Blitzschutz

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Dieser Artikel befasst sich mit technischen Baumaßnahmen zur Prävention von Blitzschäden. Zu allgemeinen vorbeugenden Maßnahmen und Verhaltensweisen siehe den Hauptartikel Blitz.

Unter einer Blitzschutzanlage versteht man Vorkehrungen gegen schädliche Auswirkungen von Blitzeinschlägen auf bauliche Anlagen. Ohne Blitzschutz können direkte Blitzeinschläge Teile von Gebäuden zerstören, wenn zum Beispiel in Baustoffen enthaltenes Wasser oder Harz oder ätherische Öle in Holz explosionsartig verdampfen oder durch die Hitzewirkung der elektrischen Entladung Brände entstehen. Der Blitz kann weiter indirekt durch sein starkes elektromagnetisches Feld in elektrischen Leitungen oder metallischen Teilen wie Rohrleitungen innerhalb eines Gebäudes einkoppeln und Zerstörungen anrichten. Eine Blitzschutzanlage kann vor diesen unerwünschten Wirkungen keinen absoluten Schutz bieten, sie kann aber den Schaden und Auswirkungen von Blitzeinschlägen minimieren.

Prinzipieller Aufbau einer Blitzschutzanlage

Funktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Fangeinrichtung in Form metallischer Stange über der Statue, und Blitzableitung entlang der Statue

Eine Blitzschutzanlage verringert die Schäden, die ein einschlagender Blitz im zu schützenden Objekt verursacht. Im Falle eines Einschlages bietet die Blitzschutzanlage dem Blitzstrom über den Blitzableiter einen definierten, niederohmigen Strompfad. Die primäre Schutzfunktion besteht darin, den Blitzstrompfad am zu schützenden Objekt vorbeizuführen und abzuleiten.

Die Schutzwirkung der Fangeinrichtung beruht darauf, dass sich durch die hohe Randfeldstärke unmittelbar über der geerdeten Fangeinrichtung Teilentladungen wie die Koronaentladungen ausbilden. Diese schwachen Gasentladungen führen bevorzugt an elektrisch leitfähigen Spitzen und Kanten zufolge der Spitzenentladung an der Fangeinrichtung zu einer teilweisen Ionisierung der umgebenden Luft, wodurch ein eventuell in Folge einsetzender Blitz mit höherer Wahrscheinlichkeit in die Fangeinrichtung einschlägt. Blitzschutzanlagen werden zur Erhöhung der Randfeldstärke über den Blitzableiter mit einem möglichst spitzen Ende nach oben ausgeführt.

Mittels der Konzentration der Ladungsträger, die der elektrischen Ladung einer Wolke entgegengesetzt geladen sind, wird der Blitzschlag bevorzugt in die Fangeinrichtung geleitet.

Schlägt ein Blitz in das Blitzschutzsystem ein, so fließen kurzzeitig sehr hohe Ströme im Blitzableiter, Spitzenwerte über 100 kA sind zu messen. Diese hohen Impulsströme induzieren innerhalb benachbarter elektrischer Leitungen wie Stromversorgungsnetz, Telefonleitungen oder Antennenleitung des geschützten Objektes Sekundärspannungen und Sekundärströme, welche elektrische Geräte, die an diesen elektrischen Leitungen angeschlossen sind, stören und im Grenzfall auch zerstören können. Dieser Effekt tritt besonders dann auf, wenn sich die elektrischen Leitungen in der Nähe und parallel zu den Blitzableitern befinden.

Blitzschutzsystem[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein vollständiges Blitzschutzsystem (englisch Lightning Protection System, LPS) besteht aus einem äußeren Blitzschutz, wie der Blitzableitung oder Blitzableiter, und dazu ergänzend einem inneren Blitzschutz, welcher primär aus einem Überspannungsschutz besteht.

Äußerer Blitzschutz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der äußere Blitzschutz bietet Schutz bei Blitzeinschlägen, die direkt in die zu schützende Anlage erfolgen würden. Er besteht aus Fangeinrichtungen, Ableitungsanlage (beides zusammen umgangssprachlich als Blitzableiter bezeichnet) und Erdungsanlage. Bei einem idealisiert angenommenen Gebäude, dessen Dach und Außenwände aus Metall oder Stahlbeton bestehen, könnte der äußere Blitzschutz als Faradayscher Käfig ausgeführt werden.

Verfahren zur Ermittlung der Schutzbereiche[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Blitzkugelverfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Eindringtiefe p einer Blitzkugel mit dem Radius r zwischen zwei Fangleitungen mit Abstand d
Anwendung des Blitzkugelverfahrens: Alle rot schraffierten Bereiche sind von der Kugel berührbar und müssen aktiv gegen Blitzeinschlag geschützt werden. Alle anderen Bereiche gelten dann als automatisch geschützt.

Das Blitzkugelverfahren ist ein maßgebliches Verfahren zur Ermittlung von Eintrittstellen, die für einen direkten Blitzeinschlag in Frage kommen, und ist in der EN 62305-3 normiert.[1] Es definiert den durch einen Blitz gefährdeten Bereich als Kugel, deren Mittelpunkt die Spitze des Blitzes ist. Die Oberfläche der Kugel stellt eine Äquipotentialfläche eines elektrischen Feldes dar. Es gibt vier Blitzschutzklassen, die jeweils verschiedenen Wahrscheinlichkeiten dafür entsprechen, dass der Scheitelwert eines Blitzstroms unterhalb einer vorgegebenen Stromstärke liegt. Die Blitzschutzklasse einer Anlage muss auf der Grundlage einer Risikobewertung nach EN 62305-2 ermittelt werden. Für jede Blitzschutzklasse wird eine Blitzkugel mit einem bestimmten Radius definiert:

Blitzschutzklasse Radius der Blitzkugel
I 20 m
II 30 m
III 45 m
IV 60 m

Erfahrungsgemäß kann an jedem Ort einer Anlage, die von einer Kugel solcher Größe berührt werden könnte, ein Blitzschlag mit entsprechender Blitzschutzklasse erfolgen. Je kleiner der Radius der Blitzkugel angenommen wird, desto mehr potenzielle Einschlagstellen werden erkannt. Jede Blitzschutzanlage muss einer vollständigen Überprüfung nach dem Blitzkugelverfahren standhalten können.

