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.

Estimating the lateral striking distances of a transmission line according to EGM (Armstrong & Whitehead) equations.

Das Ziel der Untersuchungen ist es, einen Beitrag zum Verständnis der Entstehung von realen Fangentladungen unter Einfluss realer negativer Leitblitze zu leisten. Diese Untersuchungen sind nötig, um die bisherigen physikalischen Modelle und Vorstellungen zu verifizieren oder zu revidieren. Auf dieser Grundlage soll es möglich sein, neuartige Fangeinrichtungen in Hinblick auf ihre Effektivität und Wirkungsweise besser bewerten zu können. Ziel ist die Untersuchung realer Fangentladungen, ausgelöst als Rückwirkung eines negativen Leitblitzes. Es soll untersucht werden, wie früh vor der eigentlichen Bildung einer Fangentladung und vor dem eigentlichen Hauptblitz Vorentladungen entstehen. Die Beantwortung dieser Frage ermöglicht eine Aussage über den tatsächlichen Entstehungsbeginn realer Fangentladungen und kann beispielsweise die theoretischen, sehr ambitionierten Simulationsergebnisse und -vorhersagen von Cooray und Becerra besser bewerten. Entscheidenden Einfluss haben hierbei kleinste Vorentladungen. Ihr Auftreten und die Höhe ihrer Entladung können einen entscheidenden Hinweis auf die Wirksamkeit von nicht-konventionellen Fangeinrichtungen geben.

High speed video of a lightning strike near Darmstadt (2018-06-07)

Entstehtung einer Fangentladung.

4/10- Hochstromimpuls, gemessen mit der selbstentwickelten Rogowskispule

Vorentladungsimpuls, gemessen mit einer selbstentwickelten Messeinrichtung auf Basis eines FPGA.

Springe zu: 2018 | 2017 | 2016 | 2015 | 2014 | 2013 | 2011
Anzahl der Einträge: 11.

2018

Hannig, M. (2018):
Calculation of the assembled grounding resistance from complex grounding systems by using analytical considerations only.
ICHVE 2018, Athen, 10.09.2018 - 13.09.2018, [Konferenzveröffentlichung]

Rusek, B. ; Steevens, S. ; Kleinekorte, K. ; Hannig, M. ; Balzer, C. ; Hinrichsen, V. ; Neumann, C. (2018):
Dimensioning of Electrical Clearance of OHL Using Correlation between Weather Condition and Lightning Strike Probability.
Cigré Session 2018, Paris, 26.08.2018 - 31.08.2018, [Konferenzveröffentlichung]

2017

Hannig, M. ; Hinrichsen, V. ; Beierl, O. (2017):
Die Fangvolumenmethode und ihre Abhängigkeit von den Feldintensivierungsfaktoren.
VDE/ABB-BST 2017, Aschaffenburg, Deutschland, 12. - 13.10.2017, [Konferenzveröffentlichung]

Beierl, O. ; Brocke, R. ; Hannig, M. (2017):
Effectiveness of low-impedance down-conductors.
XIV SIPDA, Natal, Barzil, 02. - 06.10.2017, [Konferenzveröffentlichung]

Hannig, M. ; Hinrichsen, V. ; Brocke, R. (2017):
Determination of the probability function of lightning peak currents on flat ground.
XIV SIPDA, Natal, Brazil, 02. - 06.10.2017, [Konferenzveröffentlichung]

2016

Kern, A. ; Brocke, R. ; Raab, V. ; Hannig, M. ; Rock, M. ; Beierl, O. ; Zischank, W. (2016):
Detailed Calculation of Interception Efficiencies for Air-Termination Systems using the Dynamic Electro-Geometrical Model – Practical Applications.
ICLP 2016, Estoril, Portugal, 25. - 30.09.2016, [Konferenzveröffentlichung]

2015

Brocke, R. ; Hannig, M. ; Herrmann, L. ; Raab, V. (2015):
Graphische Analyse der Einfangwahrscheinlichkeit von Fangeinrichtungen mit Hilfe des DEGM.
VDE/ABB-BST 2015, Ulm, Deutschland, 22. bis 23. Oktober 2015, [Konferenzveröffentlichung]

2014

Hannig, M. ; Hinrichsen, V. ; Hannig, R. ; Brocke, R. (2014):
An analytical consideration on the striking probability and the total amount of strikes to simple structures according to standardized regulations.
ICLP 2014, Shangai, China, 13.-17. Oktober 2014, [Konferenzveröffentlichung]

Hannig, M. ; Hinrichsen, V. ; Brocke, R. (2014):
Progress on the development of a measuring instrumentation for detection of pre-discharges on a lightning rod under the influence of a negative downward leader.
ICLP 2014, Shangai, China, 13.-17. Oktober 2014, [Konferenzveröffentlichung]

2013

Hannig, M. ; Hinrichsen, V. ; Brocke, R. (2013):
Entwicklung einer Messeinrichtung zur Erfassung von kleinsten Vorentladungen an einer Blitzfangstange unter Einfluss eines negativen Leitblitzes.
ISBN 978-3-8007-3540-2, VDE/ABB-BST 2013, Ulm, Deutschland, 24.-25. Oktober 2013, [Konferenzveröffentlichung]

2011

Broniecki, U. ; Balkon, C. ; Hannig, M. ; Kalkner, W. ; Koltunowicz, W. ; Obralic, A. ; Plath, R. (2011):
Localization of Partial Discharges in Power Transformers by Combined Acoustic and Electric Measurements.
ISBN 978-3-8007-3364-4, ISH 2011, Hannover, Germany, 22.08. - 26.08.2011, [Konferenzveröffentlichung]

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