Blitzschutz für intelligente Gebäude

100 Millionen km/h Geschwindigkeit, 1 Milliarde Volt, 200.000 Ampere Strom, 28.000 °C Temperatur und Lichtwellen, die täglich 8 Millionen Mal auf die Erde treffen. Die oben genannten Eigenschaften gehören zum Blitz, dem auf der Erde am häufigsten auftretenden, aber zugleich am wenigsten verstandenen Naturereignis. Durch das Auftreffen einer derart gewaltigen Energie innerhalb von Mikrosekunden auf den Boden werden weltweit jedes Jahr etwa 100 Millionen elektronische Geräte beschädigt, was Schäden in Milliardenhöhe verursacht. Dieses Naturereignis stellt daher eindeutig eine Situation dar, gegen die unbedingt Schutzmaßnahmen ergriffen werden müssen. Bewertet man den Blitz nach der 10/350-Kennlinie, handelt es sich um einen Impuls, der innerhalb von 10 Mikrosekunden seinen Spitzenwert erreicht und innerhalb von 350 Mikrosekunden abklingt. Schaltvorgänge, Oberschwingungen, Spannungserhöhungen und Spannungsabfälle, die unseren Alltag und unsere elektronischen Systeme bis zu fünfmal stärker beeinflussen als Blitze, weisen hingegen eine 8/20-Kennlinie auf, das heißt, sie erreichen ihren Maximalwert in 8 Mikrosekunden und klingen innerhalb von 20 Mikrosekunden ab. Diese beiden Impulsarten sind absolute Gefahren, die bereits in der Planungs- und Projektierungsphase unserer Systeme berücksichtigt werden müssen. Denn statistische Auswertungen zeigen, dass Systeme durch kurzzeitige Spannungsimpulse im Vergleich zu allen anderen Naturkatastrophen mit einer besonders hohen Schadensquote betroffen sind.

Jährlich werden 240.000 Menschen infolge von Blitzeinschlägen verletzt.

Parallel zur technologischen Entwicklung sind Smart Buildings heute weit verbreitet. In diesen durch Gebäudeautomation äußerst komfortablen Bauwerken befinden sich Systeme mit sehr empfindlichen Schaltungsstrukturen. Allgemein betrachtet sind viele Smart Buildings zugleich sehr hohe Bauwerke – umgekehrt sind viele Wolkenkratzer wahre Automationswunder. In nahezu jedem Gebäude ist ein äußeres Blitzschutzsystem (Paratoner–Faraday-Käfig) vorhanden. Allerdings ist die Wahrscheinlichkeit, dass diese äußeren Blitzschutzsysteme einen Blitzeinschlag anziehen, bei hohen Gebäuden deutlich größer als bei umliegenden kleineren Bauwerken. Berücksichtigt man jedoch das Risiko von Schäden an elektronischen Geräten durch Kopplungseffekte in einem Umkreis von 2 km um den Einschlagspunkt, kann man sagen, dass alle Gebäudeautomationssysteme unabhängig von der Gebäudehöhe ständig einem Risiko ausgesetzt sind – wobei hohe Gebäude dieses Risiko zwangsläufig in stärkerem Maße tragen.

Schutz eines Gebäudes durch ein äußeres Blitzschutzsystem

Grundsätzlich lassen sich die zum Schutz eines Bauwerks vor Blitz- und anderen Impulsen erforderlichen Systeme wie folgt zusammenfassen;

1- Äußere Blitzschutzsysteme: Schutz von Menschenleben und vor Brandgefahr.

2- Innere Blitzschutzsysteme: Schutz elektronischer Systeme und Geräte vor Impulsen sowie Vermeidung von Bränden in Schaltschränken.

3- Erdung: Der wichtigste Bestandteil des gesamten Systems.

4- Potenzialausgleichssystem: Muss für einen sicheren Schutz an allen Punkten gewährleistet sein.

