Herrn Erich Megert in Firma SISAG, 6460 Altdorf

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R E LEK TRI S eHE SYSTEME VON SEI L B AHN E N

Referat anlässlich der VTK-Tagung vom 15. - 17.10.91. in Adelboden Herrn Erich Megert in Firma SISAG, 6460 Altdorf

1. Einlei tung

"ueberspannungsschutz für elektrische Systeme", hier im speziellen für Seil- bahnen, ist eine Massnahme, die man nicht ganz einfach beschreiben kann ohne entsprechende Kenntnisse über die Entstehung und Wirkung von Ueberspannungen. Somit ist es das

Themenkreis besser

Ziel dieser Ausführungen die Zusammenhänge über diesen verstehen zu können und entsprechende Massnahmen und Kon- zepte überblickbar zu machen.

2. Was sind Ueberspannungen?

Einwirkung von elektrischen Spannungen und die infolge fliessenden Ströme kön- nen für Personen und Sachen gefährlich werden, wenn ihre zulässigen Grössen in grossem Masse überschritten werden. Man spricht dann von Ueberspannungen.

Ueberspannungen entstehen durch Systemfehler - auf die ich hier nicht näher eingehen möchte - aber vielmehr durch äussere Einflüsse.

Speziell für diese äusseren Einflüsse gilt es zu beachten, dass nicht nur die Scheitelwerte sondern auch deren Steilheit, das heisst die Anstiegszeit (di/dt) sehr massgebend für die elektrische Induktion ist. Solche Stossspann- ungen bezeichnet man als Impuls; elektromagnetische Impulse, besser bekannt unter dem Kürzel EMP (englisch: Elektro-Magnetic-Pulse).

Wir unterscheiden:

Bezeichnung Ursache AnSteigzeiten

NEMP Nuklearexplosion ns (10-9)

LEMP atmosphärische Entladung ~s (10-6)

SEMP Schaltvorgänge ms (10-3)

In Bezug auf den Seilbahnbau ist vorallem der LEMP ein entscheidender äusserer Einfluss.

Somit ist an dieser Stelle auch gleich begründet, dass im Umfeld von Seil- bahnen der Begriff Ueberspannung jenem von Blitz sozusagen gleichgestellt wer- den kann.

3. BH tzkunde

Seit Menschengedenken stellte ein Gewitter mit Blitz und Donner ein geheimnis- volles phänomen dar, das nicht nur Feuer und Tod brachte, sondern auch in der Mythologie ihre Integration fand.

3.1. Blitzforschung

Etwas anders sieht es im Bereich der wissenschaftlichen Forschung aus.

Bis ins 18. Jahrhundert glaubte die Wissenschaft, dass ein Blitz auf plötz- liche Entzündung von schwefligen Dämpfen durch Sonneneinstrahlung zurückzu- führen ist.

Der Amerikaner Benjamin Franklin (1706-1790) wollte den Beweis erbringen, dass der Blitz nichts anders als ein Phänomen der Elektrizität ist. Seine Theorie wurde 1752 bestätigt, als er während eines Gewitters einen mit einer Metall- spitze versehenen Drachen aufsteigen liess. Der nasse Faden leitete den atmo- sphärischen elektrische strom bis zu einem am erdnahen Ende befestigten Schlüssel. Der Beweis zeigt sich am Funkenwurf zwischen Schlüssel und Erde.

Der Schweizer Karl Berger hatte in den 40-er Jahren die Gelegenheit mit einem von ihm weiterentwickelten französischen Kaltkathodenoszillograf für den SEV entsprechende EMP Messungen auszuführen. zuerst bei der Forehbahn und später bei der SBB.

3 . 2. Blitzlehre

Voraussetzung für die Entstehung eines Gewitters sind konvektive (Transport von elektrischer Ladung in den kleinsten Teilchen einer Strömung) umlagerungen von Luftmassen.

Diese Umlagerung passiert hauptsächlich in den Cumulonimbuswolken. Erreicht diese die 0° Grenze, wird die Gewittermaschine sozusagen in Gang gebracht.