Das Blitzkugelverfahren kann durch Abrollen einer Kugel über ein maßstäbliches Modell der Anlage oder mit Hilfe der Geometrie angewendet werden. Beispielsweise ergibt sich im Rahmen des Blitzkugelverfahrens, wie in nebenstehender Skizze dargestellt, zwischen zwei Fangleitungen auf Höhe Δh und mit Abstand d bei einer Blitzkugel mit dem Radius r unterhalb der Eindringtiefe p ein Schutzraum.

Die empirisch ermittelten Wahrscheinlichkeiten, dass ein Blitz nicht in die zu schützende Anlage einschlägt, sondern von nach dem Blitzkugelverfahren konstruierten Fangeinrichtungen abgefangen wird, betragen:

Blitzschutzklasse kleinster Scheitelwert des Blitzstroms Imin in kA max.Scheitelwert des Blitzstroms Imax in kA Wahrscheinlichkeit, dass der Strom I < Imax
I 2,9 200 99 %
II 5,4 150 98 %
III 10,1 100 97 %
IV 15,7 100 97 %

Bei kleineren als den angegebenen Blitzscheitelströmen Imin ist die Fangwahrscheinlichkeit geringer. Bei größeren als den angegebenen Blitzscheitelströmen Imax besteht die Gefahr, dass Schäden am zu schützenden Objekt oder an der Blitzschutzanlage auftreten. Der umfassendste Blitzschutz ist bei Blitzschutzklasse I gegeben.

Schutzwinkelverfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Kegelförmiger Schutzbereich rund um eine Fangstange

Das Schutzwinkelverfahren ist ein vom Blitzkugelverfahren abgeleitetes vereinfachtes Verfahren, das durch einen errechneten Winkel α unter Fangeinrichtungen begrenzte Bereiche definiert, in denen ein direkter Blitzeinschlag unwahrscheinlich ist. Dieser Winkel ist von Tangenten an einen Kreis mit dem Radius der Blitzkugel abgeleitet und daher von der Höhe h, dem oberen Ende der Fangeinrichtungen, über der Bezugsebene abhängig. Über diesen Winkel lässt sich auch die benötigte Höhe der Fangeinrichtung berechnen. Als Fangeinrichtungen nach dem Schutzwinkelverfahren werden Fangstangen – umgangssprachlich Blitzableiter – und Fangleitungen, auch Fangseil genannt, verwendet.

Maschenverfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Maschenverfahren ist ein vom Blitzkugelverfahren abgeleitetes vereinfachtes Verfahren, das ein Netz von Fangleitungen zum Schutz ebener Flächen definiert. Die maximale Maschenweite hängt von der benötigten Schutzklasse nach folgender Tabelle ab:

Blitzschutzklasse Maschenweite
I 5 m · 5 m
II 10 m · 10 m
III 15 m · 15 m
IV 20 m · 20 m

Auf Industriebauten wird das Maschenverfahren in der Regel durch Fangstangen ergänzt, die Bauteile (zum Beispiel Klimaanlagen und Dachkuppeln), die über das Maschensystem herausragen, schützen.

Fangeinrichtungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Fangeinrichtung auf einem Flachdach als Kombination aus Maschen und Fangstangen zum zusätzlichen Schutz herausragender Teile

Die Fangeinrichtungen haben nach EN 62305 Teil 3 die Aufgabe, direkte Blitzeinschläge, welche ohne Fangeinrichtung in das Gebäude oder Struktur einschlagen würden, einzufangen. Fangeinrichtungen können aus Stangen, Drähten, Seilen oder Metallteilen der zu schützenden Anlage wie zum Beispiel Teilen von Metalldächern bestehen. Die Fangeinrichtung überragt prinzipbedingt die äußere Kontur des eigentlichen Baukörpers.

Die eigentliche Eigenschaft der Fangeinrichtung entsteht durch den Spitzeneffekt und die niedrige Impedanz des geerdeten Blitzableiters. Durch den Spitzeneffekt bildet sich knapp über der Spitze eine hohe elektrische Feldstärke. Die Spitze der Fangeinrichtung sollte dabei nicht mit zu kleinem Krümmungsradius ausgeführt sein, auch wenn ein möglichst kleiner Krümmungsradius in unmittelbarer Nähe zur Fangstange eine maximale Feldstärkeerhöhung ergibt. Rechnerisch ergibt sich ein ideales Verhältnis von Höhe der Fangstange zum Radius der Spitze von 680:1, was einer Felderhöhung über der Fangeinrichtung von ca. Faktor 230 entspricht, in Relation zum ungestörten Feldstärkeverlauf.[2] Erreicht die elektrische Feldstärke die Durchbruchfeldstärke für Luft, wird die Luft in der unmittelbaren Umgebung ionisiert und damit elektrisch leitfähig; damit setzt die elektrische Entladung ein. Dieser Vorgang kann auch über mehrere Stufen wie eine Koronaentladung erfolgen, historisch wird diese Teilentladung in Bezug zu Gewittern auch als Elmsfeuer bezeichnet.

