Externe Überspannungen

Question 1

Warum ist im Bereich elektrotechnischer Systeme ein besonderer Blitzschutz erforderlich? (Allgemein)

Answer 1

Äußere Überspannungen, die durch atmosphärische Blitzentladungen entstehen, können zu Fehlfunktionen oder gar Zerstörungen führen.

Question 2

Entstehung und Arten von Gewitterwolken

Answer 2

Entstehung durch starke Aufwinde und feuchte Luft.
(1) Wärmegewitter
Die bodennahe sommerliche Erwärmung führt zu einer labilen Beschichtung aus bodennaher
Warmluft und darüberliegender Kaltluft. Durch Störung der Schichten wird die feuchte
Warmluft schlotartig aufgetrieben und durch die Druckabnahme abgekühlt.
(2) Frontgewitter
Eine Kaltfront schiebt sich unter feuchte und warme
Luftmassen und löst dadurch aufwärts gerichtete
Strömungen aus. Frontgewitter wandern mit der Kaltfront
vor einem Tiefdruckgebiet in östliche Richtung.

Question 3

Lebenszyklus einer Wolke

Answer 3

Dauer ca. 1h
(1) Generationsphase
(2) Entwicklungsphase
(3) Sättigungsphase -> höchste interne Aktivität
(4) Reduktionsphase -> höchste externe Aktivität

Question 4

Blitzentstehung aus Gewitterwolke

Answer 4

Gewitterwolken bestehen aus kleinsten Wassertropfen und Eiskristallen.
Diese stoßen ständig aneinander und laden sich elektrisch auf.

1. Ladungstrennung in der Wolke -> elektrische Spannung entsteht
2. Überschreiten der Durchbruchsfeldstärke -> Leader-Entladung in der Wolke
3. ionisierender Kanal kann wegen Ladungsmangel nicht stetig weiterwachsen
4. nach 10-100𝜇s fließen Ladungsträger nach -> stufenartiges Vorwachsen des Leader (stepped Leader) (v = 300 km/s)
5. wächst bis 10 m vor der Erdoberfläche -> Durchschlag (30.000 km/s, bis zu 200 kA)
6. mehrere Nachfolgeblitze (10-100ms) mit geringerer Stromamplitude möglich (in kA)

Question 5

Effekte eines Blitzschlags
Direkter Schlag - Leitung

Answer 5

Der Blitzeinschlag entspricht einer hochohmigen Stromquelle. Die Last hingegen ist stromunabhängig und es entsteht eine Spannung zwischen Leitung und Erde.

u(t) = i(t) * Z * 1/2

Question 6

Effekte eines Blitzschlags
Direkter Schlag - Mast

Answer 6

Der Blitzeinschlag entspricht einem eingeprägten Strom. Dieser Strom führt zu einer Potentialanhebung des Mastes über dem Erdungswiderstand Re. Potentialanhebung (resultierende Spannung am Mast, U=Rd*I) näherungsweise proportional zum Erdungswiderstand.

Bei Phasenopposition (180 grad phasenverschoben) zwischen Leitern und erzeugtem Mastpotential kann die resultierende Spannungsbeanspruchung zur Überschreitung der Blitzstoßfestigkeit des Isolators führen. Ein Überschlag vom Mast in das Phasenseil tritt ein. (“rückwärtiger Überschlag”)

𝑈𝑝𝑜𝑡 ,𝑀𝑎𝑠𝑡 = 𝑅_e∙ 𝐼̂ 𝑈𝑝𝑜𝑡,𝑀𝑎𝑠𝑡 = 𝑈_𝐿𝐼𝑊𝑉 − 𝑈𝑙𝑒𝑖𝑡𝑢𝑛𝑔 ∙√2/√3

Question 7

Effekte eines Blitzschlags
Induzierte Spannung - Selbstinduktion

Answer 7

Trifft der Blitz auf einen Blitzableiter, wird dieser in die Erde abgeleitet.
Wichtig hierbei ist, kleine Biegeradien zu vermeiden, da sonst die induzierte Spannung ansteigt: