Dr.-Ing. Martin Hannig

Blitzphysik und -schutz

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Blitzentladungen stellen eine Bedrohung für den Menschen, Gebäude, Anlagen und Kulturgüter dar. Das Blitzereignis ist dabei sehr vielen streuenden Parametern unterworfen, denen auch heute noch nicht in jeder Beziehung Rechnung getragen werden kann. Es gibt gute Verfahren, wie man sich vor diesem Ereignis schützt. Die Schutzvorschläge sind dabei nach den aktuellen Regeln der Technik in verschiedenen Normen erfasst.
Im Zuge der technischen Weiterentwicklung gibt es jedoch immer mehr empfindliche elektronische Systeme, bspw. im Bereich Mobilfunk, neue Materialien im Fahrzeug- oder Flugzeugbau, die keine stromtragfähigen Eigenschaften mehr haben oder hohen rotierenden Bauwerken, die ebenfalls aus nicht leitfähigen Materialien bestehen und mehrheitlich von Aufwärtsblitzen getroffen werden.
Da ein Blitz ein sehr ausgedehntes Ereignis ist und aus vielen statistischen Prozessen besteht, gibt es keine Möglichkeit einen Blitz im Labor künstlich zu untersuchen. Lediglich Teilereignisse lassen sich untersuchen. Die Extrapolation in die Natur ist jedoch immer wieder umstritten. Umso wichtiger ist es Messungen durchzuführen, welche das Ereignis gesamtheitlich erfassen können, Modelle zu entwickeln, welche die wesentlichen Parameter erfassen und numerische Simulationen durchzuführen, um das Verhalten des Blitzes auf neue Randbedingungen hin zu untersuchen.
Normativ ist das Blitzkugelverfahren, welches auf dem elektro-geometrischen Modell beruht, der gegenwärtige Stand der Technik. Durch die immer weitere Verbreitung von Rechenleistung gibt es immer mehr Verfahren, die FEM-Simulationen nutzen, um sog. Vorwachsmodelle zu nutzen (bspw. Rizk-Model, SLIM Model). Ein anderer Ansatz ist ein neuartiges Verfahren, welches auf dem EGM beruht – das DEGM. Einzigartig ist am Fachgebiet eine Erweiterung dieser Methode entwickelt worden, welche mit CAD-Dateien umgehen kann und eine Vielzahl von Analysen zur gewichteten Fangfläche oder prozentualen Verteilung der Einfangwahrscheinlichkeiten an einer Struktur ausgibt.

Relative interception probabilities according to an eDEGM calculation on a group of buildings

Relative interception probabilies on a transmission line tower based on a detailed 3D CAD model

Reltaive interception probabilities on transmission line, having two ground wires, calculated with the eDEGM

Relative interception probabilities of a wind turbine, based on a 3D CAD model, calculated with the eDEGM

Schlägt ein Blitz in ein Objekt, oder daneben ein, dann bilden sich während des Hauptblitzes (return stroke) elektromagnetische Felder aus. Diese Felder können auf verschiedene Weisen in Objekte eindringen und dort zu Potentialanhebungen führen, die sich dann leitungsgebunden ausbreiten. Im äußersten Fall kann es zu gefährlichen Funkenbildungen kommen. Die richtige Dimensionierung von Überspannungsschutzeinrichtungen oder die Vermeidung gefährlicher Feldstärken stehen hierbei im Fokus. Zur Berechnung reichen stationäre Löser in der Regel nicht mehr aus, weswegen hier auf verschiedene Berechnungsmethoden, wie die FDTD (Finite Difference Time Domain), die MOM (Method of Moments), die FEMTD (Finite Element Method in Time Domain) und die TLM (Transmission Line Matrix) Methoden zurückgegriffen werden.

Magnetic field distribution with the method of moments (CONCEPT II)

Simulation of a lightning return stroke with the help of CST and the TLM

Lightning Strike in direct vicinity of two buildings, showing the time derivate of the displacement field, claculated with COMSOL Multiphysics (FEMTD).

Distribution of field components during a lightning strike calculated using a FDTD method

Die richtige Erdung ist ein zentrales Element eines jeden Blitzschutzsystems. Hier geht es natürlich primär um den Potentialanstieg gegenüber ferner Erde, den alle Versorgungsleitungen mitbekommen. Es geht jedoch auch um weiterführende Effekte die für den Menschen lebensbedrohlich werden können, wie die Schrittspannung, die Berührspannung und Seiteneinschläge. In diesem Zusammenhang ist eine neue Methode entwickelt worden, die auf analytische und sehr schnelle Art und Weise die prospektiven Schrittspannungen bei einer völlig freien Erderkonfiguration abschätzen kann.

FEM Simulation with COMSOL showing the voltage drop along a grounding system, when a current of 100 kA is fed into a single corner.

Comparison of normal component of electrical field for FEM-Simulation in COMSOL (left) and a new approach using analytical assumptions (right) when a current of 100 kA is applied to the grounding system.

The analytical approach is able to calculate complex grounding systems and give informaion on the prospective step voltages. Because the methodology is so fast, one is able to design a proper grounding system in real time, taking into account the step voltages.

Freileitungen sind eine der wesentlichen Antriebsfedern im Blitzschutz. Die zuverlässige Versorgungssicherheit, welche von Strukturen ausgeht, die einige zehn Meter hoch sind und sich über sehr große Regionen ausdehnen, ist eine hochkomplexe Aufgabe. Dabei sind drei wesentliche Schadensarten denkbar, induzierte Überspannungen (eher in Verteilnetzen problematisch), Schirmfehler bei denen der Blitz die Fangseile verfehlt und rückwärtige Überschläge. Hier werden viele Simulationsansätze vereint und um EMTP-Simulationen erweitert.