Das Material der Fangeinrichtung muss witterungsbeständig, elektrisch gut leitfähig und blitzstromtragfähig sein. Daher werden Metalle wie Kupfer, Aluminiumlegierung (AlMgSi), Niro (V2A) oder verzinkter Stahl verwendet. Der Leitungsquerschnitt (i.d.R. 50 mm²) bzw. Durchmesser (mind. 8 mm) muss so gewählt sein, dass die hohe Momentanleistung eines Blitzschlags nicht zum Schmelzen der Fangeinrichtungen führt und die mechanischen Kräfte zufolge der Lorentzkraft bei hohen Strömen zu keinen mechanischen Verformungen führen.[3] Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass der Blitzstrom nur einige Millisekunden fließt.

Insbesondere exponierte Stellen einer Anlage, die für einen direkten Blitzeinschlag in Frage kommen, werden oft mit Fangeinrichtungen versehen oder als Fangeinrichtung ausgebildet. Die Fangeinrichtungen sind typischerweise untereinander und auf kurzem Weg mit der Ableitungsanlage verbunden.

Fangeinrichtung mit hohen Metallmasten in einer Freiluftschaltanlage
Radioaktive Blitzfangeinrichtung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine radioaktive Blitzfangeinrichtung ist eine besondere Ausführung einer Blitzfangeinrichtung, bei der eine radioaktive Substanz durch ihre Strahlung die Luft um den metallischen Leiter ionisiert und dadurch den Blitz auf diese lenken soll. Als radioaktive Substanz enthalten sie typischerweise umschlossene Alphastrahler wie Radium-226 oder Americium-241 mit einer Radioaktivität von ungefähr 30 kBq bis 70 MBq. Mehrere dieser Strahlenquellen wurden auf einer Fangstange montiert.

Radioaktive Blitzfangeinrichtungen mit Alphastrahlern wurden unter anderem in der Westschweiz, in Frankreich, und unter französischem Einfluss in einer Reihe von Staaten, so z. B. in Brasilien und in Spanien eingesetzt. In Serbien und in allen Staaten des früheren Jugoslawien wurden Gammastrahler, und zwar 152Eu, 154Eu und 60Co mit einer Aktivität von ca. 4 GBq bis 20 GBq verwendet, wobei nur eine Strahlenquelle pro Blitzableiter verwendet wurde.

Es konnte allerdings nie nachgewiesen werden, dass die Radioaktivität die Wirksamkeit der Fangeinrichtung tatsächlich verbessert. Blitzfangeinrichtungen mit radioaktiven Strahlenquellen werden heute aus Sicherheitsgründen demontiert und durch herkömmliche Blitzfangeinrichtungen ersetzt.[4]

Ableitungsanlage[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Ableitungsanlage, umgangssprachlich auch als Blitzableiter bezeichnet, leitet den Blitzstrom von den Fangeinrichtungen zur Erdungsanlage.

Sie besteht aus annähernd senkrecht geführten metallischen Ableitungen, die über den Umfang der baulichen Anlage verteilt sind. Als Ableitungen können sowohl separate Leitungen als auch ausreichend dimensionierte und blitzstromtragfähig verbundene Metallteile der zu schützenden Anlage verwendet werden. Die Leiterführung soll möglichst kurz von der Fangeinrichtung zur Erdungsanlage verlaufen.

Die benötigte Anzahl der Ableitungen und ihr maximaler Abstand sind von der benötigten Schutzklasse abhängig. Die Mindestanzahl ermittelt sich, indem der Umfang der Dachaußenkanten (in Metern) durch 20 geteilt und das Ergebnis um 1 erhöht wird. Das Ergebnis wird gegebenenfalls auf- oder abgerundet. Bei Gebäuden mit weniger als 12 m Länge oder Breite kann ein ungerades Ergebnis auf die nächstniedrigere gerade Anzahl reduziert werden.[3]

Erdungsanlage[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Erdungsanlage leitet den Blitzstrom in den Erdboden. Sie beinhaltet, wenn vorhanden, einen Fundamenterder.

Der Erder muss für jede Ableitung einen nach außen geführten Anschluss aufweisen. Wenn das Fundament vollständig isoliert, beispielsweise fehlt bei älteren Bauten der Fundamenterder oftmals, oder der Erdwiderstand zu hoch ist, muss der Fundamenterder durch zusätzliche Ringerder, Strahlenerder, Plattenerder, Tiefenerder oder natürliche Erder ergänzt werden. Diese müssen dauerhaft korrosionsgeschützt sein und werden daher möglichst aus nichtrostendem Stahl V4A (Werkstoff-Nr. 1.4571) erstellt. Nur bei unbeeinflussten Erdern kann auf verzinkten Stahl zurückgegriffen werden.[3]

Ringerder, Erdungsplatten und Strahlenerder sollen mindestens 50 cm tief in den Erdboden eingebracht werden. Die Tiefe soll auch in trockenen Sommern einen ausreichend feuchten Boden garantieren, um den Erdungswiderstand gering zu halten, und helfen, Korrosion durch Luftabschluss zu begrenzen. Tiefenerder werden senkrecht in den Boden getrieben und können neun Meter oder länger sein. Sie bestehen in der Regel aus nichtrostendem Stahl V4A. Verzinkter Stahl kommt nur zum Einsatz, wenn keine Korrosionsgefahr durch alkalische oder saure Böden bzw. elektrochemische Korrosion besteht.

Haupterdungsleiter und Blitzschutzerder (soweit vorhanden) werden an den Hauptpotentialausgleich angeschlossen, damit alle leitfähigen Teile des Gebäudes auf einem gemeinsamen Spannungsniveau liegen. In den Potentialausgleich werden weiterhin Hauptschutzleiter, Hauptwasserrohre, Hauptgasrohre, Antennenstangen und sonstige berührbare Metallteile wie durchlaufende Treppengeländer und Aufzugsschienen einbezogen.[3]

Innerer Blitzschutz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Fein- und Geräteschutz für zwei Telefonleitungen, bestehend aus Gasableitern und Varistoren.

