Blitzschlag: Einleitende Worte

Diese Blitzschutz-Präsentation soll lediglich die verschiedenen praktischen Aspekte des Blitzschutzes von Anlagen und Geräten, die in der Industrie üblich sind, auf konkrete Weise behandeln.

Selbstverständlich steht der Schutz von Personen für jeden Verantwortlichen an erster Stelle.

Allerdings ist dieser Bereich eine Angelegenheit für Spezialisten und die Kontrollstellen für elektrische Anlagen erfüllen diese Rolle mit Kompetenz.

Wir beschränken uns daher auf den materiellen Aspekt des Themas Blitzschlag , auch wenn manchmal ein Blick auf den Aspekt des Personenschutzes skizziert wird.

Schäden: In Frankreich: Mehrere Millionen Blitzeinschläge pro Jahr (besonders in Zeiten großer Hitze).

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

- Personen und Tiere vom Blitz getroffen,

- Gebäude zu Dutzenden zerstört,

- Beschädigte elektronische Geräte, Haushaltsgeräte, ..,

- Fehlfunktionen von automatischen Systemen.

Die Höhe der Schäden spiegelt ebenso die Macht des Phänomens wider wie die geringe Aufmerksamkeit, die den Schutzmethoden gewidmet wird.

"Gegen Blitzekann man nichts machen" .

Das ist eine weit verbreitete und dennoch falsche Vorstellung. Ein dezidiert technischer Ansatz kann nur vom Gegenteil überzeugen:

" Es ist natürlich immer möglich, sich vor den Auswirkungen eines Blitzes zu schützen."

Der erste Schritt besteht darin, Blitze als klassisches physikalisches Ereignis zu betrachten und nicht mehr als göttliches oder übernatürliches Eingreifen.

Wir werden dann aus dem Bereich des Aberglaubens in den Bereich des Rationalismus entfliehen.

Dann wird versucht, den Sachverhalt zu beleuchten und die Wirkung des Blitzes zu charakterisieren.

Blitze - ein physikalisches Phänomen

Wenn also der Blitz ein physikalisches Phänomen ist, muss auch seine Erforschung möglich sein. Viele Talente, vor allem aus Frankreich, haben sich dieser Aufgabe mit Bravour gestellt. Aus ihren Arbeiten lassen sich folgende Lehren ziehen:

- Prozess der Blitzentladung

- Exponierte Bereiche

- Schockwelle

- Ausbreitung der Welle

- Die Auswirkungen von Blitzen

Prozess der Blitzentladung :

Blitze treten nur in Gegenwart von Cumulonimbus-Wolken auf. Sie weisen eine besonders große Masse in der vertikalen Ebene auf und können Höhen zwischen 2 und 14 km erreichen. Die Temperaturunterschiede zwischen den oberen und unteren Teilen der Wolken führen zu einer Luftzirkulation, die intensiv ist (thermodynamische Aktivität).

Durch Reibung laden sich die sich bewegenden Partikel dann elektrisch auf und diese Ladungen sammeln sich an den vertikalen Enden der Wolken. Durch den Einfluss der Umgebung, einschließlich des Bodens, polarisiert sich die Umgebung entgegengesetzt zu der nächstgelegenen Wolke.

Die Schläge von Blitzschlag : Ein Schlag von Blitzschlag wird als negativ bezeichnet, wenn sich der negative Teil der Wolke entlädt, und als positiv, wenn dies nicht der Fall ist.   

Ein Blitz wird als absteigend bezeichnet, wenn der Vorläufer von der Wolkenbasis ausgeht, und als aufsteigend, wenn der Vorläufer an der Wolkenbasis endet.

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

Die Werte dieser Felder können einige Dutzend kV/m betragen.

Luftverunreinigungen und die Umgebungsfeuchtigkeit während eines Gewitters begünstigen eine lokale Erhöhung der elektrischen Felder sowie eine Verringerung der Zündspannungen.

Innerhalb dieser verschiedenen Dipole werden dann elektrostatische Entladungen erzeugt.

Der Entlastungsprozess beginnt.

Der Entladungsprozess beginnt also seinen Zyklus in dem Moment, in dem ein erster Isolationsbruch zwischen der Wolkenbasis und einem beliebigen Punkt in ihrer Umgebung auftritt.

In aufeinanderfolgenden Sprüngen von 50 bis 100 Metern wird ein Teil der Wolkenladung auf den Aufprallpunkt übertragen. Der Weg, den diese "Vorentladungen" zurücklegen, zeichnet einen stark ionisierten Pfad, der als Tracer oder Precursor bezeichnet wird.

Der Weg, dem der Tracer folgt, ist sehr unregelmäßig. Während er sich fortbewegt, nimmt der Potentialgradient (elektrisches Feld) zu und es entstehen zahlreiche Verzweigungen. In der Nähe von Gegenständen, Gebäuden oder anderen Elementen, die als Vektor für die Ableitung der Blitzenergie dienen könnten, schlagen Funken (Fangentladung) und treffen auf den Vorläufer.

Der ionisierte Weg vom Aufprallpunkt bis zur Wolke ist dann vollständig nachvollziehbar.

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

Der Spitzenwert des Entladestroms schwankt zwischen einigen zehn kA (durchschnittlich 40 kA) und maximal 100 kA bei abwärts gerichteten negativen Blitzeinschlägen .

In Europa, wo das Klima gemäßigt ist, machen sie 80 bis 90 Prozent der Schocks aus.

Positive Aufwärtsschocks können Intensitäten von mehreren hundert kA erreichen.

Mehrere Rückbögen, im Durchschnitt 4 pro Blitz, folgen in einem Zeitraum von 500 ms bis 1 s aufeinander.

