Nachschlagen – GP2 Lerntrainer

Modul 04

Blitz-/Überspannungsschutz & Kompensation

DIN EN 62305, SPD Typ 1/2/3, Blindleistung, Verdrosselung

Wirkungen des Blitzes und Aufbau des Schutzsystems

Ein Blitz führt Ströme bis über 200 kA mit Anstiegsgeschwindigkeiten um 100 kA/µs. Gefährlich ist er auf vier verschiedenen Wegen – und nur der erste betrifft den direkten Einschlag:

Wirkung	Ursache	Folge
Thermisch	Stromwärme I²·R·t	Schmelzen, Brand
Mechanisch	elektrodynamische Kräfte, Druckwelle	Absprengungen am Mauerwerk
Elektrisch	Spannungsfall am Erdungswiderstand	Schritt- und Berührungsspannung, Rückzündung
Induktiv	schnell veränderliches Magnetfeld	Überspannung in Leiterschleifen – auch ohne Direkteinschlag

Entsprechend besteht das Blitzschutzsystem (LPS) aus zwei Teilen, die nur gemeinsam wirken: Der äußere Blitzschutz (Fangen – Ableiten – Erden) schützt das Gebäude vor Brand und Zerstörung. Der innere Blitzschutz (Potentialausgleich und Überspannungsschutz) schützt die Anlagen im Gebäude. Ein äußerer Blitzschutz ohne inneren ist unvollständig und kann Schäden sogar begünstigen, weil er den Blitzstrom überhaupt erst ans Gebäude heranführt.

Blitzschutzklassen und Bemessungswerte

Welche Klasse erforderlich ist, ergibt sich aus einer Risikoanalyse nach DIN EN 62305-2. Die zugehörigen Zahlenwerte sind klassische Tabellenwerte:

Klasse	Blitzkugelradius	Maschenweite	Blitzstrom	k_i	Beispiel
I	20 m	5 × 5 m	200 kA	0,08	Kernkraftwerke, Chemieanlagen, Krankenhäuser
II	30 m	10 × 10 m	150 kA	0,06	Tankstellen, Schulen, PV-Großanlagen
III	45 m	15 × 15 m	100 kA	0,04	Wohnhäuser, Bürogebäude
IV	60 m	20 × 20 m	100 kA	0,04	Lagerhallen ohne besondere Anforderung

Merkhilfe Blitzkugelradius: 20 – 30 – 45 – 60 m. Maschenweite in 5er-Schritten: 5 – 10 – 15 – 20 m. Kleine Zahl = hoher Schutz, Klasse I ist die schärfste Anforderung.

Zur Auslegung der Fangeinrichtung dienen drei Verfahren: das Blitzkugelverfahren (physikalisch am besten begründet, für jede Gebäudeform), das Maschenverfahren (vereinfacht, nur für ebene Dachflächen) und das Schutzwinkelverfahren (für einzelne Fangstangen und kleine Aufbauten).

Trennungsabstand berechnen

Zwischen blitzstromführenden Teilen und metallenen Installationen im Gebäude muss ein Mindestabstand eingehalten werden, damit kein gefährlicher Funkenüberschlag entsteht:

s = k_i · (k_c / k_m) · l

mit k_i = Faktor der Blitzschutzklasse, k_c = Aufteilungsfaktor auf die Ableitungen, k_m = Faktor des Trennmediums (Luft 1,0 · Beton/Mauerwerk 0,5) und l = Länge entlang der Ableitung bis zum nächsten Potentialausgleich.

Rechenbeispiel: Wohnhaus, Klasse III (k_i = 0,04), 4 Ableitungen (k_c = 0,25), Luft (k_m = 1), l = 9 m:

s = 0,04 · (0,25 / 1) · 9 m = 0,09 m = 9 cm

Alle metallenen Teile – Regenrinne, Fenstergitter, Antennenmast, Klimagerät – müssen mindestens 9 cm Abstand zur Ableitung halten. Ist das baulich unmöglich, muss die Installation blitzstromtragfähig in den Potentialausgleich einbezogen werden; dann entfällt der Trennungsabstand, dafür fließt ein Teil des Blitzstroms über diese Installation.