Der Überspannungsschutz, welcher den inneren Blitzschutz darstellt, ist die Gesamtheit der Maßnahmen gegen Überspannungen unterschiedlichster Art. Auch Auswirkungen eines Blitzeinschlages bis in ca. 1,5 km Entfernung werden auf Installationen sowie elektrische und elektronische Anlagen der baulichen Anlage übertragen.

Diese Überspannungen können auf mehrere Arten entstehen:

  1. Durch direkte Einwirkung des Blitzstromes aufgrund eines Einschlages in das Gebäude oder Versorgungsleitungen.
  2. Durch direkte Einwirkung des Blitzstromes aufgrund eines Einschlages in Energie-/Telekommunikationszuleitungen.
  3. Durch indirekte Einwirkung hoher Spannungen aufgrund eines entfernten Einschlages.

Für den Überspannungsschutz von elektrischen Anlagen und Endgeräten werden Überspannungsschutzgeräte (Surge Protective Devices) eingesetzt, die nach der Norm EN 61643-11 in drei Kategorien eingeteilt sind:

  • SPD Typ 1 (Grobschutz) müssen an allen Einführungen von elektrischen Leitungen in den Schutzbereich des äußeren Blitzschutzes eingesetzt werden. Sie leiten den vollen Blitzstrom ab, belassen es aber bei einer für elektronische Geräte gefährlichen Überspannung. SPD Typ 1 bestehen aus in Gehäuse eingebaute Funkenstrecken (Trennfunkenstrecken). Der Einsatz von Kombiableitern (kombiniert Typ 1+2+3) kann wirtschaftlicher sein. Die Vorteile liegen in einer Platz- und Kostenersparnis, gegenüber einem vergleichbaren SPD Typ 1.
  • SPD Typ 2 (Mittelschutz) reduzieren das Spannungsniveau weiter. Sie werden in der Regel in Unterverteilungen in Bauformen für eine Hutschienenmontage eingesetzt. Für SPD Typ 2 werden häufig leistungsstarke Varistoren eingesetzt.
  • SPD Typ 3 (Fein- oder Geräteschutz) reduzieren das Spannungsniveau auf ein für elektronische Geräte ungefährliches Maß. Sie werden möglichst nahe, max. 10 m, bei den zu schützenden Endgeräten eingesetzt. SPD Typ 3 sind zum Beispiel Überspannungsschutz-Steckdosen und Überspannungsschutz-Steckdosenadapter. Der Überspannungsschutz wird bei dieser Kategorie mehrstufig durch eine Kombination vom ungeschützten Eingang ausgehend mit Gasableitern, dann einer Stufe mit Varistoren und Suppressordioden erreicht.

Blitzschutzanlagen bei besonderen Einrichtungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Antennen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Antennen stellen besonders durch Blitzschlag gefährdete Objekte dar, da sie sich funktionsbedingt an exponierter Stelle befinden und elektrisch leitfähig sind. Wenn ein Blitz in eine Antenne einschlägt, wird der Blitzstrom über die Abschirmung des angeschlossenen Koaxialkabels ins Gebäude geleitet. Um zu vermeiden, dass dann im Gebäude ein Lichtbogen zwischen der Abschirmung und geerdeten Teilen zündet, muss jede Antenne, die sich nicht im Schutzbereich einer Fangeinrichtung befindet, geerdet werden. Der hohe Blitzstrom in der Abschirmung ruft eine hohe Spannung am Kabel hervor, die angeschlossene Geräte zerstört. Diese kann durch Überspannungsschutzgeräte an beiden Enden des Kabels verhindert werden.

Selbststrahlende Sendemasten für Lang- und Mittelwelle können nicht geerdet werden, weil über die Erdung die abzustrahlende Hochfrequenzenergie abfließen würde. Solche Masten besitzen am Fußpunktisolator eine Funkenstrecke (Trennfunkenstrecke), über die der Blitz überspringen kann. Diese Funkenstrecke wird so eingestellt, dass bei der am Mast anliegenden Spannung auch bei strömendem Regen keine Entladung auftreten kann. Um das Überspringen des Blitzes über die Funkenstrecke zusätzlich zu fördern, ist in die Speiseleitung eine Induktivität mit einer Windung, die Blitzschlaufe, eingebaut.

Ein Verstimmschutz überwacht, ob die Antenne stets den richtigen Widerstand hat, und bewirkt bei einem Blitzschlag, der zum Kurzschluss des Senderausgangs führt, ein kurzzeitiges Abschalten des Senders. Hierdurch wird verhindert, dass durch die Sendeleistung gespeiste Lichtbögen stehen bleiben, welche unter Umständen die Maststatik und den Sender gefährden können. Manchmal sind auch noch UV-Detektoren vorhanden, die überwachen, dass keine Lichtbögen bestehen bleiben. Nach einer gewissen Zahl von Ausschaltungen wird der Sender oft für längere Zeit abgeschaltet und der Mast wird automatisch geerdet.

Für die Dimensionierung der Isolation von Pardunenunterteilungsisolatoren wird die statische Aufladung bei Gewittern zum Hauptkriterium und nicht die Sendeleistung. Da die Isolatoren stets mit Überspannungsableitern, die einer Wartung bedürfen, ausgestattet sein müssen, werden die Pardunen gelegentlich auch über Spulen, die eine Verstimmung der Seile bewirken, oder in Ausnahmefällen auch direkt geerdet. Bei derartigen Konstruktionen gibt es nur am Mast und an den Spulen Überspannungsableiter.