Blitzschlaggefährdete Gebiete

Um die Vorstellungen über die mehr oder weniger starke Belastung eines geografischen Gebiets zu fixieren, ist es heute üblich, den Begriff des Kerauniveaus zu verwenden, der übrigens in der Norm NF C15 100 verankert ist. Der Keraunpegel, der für einen bestimmten Ort die Anzahl der Tage angab, an denen in einem Jahr Donner zu hören war, wird zunehmend durch die durchschnittliche Anzahl von Stößen pro km² ersetzt. Das Verhältnis zwischen diesen beiden Begriffen schwankt zwischen :

Nc = Nk / 10 und Nk/20

Das Kerauniveau in Frankreich kann bis zu 35 betragen. Daraus lässt sich ableiten, dass 3 bis 4 Schocks pro km² jährlich die am stärksten gefährdeten Gebiete unseres Landes betreffen.

In Indonesien liegt die Keraunorm bei 200! Es ist klar, dass diese Versuche, die Gewitterintensität in einem Gebiet zu messen, nicht die Realität an einem bestimmten Ort wiedergeben können. Einige zusätzliche Aspekte, die wir weiter unten betrachten werden, helfen dabei, dies zu erreichen.

Schockwelle

Um Studien, Analysen, Tests und Vergleiche zu erleichtern, ist es unerlässlich, gemeinsame Referenzen zu verwenden, die von allen Akteuren genutzt werden.

Um die Widerstandsfähigkeit von Geräten gegen Blitzschlag und die Zündspannung von Blitzschutzvorrichtungen zu charakterisieren, wurde die Blitzstoßwelle genormt. Sie wird üblicherweise als Welle bezeichnet: 1,2 / 50 8 /20

Sie hat ein sehr breites Frequenzspektrum, das von sehr niedrigen Frequenzen bis über 1 MHz reicht.

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

Wellenausbreitung

Die Beschreibung des Entladungsprozesses stellt die Wolke-Erde-Einheit als einen Dipol dar, der sich aufgrund von aufeinanderfolgenden Gutscheinzündungen entlädt.

Um die Umstände zu bestimmen, die die Entladung dieses riesigen Kondensators begünstigen, muss man sich fragen, warum ein Schock an einem bestimmten Ort stattfindet. Zu den begünstigenden Elementen gehören unter anderem

- Der Abstand zwischen den Ladungen(= zwischen Wolke und Boden): Je geringer der Abstand, desto leichter ist die Zündung. Die meisten Einschläge sind immer in Bergregionen zu verzeichnen.

- Die Art des Bodens: Je leitfähiger er ist, desto mehr lädt er sich auf. Bergbaugebiete, Kohle, Eisen, selbst in flachen Ländern sind stärker gefährdet, ebenso wie große Wasserflächen.

- Die Topografie von Orten , die wie Täler die Windzirkulation begünstigen und eine Ionisierung der Luft bewirken, wobei hier mehr als dort Passagen mit niedriger Impedanz geschaffen werden.

- Das Vorhandensein langer Antennen (oberirdische HS-Kabel) oder hoher Strukturen mit oder ohne Spitzeneffekt begünstigen das Zünden sehr.

Der Weg des Gutschein-Spurensuchers ist also kein Zufall, sondern wird immer auf dem einfachsten Weg zurückgelegt. Da es sich um ein elektrisches Phänomen handelt, ist der einfachste Weg der mit der geringsten Impedanz. Die Frequenzen der Stoßwelle sind, wie wir gesehen haben, höher als MHz.

Die Impedanz einer Schaltung ist direkt proportional zu ihrem Widerstand und der Frequenz, der sie ausgesetzt ist, und umgekehrt proportional zu ihrer Kapazität.

Bei der Analyse der Schutzmethoden und -mittel, mit der wir uns hier beschäftigen, ist die Erde immer das Endziel des Blitzschocks, auch wenn die Luftzündungen (zwischen Wolken) am häufigsten sind. Diese bewusste Vereinfachung der Ausbreitung der Schockwelle ermöglicht es, die Schutzmaßnahmen konkret zu beschreiben und eine einfache Regel für Laien aufzustellen, die das Phänomen verstehen möchten, um ihr eigenes Schutzsystem zu beherrschen:

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

Die Auswirkungen von Blitzen

Aufgrund ihrer Auswirkungen und damit auch der Möglichkeiten, sich davor zu schützen, unterscheidet man zwei Arten von Blitzeinschlägen :

Direkte Stöße :

Sie sind Stöße, die direkt auf einen Gegenstand oder ein Lebewesen fallen und dann in die Erde abfließen.

Indirekte Stöße :

ein Objekt oder Lebewesen, durch das ein Strom fließt, obwohl es nicht vom Blitz getroffen wurde.

Dieser Strom fließt entweder, weil ein Leiter die Überspannung vom Stoßpunkt zum Fließpunkt leitet, oder weil sie sich durch induktive, elektrostatische oder elektromagnetische Kopplung ausgebreitet hat.

Während die Auswirkungen eines Schocks, der direkt auf ein Gerät oder ein Gebäude trifft, nicht detailliert beschrieben werden müssen. Diejenigen eines indirekten Schocks werden nicht immer als Folge einer Entladung atmosphärischen Ursprungs identifiziert.

Zum Beispiel gehen elektrostatische Effekte auf ein Gerät nicht dem charakteristischen Geräusch eines Blitzeinschlags voraus und werden daher nicht mit Gewitteraktivitäten in Verbindung gebracht.

Die Energien, die dabei im Spiel sind, können ausreichen, um im Augenblick Komponenten zu beschädigen, die sich etwas später im Laufe der Zeit selbst zerstören.