Die Bedeutung innerer Blitzschutzsysteme und ihre technische Einsatzpflicht

Blitzschutzsysteme müssen unter Berücksichtigung der türkischen Normen und internationalen Standards als Ergebnis der Integration von vier Systemen installiert werden. Als Yılkomer sind wir im Rahmen unserer branchenspezifischen Untersuchungen zu dem Ergebnis gekommen, dass viele Ingenieure und Techniker Blitzschutzsysteme lediglich als äußere Blitzschutzmaßnahmen (Faradayscher Käfig, Fangeinrichtung, Abspannseil, Blitzableiter) wahrnehmen. Dabei stellen äußere Blitzschutzmaßnahmen nur eine der vier Säulen dieser Integration dar. So wie ein Tisch nicht auf einem einzigen Bein stehen kann und umkippt, wird auch ein Bauwerk bei einem Blitzeinschlag durch die Auswirkungen der Blitzentladung Schaden nehmen. Blitzschutzsysteme müssen durch die Integration von vier Systemen realisiert werden.

Der Schutz von Gebäuden vor Blitzschlag ist von großer Bedeutung für die Sicherheit von Menschen und Sachwerten.

Diese Systeme lassen sich wie folgt aufzählen: ein gutes Erdungssystem, ein korrekt geplantes Potentialausgleichssystem, ein je nach Gebäudetyp außen installiertes äußeres Blitzschutzsystem sowie ein stufenweise installiertes inneres Blitzschutzsystem (Überspannungsschutzsystem). Technisch und normativ betrachtet müssen diese Systeme in einem Gebäude vorhanden sein. Wird ein äußeres Blitzschutzsystem ohne inneren Blitzschutz installiert, setzen wir sämtliche Energie- und Datenleitungen sowie elektronische Geräte einem hohen Risiko aus. Andererseits kann ein inneres Blitzschutzsystem nicht in ein Gebäude integriert werden, wenn kein Erdungssystem vorhanden ist. Zudem kann eine Anlage mit unzureichendem Potentialausgleich durch Koppelwirkungen des äußeren Blitzschutzsystems beschädigt werden. Diese Integrationsstufen können sogar noch erweitert werden.

Zusammenfassend gilt: Möchte man ein Gebäude vor Blitzschlag schützen, muss ein äußeres Blitzschutzsystem vorhanden sein, um Brandrisiken zu reduzieren und Lebewesen zu schützen, sowie ein inneres Blitzschutzsystem, um elektronische Geräte zu schützen. In diesem Beitrag werden wir Informationen über innere Blitzschutzsysteme bereitstellen.

Plötzliche Überspannungen sind Spannungen, die innerhalb weniger Mikrosekunden bis weniger Millisekunden auftreten und bei fehlenden Schutzmaßnahmen zu Personen- und Sachschäden führen können. Diese Spannungen lassen sich hinsichtlich ihrer Entstehung in zwei Hauptgruppen unterteilen.

Innere blitzbedingte Überspannungen

Während einer Blitzentladung fließen Ströme zwischen 2.000 und 200.000 Ampere. Diese Werte verursachen durch direkte Blitzentladungen oder magnetische Feldeinflüsse Spannungen in Energieübertragungsleitungen, Kommunikationsleitungen, Sicherheitssystemen usw. in einem Umkreis von bis zu ca. 2 km. Überschreiten diese Spannungen die Belastungsgrenzen von Anlagen oder Geräten, kommt es zu Isolationsdurchschlägen, Bränden oder Explosionen.

Durch elektrische Schaltvorgänge verursachte Überspannungen

Ein durch einen Leiter fließender Strom erzeugt ein Magnetfeld, das beim Abschalten des Stroms plötzlich zusammenbricht. Die im Leiter gespeicherte Energie wird dabei durch Induktion als Spannung in das System eingespeist. Solche Überspannungen treten sehr häufig auf.

Für das Auftreten blitzbedingter Überspannungen ist es nicht erforderlich, dass ein Gebäude über ein äußeres Blitzschutzsystem verfügt. Nach dem Einschlag breitet sich der Blitzstrom im Erdreich kreisförmig über einen Bereich von bis zu 2 km aus und bewegt sich in Richtung des geringsten Widerstands. Daher müssen die oben genannten inneren Blitzschutzsysteme auch dann eingesetzt werden, wenn kein äußeres Blitzschutzsystem vorhanden ist.

Heutzutage hängen industrielle, kommerzielle, dienstleistungsbezogene, medizinische und viele soziale Aktivitäten stark von der korrekten Funktion elektrischer und elektronischer Geräte und Systeme ab. Die häufigste Ursache für Störungen dieser Systeme sind plötzliche Überspannungen, die Datenübertragungen beeinträchtigen und Geräte beschädigen. Viele Unternehmen betrachten unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) als Überspannungsschutzsysteme. USV-Anlagen dienen jedoch lediglich zur Spannungsregelung und enthalten keinen echten Überspannungsschutz. In den meisten dieser Geräte befindet sich lediglich ein einfacher Tiefpassfilter, der nur vor Hochfrequenzstörungen schützt, nicht jedoch vor hochenergetischen Überspannungsimpulsen. Auch Sicherungen und Relais in Verteilungen sind gegen blitztypische Impulse wirkungslos, da sie für langanhaltende Belastungen ausgelegt sind. Blitzentladungen hingegen sind extrem kurzzeitig und klingen im Erdreich nur langsam ab. Aus diesem Grund sind innere Blitzschutzsysteme zwingend erforderlich.

