Early Streamer Emission devices - Verbesserung des Blitzschutzes?

Energietechnik
Early Streamer Emission devices –
Verbesserung des Blitzschutzes?
Unter ESE (Early Streamer Emission devices) werden im englischen
Sprachraum meist alle Einrichtungen bezeichnet, mit denen durch
eine zusätzliche verstärkte Emission von Ladungsträgern die Wirksamkeit
der üblichen Fangeinrichtungen im Gebäudeblitzschutz erhöht
werden soll. Dafür werden seit einigen Jahren von verschiedenen
Herstellern im Besonderen aus Frankreich, Australien und den USA,
Einrichtungen angeboten, die (bei extrem hohen Preisen) eine virtuelle
Verlängerung der Fangstange und damit eine deutlich verbesserte
Schutzwirkung gegenüber den einfachen Franklin-Stangen
versprechen, jedoch in ihrer Wirksamkeit höchst umstritten sind.
Friedhelm Noack
Untersuchungen in
Hochspannungslabors
Blitzeinschlagsphänomene, die sich in
Entfernungen von einigen 10 m bis zu einigen
Kilometern abspielen, können nach
dem heutigen Stand der technischen
Möglichkeiten in ihrer Gesamtheit im Labor
nicht naturgetreu simuliert werden.
Dazu kommt, dass sich einige Parameter
der Entladungen in der Natur und im Labor
gravierend unterscheiden können.
Trotz dieser Grenzen sollten sich aber
bei vergleichbaren Bedingungen auch im
Labor die behaupteten deutlichen Vorteile
der ESE-Einrichtungen nachweisen lassen.
In den Hochspannungslabors von unabhängigen
Universitätsinstituten einiger
Länder wurden in den letzten Jahren
verschiedene ESE-Fangeinrichtungen mit
einfachen Franklin-Fangstangen verglichen.
Die an der University of Manchester [5]
durchgeführten Durchschlagversuche
(Bild 1) zeigten, dass die ESE-Fangeinrichtungen
trotz der geringen Durchschlagstrecken
keinesfalls eine erhöhte
Blitzfangwirkung haben, sie wurden nicht
einmal so häufig getroffen, wie die einfachen
Stangen [6]. Nach den Vorstellungen
der ESE-Hersteller hätte nicht ein
Die verbesserte Schutzwirkung soll dadurch
erreicht werden, dass bei der
Annäherung des Blitzkanals eine intensive
Fangentladung entsteht und damit einen
bevorzugten Überschlagsweg anbietet. Die
dafür konstruierten Geräte benutzen entweder
ein radioaktives Präparat an der
Spitze, batterie- oder feldgespeiste Pulsspannungsquellen
oder phantasievoll gestaltete
Elektrodenformen, die eine gezielte
Feldstärkebeeinflussung bewirken sollen.
Ihre Wirksamkeit ist höchst umstritten
– sie sind bewusst weder in die deutschen
Normen noch in die europäischen
(CENELEC [1]) oder gar internationalen
Normen (IEC [2]) aufgenommen worden.
Den Befürwortern der ESE gelang es, diese
in die französischen Normen aufzunehmen
(NFC 17-102 [3]); ebenso wird seit Jahren
versucht, diese in den Vorschriften der
amerikanischen Nationalen Feuerschutzvereinigung
(National Fire Protection Association
– NFPA [4]) zu verankern.
Die Grundprinzipien des äußeren Blitzschutzes
sind seit weit über 100 Jahren
erprobt; sie werden im Detail immer weiter
ausgebaut und verfeinert. Mit ihrer Hilfe
gelingt es, auch außerordentlich gefährdete
Objekte mit vertretbarem Aufwand und
Prof. Dr.-Ing. habil.
Friedhelm Noack (65), VDE,
ist Direktor des Instituts für
Elektrische Energie- und Hochspannungstechnik
an der
TU Ilmenau. Er ist Vorsitzender
des Ausschusses für Blitzschutz
und Blitzforschung (ABB) im VDE.
