Lightning: Präambel

Diese Blitzpräsentation soll einen praktischen Ansatz für die verschiedenen praktischen Aspekte des Blitzschutzes für Anlagen und Geräte, die in der Industrie üblicherweise verwendet werden, bieten.

Natürlich bleibt der Schutz der Menschen das Hauptanliegen eines jeden Managers.

Es handelt sich hierbei jedoch um ein Spezialgebiet, und die Elektroprüfstellen sind für diese Aufgabe zuständig.

Wir beschränken uns daher auf den materiellen Aspekt des Blitzthemas , auch wenn gelegentlich ein Blick auf den Schutz von Personen geworfen wird.

Schäden: In Frankreich: Mehrere Millionen Blitzeinschläge pro Jahr (vor allem bei heißem Wetter).

Blitze sind manchmal tödlich und verursachen vor allem Schäden, die oft spektakulär sind:

- Menschen und Tiere, die von Blitzen getroffen werden,

- Dutzendweise zerstörte Gebäude,

- Beschädigte elektronische Geräte, Haushaltsgeräte usw,

- Fehlfunktionen in automatischen Systemen.

Das Ausmaß der Schäden spiegelt sowohl die Stärke des Phänomens als auch die mangelnde Aufmerksamkeit für Schutzmaßnahmen wider.

"Gegen Blitzekann man nichts tun".

Dies ist eine weit verbreitete und dennoch besonders falsche Vorstellung. Ein konsequent technischer Ansatz kann nur vom Gegenteil überzeugen:

"Es ist natürlich immer möglich, sich vor den Auswirkungen von Blitzen zu schützen.

Der erste Schritt besteht darin, den Blitz als klassisches physikalisches Ereignis zu betrachten und nicht mehr als göttlichen oder übernatürlichen Eingriff.

Dann verlassen wir das Reich des Aberglaubens und treten in das Reich des Rationalismus ein.

Anschließend wird versucht, die Fakten zu beleuchten und die Wirkung des Blitzes zu charakterisieren.

Blitze, ein physikalisches Phänomen:

Wenn der Blitz ein physikalisches Phänomen ist, muss seine Untersuchung möglich sein. Zahlreiche Talente, vor allem französische, haben diese Aufgabe mit Bravour gemeistert. Aus ihrer Arbeit lassen sich die folgenden Lehren ziehen:

- Prozess der Blitzentladung

- Exponierte Bereiche

- Schockwelle

- Wellenausbreitung

- Die Auswirkungen von Blitzen

Prozess der Blitzentladung :

Blitze entstehen nur in Gegenwart von Kumulonimbuswolken. Sie haben eine besonders große Masse in der Vertikalen und können Höhen zwischen 2 und 14 km erreichen. Die Temperaturunterschiede zwischen den oberen und unteren Teilen der Wolken verursachen eine intensive Luftzirkulation (thermodynamische Aktivität).

Durch Reibung werden die sich bewegenden Teilchen elektrisch aufgeladen, und diese Ladungen sammeln sich an den vertikalen Enden der Wolken. Durch die Beeinflussung wird die Umgebung, einschließlich des Bodens, in einer Weise polarisiert, die derjenigen der nächstgelegenen bewölkten Fläche entgegengesetzt ist.

Die Schläge von Blitzschlag Eine Aufnahme von Blitzschlag ist negativ, wenn der negative Teil der Wolke sich entlädt, und positiv, wenn er sich nicht entlädt.   

Von einem Blitzeinschlag spricht man, wenn der Vorläufer von der Basis der Wolke ausgeht, und von einem Aufwärtsblitz, wenn der Vorläufer an der Basis der Wolke endet.

Unter dem Einfluss dieser Ladungen entstehen elektrische Felder, sowohl zwischen Wolken und Erde als auch zwischen Wolken.

Die Werte dieser Felder können einige zehn kV/m erreichen.

Verunreinigungen in der Luft und die Luftfeuchtigkeit während eines Gewitters begünstigen eine lokale Zunahme der elektrischen Felder und eine Abnahme der Zündspannungen.

Innerhalb dieser verschiedenen Dipole kommt es dann zu elektrostatischen Entladungen.

Der Entlastungsprozess beginnt.