Wie sollte der Schutz vor Überspannungen erfolgen?

In Niederspannungsanlagen werden Überspannungsschutzgeräte zwischen Phase-Erde und Neutralleiter-Erde angeschlossen. Bei einem Impuls werden sie leitend und leiten die Überspannung über sich selbst ab, wodurch Schäden am System verhindert werden. Hierfür ist gemäß DIN-IEC-Normen ein stufenweises Schutzkonzept vorgesehen. Jede Stufe reduziert die Impulsspannung schrittweise, bis sie für das System unschädlich ist. Für äußere Blitzeinschläge wird Schutzklasse B verwendet, für interne Überspannungen Schutzklasse C und für empfindliche Geräte Schutzklasse D. Schutzklasse B wird auch als Klasse 1 oder Typ 1 bezeichnet, Schutzklasse C als Typ 2 oder Klasse 2 und Schutzklasse D als Typ 3 oder Klasse 3.

Überspannungsschutzklassen

Am ersten Punkt des Energieeintritts in das Gebäude werden in der Regel Schutzgeräte der Klasse B in den Hauptverteilungen installiert. In Unterverteilungen kommen Schutzgeräte der Klasse C zum Einsatz, und zum Schutz von Servern, Kameras, externen Leitungen, Datensystemen, Computern und anderen elektronischen Geräten werden Schutzgeräte der Klasse D direkt vor den Geräten installiert. Ist ein äußeres Blitzschutzsystem vorhanden, gilt der Einsatz eines Schutzgeräts der Klasse B im Hauptverteiler als zwingend erforderlich. Geht man von einem Blitzstrom von 200 kA aus, werden etwa 100 kA im Erdreich abgeleitet, während die verbleibenden 100 kA in das Gebäude eindringen. Durch eine Schutzleistung von 50 kA pro Phase bei Schutzgeräten der Klasse B wird verhindert, dass dieser Impuls die Geräte erreicht. Dabei werden Impulsspannungen im Hauptverteiler auf Werte von 4,5 kV, 2,5 kV und 1,5 kV begrenzt.

In den Unterverteilungen, in denen die Energie innerhalb des Gebäudes verteilt wird, ist Schutzklasse C vorgesehen. Wird in einem Gebäude mit äußerem Blitzschutz lediglich ein Schutzgerät der Klasse C ohne vorgeschaltete Klasse B eingesetzt, kann das System beschädigt werden. Schutzgeräte der Klasse C begrenzen Überspannungsströme bis zu 40 kA pro Phase auf Werte von 2,3 kV, 1,5 kV und 1 kV und schützen so die angeschlossenen Geräte. Diese Schutzmaßnahme erfolgt in der Regel auf Ebene der Unterverteilung. Der Mindestabstand zwischen Schutzgeräten der Klasse B und C muss mindestens 5 m betragen. Neu entwickelte Kombigeräte der Klassen B+C beseitigen diese Einschränkung.

Überspannungsschutzgeräte der Klasse D

Schutzgeräte der Klasse D wurden speziell für den Schutz einzelner Geräte entwickelt und gelten als Feinschutz. Es sind Steckdosen- und Schaltschrankausführungen erhältlich. Je nach Einsatzbereich stehen zahlreiche Varianten zur Verfügung. Schutzgeräte der Klasse D sind jedoch ohne vorgeschaltete Schutzgeräte der Klassen B und C wirkungslos. Beispielsweise stellen handelsübliche Steckdosen-Überspannungsschutzgeräte lediglich die letzte Schutzstufe dar und sind allein nicht ausreichend wirksam. Für den Schutz von Sende- und Empfangsstationen in Kommunikationssystemen existieren speziell entwickelte Module, die insbesondere Antenneneingänge vor plötzlichen Spannungs- und Stromimpulsen schützen. Sie finden breite Anwendung in Funkkommunikationssystemen und CB-Funkanlagen. In Anwendungen, bei denen die Signalübertragung über Koaxialkabel erfolgt, wie bei Computern, Datenverarbeitungssystemen oder Videosystemen, werden Adaptermodule der Klasse D eingesetzt, um Geräte vor Überspannungen aus den Signalleitungen zu schützen.

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass wir zum Schutz vor Blitzschlag sowie vor den Auswirkungen von Schaltvorgängen, Oberschwingungen und Spannungsschwankungen zwingend innere Blitzschutzsysteme (Überspannungsschutzgeräte) einsetzen müssen. Um Schäden an immer empfindlicher werdenden Geräten zu vermeiden, den Verlust kritischer Daten zu verhindern und milliardenschwere Anlagen zu schützen, sollten diese Systeme in unseren Gebäuden und Anlagen installiert werden. Dabei ist die Unterstützung durch erfahrene Ingenieure und technisch kompetente Unternehmen bei der Produktauswahl von großer Bedeutung. Vergessen wir nicht: Es liegt in unserer Hand, dass kleine Einwirkungen wie Überspannungsimpulse keine großen Schäden verursachen.