Wenn Sie sich lange genug mit elektrischen Systemen beschäftigen, entwickeln Sie einen gesunden Respekt vor Blitzen. Nicht der romantische Respekt, den die Leute haben, wenn sie zusehen, wie ein Sturm über die Berge zieht. Die praktische Art, die Art, bei der Sie Ihre Erdungsanschlüsse vor der Arbeit noch einmal überprüfen-und den Bauingenieur fragen müssen, ob die Verteilungsleitung oberirdisch oder unter der Erde verläuft.
Blitzableiter gehören zu den Geräten, an die die meisten Menschen außerhalb der Elektroindustrie noch nie gedacht haben, obwohl sie stillschweigend fast jedes Gebäude, Umspannwerk und jeden Kommunikationsturm auf der Welt schützen. In diesem Artikel wird erläutert, was sie sind, wie sie funktionieren, welche Typen es gibt und warum die Wahl des Ableiters wichtiger ist, als vielen Käufern bewusst ist.
Blitzableiter
Was ein Blitzableiter eigentlich leistet
Im Kern ist ein Blitzableiter ein Gerät zur Spannungsbegrenzung. Es ist zwischen einem elektrischen Leiter und der Erde angeschlossen und unter normalen Betriebsbedingungen absolut funktionslos. Sobald eine Überspannung auftritt, sei es durch einen direkten Blitzeinschlag in eine Stromleitung oder durch die Spannungsspitze, die beim Abschalten eines großen Transformators entsteht, wird der Ableiter aktiviert, erstellt vorübergehend einen niederohmigen Pfad zur Erde und leitet die Überspannungsenergie von allen nachgeschalteten Geräten ab. Sobald die Überspannung vorüber ist und die Netzspannung wieder auf den Normalwert abfällt, kehrt der Ableiter in seinen inaktiven Zustand zurück.
Der letzte Teil ist erwähnenswert. Im Gegensatz zu einer Sicherung, die sich selbst opfert, um einen Stromkreis zu schützen, ist ein ordnungsgemäß dimensionierter Ableiter darauf ausgelegt, wiederholte Überspannungsereignisse ohne Durchbrennen zu bewältigen. Es wird automatisch zurückgesetzt und in den meisten Fällen registriert das Gerät, das es schützt, nicht einmal, dass etwas passiert ist.
Der Vergleich, den ich am nützlichsten finde, ist ein Abfluss in einem Waschbecken. Das Wasser fließt mit normaler Geschwindigkeit ein und der Abfluss hält problemlos mit. Aber wenn jemand einen vollen Eimer auf einmal hineinkippt, hält der Abfluss dem plötzlichen Wasseranstieg stand und das Waschbecken läuft nicht über. Der Ableiter ist der Abfluss. Der Transformator, die Schaltanlage, die sensible Elektronik im Inneren des Gebäudes sind die Senke.
Wo der Name verwirrend wird
Eines der ersten Dinge, auf die Menschen stoßen, wenn sie mit der Recherche zu diesem Thema beginnen, ist ein Haufen sich überschneidender Terminologie. Blitzableiter, Überspannungsableiter, Überspannungsschutz, Überspannungsableiter, Blitzisolator. Diese Begriffe werden manchmal synonym verwendet und manchmal bedeuten sie wirklich unterschiedliche Dinge, je nachdem, wer spricht und in welchem Kontext.
Hier ist eine praktische Möglichkeit, über die Unterschiede nachzudenken:
Ein Blitzableiter (in der Fachsprache Luftterminal genannt) ist ein externes Gerät, das oben an einer Struktur montiert ist. Seine Aufgabe besteht darin, einen direkten Einschlag abzufangen und dem Strom über einen Ableiter einen kontrollierten Weg zum Boden zu geben. Es schützt die Gebäudestruktur vor Feuer oder physischer Beschädigung. Es tut nichts für die elektrische Ausrüstung im Inneren.
Ein Blitzableiter im herkömmlichen Sinne bezieht sich auf Geräte, die auf Sendemasten und Verteilungsleitungen im Freien installiert sind. Diese fangen die entlang der Leitung fließende Überspannungsenergie ab und leiten sie um, bevor sie ein Umspannwerk oder ein Gebäude erreicht. In vielen Ausführungen hat der Ableiter keinen direkten Kontakt zum Außenleiter. Es liegt parallel und wird nur aktiviert, wenn die Spannung einen festgelegten Schwellenwert überschreitet.