E-Mail:
friedhelm.noack@tu-ilmenau.de
h = 2,5 m
1 m
– – – – – – – – – –
+
+
Generator:
DC 45 kV
Schaltspannung
350/1650 µs
DC 840 kV
Bild 1. Durchschlagmessungen im Labor zum Vergleich der Einschlaghäufigkeiten; Test nach
NFC 17-102 der University of Manchester
hoher Sicherheit vor den Auswirkungen
der direkten Blitzeinschläge zu schützen.
Es ist bis heute jedoch nicht gelungen,
die verbesserte Wirksamkeit der ionisierenden
Fangeinrichtungen im realen Ersatz
oder unter Laborbedingungen auch
nur andeutungsweise nachzuweisen.
+
1 2 3 4
+
Ergebnis von 420 Entladungen:
• 200 zur Franklin-Fangstange (47,6 %)
• 165 zu ESE-Einrichtungen (39,3 %)
• 55 ohne Durchschlag (13,1 %)
1 Fangstange (Franklin)
2 Dynasphere 3000, GLT, Australien
3 Pulsar 60, Helita, Frankreich
4 Prevectron S6, Indelec, Frankreich
einziger Durchschlag zu der einfachen
Fangstange gehen dürfen.
Vergleichende Durchschlagsmessungen
mit drei verschiedenen ESE, die von
Dr. Mohammed Nidal Rayes im Hochspannungslabor
der Universität Damaskus
[7–8] durchgeführt wurden, erbrachten
analoge Ergebnisse. Es war
fast die gleiche Verteilung der Durchschläge
zwischen ESE-Einrichtungen
und einfachen Fangstäben festzustellen;
eine Verbesserung der Schutzwirkung
war keinesfalls nachzuweisen. Bemerkenswert
ist auch das Ergebnis, dass
bei Parallelaufstellung von ESE-Fangeinrichtung
und Franklin-Fangstange
der zeitlich frühere Durchschlag der
ESE nicht mehr beobachtet werden
konnte.
Bei jüngsten Messungen im Labor der
TU Ilmenau [9–11] wurden die gleichen
ESE-Geräte wie oben (Dynasphere 3000,
Pulsar 60, Prevectron S6) mit spitzen und
abgerundeten Franklin-Fangstangen verglichen
(Bild 2).
2 Heft 3-4/2002 •

a) Dynasphere 3000 b) Pulsar 60
Vergleich von Fangeinrichtungen
in einer Gewittermessstation
Seit mehreren Jahren existiert in New
Mexico/USA auf einem 3287 m hohem Berg
eine Gewittermessstation, in der das Verhalten
unterschiedlicher ESE-Fangeinrichtungen
und einfacher Franklin-Stangen bei
direkten Blitzeinwirkungen gemessen und
aufgezeichnet werden kann (Bild 5 u. 6).
Die Ergebnisse aus acht Jahren Beobachtungszeit
[12] zeigen, dass es nur Einschläge
in abgerundete Franklin-Stangen
gab, keine Einschläge dagegen in die daneben
aufgestellten ESE-Einrichtungen
oder in spitze Stangen.
Aus den gemessenen Emissionsströmen
unmittelbar vor einem direkten Einschlag
(Bild 7) ist erkennbar, dass die spitze
Franklin-Stange und die ESE etwa gleiche
Emissionen aufweisen, die sich nicht zu
100
µA
90
80 ms
(Funktion der vorliegenden Feldstärke)
80
i m (t)
70
Schwelle
60
∆U = 1,5 kV
Pulsar
50
0 50 100 150 ms 200
t
c) Prevectron S6 d) spitze und abgerundeten Franklin-
Fangstangen
Bild 2 a-d. Ansicht der untersuchten Fangeinrichtungen
Bild 4. Emissionsstrom des Pulsar 60 mit
überlagerten Impulsen
Dabei wurden unter gleichen Bedingungen
hoher elektrischer Feldstärken die Teilentladungs-Einsetzspannungen
und die
Emissionsströme gemessen. Es ist festzustellen,
dass die Teilentladungs-Einsetzspannungen
aller „aktiven“ und „passiven“
Fangeinrichtungen nur durch die geometrische
Gestalt der Fangspitze und damit
durch die dort herrschende örtliche Höchstfeldstärke
bestimmt werden – eine Wirkung
der „aktiven“ Fangspitzen konnte nicht festgestellt
werden (Bild 3a). Gleiches zeigt
sich bei der Messung der Emissionsströme:
selbst bei sehr hohen Feldstärken liefern die
„aktiven“ Fangeinrichtungen keinen messbaren
erhöhten Emissionsstrom (Bild 3b).