Ausnahmen gelten für Antennenanlagen, beispielsweise Satellitenantennen, die 2 m unterhalb der Dachtraufkante und nicht weiter als 1,5 m von der Hauswand ausragend angebracht sind. Dieses ist in der Regel der Fall, wenn die Antenne auf dem Balkon oder mittels eines Wandhalters unterhalb der Dachtraufkante angebracht ist.[5]

Freileitungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Freileitungen für Hochspannung mit Nennspannungen über 110 kV werden in der Regel mit Erdseilen überspannt. Je nach Bauform der metallischen Masten kommen dabei ein oder zwei Erdseile zur Anwendung, bei Umspannanlagen werden Freiluftschaltanlagen bei Bedarf auch mit Erdseilen überspannt. Neben dem Blitzschutz dienen diese Erdseile auch dem Potentialausgleich zur Ableitung und Ausgleich von Erdkurzschlussströmen im Fehlerfall.[6]

Seilbahnen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Blitzschlag am Eiffelturm am 3. Juni 1902 um 21.20 Uhr

Wie alle Türme und Freileitungen laufen auch Seilbahnen, insbesondere Luftseilbahnen, Gefahr, von Blitzen getroffen zu werden. Schlägt ein Blitz in eine Seilbahnstütze, direkt in eine Gondel oder in ein Trag-, Zug- oder Förderseil ein, so erfolgt ein Potentialausgleich mit dem Erdboden. Seilbahngondeln wirken dabei wie Autos als Faradaysche Käfige, das heißt, das Innere bleibt in Näherung frei vom elektrischen Feld (siehe dazu auch Betrieb von Fahrzeugen während eines Gewitters).

Stützen müssen nach den gesetzlichen Vorschriften geerdet sein.[7] Bei einem Blitzeinschlag in ein Tragseil wird der Blitzstrom über die metallenen Tragseilsättel oder die Abspannung abgeleitet, bei Einschlägen in Förderseile und Zugseile, die bei den Masten über gummigefütterte Rollen laufen, fließt der Strom über die Stahlseile zu den Stationen. Dort können technische Bauteile, vor allem Sensoren und andere elektrische und elektronische Komponenten, durch den Blitzstrom beschädigt werden, sofern die Drahtseile nicht rechtzeitig vor Herannahen des Gewitters extra geerdet wurden.

Der Kontakt der Zug- oder Förderseile mit den Rollen und Seilumlenkscheiben reicht wegen der Gummifütterung derselben alleine nicht aus, um einen niederohmigen Strompfad zur Erdung sicherzustellen. Obwohl die Gummiauflagen der Rollen und Umlenkscheiben zur Vermeidung von im regulären Betrieb und bei Gewittern entstehenden elektrostatischen Aufladungen aus elektrisch leitendem Material produziert werden, kann dieses begrenzt leitfähige Gummimaterial stärkere Blitzströme nicht ableiten.[8]

Ein schlüssiger Kontakt ist nur mit stillstehenden Seilen möglich. Bei älteren Seilbahnanlagen werden vor einem Gewitter die Seile manuell mit einer fest zu montierenden Erdungsstange geerdet, bei modernen Anlagen kann das vollautomatisch erfolgen.[9][10] Generell mindern Erdseile, die oberhalb des Fahrweges von Mast zu Mast gespannt werden, das Risiko von Einschlägen in die Seilbahnseile.

Bei Stahlseilen können an der Blitzeinschlagstelle einzelne Litzen beschädigt werden. Obwohl ein Blitzschlag bisher kein Seilbahnseil unmittelbar zum Reißen gebracht hat, werden die Seilbahnseile bei den regelmäßigen Seilkontrollen visuell auf eventuelle Schäden durch Blitzeinschläge untersucht.[11] Sonstige Schäden durch Blitzeinschlag treffen vor allem exponiert angebrachte Windmesser und zugehörige elektrische Leitungen (sowie Leitungen für Strom, Telefon, Lautsprecher, Daten) ohne Blitzableiter in der Nähe.

Blitzeinschläge in Schlepplifte sind sehr gefährlich, da der Potentialausgleich durch die Körper der mehr oder minder geerdeten Liftbenutzer erfolgen kann. Solche Anlagen werden daher nach den Betriebsvorschriften vor Gewittern außer Betrieb gesetzt.

Normung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der umfassende Blitzschutz ist international in der IEC 62305 und europäisch in der EN 62305 definiert. Im deutschsprachigen Raum wurde die EN gemäß den gemeinsamen Regeln der CEN/CENELEC durch Veröffentlichung eines identischen Textes mit nationalem Vorwort in die jeweiligen nationalen Normenwerke mit aufgenommen.

Die Normenreihe IEC 62305 besteht aus vier Teilen:[12]

  • Teil 1: Allgemeine Grundsätze
  • Teil 2: Risiko-Management
  • Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen
  • Teil 4: Elektrische und elektronische Systeme in baulichen Anlagen

und den im Jahr 2006 in der Entwurfsphase entfernten Teil 5:[13]

  • Teil 5: Services (Arbeitstitel, geplante Anwendung waren Dienstleistungen im Telekommunikationsbereich)

Sie bietet ein Gesamtkonzept zum Blitzschutz und berücksichtigt

  • die Gefährdung durch Blitzeinschläge (direkt und indirekt) sowie den Strom und das Magnetfeld des Blitzes
  • die Schadensursachen (Spannungen, Funkenbildung, Feuer, Explosion, Überspannungen, mechanische und chemische Wirkungen)
  • die zu schützenden Objekte (Personen, Gebäude, Anlagen)
  • die Schutzmaßnahmen wie Fangeinrichtungen, Ableitungen und Schirmungen.[14]