Durch die unterschiedlich starken Auf- bzw. Abwinde werden die positiven und negativen Ladungsträger getrennt (Wasserhülle von Eiskügelchen). Somit ent- steht eine elektrische Ladung Q in Coulomb.

Die Ladung wird durch diesen Prozess solange erhöht, bis es zu einem Ent- ladungsvorgang kommt.

Wir unterscheiden einerseits die Glimm- und andererseits die Lichtbogenent- ladung, also den Blitz!

A GLIMMENTLADUNG

Die kräftigen Atmosphärischen Felder während Gewittern führen zu den soge- nannten Glimmentladungen.

Die Entladeströme bei Glimmentladungen liegen bei 2-4 mA. Durch Blitzein- schläge oder wolkenentladungen können diese Ströme jeweils sprunghaft anstei- gen, verursacht durch raschen Feldabbau oder Umladung. Glimmentladungen können in der Dunkelheit auch als "Elmsfeuer" beobachtet werden. Im vergleich zur Blitzentladung sind Glimmentladungen relativ klein. Gemäss Aufzeichnungen be- trägt diese höchstens 10%.

B BLITZ~UNG

Bei der Blitzentladung bzw. Lichtbogenentladung unterscheiden wir zwischen - Wolken - Erdblitz ₌ Blitzeinschläge

- Wolken - Wolkenblitz = Wolkenentladung oder auch "Spiegelladung"

Wie entsteht nun eigentlich ein Erdblitz?

Wie bereits erklärt, liegt die Ursache in der unterschiedlichen Ladung zwi- schen der Atmosphäre und der Erde.

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Die Entstehung eines Blitzes ist ein sequentieller Vorgang, der z.B. bei einem Aufwärtsblitz wie folgt abläuft.

1. Es wird eine Art Initialblitz in der Wolke entzündet, dieser hat schnelle Feldänderungen zur Folge.

2. Dadurch können auf der Erdoberfläche einzelne sichtbare Büschel- oder Teilentladungen auftreten (Höhe ca. 1m).

3. Solche Teilentladungen können nun einen sogenannten Leitblitz in den Blitzkanal vorwachsen lassen. Leitblitze sind die licht- und stromschwachen vorentladungen, die bei ihrem Vorwachsen den Blitzkanal öffnen. Diese Leitblitze wachsen gemäss Fotoaufnahmen beim negativen Blitz sehr ruckartig vor. Zwischen den einzelnen Entladungen löscht der Lichtbogen wieder vollständig.

4. Erreicht nun dieser Leitblitz bzw. der Blitzkanal den anderen Ladungsträger wird die Isolation der Luft durchbrochen und der Hauptblitz, oder kurz "Blitz" genannt, entlädt mit einem stromstarken Lichtbogen die Ladungsträger. Nicht jeder Leitblitz führt zu einem Hauptblitz.

C VISUELLES UND AKUSTISCHES ERSCHEINUNGSBILD

Die Leuchtdichte eines Blitzes entsteht durch die glühenden Elektronen im Blitzkanal. Das ist auch der Grund, weshalb wir den Blitzlichtbogen überhaupt sehen können.

Akustisch macht sich der Blitz folgendermassen bemerkbar:

Die Temperatur eines Blitzkanals entspricht derjenigen anderer elektrischer Lichtbögen und liegt bei 25'000 30'000° C. Solange im Blitzkanal Strom fliesst, schnüren die elektromagnetischen Kräfte den Kanal derart ein, dass sein Durchmesser nur wenige Zentimeter beträgt. Dadurch herrscht im Innern des Kanals ein Ueberdruck von 2-3 Bar. Wenn der Kanal erlischt, fällt der Strom- fluss und damit der Ueberdruck plötzlich weg, und der heisse Kern des Kanals explodiert, was sich durch den bekannten Knall, den Donner äussert.

4. Wirkungen der Blitzentladung LEMP

Der Blitzstrom kann auf verschiedene Arten mehr oder weniger stark einwirken.

