ÜBERSPANNUNGSSCHUTZ / BLITZSCHUTZ
für Gebäude und Photovoltaikanlagen

Überspannungsschutz

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Beim Neubau eines Gebäudes oder einer Photovoltaik- (PV-) Anlage (spätestens nach einem Blitzschaden) stellt sich die Frage, ob ein Blitzschutz für die PV-Anlage notwendig ist. Eine eindeutige Antwort kann darauf nicht gegeben werden. Eine Vielzahl von Faktoren beeinflussen die Entscheidung für oder gegen die Errichtung eines Blitzschutzsystems bzw. die Art des Überspannungsschutzes.

PV-Anlagen können sowohl durch direkte als auch durch nahe Blitzeinschläge gefährdet werden. Durch die dabei auftretenden hohen Spannungen und sehr großen Ströme entstehen elektrische und magnetische Felder, die PV-Anlagen stark bedrohen können. Die Bedrohungsfälle können aufsteigend unterschieden werden in:

  • Ferneinschläge (> 1000m) - hierbei kommt es meist nur zu kapazitiven Einwirkungen, die in der Regel nicht gefährlich sind.
  • Naheinschläge (< 500m) - hierbei induzieren die großen magnetischen Felder Überspannungen in den elektrischen Installationsschleifen, die Schäden verursachen können.
  • Indirekte Einschläge - hierbei fließen Blitzteilströme, die große Schäden hervorrufen können, über die elektrischen Installationen bzw. Versorgungsleitungen.
  • Direkteinschläge - hierbei fließt der Blitzstrom, sofern kein Blitzschutzsystem vorhanden ist, über die hauseigenen Installationen, die dadurch meist zerstört werden; auch starke mechanische Zerstörungen und Brände sind nicht auszuschließen.

Wie kann man sich dagegen schützen?
Es gibt zwei sich gegenseitig ergänzende Maßnahmenpakete, ein Gebäude und damit auch die PV-Anlage zu schützen: die Installation eines Äußeren und eines Inneren Blitzschutzes:

  • Der Äußere Blitzschutz hat die Aufgabe, den direkten Blitzeinschlag abzufangen und den Blitzstrom über die Ableitungen und die Erdungsanlage in das Erdreich abzuleiten.
  • Der Innere Blitzschutz hingegen hat die Aufgabe, die Gefahr von Überspannungen im Gebäude zu reduzieren.

Der Äußere Blitzschutz
Der Äußere Blitzschutz soll den Blitz an vorgegebenen Einschlagpunkten einfangen und den Blitzstrom über i. d. R. mehrere Ableitungen um das zu schützende Objekt herum ins Erdreich führen. Als Fangeinrichtungen dienen lange leitfähige Fangstangen, die das zu schützende Objekt überragen, oder maschenförmige Fangleitungen über der zu schützenden Fläche. Unterhalb der Fangeinrichtungen ergeben sich Schutzräume, in die keine direkten Blitzeinschläge mehr möglich sind. Hier hinein müssen die zu schützenden Objekte positioniert werden. Die Fangeinrichtungen sind über Ableitungen mit der Erdungsanlage verbunden. Damit wird ein leitfähiger Übergang für die Blitzströme ins Erdreich realisiert. Für genaue Aussagen und insbesondere bei geometrisch komplexeren Gebäuden und Anlagen hat sich das sog. "Blitzkugelverfahren" zur Bestimmung der einschlaggefährdeten Punkte als praktikabel erwiesen. Hierbei ist der sich nähernde Blitzkanal (Leitblitz) der Mittelpunkt der gedachten "Blitzkugel". Die aufgrund des sich nähernden Blitzkanals auftretenden Fangentladungen starten von Punkten, die ihm räumlich am nächsten liegen. Diese Punkte sind potentiell einschlaggefährdet. An diesen Punkten müssen Fangleitungen oder Fangstangen positioniert werden. Die Größe der "Blitzkugel" und die konkrete Ausführung wird durch die gewählte Blitzschutzklasse bestimmt. Es gibt nach VDE 0185-305/2006 insgesamt vier Schutzklassen mit steigenden "Blitzkugel"-Radien von 20m / 30 m / 45m / 60m.

