Blitzschutz und Erdung in Fabriken und Industrieanlagen: Ein ingenieurtechnischer Ansatz nach IEC 62305

In einer Industrieanlage lässt sich die Auslegung des Blitzschutzes nicht nach dem Muster „Fangstange aufs Dach, Ableitung an die Ecke“ umsetzen. Die Auslegung beruht auf den aus den physikalischen Parametern des Blitzstroms abgeleiteten Anordnungsregeln, der Risikoberechnung nach IEC 62305-2, dem Stoßstromverhalten der Erdungsanlage und den Induktionsmechanismen in der Innenanlage. In diesem Beitrag behandeln wir diese Berechnungen und Entscheidungen für Gebäude im Fabrikmaßstab anhand der Normenreihe TS EN 62305 mit numerischen Beispielen.

Parameter des Blitzstroms und Schadensmechanismen

IEC 62305-1 definiert die Blitzschutzklassen (LPL) anhand der Blitzstromparameter. Für LPL I hat der erste positive Stoßstrom einen Scheitelwert von 200 kA und die Wellenform 10/350 µs; die Ladung dieses Stoßstroms Q_short = 100 C beträgt, die spezifische Energie W/R = 10 MJ/Ω. Die nachfolgenden negativen Stoßströme haben einen Scheitelwert von 50 kA, die Wellenform 0,25/100 µs und eine mittlere Steilheit von 200 kA/µs. Die Langzeitstoßkomponente trägt eine Ladung von 200 C; die Gesamtladung der gesamten Entladung erreicht 300 C.

Jeder dieser Parameter speist einen anderen Schadensmechanismus. Ladung (Q) verursacht am Einschlagpunkt ein Aufschmelzen des Metalls und bei dünnen Blechen eine Durchschmelzung (Perforation). Spezifische Energie (W/R) bestimmt die Erwärmung der Leiter und die elektrodynamischen Kräfte; die Querschnittswahl richtet sich nach diesem Wert. Stromsteilheit (di/dt) ist die Quelle der in Kabelschleifen im Gebäude induzierten Spannung und die vorherrschende Ursache für elektronische Ausfälle. Ein erheblicher Teil der Sachschäden in Industrieanlagen entsteht nicht durch den Direkteinschlag, sondern durch diesen dritten Mechanismus.

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Risikoberechnung: Einschlaghäufigkeiten quantifizieren

Nach den Formeln der IEC 62305-2 (Ed.2) ergibt sich die Fangfläche für Direkteinschläge eines rechteckigen Gebäudes zu:

A_D = L·W + 2·(3H)·(L + W) + π·(3H)²

Für eine Produktionshalle mit den Maßen 200 m × 100 m und einer Höhe von 12 m ergibt sich A_D ≈ 45.700 m². Nimmt man als Beispiel für die Blitzdichte am Boden N_G = 2 /km²·Jahr und den Standortfaktor C_D = 1 (freistehendes/isoliertes Gebäude) an, ergibt sich die jährliche Anzahl der Direkteinschläge N_D = N_G·A_D·C_D·10^-6 ≈ 0,09, also etwa ein Einschlag alle 11 Jahre.

Für dasselbe Gebäude ergibt sich die Fangfläche für nahe Einschläge A_M = 2·500·(L + W) + π·500² ≈ 1,09 km², und N_M ≈ 2,2 /Jahr. Einschläge in die Umgebung der Anlage, die in den Innensystemen Induktionseffekte verursachen, sind damit etwa 24-mal häufiger als Direkteinschläge. Auch Einschläge in Energie- und Signalleitungen (N_L, N_I) werden je nach Leitungslänge und -typ separat berechnet. Diese Übersicht erklärt, warum SPD- und Schirmungsmaßnahmen in Industrieanlagen ebenso entscheidend sind wie das äußere Blitzschutzsystem.

Die berechneten Risikokomponenten (R_A, R_B, R_C, R_M, R_U, R_V, R_W, R_Z) werden aufsummiert, um das Gesamtrisiko je Verlustart zu ermitteln, und mit dem tolerierbaren Grenzwert (für Verlust von Menschenleben R_T = 10^-5/Jahr) verglichen. Die Blitzschutzklasse und das Maßnahmenpaket werden als die wirtschaftlichste Kombination gewählt, die das Risiko unter diesen Wert senkt.