Ein Überspannungsableiter oder Überspannungsschutz wird innerhalb eines Gebäudes installiert, normalerweise an der Hauptschalttafel. Es bewältigt die Überspannungstransienten, die es bereits durch die Außenschutzschichten geschafft haben.
Vollständiger Schutz erfordert alle drei. Auch bei einem Blitzableiter ohne Ableiter an der Zuleitung ist das elektrische System den über die Leiter übertragenen Überspannungen ausgesetzt. Ein Ableiter in der Leitung ohne Überspannungsschutz auf Panelebene lässt die letzte Meile ungeschützt. Das völlige Weglassen des Blitzableiters bedeutet, dass ein direkter Einschlag in das Gebäude alles andere überwältigen kann. Jede Ebene behandelt eine andere Bedrohung und sie sind darauf ausgelegt, zusammenzuarbeiten.
Wie das Gerät im Inneren funktioniert
Die meisten modernen Blitzableiter basieren auf Metalloxid-Varistoren, die üblicherweise als MOVs bezeichnet werden. Das aktive Material ist Zinkoxid, das in Scheiben gepresst und im Ableitergehäuse gestapelt wird. Zinkoxid hat eine nützliche Eigenschaft: Sein elektrischer Widerstand ändert sich dramatisch, abhängig von der angelegten Spannung.
Bei normaler Netzspannung weist Zinkoxid einen extrem hohen Widerstand auf. Durch ihn fließt nahezu kein Strom, und der Ableiter ist für den Stromkreis praktisch unsichtbar. Wenn eine Überspannung die Spannung über den Schutzpegel des Ableiters treibt, sinkt der Widerstand des Zinkoxids innerhalb von Mikrosekunden um mehrere Größenordnungen. Der Strom fließt durch den Ableiter in den Boden und umgeht dabei die geschützten Geräte. Wenn die Überspannung endet und die Spannung wieder auf den Normalwert absinkt, steigt der Widerstand wieder an und der Ableiter verstummt wieder.
Frühere Konstruktionen verwendeten Funkenstrecken und Siliziumkarbidscheiben anstelle von Zinkoxid, und diese sind auch in älteren Anlagen noch zu finden. Der Stabspaltableiter besteht beispielsweise lediglich aus zwei nahe beieinander angeordneten Metallstäben mit einem kleinen Luftspalt zwischen ihnen. Wenn die Spannung hoch genug ist, ionisiert die Luft und ein Funke springt über die Funkenstrecke und bildet einen Entladungspfad. Einfach und robust, aber ungenau, und der Lichtbogen löscht nicht sauber, was zu Folgeproblemen im System führen kann. Ableiter vom Typ Ventil- fügten Siliziumkarbidblöcke hinzu, um den Folgestrom nach einem Spannungsstoß zu begrenzen. Dadurch wurde das Stabspaltdesign verbessert, blieb aber immer noch hinter dem zurück, was die MOV-Technologie letztendlich bieten würde.
Die folgende Tabelle bietet einen schnellen Vergleich der wichtigsten Ableitertypen, denen Sie wahrscheinlich begegnen werden:
| Typ | Funktionsprinzip | Spannungsbereich | Typische Verwendung |
|---|---|---|---|
| Stablücke | Luftionisation über einen festen Spalt | Niedrig bis mittel | Grundlegender Übertragungsschutz, ältere Systeme |
| Hornlücke | Der Lichtbogen erlischt, wenn sich der Spalt vergrößert | Medium | Ländliche Verteilung, alte Umspannwerke |
| Ventiltyp (SiC) | Siliziumkarbid-Grenzwerte folgen dem Strom nach Lückenbränden | Mittel bis hoch | Legacy-Netzschutz |
| Metalloxid (MOV) | ZnO-Varistor, keine Funkenstrecke, selbst-rückstellend | Niedrig bis extra-hoch | Moderne Umspannwerke, Verteilerleitungen, Schalttafeln |
| Polymer-Blitzableiter | MOV-Kern mit Silikonkautschukgehäuse | Verteilung auf Hochspannung | Außenleitungen, Küsten- und Industrieumgebungen |
| Stationsklasse | MOV mit hoher-Kapazität, maximale Energieabsorption | Sehr hoch bis ultra{0}}hoch | Große Umspannwerke, Generatorschutz |
Warum Gehäusematerial kein untergeordnetes Detail ist
Während des größten Teils des 20. Jahrhunderts wurden Gehäuse von Blitzableitern aus Porzellan oder gehärtetem Glas hergestellt. Beide Materialien erfüllen ihre Aufgabe in sauberen, stabilen Umgebungen ausreichend. Aber ausreichend ist nicht gleich ideal, und die jahrzehntelange Praxiserfahrung hat die Grenzen deutlich gemacht.