Der zweite Teil (EN 62305-2), der zunächst in Europa nicht die erforderliche Abstimmungsmehrheit erreicht hat, musste vor der Veröffentlichung als DIN EN 62305-2; VDE 0185-305-2:2013-02 bei der CENELEC nachgearbeitet werden.[15]

In Deutschland wurde die DIN EN 62305 zudem, weil sie Sicherheitsfestlegungen über die Abwendung von Gefahren für Menschen, Tiere und Sachen enthält, in das VDE-Vorschriftenwerk unter VDE 0185-305 mit aufgenommen. Sie entfaltet somit nach herrschender Rechtsprechung die Vermutungswirkung, eine anerkannte Regel der Technik zu sein.[16]

In der EN 62305-4 werden Blitzschutzzonen (englisch lightning protection zone, LPZ) definiert. Die Einteilung geht von LPZ0 für ungeschützte Bereiche bis zu LPZ2 und höher für stark abgeschirmte Bereiche. Analog dazu werden in der EN 62305-1 Gefährdungspegel (englisch lightning protection level, LPL) von I bis IV beschreiben, wobei im Allgemeinen der LPL II, für elektronische Systeme jedoch der LPL I empfohlen wird.[17]

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Künstlerische Darstellung von Benjamin Franklins Experiment des Jahres 1752, in welchem er angeblich einen Drachen an einem Draht in eine Gewitterwolke aufsteigen ließ
Zeichnung des im Oktober 1782 errichteten Bilitzableiters auf dem Turm des Schlosses Hainewalde

Als Erfinder des Blitzableiters gilt Benjamin Franklin, der sich in den 1740er Jahren für den damals neu entstandenen Themenbereich rund um die Elektrizität interessierte. Nach seiner 1749 geäußerten Theorie, Blitze seien nichts anderes als elektrische Funken, also eine Form von Lichtbogen in riesigem Maßstab, schlug er im Juni 1752 ein Experiment vor, das im Aufbau einem Blitzableiter gleicht: Während eines Gewitters sollte ein Drachen an einem Metalldraht aufsteigen und von einem Blitz getroffen werden, der Metalldraht sollte die Ladung auf den Boden weiterleiten, wo sie beispielsweise mit einer frühen Bauform eines Kondensators, der sogenannten Leidener Flasche, gespeichert und in Folge die elektrische Spannung am Kondensator festgestellt werden konnte.[18] Franklin bewies mit dem Versuchsaufbau, dass Blitze elektrische Ladungen darstellen. Ob Franklin genau dieses Experiment selbst durchführte oder gar persönlich einen Drachen aufsteigen ließ, wie später kolportiert wurde, ist stark umstritten. Er war sich der Gefährlichkeit des Experiments sehr wohl bewusst.

Nach seinen Experimenten im Jahr 1752, bei denen er an seinem Haus und der von ihm gegründeten Akademie von Philadelphia frühe Blitzschutzeinrichtungen installierte und mithilfe deren er auch die Polarität von Gewitterwolken untersuchte, stellte er 1753 in seiner Zeitschrift Poor Richard's Almanack auch der Öffentlichkeit sein auf Wirksamkeit überprüftes Verfahren zum Gebäudeschutz vor Blitzschlag vor. In den Folgejahren musste Franklin jedoch noch Fehler ausbessern, er hatte etwa die Bedeutung der korrekten Erdung zunächst unterschätzt.[19]

Auch in Europa wurde das Phänomen von Blitzen eifrig untersucht. In den 1750er Jahren führte der französische Physiker Jacques de Romas das Drachenexperiment tatsächlich persönlich durch. 1753 starb Georg Wilhelm Richmann während eines ähnlichen Versuchs am Blitzschlag. Davon erfuhr auch der böhmische prämonstratensische Ordensbruder Prokop Diviš, der seit längerem eigene Theorien zur Elektrizität verfolgte. Er errichtete 1754 in seinem Pfarrgarten in Přímětice ein Gerät zur Gewitterverhinderung.[20] Mit seiner „Wettermaschine“ verfolgte Diviš jedoch das Ziel, möglichst großmaßstäbig Gewitter ganz zu verhindern; als tatsächlicher Blitzableiter war das Projekt des Pfarrers nicht gedacht. Divišs Theorien wurden auch durch andere Wissenschaftler verworfen, die ihn als Phantasten abtaten; mangels Unterstützung durch Kirchenoberen und den Wiener Hof, an den er sich wandte, musste Diviš seine Experimente um 1760 aufgeben.[21]

Von Grenzwissenschaftlern werden gelegentlich bis heute überholte Theorien verbreitet, dass bereits antike Kulturen Blitzableiter errichtet hätten.[22] Hierbei handelt es sich in der Regel um Fehlinterpretationen von Inschriften oder den Überresten der fraglichen Monumente.[23] Ferner stattete der russische Adlige und Metallmagnat Akinfi Nikititsch Demidow den von ihm zwischen 1721 und 1735 erbauten Schiefen Turm von Newjansk mit einem bis in den Boden durchgängigen Eisengerüst und Metalldach aus, welches in Kombination mit einer vergoldeten, metallenen Hohlkugel auf der Turmspitze auch die Funktion eines Blitzableiters besaß - ob diese Eigenschaft jedoch beim Bau bewusst eingesetzt wurde und somit Franklins Erfindung vorwegnahm, ist heute umstritten.[24]

Im 18. Jahrhundert machte sich in Europa vor allem Giambatista Beccaria in Italien um die frühe Verbreitung von Blitzableitern verdient.