 

Fangeinrichtung: die physikalische Grundlage des Kugelradius

Der Radius der rollenden Kugel ist kein willkürlicher Wert; er stammt aus dem elektrogeometrischen Modell und verknüpft die letzte Überschlagsstrecke mit dem Scheitelwert des Stroms: r = 10·I^0,65 (r: m, I: kA). Für den Mindeststrom von LPL I (3 kA) ergibt sich r ≈ 20 m, für den Wert von 16 kA bei LPL IV r ≈ 60 m. Da Stoßströme mit kleinerer Amplitude eine kürzere Überschlagsstrecke haben, können sie in das geschützte Volumen eindringen; die in der Tabelle angegebenen Abdeckungsgrade im Bereich von 99–84 % liegen deshalb nicht bei 100 %.

Die Schutzwinkelmethode ist durch die Höhe der Fangeinrichtung über der Bezugsebene begrenzt: Sie ist für LPL I oberhalb von 20 m, für LPL II oberhalb von 30 m, für LPL III oberhalb von 45 m und für LPL IV oberhalb von 60 m nicht mehr anwendbar. Bei großen Flachdächern ist das Maschenverfahren (Netzmethode) maßgebend; die Leiter müssen an den Dachkanten und Traufen verlegt werden, und keine metallische Installation darf aus dem durch das Netz gebildeten Schutzvolumen herausragen. Für Dachklimageräte, Abluftventilatoren und Kabelkanäle auf dem Dach werden mit passiven Fangstangen lokale Schutzvolumen geschaffen.

Metallische Dachdeckungen können als natürliche Fangeinrichtung genutzt werden. In Fällen, in denen eine Durchschmelzung oder die Bildung heißer Stellen nicht hinnehmbar ist (Dächer mit darunterliegendem brennbarem Material oder Prozessanlagen), beträgt die Mindestdicke für Stahl 4 mm, für Kupfer 5 mm und für Aluminium 7 mm. Ist eine Durchschmelzung zulässig, genügen bei Stahl 0,5 mm. Typische Sandwichpaneeldächer erfordern deshalb meist eine separate Fangeinrichtung.

Ableitungen und Trennungsabstand

Der Mindestquerschnitt der Fang- und Ableitungsleiter beträgt für Kupfer 50 mm², für Aluminium 70 mm² und für feuerverzinkten Stahl 50 mm². Die Ableitungen werden, beginnend an den Gebäudeecken, gleichmäßig über den Umfang verteilt; der typische Abstand beträgt bei LPL I–II 10 m, bei LPL III 15 m und bei LPL IV 20 m. Bei Stahlkonstruktionen können die Stützen, bei Stahlbetonbauten die durchgängig verbundene Bewehrung als natürliche Ableitung genutzt werden. Damit die Bewehrung als durchgängig gilt, darf der zwischen oberem und unterem Ende gemessene Gesamtwiderstand 0,2 Ω nicht überschreiten.

Der Trennungsabstand s = k_i · (k_c / k_m) · l berechnet. Für LPL II (k_i = 0,06) ergibt sich für ein Fangnetz mit dem vereinfachten Wert k_c = 0,44 und bei einer Leiterlänge von l = 15 m bis zum nächsten Potentialausgleichspunkt in Luft (k_m = 1) ein Wert von s ≈ 0,40 m erforderlich. Verläuft dieselbe Strecke durch Ziegel oder Beton (k_m = 0,5), steigt der Wert auf 0,79 m. Liegt ein Sensorkabel, eine PV-DC-Leitung oder ein Lüftungskanal auf dem Dach innerhalb dieses Abstands, muss er entweder mit dem äußeren Blitzschutzsystem potentialausgeglichen oder eine isolierte Ableitung eingesetzt werden.

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An Ableitungen, in deren Umgebung sich Personen aufhalten können, müssen auch Berührungs- und Schrittspannung berücksichtigt werden. Im Umkreis von 3 m um den Leiter sieht die Norm als Lösung entweder eine hochohmige Oberflächenschicht – etwa 5 cm Asphalt oder 15 cm Kies – oder eine Isolierung mit einer Stoßspannungsfestigkeit von 100 kV bei 1,2/50 µs (zum Beispiel 3 mm vernetztes Polyethylen) vor.

