Unter einer Blitzschutzanlage () versteht man Vorkehrungen gegen schädliche Auswirkungen von Blitzeinschlägen auf bauliche Anlagen. Einen absoluten Schutz bietet eine Blitzschutzanlage nicht.
Durch die hohe Stromstärke der elektrischen Entladung erhitzen sich die auf dem Pfad des Blitzes liegenden Objekte und können in Brand geraten. Das in porösen Materialien enthaltene Wasser sowie in Holzbauteilen enthaltene Harze und Öle können explosionsartig verdampfen. Das starke elektromagnetische Feld induziert Spannungen in parallel verlaufenden elektrischen Leitungen und metallischen Rohrleitungen und kann daran angeschlossene elektronische Geräte beschädigen.
Man unterscheidet zwischen dem äußeren Blitzschutz durch Blitzableiter und dem inneren Blitzschutz, der vornehmlich dem Schutz vor elektrischen Überspannungen dient, die sich über Rohr- und Leitungsnetze verbreiten und noch in über einem Kilometer Entfernung Schäden verursachen können.VDE Information Blitzschutz: Blitz- und Überspannungsschutz des Telekommunikationsanschlusses - Überspannungsschutzgeräte schützen die TK-Infrastruktur und -Endgeräte, VDE Fachinformation, 25. Januar 2018. In: VDE.com
mini|Prinzipieller Aufbau einer Blitzschutzanlage, die alternativ mit Tiefenerder oder Fundamenterder betrieben werden kann. mini|hochkant=0.8|Fangeinrichtung in Form einer metallischen Stange über der Statue, und Blitzableitung entlang der Statue
Funktion Eine Blitzschutzanlage verringert die Schäden, die ein einschlagender Blitz im zu schützenden Objekt verursacht. Im Falle eines Einschlages bieten Blitzableiter dem Blitzstrom einen definierten Strompfad mit niedrigem elektrischen Widerstand. Die primäre Schutzfunktion besteht darin, den Blitzstrom am zu schützenden Objekt vorbeizuführen und möglichst schadensfrei in das Erdreich abzuleiten.
Das obere Ende der blitzableitenden Anlage wird als Fangeinrichtung bezeichnet. Durch die hohe Randfeldstärke unmittelbar über der geerdeten Fangeinrichtung bilden sich bei einem Gewitter Teilentladungen wie die Koronaentladungen aus. Diese schwachen Gasentladungen an elektrisch leitfähigen Spitzen und Kanten (Spitzenentladungen) führen zu einer teilweisen Ionisierung der umgebenden Luft, wodurch ein Blitz mit höherer Wahrscheinlichkeit in die Fangeinrichtung einschlägt. Zur Erhöhung der Randfeldstärke sollte der obere Abschluss des Blitzableiters möglichst spitz ausgeführt werden. Zusätzlich lenkt die Konzentration der Ladungsträger, die der elektrischen Ladung der Wolken entgegengesetzt geladen sind, den Blitzschlag in die Fangeinrichtung.
Schlägt ein Blitz in das Blitzschutzsystem ein, so fließen kurzzeitig Ströme mit über 100 kA durch den Blitzableiter. Diese hohen Impulsströme induzieren in benachbarten elektrischen Leitungen des Stromversorgungsnetzes, in Telefonleitungen oder Antennenleitungen Sekundärspannungen, die damit verbundene elektrische Geräte schädigen können. Betroffen sind insbesondere nahegelegene Leitungen, die parallel zum Blitzableiter verlaufen.
Blitzschutzklassen Zur Gefährdungsbeurteilung von Blitzeinschlägen in Gebäuden werden diese in Blitzschutzklassen (auch: Gefährdungspegel) eingeordnet. Die Klassen spiegeln dabei die zu erwartende Bedrohung durch Blitzeinschläge und die zu erwartenden Schäden wider. Je höher dabei die Anforderungen an den Blitzschutz liegen, desto unwahrscheinlicher sind Folgeschäden bei Eintritt eines Schadensfalls. Die Blitzschutzklasse kann dabei unterschiedlich bestimmt werden:
Festlegung durch bestimmte Vorschriften/Regelwerke (z. B. Baugenehmigung, Brandschutzkonzept, auch Bauherrenforderung) Ermittlung durch Abschätzen des Schadensrisikos nach DIN EN 62305-2 (IEC 62305-2) durch den Fachplaner nach VdS-Richtlinie 2010 (Risikoorientierter Blitz- und Überspannungsschutz) des Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft e. V. (GDV)
+ Gefährdungsparameter in Abhängigkeit von der BlitzschutzklasseBlitzschutzklassen. Obo.de Blitzschutzklasse kleinster Scheitelwert des Blitzstroms Imin in kA max.Scheitelwert des Blitzstroms Imax in kA Einfang- wahrscheinlichkeit Blitzkugel- radius Maschenweite äußerer Blitzschutz Einsatzbereiche nach VdS 2010 I 3 kA 200 kA 98 % 20 m 5 m × 5 m Rechenzentren, militärische Bereiche, Kernkraftwerke, Flughafentower, Industrieanlagen und Lager mit Explosionsgefahr II 5 kA 150 kA 95 % 30 m 10 m × 10 m Mühlen, holzverarbeitende Betriebe, Polizei-Leitstellen, Industrieanlagen mit erhöhter Brandgefahr, Hochhäuser >100 m, Krankenhäuser (Bettenhaus, Versorgungsgebäude), Fernmeldetürme, Windkraftanlagen III 10 kA 100 kA 88 % 45 m 15 m × 15 m Museen, Schulen, Hotels >60 Betten, Krankenhäuser (Verwaltung, Wohnheim), Pflegeheime, Kirchen mit Turm, Hochhäuser >22 m, Versammlungsstätten, Gaststätten >200 Plätze, Aussichtstürme, Verkaufsstätten >2000 m², Seilbahnen IV 16 kA 100 kA 81 % 60 m 20 m × 20 m keine Angaben in VdS 2010
Äußerer Blitzschutz 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
Blitzkugelverfahren mini|Industrieschornstein und Haus: Durch das gedachte Abrollen einer Blitzkugel kann der Schutzbereich (grün) und der gefährdete Bereich (rot) bestimmt werden. In diesem Fall sollte der obere Teil des Schornsteines und der First des Hausdaches mit einem Blitzableiter geschützt werden. mini|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 Eintrittsstellen, die für einen direkten Blitzeinschlag in Frage kommen, und ist in der EN 62305-3 normiert.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 Es definiert den durch einen Blitz gefährdeten Bereich als Berührungsbereich einer Kugel, deren Mittelpunkt die Spitze des Blitzes in der letzten Phase vor dem Einschlag ist. Die Blitzspitze sucht sich in der Regel den kürzesten Weg zum nächsten geerdeten Bauteil, das heißt zu einem Bauteil, welches die gedachte Blitzkugel berührt, da hier die Entfernung nur dem Kugelradius entspricht. Die Entfernung zu allen Bauteilen außerhalb der Kugel ist größer als der Radius, ein Einschlag in diese Bereiche ist also (nahezu) ausgeschlossen. 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 I steht für die höchste Schutzwirkung, der Blitzkugelradius ist entsprechend am geringsten.
Erfahrungsgemäß kann an jedem Punkt einer Anlage, die von einer Kugel entsprechender 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 mini|hochkant=1.2|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 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 (etwa Klimaanlagen und Dachkuppeln), die über das Maschensystem herausragen, schützen.
Fangeinrichtungen mini|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 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. 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.