Porzellan ist schwer. Bei einem Sendemast, der durch schwieriges Gelände verläuft, summiert sich das Gewicht der Porzellanableiter. Noch wichtiger ist, dass Porzellan heftig zerbricht, wenn ein Gerät unter extremen Überspannungsbedingungen ausfällt. Ein Porzellangehäuse, das auf einer stromführenden Umspannwerksstruktur explodiert, stellt eine ernsthafte Gefahr für alle Personen dar, die in der Nähe arbeiten, und kann sekundäre Fehler in den umliegenden Geräten auslösen.
Glas hat ähnliche Probleme. Beide Materialien sammeln im Laufe der Zeit auch Schadstoffe an, insbesondere in Küstenregionen, wo sich Salznebel an der Oberfläche ablagert, oder in der Nähe von Industriestandorten, wo chemische Verunreinigungen häufig vorkommen. Eine verschmutzte Porzellan- oder Glasoberfläche kann eine ausreichende Leitfähigkeit entwickeln, um bei nassem Wetter einen Funkenüberschlag zu verursachen, was den Zweck eines Ableiters von vornherein zunichte macht.
Die Umstellung auf Polymergehäuse, insbesondere Silikonkautschuk-Verbundwerkstoffe, löste die meisten dieser Probleme auf praktische Weise. APolymer-Blitzableiterwiegt normalerweise 80 bis 90 Prozent weniger als ein Porzellangerät mit der gleichen Nennspannung. Die Oberfläche aus Silikonkautschuk ist von Natur aus hydrophob, was bedeutet, dass Wasser abperlt und sich nicht zu einem dünnen leitfähigen Film ausbreitet. Diese hydrophobe Eigenschaft stellt sich auch dann wieder her, wenn die Oberfläche verunreinigt und gereinigt wurde, eine Eigenschaft, die keramische Materialien einfach nicht aufweisen.
Wenn ein Polymerableiter versagt, versagt er auf kontrollierte Weise. Das Gehäuse platzt oder entlüftet, anstatt zu explodieren. Dies ist für die Sicherheit des Personals und die Verhinderung kaskadierender Schäden an Geräten in der Nähe von entscheidender Bedeutung.
Nichts davon bedeutet, dass Porzellanableiter veraltet sind. In vielen bestehenden Installationen leisten sie immer noch zuverlässig ihren Dienst und es gibt Anwendungen, bei denen ihre thermischen Eigenschaften Vorteile bieten. Aber bei Neubauten, insbesondere bei Verteilungsleitungen im Freien in anspruchsvollen Umgebungen, lässt sich die technische Argumentation für Polymergehäuse nur schwer widerlegen.
VICTORY Polymer-Blitzableiter
Installation und Erdung
Ein nicht ordnungsgemäß geerdeter Ableiter schützt nicht wirklich etwas. Das Gerät kann Stoßströme nach Belieben in die Erdungsklemme umleiten. Wenn die Erdungselektrode jedoch einen hohen Widerstand aufweist oder der Leiter, der den Ableiter mit der Erde verbindet, zu lang ist, wird die Stoßenergie nicht schnell genug abgeleitet und es entsteht immer noch eine schädliche Spannung an den geschützten Geräten.
Der Erdungsleiter sollte möglichst kurz und direkt sein. Jeder zusätzliche Meter Leiter erhöht die Induktivität, was bei Überspannungen zu zusätzlicher Spannung führt. Die Erdungselektrode selbst, sei es eine angetriebene Stange, eine vergrabene Platte oder eine betonierte Elektrode im Gebäudefundament, muss einen Widerstand erreichen, der niedrig genug ist, um die Schutzanforderungen des Systems zu erfüllen. In den meisten Verteilungsanwendungen bedeutet dies einen Erdungswiderstand von 10 Ohm oder weniger, und in empfindlichen elektronischen Installationen liegt der Zielwert oft unter 1 Ohm.
In Umspannwerken werden Ableiter an jedem Transformatoranschluss und an jeder eingehenden und ausgehenden Leitung installiert. Durch diese Positionierung wird sichergestellt, dass sich entlang einer Leitung ausbreitende Überspannungen abgefangen werden, bevor sie die Transformatorwicklungen erreichen können, die zu den teuersten und am wenigsten austauschbaren Komponenten in einem Umspannwerk gehören. In Wohngebäuden und leichten Gewerbegebäuden ist ein Ableiter für das gesamte Gebäude an der Service-Eingangstafel die Standardlösung, manchmal ergänzt durch Geräte am Einsatzort an empfindlichen Geräten wie Servern oder medizinischen Instrumenten.