Tatsächlich lässt sich mit empfindlicher
Messtechnik das feldstärkeabhängige Pulsieren
des Emissionsstroms, z. B. an einer
ESE nachweisen (Bild 4), jedoch sind die
Stromscheitelwerte von ca. 10 µA so
klein, dass sie völlig bedeutungslos sind.
a) b)
100
100
Franklin (rund)
kV
Pulsar
80
µA
Dynasphere
Franklin (spitz)
Prevectron
u TE i
40
TE
1
20
u ≈ u
60
10
0 0 20 40
TE(pos)
60
TE(neg)
0,1
80 cm 100 40 60 80 100 120 140 kV/m 180
d
E bez
Bild 3. Vergleich der ermittelten TE-Einsetzspannungen und Emissionsströme (E bez ist die
Grundfeldstärke der homogenen Anordnung; die Feldstärke an der Spitze ist sehr viel höher)
Bild 5. Ansicht der Gewittermessstation auf
dem South Baldy Peak (New Mexico/USA;
3 287 m)
stromstarken Fangentladungen entwickeln
können. Nur von der abgerundeten Franklin-
Stange entwickelt sich als Fangentladung
ein stromstarker Aufwärts-Leader, der den
Einschlag einleitet. (Die Messeinrichtungen
werden vor Erreichen des hohen Stoßstroms
durch eine Sicherung abgeschaltet).
Überzeugender ist die Wirkungslosigkeit der
ESE-Einrichtungen kaum nachzuweisen; im
Übrigen bestätigen diese direkten Messungen
auch die Aussagen der Laborversuche.
• Heft 3-4/2002
3

Ergebnisse: (8 Jahre)
• nur Einschläge in
abgerundete Stangen
• keine Einschläge in
spitze Stangen
oder ESE
• ESE verhalten sich
wie Spitzen:
schwache Emissionsströme
treten auf
• ESE erzeugen keine
stromstarken
Streamer oder Leader,
die als Fangentladung
wirken
Energietechnik
6 m
dE
dt
19
ESE
Bild 8. Schäden an Gebäuden mit ESE-Fangeinrichtungen
in Kuala Lumpur/Malaysia [13]
5,5 m
Bild 6. Messungen an Fangstangen auf dem South Baldy Peak (New Mexico/USA; 3 287 m)
Erfahrungen mit ESE auf Gebäuden
In Kuala Lumpur, der Hauptstadt Malaysias,
wurden seit den 90er-Jahren zahlreiche
unterschiedliche ESE-Fangstangen
auf vielen Häusern installiert. In dieser
Zone mit extrem hoher Gewittertätigkeit
(mehr als 200 Gewittertage pro Jahr) bot
sich die einzigartige Möglichkeit, die
Wirksamkeit dieser Fangeinrichtungen
unter natürlichen Bedingungen in einem
kurzen Zeitraum zu untersuchen. Mehr als
80 % der Gebäude mit über 60 m Höhe
wurden inzwischen mindestens einmal
vom Blitz getroffen. Zahlreiche Schäden
wurden dokumentiert, einige Einschlagorte
befanden sich nahe bei und unterhalb
von ESE-Einrichtungen (Bild 8).
Die Blitzschutzexperten aus Malaysia fordern
daher, dass für den Schutz von Gebäuden
keine Fangeinrichtungen mit ESE-
Technologie mehr eingesetzt werden sollen.
Bild 7. Einschlag in eine Fangstange
unterirdische
Messkabine
Schlussfolgerungen
Sowohl die unterschiedlichen Untersuchungen
in Hochspannungslabors verschiedener
Länder, die Messungen in der
Gewittermessstation in New Mexico und
die direkten Erfahrungen im Gebäudeblitzschutz
in Malaysia zeigen überzeugend,
dass ionisierende Fangeinrichtungen
(ESE) bestenfalls die gleiche Wirkung
wie einfache Fangstangen, möglicherweise
sogar eine schlechtere Schutzwirkung
haben.
