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– Sonderheft
BLITZSCHUTZMAßNAHMEN
S. Suchanek,
Darmstadt u. a.
In Blitzschutzanlagen können hohe
Ströme auftreten, die mit Hilfe
einer Erdungsanlage sicher in die
Erde abgeleitet werden müssen.
Zusammen mit der üblicherweise
schlechten Leitfähigkeit des Erd-
bodens führen die Ströme zu einer
starken Potentialanhebung. Damit
verbunden entsteht ein starkes
Potentialgefälle, welches an der
Erdoberfläche als sogenannte
Schrittspannung in Erscheinung
tritt. Da Schrittspannungen sowohl
für Menschen als auch für Nutztiere
gefährlich werden können, werden
Möglichkeiten zur Beeinflussung
der auftretenden Schrittspannung
gesucht.
1 Aktuelle normative
Situation
Schrittspannungen stellen eine große
Gefährdung von Personen dar, werden
jedoch in der aktuellen Norm DIN EN
62305 (VDE 0185) [1] [2] kaum berück-
sichtigt. So wird beispielsweise weder
der Begriff der Schrittspannung definiert
noch auf deren Entstehung bzw. Steue-
rung eingegangen. Im Teil 3 der Norm
wird lediglich der Hinweis gegeben, dass
]
die Wahrscheinlichkeit des Aufenthalts
von Personen im Umkreis von 3 m um
Ableitungen gering sein sollte oder
]
ersatzweise der Oberflächenwider-
stand des Bodens ausreichend hoch
sein muss.
Eine Definition des Begriffs „Schritt-
spannung“ wird in der DIN VDE 0101 [3]
gegeben. Dort wird darüber hinaus der
Unterschied zwischen der Schrittspan-
nung und der Leerlauf-Schrittspannung
behandelt. Zur Beurteilung von auftre-
tenden Schrittspannungen ist es wichtig,
Grenzwerte zu kennen, unterhalb deren
eine Gefährdung von Personen ausge-
schlossen werden kann oder zumindest
sehr unwahrscheinlich ist. Es existiert zz.
lediglich eine internationale Norm (IEC/
TS 60479 [4]), die sich mit diesem Thema
beschäftigt.
2 Grenzwerte für
Schrittspannungen
Ohne definierte Grenzwerte können auf-
tretende Schrittspannungen nicht beur-
teilt werden. Gleich- und 50-Hz-Wech-
selspannungen, die auf den menschlichen
Körper einwirken, wurden ausführlich
untersucht sowie entsprechende Grenz-
werte festgelegt und in die Normung
aufgenommen. Für sehr kurze Strom- und
Spannungsimpulse, wie sie bei einem
Blitzschlag auftreten, sind entsprechende
Angaben kaum zu finden. Aus diesem
Grunde wurde am Fachgebiet „Theorie
Elektromagnetischer Felder“ der TU
Darmstadt die Durchströmung eines
Menschen mit dem Strompfad „Fuß zu
Fuß“ mit Hilfe eines 3D-Mensch-Modells
simuliert (Bild
).
Die nähere Auswertung dieser Körper-
stromsimulationen liefert einen Grenz-
wert von etwa 25 kV, wenn die genorm-
te Stromimpulsform 10/350 μs als
Grundlage angenommen wird. Dieser
Wert deckt sich ungefähr mit anderen
Werten aus der medizinischen Fachlite-
ratur sowie den Angaben aus [4].
3 Simulationsmodell
Die einfachste und effizienteste Methode
zur Untersuchung verschiedener Er-
dungssysteme ist die Simulation im
Computer. Dazu wurden alle untersuch-
ten Erdungsanlagen als volle 3D-Modelle
angelegt, so dass von vornherein auch
asymmetrische Anordnungen simuliert
werden konnten. Alle Simulationen
haben das folgende Berechnungsgebiet
gemeinsam – eine Halbkugel mit einem
Radius von 100 m, welche den Erdboden
darstellt (Bild
).
]
Die gekrümmten Oberflächen sind in
der Simulationssoftware als ideales Erd-
potential definiert und stellen eine un-
endlich weit entfernte Bezugserde dar.
]
Die ebene Schnittfläche durch den
Mittelpunkt ist als elektrische Isolie-
rung definiert und repräsentiert die
Erdoberfläche.
]
Zu schützende Gebäude selbst wurden
elektrisch vernachlässigt und sind als
einfache Ausschnitte im Erdboden
nachgebildet.
Vorhergehende Untersuchungen zeigten,
dass es für die Berechnung von Schritt-
spannungen ausreicht, die Simulationen
als stationäre Strömungsfelder (Gleich-
strom) durchzuführen, da die Abmessun-
gen der Gebäude und Erdungsanlagen
im betrachteten Zeitbereich als elektrisch
kurz anzusehen sind und Wanderwellen-
vorgänge nur eine vernachlässigbare Rolle
spielen.
Steuerung der Schrittspan-
nung bei Blitzschutzanlagen
Autoren
Dipl.-Ing.
Sebastian Suchanek,
Prof. Dr.-
Ing.
Volker Hinrichsen,
TU Darmstadt;
Dr.-Ing.
Ralph Brocke,
Dipl.-Ing.
Klaus-
Peter Müller,
Dehn & Söhne, Neumarkt.
Simulierte Stromdichteverteilung im
menschlichen Körper bei einer Schritt-
spannung von 1 kV
Brechnungsgebiet für die Simulation
der Erdungsanlagen
Die blau eingefärbten Flächen sind als
Erdpotential definiert. In der Mitte ist ein
Ausschnitt für ein Gebäude erkennbar.
