Blitzkugelverfahren zur Planung von Fangeinrichtungen

Physikalisch begründetes Verfahren für komplexe Anlagen

Zur Planung der Fangeinrichtungen als Teil des äußeren Blitzschutzsystems können verschiedene Verfahren eingesetzt werden. Ein Verfahren, das sich in zahlreichen Fällen bewährt, ist das sogenannte Blitzkugelverfahren. Es eignet sich besonders bei komplexen Anlagen als Planungsmethode. Anders als das Schutzwinkel- oder das Maschenverfahren ist das Blitzkugelverfahren aus dem elektrogeometrischen Blitzmodell abgeleitet und physikalisch begründet. Daher sollte auch dann auf dieses Verfahren zurückgegriffen werden, wenn beim Schutzwinkel- oder Maschenverfahren Unsicherheiten auftreten.

Die Basis für die Berechnung der Fangeinrichtungen bildet der Blitzkugelradius, denn bei diesem Verfahren rollt eine Blitzkugel digital über das zu schützende Objekt. Die Berührungspunkte stellen dann mögliche Einschlagstellen des Blitzes dar.

Enddurchschlagsstrecke und Leitblitzkopf

Aufgrund von Ladungstrennung entsteht ein Potentialunterschied zwischen Wolken und Erde und verursacht einen Leitblitz mit Leitblitzkopf. Von diversen Punkten wie Bäumen, Häusern oder Antennen starten Fangentladungen in Richtung dieses Leitblitzkopfes. An dem Punkt, dessen Fangentladung den Leitblitzkopf als erstes erreicht, kommt es zu einem Enddurchschlag. Daraus ergibt sich, dass alle Punkte auf der Oberfläche der Blitzkugel mit dem Radius der Enddurchlagsstrecke und dem Leitblitzkopf als Mittelpunkt vor direktem Blitzeinschlag geschützt werden müssen. Der Radius der Blitzkugel wird durch die Blitzschutzklasse der zu schützenden Gebäude bestimmt.

Fangeinrichtungen als Schutzräume

Der Blitzstrom muss durch das Blitzschutzsystem eingefangen und abgleitet werden und bildet bei einem direkten Einschlag auch den Brandschutz für das Gebäude. Die Fangeinrichtungen bieten einen optimalen Einschlagspunkt und sind über die Ableitungen mit der Erdungsanlage verbunden. So wird ein leitfähiger Übergang für die Blitzströme ins Erdreich realisiert. Die Fangeinrichtungen kann man sich als Schutzräume vorstellen. Mit dem Blitzkugelverfahren werden diese Schutzräume ermittelt.

Mithilfe des Blitzkugelverfahrens können die erforderlichen Längen der Fangstangen sowie die Abstände zwischen den Fangstangen dimensioniert werden. Diese sind so anzuordnen, dass alle Teile der zu schützenden Anlage im Schutzbereich der Fangeinrichtung liegen. Entsprechend muss das zu schützende Gebäude so mit Fangeinrichtungen ausgestattet werden, dass eine Kugel mit einem gemäß den Blitzschutzklassen angegebenen Kugelradius das Gebäude nicht berühren kann.

Das elektrogeometrische Blitzmodell als physikalisch anerkanntes Modell

Der Blitzkugelradius gemeinsam mit den minimalen Stromscheitelwerten bezogen auf die jeweilige Blitzschutzklasse bildet das elektro-geometrische Modell (EGM), das als einzig physikalisch anerkanntes Basismodell zur Erstellung des Blitzschutzzonenkonzeptes nach VDE 0185-305-1 (IEC /EN 62305-1) dient.

Mithilfe von CAD-Programmen kann die Blitzkugel im dreidimensionalen Raum über die gesamte zu schützende Anlage gerollt werden. So werden beispielsweise bei Gebäuden der Blitzschutzklasse I Flächen und Punkte durch die Kugel berührt, die bei Gebäuden der Blitzschutzklasse II, III oder IV noch im geschützten Bereich liegen. Mit dem Blitzkugelverfahren kann die zu schützende Anlage in unterschiedliche äußere Blitzschutzzonen (Lightning Protection Zones = LPZ) unterteilt werden:

LPZ 0A: Gefährdung durch direkte Blitzeinschläge und das gesamte elektromagnetische Feld des Blitzes

LPZ0B: Geschützt gegen direkte Blitzeinschläge, aber gefährdet durch das gesamte elektrische Feld des Blitzes

Kalkulation der Eindringtiefe

Werden mehrere Fangstangen verwendet, um ein Objekt abzusichern, so muss die Eindringtiefe zwischen den Fangstangen berücksichtigt werden. Zur genauen Berechnung kann dabei die folgende Formel verwendet werden:

Formel für die Eindringtiefe