Versuche zum Äußeren Blitzschutz

Einzigartiger Aufbau

Die Berechnung des erforderlichen Trennungsabstands s überschreitet oftmals die mit herkömmlichen Blitzschutzsys-​temen durch die baulichen Gegebenheiten erreichbaren Trennungsabstände. Um dennoch die erforderlichen Abstände zu realisieren, hat sich die Verwendung von isolierten Ableitungen in der Praxis bewährt. Durch ihren speziellen hochspannungsfesten Aufbau ermöglichen sie die Einhaltung des Trennungsabstandes unabhängig von den baulichen Gegebenheiten. Grundsätzlich sind isolierte Ableitungen so konzipiert, dass ein blitzstromführender Leiter von einem Isolierstoff ummantelt ist, der auf Grund seiner isolierenden Eigenschaften den notwendigen Trennungsabstand zu anderen leitenden Gebäudeteilen sowie zu Elektro- und Rohrleitungen sicherstellt. Die koaxial aufgebauten Leitungen bestehen deshalb aus einem metallenen Innenleiter mit einer dickwandigen, hochspannungsfesten Isolierung und einem witterungsbeständigen, halbleitfähigen äußeren Spezialmantel.

Funktion der isolierten Ableitungen

Beim Ableiten eines Blitzstromes entstehen auf Grund der sehr hohen Steilheit des Blitzstromes sehr hohe Impulsspannungen zwischen der Blitzschutzanlage und der metallenen Installation in einem Gebäude, die ohne zusätzliche Maßnahmen zu Durch- oder Überschlägen an der Isolierstoffoberfläche der isolierten Ableitung führen können. Der Effekt des Überschlags an Isolierstoffoberflächen ist allgemein als Gleitüberschlag bekannt und wird durch eine Oberflächenentladung initiiert.

Diese Oberflächenentladungen entlang der Oberfläche können auf Grund der hohen Impulsspannung zu Überschlägen von einigen Metern führen. Um diese Gleitentladungen zu vermeiden, sind isolierte Ableitungen mit einem äußeren Spezialmantel ausgestattet, der es ermöglicht, hohe Blitz-Impulsspannungen auf einer relativ kurzen Strecke gegen ein geerdetes Bezugspotential abzusteuern. Funktionsbedingt wird dazu im Bereich des Endverschlusses eine Verbindung zwischen dem äußeren halbleitenden Mantel und dem Potentialausgleich des Gebäudes (nicht blitzspannungsbehaftet) geschaffen. Dieser Anschluss an den Potentialausgleich kann z.B. an metallene geerdete Dachaufbauten, die im Schutzbereich der Blitzschutzanlage liegen, an geerdete Teile der Gebäudekonstruktion, die nicht mit dem Potential der Blitzschutzanlage behaftet sind oder an den Schutzleiter des Niederspannungssystems erfolgen.

Anbieter isolierter Ableitungen

Auf dem Markt gibt es inzwischen eine Reihe von Anbietern, die isolierte Ableitungen für den Blitzschutz anbieten. Die zunehmende Zahl von Anbietern isolierter Ableitungen unterstreicht die Bedeutung des Produkts als Bauteil im Äußeren Blitzschutz.

So einfach die Anwendung isolierter Ableitungen im Blitzschutz erscheint, erfordern ihre Auswahl und Installation doch die Einhaltung spezieller Anwendungsregeln. Da die Blitzschutzfachkraft die einzelnen, am Markt erhältlichen isolierten Ableitungen technisch nicht beurteilen kann, ist sie auf die entsprechenden Herstellerangaben angewiesen. Je ausführlicher und detaillierter die Produktbeschreibungen des Herstellers mit seinen Angaben zur Auswahl, zur Montage aber auch den zugehörigen Prüfberichten sind, desto einfacher sind die richtige Auswahl, die Vermeidung von Montagefehlern und die sichere Funktion, die ein Planer oder Blitzschutzbauer mit diesem technisch hochwertigen Produkt sicherstellen will.

Normenlage

Da es für isolierte Ableitungen bis dato noch keine gültige Norm gibt, weichen die technischen und funktionellen Eigenschaften der am Markt erhältlichen Leitungen deutlich voneinander ab. Um die technischen Anforderungen an isolierte Ableitungen zu vereinheitlichen, wird auf nationaler und internationaler Ebene seit einigen Jahren an einer Bauteilenorm für isolierte Ableitungen gearbeitet. 

So wurde auf internationaler Normenebene bei IEC ein Norm-entwurf erstellt, der zukünftig als „Technische Spezifikation“ die bereits existierende Normenreihe VDE 0185-561 für Blitzschutzbauteile ergänzen wird.

Prüfungen

Inzwischen wurden bereits isolierte Ableitungen nach dem derzeitigen Stand des Normenentwurfs getestet. Neben verschiedenen mechanischen Anforderungen, der Umweltbeständigkeit, der Blitzstromtragfähigkeit usw. ist insbesondere die Überprüfung der Hochspannungsfestigkeit ein wichtigster Teil der Bauteilprüfung. Durch einen speziell vorgegebenen Prüfaufbau wird sowohl die Durchschlags- als auch die Gleitentladungsfestigkeit überprüft.

Dabei versteht man unter der Durchschlagsfestigkeit des Isolierstoffs die Impulsspannung, der die Leitung aufgrund ihres Aufbaus ohne Durchschlag durch die Isolation standhalten kann. Der Durchschlag des Isolierstoffes ist dem Versagen des Blitzschutzsystems gleichzusetzen, da der erforderliche Trennungsabstand s nicht mehr eingehalten werden kann. 