Erdung: Bei Stoßströmen ist nicht der Widerstand, sondern die Geometrie entscheidend

Die IEC 62305-3 legt die Mindestlänge des Erders (l₁) in Abhängigkeit von der Blitzschutzklasse und dem spezifischen Erdungswiderstand des Bodens fest. Für LPS III–IV ist l₁ = 5 m konstant. Bei LPS I–II hingegen steigt l₁ oberhalb eines bestimmten spezifischen Widerstands linear an; bei LPS I erreicht sie bei 3000 Ωm einen Wert von 80 m. In der Typ-A -Anordnung wird an jede Ableitung mindestens ein Erder der Länge l₁ horizontal oder ein vertikaler Erder der Länge 0,5·l₁ angeschlossen. Bei der Typ-B -Ringerdung muss der Äquivalentradius der vom Ring umschlossenen Fläche r_e ≥ l₁ sein. Ist dies nicht gegeben, muss an jedem Anschlusspunkt ein zusätzlicher Erder der Länge l_r = l₁ − r_e horizontal oder ein vertikaler Zusatzerder der Länge l_v = (l₁ − r_e)/2 hinzugefügt werden. Der Ring wird in mindestens 0,5 m Tiefe und etwa 1 m Abstand von der Wand verlegt; mindestens 80 % seiner Länge müssen Erdkontakt haben.

Die Auslegung beginnt mit dem vor Ort gemessenen spezifischen Erdungswiderstand. Bei der Wenner-Methode ρ = 2π·a·R wird diese Beziehung verwendet; durch schrittweise Vergrößerung des Elektrodenabstands a wird das Schichtprofil des Bodens ermittelt. Der Widerstand einer einzelnen vertikalen Stabelektrode wird mit der Dwight-Formel R = ρ/(2πL)·[ln(8L/d) − 1] berechnet. In einem Boden mit ρ = 100 Ωm ergibt ein 3 m langer Stab mit 20 mm Durchmesser etwa 32 Ω. In demselben Boden sinkt der Wert für einen Ring, der ein 200 m × 100 m großes Gebäude umschließt, auf die Größenordnung von 1 Ω.

Hier ist eine entscheidende Unterscheidung zu treffen: Der bei Netzfrequenz gemessene Widerstand bildet das Verhalten bei einem Blitzstoßstrom nicht exakt ab. Bei steilen Stromfronten wird die Induktivität des Erders dominant, und nur die dem Anschlusspunkt nahe gelegene „wirksame Länge“ nimmt an der Stromverteilung teil. Deshalb werden anstelle einer einzigen, sehr langen Elektrode von einem Punkt aus Ring- und Maschenanordnungen bevorzugt, bei denen der Strom von mehreren Punkten aus auf kurzen Wegen in den Boden abgeleitet wird. Für Erder im Boden beträgt der Mindestquerschnitt bei feuerverzinktem Stahl 78 mm² (10 mm Durchmesser) bei Rundmaterial und 90 mm² (mindestens 3 mm Dicke) bei Bandmaterial. An Übergangsstellen von Beton in den Boden müssen zum Schutz vor galvanischer Korrosion Edelstahl oder geeignet beschichtete Übergangselemente verwendet werden.

Innerer Blitzschutz: Induktion, LPZ und SPD-Koordination

Um die Bedrohung für innenliegende Systeme zu veranschaulichen, betrachten wir eine Kabelschleife in 5 m Abstand von einer Ableitung, mit 10 m Länge und 1 m Aufweitung. Die Gegeninduktivität M = (µ₀/2π)·l·ln[(d + b)/d] ≈ 0,37 µH. Fließt durch die Ableitung ein Strom mit einer Steilheit von 50 kA/µs – also ein Viertel des Folgestoßstroms von 200 kA/µs –, wird in dieser Schleife U = M·di/dt ≈ 18 kV induziert. Dieser Wert liegt weit über der Stoßspannungsfestigkeit von 2,5 kV, die Geräte der Kategorie II in einer 230/400-V-Anlage aufweisen. Die Lösung besteht darin, die Schleifenfläche entlang der Kabeltrassen zu verkleinern, geschirmte Kabel und geerdete (potentialausgeglichene) Metallkabelkanäle zu verwenden und an den LPZ-Grenzen SPDs einzusetzen.