Der Innere Blitzschutz
Der Innere Blitzschutz umfasst die Gesamtheit aller Maßnahmen gegen die Auswirkungen des Blitzstromes und seiner elektrischen und magnetischen Felder auf metallene Installationen und elektrische Anlagen im Bereich der baulichen Anlage bzw. des zu schützenden Volumens. Kernstück des Inneren Blitzschutzes ist der Blitzschutz-Potentialausgleich. Dieser verhindert bei einem Blitzeinschlag unkontrollierte Überschläge in den Gebäudeinstallationen infolge des Spannungsfalls am Erdungswiderstand. Im Rahmen des Blitzschutz-Potentialausgleiches werden alle metallenen Installationen (Gas- und Wasserleitungen, ...), die elektrischen Anlagen (energie- und informationstechnische Leitungen), das Blitzschutzsystem und die Erdungsanlage über Leitungen, Trennfunkenstrecken und Blitzstromableiter miteinander verbunden. Da der direkte Anschluss von energie- und informationstechnischen Leitungen an die Erdungsanlage nicht möglich ist, werden dort spezielle Schutzgeräte eingesetzt. Diese sog. Blitzstromableiter ermöglichen den Einbezug von aktiven Leitern in den Blitzschutz-Potentialausgleich. Der Einbauort des Blitzstromableiters sollte nahe an der Eintrittstelle der energie- und informationstechnischen Leitung in die bauliche Anlage sein. Dadurch wird sichergestellt, dass kein Blitzstrom in die Anlage verschleppt wird und zu unzulässigen Störungen an anderen elektrischen Systemen führt. Diese Blitzstromableiter in der Energietechnik werden bei hohen Spannungsdifferenzen zwischen PE und aktiven Leitern kurzzeitig leitend und verhindern hohe Spannungsunterschiede und damit unkontrollierte Überschläge in der Elektroinstallation. Dabei fließen hohe Blitzteilströme (bis zu 100 kA, 10/350 µs) über die jeweiligen Ableiterpfade, welche vom Ableiter selbst und auch von der Installation beherrscht werden müssen. Nach dem Ableitvorgang wird der Blitzstromableiter wieder hochohmig.

Schutz vor Überspannung
Zum Schutz von Endgeräten werden den Blitzstromableitern oft zusätzlich noch Überspannungsableiter nachgeschaltet. Diese Überspannungsableiter reduzieren sowohl die verbleibende Überspannung nach dem Blitzstromableiter als auch Überspannungen aus Ferneinschlägen oder aufgrund von Induktionseffekten. Wichtig dabei ist eine ausreichende Entkopplung der Blitzstrom- und Überspannungsableiter. Hierbei kommen unterschiedliche Prinzipien zum Einsatz. Moderne Kombiableiter vereinen die Funktionen der Blitzstrom- und Überspannungsableiter und besitzen bereits einen sehr niedrigen endgeräte-verträglichen Schutzpegel. Die Kombiableiter stellen die oben genannte Ableiterkombination in sehr kompakter Bauform dar.

Wie sollte ein Gesamtschutz für ein Gebäude oder eine PV-Anlage aussehen?
Grundsätzlich gilt, dass die Begutachtung und die Realisierung von Maßnahmen des Äußeren und Inneren Blitzschutzes immer in die Hand von Experten gehören. Ein nicht den Normen entsprechend installiertes Schutzsystem kann die Gefahr von Schäden bei einem Blitzeinschlag sogar erhöhen! Für die Entscheidung, ob ein Blitzschutzsystem für ein Gebäude oder eine PV-Anlage erforderlich ist, sollte der Rat von Fachleuten eingeholt werden. Die Analyse sollte anhand der VDE 0185-305/2006 durchgeführt werden. In dieser Vornorm werden die Auswirkungen naher Blitzeinschläge mit berücksichtigt. Damit ist eine quantitative Bewertung des Blitzschadensrisikos für bauliche Anlagen möglich. Früher wurde häufig allein aus subjektiven Überlegungen heraus die Entscheidung für oder gegen Blitzschutzmaßnahmen getroffen. Die VDE 0185-305/2006 bietet nun eine objektive Entscheidungshilfe, welche Maßnahmen in welchem Umfang zu realisieren sind. Die hieraus resultierenden Maßnahmen beziehen sich sowohl auf den Äußeren wie auch auf den Inneren Blitzschutz.

Quelle und Literaturverzeichnis

  1. DIN EN 62305-2/-3
  2. VDE 0185 - 305: u.a. Schutz von baulichen Anlagen und Personen.
  3. ABB-Veröffentlichung "Der Blitzschutz in der Praxis" - Merkblatt 7: Das "Blitzkugel"-Verfahren.
  4. VDE 0185 - 305: u.a. Risiko-Management: Abschätzung des Schadensrisikos für bauliche Anlagen.
  5. VDE Schriftenreihe 185