Gleichzeitig wird mit der Prüfung auch die Gleitentladungsfestigkeit insbesondere im Anschlussbereich überprüft. Unter Gleitentladungsfestigkeit ist die Fähigkeit der gesamten Anordnung inklusive der Anschlussteile, dem Endverschlussbereich und der isolierten Ableitung zu verstehen, einer bestimmten Impulsspannung zu widerstehen, ohne dass es zu einem ungewollten Überschlag zwischen den Anschlüssen an die Blitzschutzanlage und den Potentialausgleich kommt. Bei einem Überschlag ist ebenfalls der Trennungsabstand s nicht mehr eingehalten.

Mit der Hochspannungsprüfung wird der vom Hersteller der isolierten Ableitung ausgewiesene äquivalente Trennungsabstand s mit der elektrischen Festigkeit einer Vergleichsfunkenstrecke gleichen Anstands verglichen.

Prüfaufbau

Die isolierte Ableitung wird zur Prüfung durch ein 2 m langes geerdetes Metallrohr geschoben. Ein Ende der Leitung wird dazu am Hochspannungsgenerator, das zweite Ende an der Vergleichsanordnung aus gekreuzten Stäben angeschlossen. Der Abstand der Vergleichsanordnung wird in Abhängigkeit vom zu prüfenden äquivalenten Trennungsabstand s und unter Berücksichtigung vorgegebener Abschneidezeiten T_c eingestellt. 

Die Prüfung der elektrischen Festigkeit isolierter Ableitungen wurde im Hochspannungslabor der TH Nürnberg durchgeführt (Bild 1). Die Prüfung erfolgt mit einem Hochspannungsgenerator, der eine negative Blitz-Stoßspannung bis 1,2 MV (0,4/45µs) erzeugen kann. Während der Prüfung darf es weder zu einem Isolierstoffdurchschlag in der Leitung noch zu einem Gleitüberschlag an der Oberfläche der Leitung kommen.

Im Bild 2 sind die Spannungsverläufe bei der Prüfung an HVI-Leitungen mit unterschiedlichem Trennungsabstand s dargestellt. Die gilt als bestanden, da alle Spannungsdurchschläge an der Vergleichsfunkenstrecke erfolgten und die zu prüfenden isolierten Ableitungen der Beanspruchung standhielten.

Prüfergebnisse

Als kritischer Bereich bei der Hochspannungsprüfung isolierter Ableitungen hat sich der Anschlussbereich an die Blitzschutzanlage herausgestellt. Um insbesondere einen Gleitüberschlag in diesem Bereich zu verhindern, ist die isolierte Ableitung mit einem speziellen halbleitfähigen Mantel ausgestattet und es müssen bei der Verlegung spezielle Vorgaben des Herstellers eingehalten werden. Der Endverschlussbereich (Bilder 3 und 4) mit dem Anschluss an die Blitzschutzanlage befindet sich am Kopf- und je nach Anwendungsfall auch am Fußende der Leitung. Dieser Bereich ist in der Regel als Zylinder mit definierter Länge und Radius definiert, in dem spezielle Bedingungen wie z.B., dass sich darin keine metallenen oder feldverzerrenden Bauteile an der Oberfläche befinden dürfen, eingehalten werden müssen, um den Blitzstrom sicher in die Leitung einzuleiten.

Die Länge des Endverschlussbereichs ist darüber hinaus durch den Systemaufbau selbst bestimmt (Bild 5).

Abhängig vom zu schützenden Gebäude, muss die Leitungsverlegung jeweils an die örtlichen Gegebenheiten angepasst werden. Dabei variiert die Verlegung der Leitungen, von geführt in oder an einem Stützrohr, über mehrere parallel geführte Leitungen bis hin zur Befestigung auf Dachflächen oder Wänden mit unterschiedlichsten Oberflächen (Bild 6).

Systemprüfungen im Labor 

In einer umfangreichen und aufwendigen Prüfreihe wurden unterschiedliche Anwendungsfälle und Systemaufbauten mit isolierten Ableitungen entsprechend der Normenvorgaben überprüft. Dazu wurden die verschiedenen Aufbauten im Labor nachgestellt. Die Ergebnisse der Prüfungen zeigen, dass nur durch entsprechende Systemprüfungen sichergestellt werden kann, dass der Hersteller ausreichende Vorgaben für die Verlegung isolierter Ableitungen gibt und diese durch die Prüfresultate, die den tatsächlichen Einsatzbedingungen entsprechen, bestätigt werden. Im Normentwurf der IEC 62561-8 wurden deshalb die Systemprüfungen mit aufgenommen.

Die Vielzahl der in den HVI-Montageanleitungen zugelassenen Systemaufbauten wurden mit ca. 100 verschiedenen Systemprüfungen im Labor nachgebildet und getestet (Bild 7).

Die Prüfungen zeigen deutlich, dass es unbedingt notwendig ist, die Angaben in Montageanleitungen zur Verlegung und zum Einsatz in Systemaufbauten zu prüfen und diese durch Zertifikate und Prüfberichte nachzuweisen. Nur so kann die sichere Funktion, die ein Planer oder Blitzschutzbauer mit diesem technisch hochwertigen Produkt erreichen will, sichergestellt werden.