Der erste Blitzableiter in Deutschland wurde auf der Hamburger Hauptkirche St. Jacobi 1769 installiert. 1779 wurde die niedersächsische Universitätsstadt Rinteln mit einem Kranz von insgesamt sieben frei stehenden Blitzableiterstangen umgeben, die die Stadt komplett schützen sollten.[25] 1787 wurde auf der Villa Lindengut in Winterthur, heute das Heimatmuseum der Stadt, der erste Blitzableiter der Schweiz errichtet.

Der Blitzableiter wurde jedoch an vielen Stellen in Deutschland relativ zeitgleich eingeführt, so berichtet A. T. von Gersdorff in den Oberlausitzer Provinzialblättern von der Konstruktion eines Blitzableiters in Oberrengersdorf im Jahre 1772. Dies erfolgte im Rahmen der ausführlichen Beschreibung der Errichtung eines Blitzableiters für den Turm des Schlosses Hainewalde, welche im Jahre 1782 stattfand.[26]

Im süddeutschen Raum entwickelte Johann Jakob Hemmer, Leiter des Physikalischen Kabinetts am Hof des Kurfürsten Karl Theodor in Mannheim, den „Hemmerschen Fünfspitz“. Ein Blitzschlag in den Marstall von Schwetzingen (1769) scheint hier Anlass gewesen zu sein, dass sich der bekannte Universalgelehrte Hemmer auch mit der Notwendigkeit des Blitzschutzes beschäftigte und den fünfstrahligen Blitzableiter, gekennzeichnet durch eine senkrechte Stange und ein waagrechtes Strahlenkreuz, erfand und einführte. Der erste Blitzableiter hemmerscher Art wurde am 17. April 1776 auf dem Schloss des Freiherrn von Hacke in Trippstadt/Pfalz installiert. Die weitere Entwicklung wurde durch eine Verordnung des Kurfürsten Karl Theodor beschleunigt, der 1776 bestimmte, dass alle Schlösser und Pulvertürme des Landes mit Blitzableitern auszurüsten seien. In den folgenden Jahren breitete sich ein weiter Elektrizitätstaumel in Deutschland aus, der dazu führte, dass die „Hemmerschen Fünfspitze“ mehr und mehr nachgefragt wurden. Ein Nutzen des waagerechten Strahlenkreuzes konnte jedoch nie nachgewiesen werden. Die Konstruktion blieb deshalb letztlich ohne Einfluss auf die technische Entwicklung des Blitzschutzes.

Während Benjamin Franklins Besuch in Paris in den Jahren 1776 bis 1785 führte die Begeisterung der Bevölkerung in den besser gestellten Kreisen zu Blitzableiter in der französischen Mode, deren Schutzfunktion allerdings nie nachgewiesen wurde.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Fridolin Heidler, Klaus Stimper: Blitz und Blitzschutz. Grundlagen der Normenreihe VDE 0185 – Entstehung von Gewittern – Blitzortungssysteme – Blitzströme und ihre Wirkungen – Schutz von Gebäuden und elektrischen Anlagen. VDE-Verlag, 2009, ISBN 978-3-8007-2974-6.
  • Verband Deutscher Blitzschutzfirmen e. V. (Hrsg.): VDB Blitzschutz Montage-Handbuch auf CD. Köln 2009.
  • DEHN + SÖHNE (Hrsg.): BLITZPLANER®. 3. aktualisierte Auflage. 2013, ISBN 978-3-9813770-0-2.PDF-Version
  • Peter Hasse, Johannes Wiesinger: Handbuch für Blitzschutz und Erdung – mit 33 Tabellen. VDE-Verlag, Offenbach 1993, ISBN 3-7905-0657-5.
  • Ernst Ulrich Landers, Peter Zahlmann: EMV – Blitzschutz von elektrischen und elektronischen Systemen. Risikomanagement, Planen und Ausführen nach den neuesten Normen der Reihe DIN EN 62305-x (VDE 0185-305-x). VDE-Verlag, Offenbach 2013, ISBN 978-3-8007-3399-6.

