– Sonderheft
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BLITZSCHUTZMAßNAHMEN
ringsum laufender Erder, der zur Seite
und nach unten eine Betonüberdeckung
von jeweils 5 cm aufweist (Bild
).
Die Ergebnisse – sowohl für den linearen
als auch nichtlinearen Fall – sind im
Bild
dargestellt. In beiden Fällen wird
bis zu einer Entfernung
r
von 7,0 m (line-
arer Boden) bzw. 7,5 m (nichtlinearer
Boden) der Grenzwert deutlich über-
schritten. Obwohl im nichtlinearen Fall
(ionisierter Boden) die maximal auftre-
tende Schrittspannung deutlich niedriger
ist als im linearen Fall (44 kV gegenüber
67 kV), verlaufen die Schrittspannungen
ab einer Entfernung von etwa 5 m an-
nähernd gleich.
5.2 Ringerder
Entsprechend der VDE-Empfehlung
wurden zusätzlich zum Fundamenterder
auch Ringerder simuliert. Dabei wurden
in steigender Anzahl 1 bis 4 Ringerder
untersucht, die in einer Entfernung von
1 m, 4 m, 7 m und 10 m vom Gebäude
und in einer Tiefe von 0,5 m, 1 m, 1,5 m
und 2,0 m unterhalb der Erdoberfläche
verlegt wurden. Alle Ringerder verlaufen
parallel zu den Gebäudewänden, haben
also ebenfalls einen rechteckigen Grund-
riss. Die Ergebnisse der Simulationsrech-
nungen zeigen die Bilder
und
. Die
ermittelten Schrittspannungen liegen
insbesondere bei Verwendung von
einem oder zwei Ringerdern weit über
dem Grenzwert. Bemerkenswert ist
dabei auch, dass die Schrittspannungen
bei einem oder zwei Ringerdern deutlich
über den Werten für den Fundamenter-
der alleine liegen. Dies überrascht, da
die Verwendung von mehreren Erdern
niedrigere Schrittspannungen erwarten
lässt. Tatsächlich liegt jedoch der Fun-
damenterder etwa 2 m unter der Erd-
oberfläche.
Wird ein einzelner Ringerder hinzuge-
fügt, so entstehen zusätzliche Blitzstrom
tragende Leiter, die lediglich 0,5 m (bzw.
1 m) unter der Erdoberfläche liegen und
dadurch die entsprechenden Hoch-
potentiale näher an die Erdoberfläche
und damit an gefährdete Personen brin-
gen. Erst die Verwendung von drei oder
vier Ringen führt zum Effekt der Feld-
steuerung, so dass die Schrittspannun-
gen sinken. Eine Anordnung von vier
zusätzlich zum Fundamenterder instal-
lierten Ringen unterschreitet sogar den
Grenzwert.
4 Auswirkung des
Menschen auf
die Schrittspannung
Die Schrittspannungen, berechnet aus
den elektrischen Potentialen, die man
in den Simulationen erhalten hat, sind
theoretische Schrittspannungen. Diese
würden sich ergeben, wenn mit einem
idealen Voltmeter mit unendlich hohem
Innenwiderstand gemessen werden
würde.
In der Norm VDE 0101 [3] wird dieser
Wert als „Leerlauf-Schrittspannung“
bezeichnet. Sie entspricht jedoch nicht
der Spannung, die ein Mensch tatsäch-
lich erfahren würde, wenn er sich am
selben Ort aufhält, da die beiden Füße
gegenüber dem Erdboden einen soge-
nannten Erdungswiderstand aufweisen,
der zusammen mit dem Körperinnen-
widerstand einen Spannungsteiler bildet.
Dieser Erdungswiderstand ergibt sich nur
aus dem Widerstand des Erdbodens (und
der Größe der Kontaktfläche) und darf
nicht mit Zusatzwiderständen wie z. B.
denen von Schuhsohlen verwechselt
werden!
Nach einer anderen Modellvorstellung
verringert der Körperwiderstand des
Menschen – als relativ niederimpedante
Last (
R
K
≈ 1 kΩ) – die durch den hoch-
ohmigen Bodenwiderstand verursachte
Spannungsquelle „Leerlauf-Schrittspan-
nung“.
In Voruntersuchungen konnten (konstante)
Umrechnungsfaktoren ermittelt werden,
mit denen bei bekanntem Bodenwider-
stand die Leerlauf-Schrittspannung in
Schrittspannung umgerechnet werden
kann. Daher werden im Weiteren alle
Ergebnisse direkt als Schrittspannung
(also nicht als Leerlauf-Schrittspannung)
dargestellt, da dies der tatsächlichen
Gefährdung von Menschen entspricht.
5 Ergebnisse
5.1 Fundamenterder
In einem ersten Beispiel wurde ein Ge-
bäude mit einer Grundfläche von 10 m ×
10 m und einer Kellertiefe von 2 m simu-
liert.
Innerhalb des Gebäudes wurde eine
Betonbodenplatte mit einer Dicke von
20 cm und einem spezifischen Wider-
stand von 300 Ωm nachgebildet. In
dieses Fundament eingebettet ist ein
In der Simulation wurden zwei unter-
schiedliche Bodenarten verwendet:
]
Erdboden mit einem festen spezifi-
schen Widerstand
ρ
= 1000 Ωm, hier
als „linear“ bezeichnet.
]
Außerdem wurde Boden angenom-
men, der seinen Widerstand in Abhän-
gikeit der elektrischen Feldstärke im
Erdreich zwischen 1000 und 100 Ωm
verändert (Bild
). Dieses Modell
simuliert den Effekt der sogenannten
Bodenionisierung, also den Teildurch-
schlag von Erdboden.
Mit diesen Annahmen wurde eine Viel-
zahl von Gebäudegrößen und -formen
sowie unterschiedliche Erderkonfigura-
tionen simuliert. Alle hier gezeigten
Ergebnisse basieren auf einem Blitzstrom
I
= 200 kA und Gebäuden mit einem
rechteckigen Grundriss.
Die Analyse der Simulationsergebnisse
zeigt, dass die höchsten Schrittspannun-
gen entlang einer Linie auftreten, die von
einer Gebäudeecke im 45°-Winkel aus-
geht. Daher sind alle hier gezeigten
Schrittspannungen entlang einer solchen
Achse ausgewertet und im Abstand von
der Gebäudeecke angegeben.
1200
Ωm
800
600
400
200
0
2 4 6 kV/cm 10
,
ρ
Kennlinie für den in den Simulationen
verwendeten nichtlinearen Boden
Simulierter Fundamenterder (rot
dargestellt) in der Bodenplatte
80
kV
40
20
0
5
10
15
20m
Y
c<
S
c
linear
nicht linear
Grenzwert
Schrittspannungen bei einem
Fundamenterder