Der Entladungsprozess beginnt also, sobald die erste Unterbrechung der Isolierung zwischen der Basis der Wolke und einem beliebigen Punkt in ihrer Umgebung auftritt.

Dann wird in aufeinanderfolgenden Sprüngen von 50 bis 100 Metern ein Teil der Ladung der Wolke auf den Aufschlagpunkt übertragen. Der Weg dieser "Vorentladungen" folgt einer stark ionisierten Bahn, die als Tracer oder Precursor bezeichnet wird.

Der Weg, den der Tracer nimmt, ist sehr unregelmäßig. Im Verlauf der Bewegung nimmt das Potenzialgefälle (elektrisches Feld) zu und führt zu zahlreichen Verzweigungen. In der Nähe von Gegenständen, Konstruktionen oder anderen Elementen, die als Vektor für die Ableitung von Blitzenergie dienen könnten, fliegen Funken (Einfangentladung) aus und treffen auf den Vorläufer.

Der ionisierte Weg zwischen dem Aufprallpunkt und der Wolke wird dann vollständig nachvollzogen.

Die Potenzialdifferenz entlang dieses Weges erreicht einige hundert Millionen Volt. Sofort fließt ein Strom von beträchtlicher Stärke, der als erster Rückschlag, Hauptentladung oder Rücklichtbogen bezeichnet wird.

Der Spitzenwert des Entladungsstroms variiert von einigen zehn kA (durchschnittlich 40 kA) bis zu einem Maximum von hundert kA bei abwärts gerichteten negativen Blitzen .

In Europa, wo ein gemäßigtes Klima herrscht, machen sie 80-90 % der Schocks aus.

Positive Aufwärtsstöße können Intensitäten von mehreren hundert kA erreichen.

Mehrere Lichtbögen, im Durchschnitt 4 pro Blitz, folgen in einer Zeitspanne von 500 ms bis 1 s aufeinander

Blitzschlaggefährdete Gebiete

Um die Vorstellungen über die stärkere oder geringere Exposition eines geografischen Gebiets festzulegen, ist es heute üblich, den Begriff der Keraunenhöhe zu verwenden, der auch in der Norm NF C15 100 verankert ist. Der Keraunenwert, der früher für einen bestimmten Ort die Anzahl der Tage angab, an denen in einem Jahr ein Donner zu hören war, wird zunehmend durch die durchschnittliche Anzahl der Erschütterungen pro km² ersetzt. Das Verhältnis zwischen diesen beiden Begriffen variiert zwischen :

Nc = Nk / 10 und Nk/20

In Frankreich kann das Kerauniveau bis zu 35 betragen, was bedeutet, dass die am stärksten exponierten Gebiete unseres Landes jedes Jahr von 3 bis 4 Erschütterungen pro km² betroffen sind.

Zum Vergleich: Indonesien hat ein Kerauniveau von 200! Es liegt auf der Hand, dass diese Versuche, die Sturmintensität eines Gebietes zu messen, nicht den Gegebenheiten eines bestimmten Standortes entsprechen. Einige zusätzliche Aspekte, die wir später sehen werden, werden dazu beitragen.

Shockwave

Um Studien, Analysen, Tests und Vergleiche zu erleichtern, ist es wichtig, gemeinsame Referenzen für alle Akteure zu verwenden.

Um die Blitzfestigkeit von Betriebsmitteln und die Zündspannungen von Blitzschutzeinrichtungen zu charakterisieren, wurde die Blitzstoßwelle genormt. Sie wird gemeinhin als Welle bezeichnet: 1.2 / 50 8 /20

Es hat ein sehr breites Frequenzspektrum von sehr niedrigen Frequenzen bis über 1 MHz.

Die Spannungswelle: - Anstieg von 1,2 µs (von 10 % bis 90 % von U), - Wenn die Durchschlagsspannung (Zündspannung) erreicht ist (100 % von U), erscheint die Stromwelle und fällt in 50 µs ab (50 % von U). Die Stromwelle: - Steigt in 8 µs (von 10 % auf 90 % von I) - Fällt in 20 µs (50 % von I). - Sie ist für die Zerstörung von Materialien durch thermische Einwirkung verantwortlich.