Wenn wir unsere Systeme vor Blitz- und anderen Impulsen schützen wollen, sind diese vier Systeme unverzichtbar. Leider wird in vielen Bauwerken unseres Landes ausschließlich der äußere Blitzschutz – insbesondere das Paratonersystem – als ausreichend angesehen. Dabei werden jedoch nur etwa 50 % eines vom Paratoner angezogenen Blitzstroms von 200 kA durch das Erdreich gedämpft, während der verbleibende Impuls aufgrund von Potenzialunterschieden innerhalb eines Umkreises von 2 km in Mikrosekunden in elektrische Systeme überspringt. Solche kurzzeitigen Impulse werden von Sicherungen und Relais nicht erkannt und hinterlassen dauerhafte Schäden in den Systemen. Aus diesem Grund müssen INNERER BLITZSCHUTZ – ÜBERSPANNUNGSSCHUTZ-Systeme zwingend Bestandteil elektrischer Anlagen sein. Neben Blitzentladungen stammen etwa 65 % der schädlichen Impulse aus internen Quellen. Diese kurzzeitigen Impulse entstehen vor allem durch Schaltvorgänge und andere Ursachen und müssen unbedingt geschützt werden. Der Schutz gegen Blitz- und Netzimpulse erfolgt mit unterschiedlichen Produkten, wobei beide Systeme integriert zusammenarbeiten.

Grundsätzlich sollte ein inneres Blitzschutzsystem mit abgestuften Schutzgeräten ausgelegt werden: Class B (Hauptverteilung – 10/350-Kennlinie), Class C (Unterverteilung – 8/20-Kennlinie) und Class D (8/20-Kennlinie). Diese Produkte existieren in etwa 1.500 verschiedenen Ausführungen. Die Unterstützung durch erfahrene Ingenieure ist bei der Produktauswahl entscheidend, da eine falsche Produktauswahl keinen ausreichenden Schutz bietet.

Betrachtet man die Ursachen von Überspannungsimpulsen, so lassen sich diese wie folgt aufzählen: Blitzeinschläge, Schaltimpulse, transiente Spannungsschwankungen, Oberschwingungen und Spannungsabfälle. Das gemeinsame Merkmal dieser Impulsarten ist ihre kurze Dauer. Aus diesem Grund sind innere Blitzschutzsysteme zwingend erforderlich. Dass Sicherungen und Relais nur bei länger andauernden Impulsen ansprechen, ist einer der wichtigsten Belege dafür, dass Überspannungsschutzgeräte – ähnlich wie Sicherungen – in jedem Schaltschrank vorhanden sein müssen.

Bei direkten Blitzeinschlägen in äußere Blitzschutzanlagen oder in Niederspannungs-Freileitungen führt die hohe Energie der Blitzspannung in der Regel zum Ausfall angeschlossener Verbraucher und zu Isolationsschäden. In Gebäudeinstallationen sowie in Energie- oder Datenleitungen können induzierte Spannungsanstiege ein Vielfaches der Nennbetriebsspannung erreichen.

Durch Schaltvorgänge entstehende Überspannungen verursachen zwar keine so hohen Spannungsspitzen wie Blitzeinschläge, treten jedoch sehr häufig auf und können zu Störungen und Schäden in der Anlage führen. Während Schaltüberspannungen die Betriebsspannung auf das Zwei- bis Dreifache erhöhen können, erreicht die Blitzspannung bis zum Zwanzigfachen der Nennspannung und transportiert eine enorme Energiemenge. Schäden treten häufig zeitverzögert auf, da die Alterung elektronischer Bauteile infolge kleinerer transienter Überspannungen langfristig zu Ausfällen führt.

Transiente Spannungsschwankungen sind sehr kurzzeitige Spannungen im Mikrosekundenbereich, die jedoch im Vergleich zur Nennspannung sehr hohe Amplituden erreichen können!

Unsere Empfehlung: Prüfen Sie umgehend, ob in dem Gebäude, in dem Sie sich befinden oder für das Sie verantwortlich sind, Überspannungsschutzgeräte installiert sind, und leiten Sie die notwendigen Schritte zur Systeminstallation ein.

Steuergeräte, Beleuchtungssysteme, Steckdosensysteme, Sensoren, Fernbedienungseinheiten, Kameras, Rollladensteuerungen, Thermostate und Z-Wave-Steuersysteme sind die grundlegenden Komponenten moderner Smart Buildings. Aufgrund ihrer empfindlichen Struktur können sie jederzeit beschädigt werden und – noch wichtiger – durch plötzliche Funkenbildung schwere Brände verursachen. Daher sollte der Einsatz von inneren Blitzschutzsystemen nicht nur als Empfehlung, sondern als zwingende Notwendigkeit betrachtet werden. Dennoch schließen viele Unternehmen diese Systeme aus Kostengründen aus ihren Angeboten aus, um im Wettbewerb keinen Nachteil zu erleiden. Die standardkonforme Anwendung und Durchsetzung dieser Systeme ist daher unsere Aufgabe als Ingenieure.