Als Einwirkungen oder auch Einkopplungsarten unterscheiden wir zwischen der galvanischen Kopplung, mit ihrer Primärwirkung des elektrischen Stromes (Blitzschlag, Stromquelle), sowie der magnetischen Kopplung mit der Sekundär- wirkung des elektromagnetischen Feldes.

4.1. Wirkung des LEMP auf Lebewesen

Die Einwirkung von LEMP auf Lebewesen sind sehr gefährlich vorallem durch den direkten Stromschlag und viel weniger durch das elektrische Feld.

Wird ein Lebewesen von einem Blitzschlag getroffen, wird es kurzzeitig von einem Strom durchflossen. Bekannt sind beim Menschen Stromgrenzwerte, die Muskelstörungen wie Loslasskrämpfe und Herzkammerflimmern hervorrufen. Als ausserordentliche Bedeutung für die Unfallgefahr gilt die Einwirkungsdauer dieser Körperströme. Einwirkungszeiten von höchstens ms Dauer führen gemäss Forschungsergebnissen kaum zu Herzkammerflimmern. Unter Berücksichtigung wei- terer wichtigen Parameter wie Ladung Q oder Energie W, sowie die ausserordent- liche Vielfalt des Blitzstromverlaufes bleibt die Blitzgefährdung von Lebe- wesen ein zu komplexes Problem, um im Detail darauf eingehen zu könnnen.

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4.2. Wirkung des LEMP auf Sachen

Was früher durch Wärmeeinwirkung von Lichtbogen (Explosionen von Gasgemischen) oder elektromagnetischen Schmelzprozessen in Feuer und Rauch aufging, ist heute nicht mehr unbedingt die Hauptursache von Schäden an Sachen. Vorallem durch den Einsatz von hochintegrierten Schaltungen werden schon durch relativ kleine Influenz Elemente zerstört. Diese Zerstörungen sind auch Schmelzpro- zesse, die jedoch im ~-Bereich liegen und nicht unbedingt gros se Feuer zu entfachen brauchen.

Wie bereits erwähnt, ist auch hier die Einflussdauer von entscheidender Bedeu- tung. Längerdauernde Blitzentladungen (mehrere Teilblitze) begünstigen somit elektromagnetische Schmelzprozesse und Feuerherde können gleichzeitig an mehreren Stellen entstehen. Landläufig als "warmer Blitz" bezeichnet.

5. Schutzmassnahmen vor Blitzentladungen LEMP

Nachdem wir nun die Grundlagen über die Blitzentladung dargelegt haben, möchten wir nun die gewonnen Erkenntnisse auf die Schutzmassnahmen übertragen wissen.

5.1. Blitzableiter Erinnern wir Somit ist es Drähte bis zur

uns zurück an die Erkenntnisse von B. Franklin mit dem Drachen.

nicht unlogisch, dass er von seinem Hausdach in Philadelphia Erde zog.

Als einziges wissenschaftlich eindeutig erwiesenes Blitzschutzsystem gilt weltweit der "Faradaysche Käfig", der nach dem Namen des englischen Physikers und Entdeckers Michael Faraday (1791-1867) benannt wurde.

Der "Faradaysche Käfig" ist eine allseitig geschlossene Hülle aus Blech oder

Maschendraht, in die kein äusseres elektrisches Feld eindringen kann. Das äus- sere Feld induziert zwar eine Ladung auf der Oberfläche des "Faradayschen Käfigs", aber das innere des Käfigs bleibt feldfrei (Skineffekt). Es darf je- doch keine zu weite Maschengrösse als Hülle benutzt werden.

Es darf auch kein Leiter isoliert durch die Hülle hindurchgeführt werden. Da- durch entsteht nämlich ein Loch in diesem Schutzkäfig. Das sogenannte "Fara- daysche Loch".

Die Folgerung daraus ist, dass im feldfreien Käfiginnenraum keine Spannungs- differenzen auftreten, die zu Lichtbogenbildung führen.