Wellenausbreitung

In der Beschreibung des Entladungsprozesses wird die Wolke/Erde-Anordnung als Dipol dargestellt, der sich nach aufeinanderfolgenden Kuponauslösungen entlädt.

Um die Umstände zu definieren, die die Entladung dieses riesigen Kondensators begünstigen, müssen wir uns fragen, warum ein Schock an einer bestimmten Stelle auftritt. Zu den positiven Aspekten zählen:

- Der Abstand zwischen den Ladungen(= zwischen der Wolke und dem Boden): Je geringer der Abstand, desto leichter ist die Zündung. Die zahlreichsten Einschläge werden stets in Gebirgsregionen verzeichnet.

- Die Beschaffenheit des Bodens: Je leitfähiger er ist, desto stärker ist er belastet. Bergbaugebiete, Kohle, Eisen, selbst auf dem flachen Land sind stärker gefährdet, ebenso wie große Wasserflächen.

- Die Topographie von Orten , die wie Täler die Zirkulation von Winden begünstigen und eine Ionisierung der Luft bewirken, schafft hier mehr als dort Passagen mit geringer Impedanz.

- Das Vorhandensein langer Antennen (Hochspannungsfreileitungen) oder hoher Bauwerke mit oder ohne Spike-Effekt begünstigt Zündungen erheblich.

Der Weg des Tracers durch die Belege ist also kein Zufall; er führt immer über den einfachsten Weg. Da es sich um ein elektrisches Phänomen handelt, ist der einfachste Weg derjenige mit der geringsten Impedanz. Es ist angebracht, von einer Impedanz und nicht nur von einem Widerstand zu sprechen, da die Frequenzen der Stoßwelle, wie wir gesehen haben, höher sind als der MHz-Bereich.

Es sei daran erinnert, dass die Impedanz eines Stromkreises direkt proportional zu seinem Widerstand und zu der Frequenz ist, der er ausgesetzt ist, und umgekehrt proportional zu seiner Kapazität.

Bei der Analyse, den Methoden und den Schutzmitteln, mit denen wir uns hier befassen, ist die Erde immer der endgültige Bestimmungsort des Blitzschlags, auch wenn die Einschläge in der Luft (zwischen den Wolken) am häufigsten sind. Diese absichtliche Vereinfachung der Ausbreitung der Stoßwelle ermöglicht es, die Möglichkeiten zum Schutz vorzusehen und eine einfache Regel aufzustellen, die auch von Nichtfachleuten genutzt werden kann, die das Phänomen verstehen wollen, um ihr eigenes Schutzsystem zu beherrschen:

Ein Blitzschlag geht immer zur Erde und nimmt den Weg der geringsten Impedanz.

Die Auswirkungen von Blitzen

Es lassen sich zwei Arten von Blitzeinschlägen unterscheiden, die sich durch ihre Auswirkungen und somit durch die Mittel zu ihrem Schutz auszeichnen:

Direkte Auswirkungen:

Dabei handelt es sich um Erschütterungen, die direkt auf einen Gegenstand oder ein Lebewesen fallen und dann zu Boden fließen.

Indirekte Auswirkungen :

ein Gegenstand oder ein Lebewesen, der/das durch den Stromfluss beeinträchtigt wird, obwohl er/sie vom Blitzschlag nicht berührt worden ist.

Dieser Strom fließt entweder, weil ein Leiter den Stromstoß vom Aufprall- zum Durchflusspunkt leitet, oder weil er sich durch induktive, elektrostatische oder elektromagnetische Kopplung ausgebreitet hat.

Auf die Auswirkungen eines Schocks, der direkt auf Geräte oder Gebäude trifft, muss nicht näher eingegangen werden. Die Auswirkungen der indirekten Folgen werden nicht immer als auf eine atmosphärische Entladung zurückzuführen identifiziert.

Elektrostatische Wirkungen auf ein Gerät gehen beispielsweise nicht mit dem charakteristischen Geräusch eines Blitzschlags einher und werden daher nicht mit Gewitteraktivitäten in Verbindung gebracht.

Die damit verbundenen Energien können ausreichen, um Komponenten zu beschädigen, die später zerstört werden.