Zonenkonzept und Überspannungsschutz (SPD)

Das Blitzschutzzonen-Konzept gliedert das Gebäude von außen nach innen. An jeder Zonengrenze werden alle ein- und austretenden Leitungen in den Potentialausgleich einbezogen und mit einem SPD versehen:

Zone	Beschreibung	Schutz an der Grenze
LPZ 0_A	außen, ungeschützt	—
LPZ 0_B	außen, im Schutzbereich der Fangeinrichtung	—
LPZ 1	Gebäudeinneres / Hauptverteilung	SPD Typ 1
LPZ 2	Unterverteilung	SPD Typ 2
LPZ 3	direkt am Endgerät	SPD Typ 3

Typ	Bezeichnung	Prüfstoßstrom	Kenngröße
1	Blitzstromableiter	10/350 µs	I_imp in kA
2	Überspannungsableiter	8/20 µs	I_n, I_max
3	Geräteschutz	Hybrid 1,2/50 & 8/20 µs	U_oc

Was 10/350 und 8/20 bedeuten Es sind Stoßstromformen: Die erste Zahl ist die Stirnzeit (Anstieg auf den Scheitelwert), die zweite die Rückenhalbwertzeit (Abfall auf 50 %). 10/350 µs bildet den direkten, ladungsreichen Blitzstrom nach → energiereich → Typ 1. 8/20 µs bildet induzierte und Schaltüberspannungen nach → energieärmer → Typ 2.

Zwei Ausführungsfehler, die die Wirkung zunichtemachen Zu lange Anschlussleitungen: Die Gesamtlänge der Anschlussleitungen zum SPD soll nach DIN VDE 0100-534 0,5 m nicht überschreiten. Jeder Meter erzeugt bei steilen Stoßströmen rund 1 kV zusätzliche induktive Spannung, die sich zum Schutzpegel addiert. Abhilfe: V-Verdrahtung, SPD mit Durchgangsklemmen oder Direktmontage auf der Sammelschiene.
Fehlende Energiekoordination: Typ 1 und Typ 2 brauchen eine Mindestleitungslänge (oft 10–15 m) oder eine Entkopplungsdrossel zwischen sich – sonst übernimmt der falsche Ableiter die Energie und wird zerstört.

Blindleistungskompensation

Induktive Verbraucher – Motoren, Transformatoren, Drosseln – benötigen zusätzlich zur Wirkleistung eine Blindleistung, die zwischen Netz und Verbraucher hin- und herpendelt, ohne Arbeit zu verrichten. Sie belastet trotzdem Leitungen, Transformatoren und Schaltgeräte.

S² = P² + Q² | cos φ = P / S | Q_C = P · (tan φ₁ − tan φ₂)

Rechenbeispiel: Betrieb mit P = 45 kW, cos φ₁ = 0,72, Ziel cos φ₂ = 0,95.

tan(arccos 0,72) = 0,964 · tan(arccos 0,95) = 0,329
Q_C = 45 kW · (0,964 − 0,329) = 28,6 kvar
Strom vorher: 45000 / (1,732 · 400 · 0,72) = 90,2 A
Strom nachher: 45000 / (1,732 · 400 · 0,95) = 68,4 A
Stromreduzierung 24 %, Verlustreduzierung 1 − (68,4/90,2)² = 42 %

Art	Vorteil	Nachteil
Einzelkompensation	entlastet die gesamte Zuleitung, keine Regelung nötig	schlechte Ausnutzung bei selten laufenden Verbrauchern
Gruppenkompensation	bessere Ausnutzung	Stichleitungen bleiben unkompensiert
Zentralkompensation	beste Ausnutzung, geregelt nach Bedarf	Anlage im Gebäude bleibt unkompensiert, höhere Investition

Verdrosselung nicht vergessen Kondensatoren bilden mit der Netzinduktivität einen Schwingkreis. Liegt dessen Resonanzfrequenz nahe einer Oberschwingung (5., 7., 11. Ordnung aus Frequenzumrichtern und Netzteilen), werden die Kondensatoren durch Resonanzüberhöhung zerstört. Faustregel: Ab etwa 15–20 % Anteil oberschwingungserzeugender Verbraucher ist eine verdrosselte Anlage vorzusehen (üblich p = 7 %).