komplexeren Fangeinrichtungen wird das Blitzkugelverfahren mit dem der Schutzklasse entsprechenden Blitzkugelradius verwendet.

Bei großen Dachaufbauten (z.B. Kühlaggregatsysteme) muss der Schutzbereich durch weitere konstruktive Maßnahmen realisiert werden. Eine Möglichkeit ist die Errichtung einer isolierten Fangeinrichtung auf Haltestangen aus elektrisch nicht leitendem Material. Die dadurch entstehenden Kosten sind häufig unter Berücksichtigung des erzielten Schutzerfolgs und der Einsparungen im Bereich des Inneren Blitzschutzes gerechtfertigt.

Näherungen müssen durch einen ausreichenden Abstand zwischen der Fangeinrichtung und der elektrischen oder metallenen Einrichtung verhindert werden. Der Abstand zwischen der Fangeinrichtung und leitenden Teilen des Dachaufbaus muss mindestens dem Trennungsabstand gemäß Abschnitt 6.3 in DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) entsprechen. Der Trennungsabstand ist rechnerisch nachzuweisen (siehe DIN EN 62305-3, Abschnitt 6.3). Gegebenfalls sind Fangeinrichtung umzulegen, so dass der Trennungsabstand eingehalten wird.

Außerdem dürfen elektrische und metallene Einrichtungen auf dem Dach nicht direkt mit der isolierten Fangeinrichtung verbunden werden, da sonst Blitzteilströmen in die geerdeten Bauteilen in das zu schützende Gebäude fließen würden.

Anwendungsbeispiele mit isolierten Fangeinrichtungen und Komponenten mehrerer Hersteller

Hochspannungsfeste, isolierte Leitungen

Anwendungsbeispiele mit isolierten Fangeinrichtungen und Komponenten mehrerer Hersteller

Anstelle der Luftisolation zwischen Fangeinrichtung und zu schützendem Objekt (Beispiel SAT-Antenne) können zur Einhaltung des Trennungsabstandes auch hochspannungsfeste isolierte Leitungen (HIL) verwendet werden (siehe IEC 62561-8 TS).

Das Bild zeigt Anwendungsbeispiele mit Komponenten unterschiedlicher Hersteller. Bei der Verwendung von HIL sind die Errichtungs- bzw. Einbauvorschriften der Hersteller exakt zu beachten, da ansonsten das Schutzziel nicht erfüllt wird.

Die bessere Alternative wäre ein Umlegen der Fangleitung gewesen.

Wenn nichts mehr geht: Verbinden

Die bessere Alternative wäre ein Umlegen der Fangleitung gewesen.

Wenn kein ausreichend großer Schutzraum hergestellt oder der Trennungsabstand nicht eingehalten werden kann, muss der metallene Dachaufbau direkt an die Fangeinrichtung angeschlossen werden (keine isolierte Fangeinrichtung!).

Der Auftraggeber ist über die Gefahren durch das Einleiten von Teilblitzströmen in das Gebäude und die weiteren notwendigen Maßnahmen (Blitzschutz-Potentialausgleich, Installation von Überspannungs-Schutzgeräten) schriftlich zu informieren.

Isoliertefangeinrichtungen

Veröffentlichungsdatum 02.10.2016
PDF: 873 KB

Bitte beachten

Leitfaden-Blitz-und-uebersp

Diese VDE-Information ist Teil der Merkblattsammlung "Der Blitzschutz in der Praxis - Empfehlungen für Blitzschutz-Fachkräfte und -Anwender". Diese Informationen wurden vom Ausschuss für Blitzschutz und Blitzforschung des VDE (ABB) erarbeitet. Eine gedruckte Fassung wird Mitte 2018 verfügbar sein.

Die Blitzschutznormen (u. a. DIN EN 62305) werden erarbeitet vom Komitee K 251 Blitzschutzanlagen der DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE. Maßgebend für das Anwenden der Normen sind deren Fassungen mit dem neuesten Ausgabedatum, die beim VDE-Verlag oder Beuth-Verlag erhältlich sind.

Diese VDE-Information wurde unter der Lizenz CC BY 3.0 DE veröffentlicht.

Der Blitzschutz in der Praxis

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