Historische Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Benjamin Franklin: Experiments and Observations on Electricity. London 1769 (Volltext in der Google-Buchsuche [abgerufen am 27. März 2017]).
  • Louis Figuier: Exposition et histoire des principales découvertes scientifiques modernes. Band 4. Langlois et Leclercq, Paris 1857 (Volltext in der Google-Buchsuche [abgerufen am 28. März 2017]).
  • Louis Figuier: Les Merveilles de la science ou description populaire des inventions modernes. Band 1, Furne, Jouvet et Cie, Paris 1867, Kapitel Le Paratonnerre. S. 491-597; in der französischen Wikisource
  • 1781: Nikolaus Anton Johann Kirchhof (teilweise Übersetzung) von James Fergusons Vorlesungen: Beschreibung einer Zurüstung welche die anziehende Kraft der Erde gegen die Gewitterwolke und die Nützlichkeit der Blitzableiter sinnlich beweiset. Nicolai, Berlin 1781 (Digitalisat)
  • 1783: J. Langenbucher: Richtige Begriffe vom Blitz u. von Blitzableitern., Augsburg 1783
    • Verhaltungsregeln bey nahem Donnerwetter; 2te Aufl, mit einer Kupfer, Gotha 1775[27]
  • 1786: A. G. Wetzel: Abhandlg. über Electricität und Blitzableitung., 1786 [28]
  • Dietrich Müller-Hillebrand: The Protection of Houses by Lightning Conductors. An Historical Review. J. Franklin Institute, 273, 1962, S. 35–44
  • Karl-Heinz Hentschel: Kleine Kulturgeschichte des Gewitters. Aufsatz vom März 1993 (online) [abgerufen am 29. März 2017]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Blitzableiter – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Blitzableiter – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. DIN EN 62305-3; VDE 0185-305-3:2011-10:2011-10 Titel (deutsch): Blitzschutz – Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen (IEC 62305-3:2010, modifiziert); Deutsche Fassung EN 62305-3:2011 DIN EN 62305-3. beuth.de, Oktober 2011, abgerufen am 15. März 2012.
  2. C. B. Moore, William Rison, James Mathis, und Graydon Aulich: Lightning Rod Improvement Studies. In: Langmuir Laboratory for Atmospheric Research, New Mexico Institute of Mining and Technology (Hrsg.): Journal of Applied Meteorology. Band 39, Nr. 5, 10. April 1999, S. 593–609 (Online [PDF]).
  3. a b c d Johann Pröpster: Blitzschutzanlagen - Geschäftsfeld für Klempner, S. 52, Zeitschrift sbz 13/1999
  4. Hansruedi Völkle: Radium-haltige Blitzableiter in der West-Schweiz. Hrsg.: Bundesamt für Gesundheit, Bern und Physikdepartment der Universität Freiburg, Schweiz. doi:10.5169/seals-308881.
  5. Thorsten Sinning, "Satellitenanlagen installieren", Verlag si2.de, Aachen, 1. Auflage 2013, ISBN 978-3-00-040746-8.
  6. Reinhard Fischer, Friedrich Kießling: Freileitungen: Planung, Berechnung, Ausführung. 4. Auflage. Springer, 2013, ISBN 978-3-642-97924-8, Kapitel 7: Erdung und Erdseilschutz.
  7. Beispielhaft die Ausführungsbestimmungen (AB) zu den Vorschriften für den Bau und Betrieb von Seilbahnen, Seite 40 – Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie PDF, abgerufen am 20. Juli 2012.
  8. Produktspezifikation Seilbahneinlageringe.
  9. Stephanie Woodbury: Lightning and methods of protection. OITAF-NACS, 2004, abgerufen am 15. März 2012 (PDF).
  10. Denkanstöße zur Funktionserfüllung von Einseilumlaufbahnen. Wolfurt 1997, ISBN 3-9500815-1-8 (shrani.si [abgerufen am 16. März 2012]).
  11. 3.1 – Kontrollen des Seils in den Vorlesungsunterlagen Seilbahnbau am Institut für Eisenbahnwesen u. Verkehrswirtschaft der Technischen Universität Graz, WS 2011, Seite 21 f. – PDF, abgerufen am 21. Juli 2012.
  12. IEC 62305:2013 Series - Protection against lightning - Alle Teile. IEC (International Electrotechnical Commission), 2013, abgerufen am 20. Februar 2017.
  13. Christian Bouquegneau: The Lightning Protection International Standard IEC 62305. ICLP 2006, S. 3, abgerufen am 20. Februar 2017 (PDF).
  14. HUSS Medien GmbH (Hrsg.): Elektropraktiker, Februar 2016, ISSN 0013-5569
  15. Die neuen Blitzschutznormen. der Reihe DIN EN 62305 (VDE 0185-305). Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE, 19. Oktober 2011, abgerufen am 15. März 2012.
  16. Internationales Arbeitsumfeld. Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE, 19. Oktober 2011, abgerufen am 15. März 2012.
  17. Landers, Zahlmann: EMV – Blitzschutz von elektrischen und elektronischen Systemen in baulichen Anlagen, VDE-Verlag, 2013, ISBN 978-3-8007-3399-6, S. 51
  18. Marcus W. Jernegan: Benjamin Franklin's "Electrical Kite" and Lightning Rod. In: The New England Quarterly. Band 1, Nr. 2, 1928, S. 180 - 196, doi:10.2307/359764.
  19. Benjamin Franklin and Lightning Rods (Memento vom 10. Januar 2006 im Internet Archive) (engl.)
  20. Karl Vocelka: Glanz und Untergang der höfischen Welt. Repräsentation, Reform und Reaktion im habsburgischen Vielvölkerstaat. In: Herwig Wolfram(Hrsg.): Geschichte Österreichs 1699–1815. Wien 2001. S. 269 f.
  21. Christa Möhring: Eine Geschichte des Blitzableiters. Die Ableitung des Blitzes und die Neuordnung des Wissens um 1800. (Dissertationsschrift) S. 83–105
  22. Karl Bornemann: Procop Diwisch. Ein Beitrag zur Geschichte des Blitzableiters. In: Die Gartenlaube, Heft 38, S. 624–627. Digitalisat
  23. Alfred Wiedemann: Das Alte Ägypten. Heidelberg 1920, Digitalisat. Seite 413.
  24. Werner Lorenz, Bernhard Heres: The Demidov ironworks in Nevyansk (Ural mountains) - Iron structures in building from the first half of the 18th century.
  25. Johann Matthäus Hassencamp: Von dem großen Nutzen der Strahlableiter, und ihrer vortheilhaftesten Einrichtung zur Beschützung ganzer Städte, Rinteln 1784
  26. Oberlausitzische Gesellschaft der Wissenschaften: Provinzialblätter, oder Sammlungen zur Geschichte Naturkunde, Moral und anderen Wissenschaften, Seite 388ff., Leipzig und Dessau, 1782.
  27. Verzeichniß einer Bücher=Sammlung aus verschiedenen Fächern der Wissenschaften nebst einem starken Anhang bellitristischer Werke, welche am 21. März 1836 ..., Nürnberg 1834., 64 S. Google Books, online S. 23, Position 637
  28. Verzeichniß einer Bücher=Sammlung aus verschiedenen Fächern der Wissenschaften nebst einem starken Anhang bellitristischer Werke, welche am 21. März 1836 ..., Nürnberg 1834., 64 S. Google Books, online S. 37, Position 1078