Wird dieser Käfig auch noch entsprechend dimensioniert, kann er auch den Blitzstrom ungeschadet in die Erde abführen. Er erfüllt also zwei Aufgaben, nämlich

1. Die Ableitung des Blitzstromes zur Erde.

2. Der Schutz des Innenraumes von elektrischen Feldern und den damit ver- bundenen Spannungsdifferenzen.

Dieses Blitzableitersystem wird als einzige wirkungsvolle Schutzeinrichtung in den europäischen und amerikanischen Normen erwähnt.

Kein Gebäude und keine Gegend ist von Blitzschlag sicher. Im Gegensatz zur landläufigen Auffassung nimmt der Blitz seinen Weg blindlings.

Der Zahn der ^Zeit

Wichtig

Kirchtiirme, hohe Bäume, Hochspannungsmasten usw. schützen in der ~ähe be- findliche Gebäude oder Personen nicht. Der Blitz kann nur auf die Distanz von 5 bis 10 m abgelenkt werden.

Daraus folgt:

Ein Blitz kann nicht angezogen, sondern nur abgeleitet werden.

5.2. Blitzschutzkonzept

Alle diese gemachten Erkenntnisse zeigen uns auf, dass keine Ein~elmassnahmen,

sondern nur ein Gesamtkon~ept als geeignete Blit~schut~massnahme in Betracht fällt.

Dieses Kon~ept besteht im wesentlichen aus zwei Teilen, dem sogenannten:

- äusseren Blitzschutz (Faraday)

- inneren Blitzschutz (Potentialausgleich) 5.2.1. Aeusserer Blitzschutz

Der äussere Blitzschutz besteht eigentlich aus dem gesamtheitlichen Verbund von stromleitfähigen Einrichtungen zu einem Faradayschen Käfig.

Dieser wird erreicht Leitsätzen des SEV

durch das Erstellen einer Blitzschut~anlage gemäss den für Blitzschutzanlagen (4022) und Fundamenterder (4193). Wir glauben,

sicherzustellen,

dass es dass 5.2.2. Innerer Blitzschutz

Sache die

der Bauleitungen, bzw. Elektroplaner ist, Schnittstellen einwandfrei funktionieren.

Der innere Blitzschutz umfasst alle Massnahmen zur Verhinderung schädlicher Einwirkungen auf das Gebäude und seine Einrichtungen infolge des in den Lei- tern des äusseren Blitzschutzes fliessenden Stromes.

Der potentialausgleich ist die wichtigste Massnahme des inneren 8litzschutzes.

Er verlangt die elektrische Verbindung aller ausgedehnten metallenen Instal- lationen (Anlageteile von Seilbahnen, wasserleitungen, Heizanlagen, Luft- kanäle, Aufzüge, Kabelmäntel und andere spannungs lose Leiter elektrischer In- stallationen) mit dem Leitersystem des äusseren 8litzschutzes. Der Einbezug aller von aussen zugeführten Leitungen in den potentialausgleich auf Erdniveau verhindert das Einschleppen fremder Potentiale und dadurch bedingte Spannungs- differenzen im Gebäude.

8ei Seilbahnen mit ihren weitverzweigten metallenen Konstruktionen und Seile ist es daher von grösster 8edeutung, dass diese elektrischen Verbindungen zur Potentialausgleichsschiene (PAS) konsequent erstellt sind.

Weitere Problemstellen (Faradaysche Löcher) sind isolierte elektrische Lei- tungen wie Energieversorgungen, MSR-Leitungen usw.

A BLITZSCHUTZZO~

In neuzeitlichen 8litzschutzkonzepten Blitzschutz sogenannte Schutzzonen.

Diese werden unterteilt nach:

bilden

8litzschutzzonen

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" geschützt durch 8litzstromableiter

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geschützt durch Ueberspannungsableiter und folgende mit weiteren Ueberspannungs- ableitern

Jede Schutzzone hat einen örtlichen Potentialausgleich, der mit den anderen PAS zu verbinden ist. Blitzschutzzonen z.B. mit der Klassifizierung 2 dürfen nur an solche mit Blitzschutzzonen 1 angrenzen.