Auswahl des richtigen Ableiters
Es ist ein häufiger Fehler, einen Ableiter allein aufgrund der Nennspannung von der Stange zu nehmen. Mehrere Parameter müssen zur Anwendung passen.
Die Dauerbetriebsspannung (COV) muss mindestens der maximalen Dauerspannung entsprechen, der der Ableiter während des normalen Systembetriebs ausgesetzt ist, einschließlich etwaiger Spannungsanstiege, die während Fehlerbedingungen auftreten. Eine Unterdimensionierung des COV führt zu einem thermischen Durchgehen, bei dem sich der Ableiter unter normaler Spannung erwärmt und schließlich ausfällt.
Die Energiebewertung gibt an, wie viel Überspannungsenergie der Ableiter aufnehmen kann, ohne Schaden zu nehmen. Ein Gerät, das häufigen oder energiereichen-Einwirkungen ausgesetzt ist, wie etwa ein Ableiter auf einer exponierten Übertragungsleitung auf einem Hügel, benötigt eine höhere Energieklasse als ein Gerät, das ein Innenpaneel in einer Umgebung mit geringer-Exposition schützt.
Der Schutzpegel, ausgedrückt als Restspannung bei einem Nennentladestrom, bestimmt, wie viel Spannung das geschützte Gerät während einer Überspannung tatsächlich erfährt. Eine niedrigere Restspannung bedeutet einen besseren Schutz für empfindliche Geräte, bedeutet aber in der Regel auch einen höheren Preis. Der Schutzpegel muss an die Impulsfestigkeit der nachgeschalteten Geräte angepasst werden.
Die Polymer-Blitzableiter-Produktlinie erfüllt viele dieser Auswahlanforderungen über einen weiten Spannungsbereich, und für Verteilungsanwendungen im Freien deckt die Kombination aus MOV-Technologie und Silikonkautschukgehäuse das meiste ab, was moderne Netzbetreiber in Bezug auf Leistung, Gewicht und langfristige Zuverlässigkeit in schwierigen Umgebungen suchen.
Ein Hinweis zu Standards
Ableiter für Versorgungs- und Industrieanwendungen werden je nach Markt gemäß IEC 60099 oder IEEE C62 getestet. Diese Standards decken alles ab, von Betriebstests, bei denen wiederholte Blitzeinschläge simuliert werden, bis hin zu Verschmutzungstests, bei denen das Gehäuse über längere Zeiträume Salznebel und industriellen Verunreinigungen ausgesetzt wird. Der Kauf von Ableitern, die nach diesen Standards zertifiziert sind, ist in den meisten professionellen Anwendungen keine Option. Nur so können Sie sicher sein, dass sich das Gerät tatsächlich wie angegeben verhält, wenn eine echte Überspannung auftritt.
Der Kauf nicht zertifizierter Ableiter, um Geld für den Schutz eines Umspannwerks zu sparen, ist eine falsche Wirtschaftlichkeit. Die Kosten eines ausgefallenen Transformators oder einer Schaltanlage übertreffen die Kosten der Ableiter um ein Vielfaches.
Schlussgedanke
Blitzschutz ist einer der Bereiche, in denen die Technik gut verstanden wird und die Werkzeuge zur ordnungsgemäßen Ausführung der Aufgabe vorhanden und weithin verfügbar sind. Die meisten Fehler beim Blitzschutz sind nicht darauf zurückzuführen, dass die Technologie unzureichend ist, sondern darauf, dass bei der Planung oder Installation Abstriche gemacht wurden, falsche Produkte für die Umgebung spezifiziert wurden oder das Erdungssystem vernachlässigt wurde, weil es unsichtbar und unscheinbar war.
Ein Blitzableiter, der richtig, am richtigen Ort, mit den richtigen Nennwerten installiert und an eine solide Erdung angeschlossen ist, schützt die elektrische Infrastruktur jahrzehntelang und erfordert im Wesentlichen keine Wartung. Das ist eine angemessene Rendite für eine bescheidene Investition, was wahrscheinlich der Grund dafür ist, dass das Gerät seit den Anfängen der Stromverteilung ein Standardbestandteil des Stromnetzdesigns ist.