Für LPL I wird angenommen, dass sich 50 % des Blitzstoßstroms über den Erder und die verbleibenden 50 % über die in das Gebäude eintretenden Versorgungsleitungen ableiten. Für eine einzelne Energieleitung mit 4 Leitern (TN-C-S, 3L+PEN) ergeben sich so 25 kA (10/350 µs) je Leiter. Der am Gebäudeeingang eingesetzte Typ-1-SPD wird nach diesem Wert ausgewählt. In den Unterverteilungen wird der Typ-2-SPD (typisch I_n = 20 kA, 8/20 µs) eingesetzt, vor empfindlichen Geräten der Typ-3-SPD verwendet.

Für die SPD-Auswahl ist nicht der Schutzpegel des Geräts U_p , sondern der effektive Schutzpegel einschließlich der Anschlussleitungen maßgebend: U_p/f = U_p + ΔU. Unter der Annahme einer Induktivität von etwa 1 µH/m in den Anschlussleitern gilt ΔU ≈ 1 kV/m. U_p = 1,5 kV legt bei insgesamt 1 m Anschlusslänge 2,5 kV am geschützten Gerät an. Deshalb wird empfohlen, die Gesamtanschlusslänge unter 0,5 m zu halten und eine V-Verdrahtung zu bevorzugen. Nimmt die Kabellänge zwischen SPD und Gerät zu, kann sich die Spannung durch Reflexionen dem Wert 2·U_p/f annähern; bei Entfernungen über 10 m ist ein zusätzliches SPD vor dem Gerät erforderlich. Bei Ethernet-, RS-485-, PROFIBUS- und 4–20-mA-Leitungen müssen Bandbreite und Serienimpedanz der Datenleitungs-SPDs ebenfalls systemkompatibel gewählt werden.

Ex-Bereiche, Tanks und Dach-Photovoltaikanlagen

In Bereichen mit explosionsfähiger Atmosphäre gilt IEC 62305-3 Anhang D. Alle Verbindungen mit Funkenrisiko werden in den Potentialausgleich einbezogen, Flansche überbrückt, an kathodisch geschützten Rohrleitungen Ex-zertifizierte Isolierfunkenstrecken (ISG) eingesetzt und das Prüfintervall verkürzt. Stahltanks mit einer Wandstärke von mindestens 4 mm können als natürliche Fangeinrichtung gelten; bei dünnwandigeren Tanks ist eine separate Fangeinrichtung erforderlich. Bei Dach-Photovoltaikanlagen müssen die Module innerhalb des Schutzvolumens bleiben, die passiven Fangstangen so positioniert werden, dass sie keine Verschattung der Module verursachen, und auf der DC-Seite ein PV-taugliches SPD (U_CPV ≥ Leerlaufspannung des Strings) eingesetzt werden.

Prüfung und Messung

Nach IEC 62305-3 Anhang E erfolgt bei LPL I–II die Sichtprüfung jährlich und die vollständige Prüfung alle 2 Jahre; bei LPL III–IV die Sichtprüfung alle 2 Jahre und die vollständige Prüfung alle 4 Jahre. Bei kritischen Systemen ist die vollständige Prüfung jährlich durchzuführen. Bei der vollständigen Prüfung werden die Messklemmen getrennt und der Durchgangswiderstand jeder Ableitung zum Erder gemessen. Der Erdungswiderstand wird nach dem Spannungsfallverfahren (62-%-Regel) gemessen. Bei großflächigen Maschenerdern muss die Stromelektrode in einem Abstand platziert werden, der ein Mehrfaches der größten Diagonale der Anlage beträgt; andernfalls liegt der gemessene Wert unter dem tatsächlichen. Auch die Zustandsanzeigen der SPDs und die Sicherungskoordination müssen dokumentiert werden.

Blitzschutz in Industrieanlagen ist das konsistente Zusammenspiel von vier Berechnungen: Risiko und Einschlaghäufigkeiten, Fanggeometrie, Stoßstromverhalten des Erders und Begrenzung der Induktionseffekte in der Innenanlage. Wird auch nur eine dieser Berechnungen ausgelassen, mag das System auf dem Papier normkonform erscheinen, bietet vor Ort jedoch nicht den erwarteten Schutz. Yılkomer bietet Industrieanlagen ingenieurtechnische Unterstützung bei der Risikoanalyse nach IEC 62305-2, der Projektplanung, der Berechnung von Trennungsabständen und SPD-Koordination sowie bei periodischen Messprozessen.