Solche Blitzschutzkonzepte finden heute vorallem Anwendung in Daten- und Kom- munikationstechnik.

Für Seilbahnen versucht man sequente Anwendung würde mit stellen.

teilweise diese Konzepte anzuwenden. Eine kon- Sicherheit ökonomische Ueberlegungen in Frage

Auf jeden Fall ist man bestrebt, Schutzeinrichtungen bis Blitzschutzzonen 2 effizient zu realisieren.

5.3. Ueberspannungsschutzgeräte

Wie bereits erwähnt wurde, sind vorallem die elektrisch isolierten Leitungen speziell zu beachten.

Durch den Einbau von entsprechenden Schutzgeräten können Ueberspannungen auf diesen Leitungen auf Werte begrenzt werden, die für die zu schützenden Geräte ungefährlich sind.

Die Begrenzung der Ueberspannung wird erreicht durch einen selektiven Aufbau dieser Schutzgeräte.

Grobschutz Feinschutz

5.3.1. Blitzstromableiter

Blitzstromableiter Ueberspannungsschutz

Blitzstromableiter sind gekapselte Trennfunkenstrecken (TFS).

Beim Blitzschlag sprechen diese Trennfunkenstrecken an und leiten den Blitz- strom ab. Nach dem Abklingen des Blitzstromes löschen diese TFS wieder und der vorherige getrennte Zustand ist wieder hergestellt.

Gemäss Erfahrung genügen im Einsatz bei Seilbahnen solche TFS mit einem Ab- leitvermögen von 20 40 kA. Schutzgeräte mit grösserem Ableitvermögen und verschweissfreien Elektroden empfiehlt es sich aus kostengründen nur bei An- lagen mit extrem hoher Blitzgefährdung einzusetzen.

5.3.2. Ueberspannungsschutz

Der Ueberspannungsschutz als Feinschutz wird z.B. bei den Schnittstellen zwischen Blitzschutzzonen 1 und 2 eingebaut.

Sie haben die Aufgabe, Ueberspannungen, die in der Schutzstufe 1 nicht ver- nichtet werden, weiter zu begrenzen. In der Regel sind diese Geräte in der Lage, nur noch energieschwächere Ueberspannungen zu absorbieren.

ZusätzliCh werden im Unterschied zum Grobschutz nicht nur die Längsspannungen sondern auch die Querspannungen begrenzt. Bekannt unter der Bezeichnung "Vier- pollt.

6. Gesetzgebung Wld Normen

Blitzschutzanlagen an Gebäuden und Bauwerken ist Sache der Kantone und teil-

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Die meisten Kantone erfüllen diese Aufgabe durch die kantonalen Feuerver- sicherer oder Feuerinspektorate.

Für eidgenössisch konzessionierte Seilbahnen gilt die Seilbahnverordnung des Bundes vom 10. März 1986 mit den ergänzenden Ausführungsbestimmungen die unter Artikel 102.2.2 "Die Leitsätze für Blitzschutzanlagen des SEV" vorschreibt.

Im weiteren sind die Hausinstallationsvorschriften, insbesondere Ziffer 42 622 über den Schutz gegen atmosphärische Ueberspannung anzuwenden.

7. Zusammenfassung Blitze

sind keine Gleichstromquelle sondern eine Stromstossquelle (Plus) - der Endwiderstand besteht nicht nur aus R sondern auch aus L - der Blitz kann nicht angezogen sondern nur abgeleitet werden Blitzschutzkonzept

- äusserer Blitzschutz als Faradayscher Käfig

- innerer Blitzschutz mit Potentialausgleich

=

Blitzschutzzonen ueberspannungsschutzgeräte

- Grobschutz als Blitzstromableiter

- Feinschutz als Ueberspannungsschutz für Längs- und Querspannungen Gesetze und Normen

- kantonale Brandschutzgesetzgebung

- eidg. Starkstromverordnung und die Hausinstallationsvorschriften - eidg. Seilbahnverordnung

- Leitsätze für Blitzschutzanlagen und Fundamenterder des SEV

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