Es wird dringend davor gewarnt, diese
Geräte einzusetzen und dabei die versprochenen
größeren Schutzräume für
die Bemessung des Blitzschutzes zugrunde
zu legen. Blitzeinschläge und Schäden
sind dann nicht auszuschließen. Eine
weitere Gefährdung kann auftreten, wenn
der Blitzstrom – wie oft gefordert wird –
nur über eine einzige isolierte Ableitung
8
160
A
Aufwärts-Leader
(Fangentladung
6
kV
von der abgerundeten
m
19-mm-Stange)
4
80
–8 –500 –400 –300 –200 –100 0 100 200 µs
–160
300
2
E-Feld
Sensor
40
i
0
0
∆E
–2
–40
–4
Emissionsströme
spitze Franklin-Stange
radioaktive ESE
–80
–6
–120
Zeit bis zum Triggersignal (Feldsensor)
von der ESE-Einrichtung zur Erde geführt
wird. Dabei können einerseits erhebliche
Potenzialanhebungen an der Erdungsanlage
auftreten und andererseits sind
durch den Verzicht auf die verteilte Ableitung
des Blitzstroms über metallene
Konstruktionsteile sehr hohe elektromagnetische
Felder zu erwarten.
Literatur
[1] www.cenelec.org
[2] www.iec.ch
[3] NFC 17-102: Protection des structures et des
zones ouvertes contre la foudre par paratonnerre
à dispositif d'amorçage. Französische Norm
(zu beziehen über DIN e. V., Abt. Auslandsnormenstelle,
Burggrafenstr. 6, 10787 Berlin
[4] www.nfpa.org
[5] www.umist.ac.uk
[6] Report on the results of tests of ESE and
Franklin Terminals. Test-Report No. 43 427.
The Department of Electrical Engineering and
Electronics. Manchester/Großbritannien: The
University of Manchester, Institute of Science
and Technology
[7] Rayes, M. N.: Untersuchungen über das Blitzschutzverhalten
von „Early Streamer Emission
Terminals“ (ESET). Elektrie 53 (1999) H. 11–12,
S. 401–405
[8] www.damascusuniversity.edu
[9] Noack, F.; Schönau, J.; Barth, A.: Untersuchungen
zur Wirkung von ionisierenden Fangeinrichtungen.
S. 169–179 in VDE-Fachbericht
58. 4. VDE/ABB-Blitzschutztagung. Ausschuss
für Blitzschutz und Blitzforschung
(ABB) im VDE (Hrsg.). Vorträge und Poster der
VDE/ABB-Fachtagung am 8.–9. 11. 2001 in
Neu-Ulm. Berlin · Offenbach: VDE VERLAG,
2001 (zu beziehen über www.vde-verlag.de)
[10] www.e-technik.tu-ilmenau.de
[11] Noack, F.: Über die Wirksamkeit von ESE-Fangeinrichtungen.
S. 9–20 in VDE-Fachbericht 56.
Der Blitzschutz in der Praxis. 3. VDE/ABB-Blitzschutztagung.
Ausschuss für Blitzschutz und
Blitzforschung (ABB) im VDE (Hrsg.). Vorträge der
VDE/ABB-Fachtagung am 28.–29. 10. 1999 in
Neu-Ulm. Berlin · Offenbach: VDE VERLAG,
2001 (zu beziehen über www.vde-verlag.de)
[12] Moore, C. B.; Aulich, G.; Rison, W.: Responses
of Lightning Rods to Nearby Lightning. International
Conference on Lightning and Static
Electricity (ICOLSE), 11.–13. 9. 2001 in Seattle,
Washington/USA. Warrendale, Pennsylvania/
USA: Society of Automotive Engineers, 2001
[13] Hartono, Z. A.; Robiah, I.: A study of nonconventional
air-terminals and stricken points in
a high thunderstorm region. S. 357–361. Proceedings
of the 25th International Conference on
Lightning Protection (ICLP), 18.–22. 9. 2000,
Rhodos/Griechenland. Rion/Griechenland:
University of Patras, 2000
■
4 Heft 3-4/2002 •