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Investigations on the inception of connecting leaders at lightning rods as a consequence of real lightning leaders under special consideration of pre-discharges

Subject Area Electrical Energy Systems, Power Management, Power Electronics, Electrical Machines and Drives
Term from 2013 to 2017
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 240389901
 
Final Report Year 2019

Final Report Abstract

Im Rahmen dieses Projektes wurde ein Lösungsweg erarbeitet und eingeschlagen, mit dem zukünftig die Einfangwirksamkeit von Blitzfangeinrichtungen untersucht und bewertet werden kann. Neben mehreren Messeinrichtungen, die auf eine erfolgreiche Betriebszeit von insgesamt 15 Jahren verweisen können, konnte im Rahmen dieses Projektes ein neuartiger Algorithmus zur Berechnung der Standortqualität auf Basis von CAD-Daten entwickelt werden. Auslöser für dieses Thema sind neuartige unkonventionelle Blitzschutzkonzepte, die den Anspruch erheben, einen besseren Blitzschutz bereitzustellen, als dies gewöhnliche Blitzfangstangen tun. Ihren Anspruch begründen die Hersteller dieser neuartigen Systeme mit der derzeit unbewiesenen Behauptung, dass die Fangeinrichtungen eine höhere Einfangwirksamkeit besitzen als gewöhnliche Fangstangen. Die Schwierigkeit des experimentellen Nachweises besteht darin, dass zur Klärung dieser Behauptung ausschließlich Fangentladungen unter natürlichen Bedingungen untersucht werden müssten, wohingegen ein Nachweis im Labor nach wie vor als nicht möglich erscheint. In den letzten Jahren wurden viele indirekte Wege beschritten, um dieses Dilemma zu lösen. Dabei haben Simulationen der Fangentladungsentstehung im Labor, auf dem Computer oder sogar bei künstlich ausgelösten Blitzen unterschiedliche Ergebnisse hervorgebracht. Eine Einigung oder Lösung bei der Frage nach der Wirksamkeit unkonventioneller Blitzschutzsysteme wurde jedoch nicht herbeigeführt. Immer gab es Beanstandungen hinsichtlich der Vorgehensweise und der Interpretation der Erkenntnisse. Dabei hat sich die wissenschaftliche Fachwelt zu großen Teilen gegen den Einsatz dieser Technologie ausgesprochen, weswegen diese neuen Technologien, mit einigen wenigen nationalen Ausnahmen, bis heute nicht genormt wurden. Das jedoch hat die immer weitere Verbreitung bisher nur wenig behindert. Experten werden nach wie vor gezwungen, sich mit diesem Thema zu beschäftigen. Es ist beispielsweise noch nicht geklärt, ab wann es an einer Fangstange zu ersten Vorentladungen kommt, und wodurch diese beeinflusst werden, denn es ist auch denkbar, dass die Photonenstrahlung aus dem herannahenden Leitblitzkopf einen ganz natürlichen Einfluss auf die frühe Bildung einer Fangentladung hat. Die Hersteller der neuartigen Fangstangen wären eigentlich in der Pflicht, auf wissenschaftliche und reproduzierbare Art und Weise nachzuweisen, dass ihre Technologie besser als oder wenigstens gleich gut ist wie der konventionelle Blitzschutz, tun dies jedoch nicht. Das durchgeführte Projekt zeigt, dass es mittlerweile möglich ist, sehr kostengünstige und dabei leistungsfähige Messeinrichtungen zu fertigen, um das nötige Wissen über die Wirkungszusammenhänge zur Entstehung erfolgreicher Fangentladungen bereitzustellen. Das hier untersuchte Konzept sieht eine Messeinrichtung vor, die genau auf diese Aufgabe hin optimiert ist. Sie ist in der Lage, den Hauptblitz und die Entstehung der Fangentladung zu messen. Dabei arbeitet die Messeinrichtung vollkommen autark und widersteht auch extremen Witterungsbedingungen. Im Labor hat sie bewiesen, dass sie mit sehr komplexen Feldverhältnissen und elektromagnetischen Beeinflussungen zurechtkommt und die in sie gesetzte Erwartung ohne weiteres erfüllen kann. Für die Untersuchung wurden bereits Fangstangen in Deutschland mit einem solchen Messsystem ausgerüstet. Das Ziel waren 60 Messsysteme, um jährlich etwa 5 Blitzereignisse zu beobachten, denn die Erdblitzdichte in Deutschland ist vergleichsweise gering. Die Daten sollten dann mit modernsten Analyseverfahren, die aus der Teilentladungsmesstechnik bekannt sind (PRPD, 3CFRD, PSA), untersucht werden. Um aussichtsreiche Standorte auszurüsten, wurde eine noch neue Simulationsmethodik, das DEGM, aufgegriffen und erweitert. Die Erweiterung arbeitet mit einem vollkommen neuen Algorithmus, der so vorher noch nicht existierte. Der Algorithmus ist in der Lage, CAD-Modelle hochkomplexer Anlagen zu untersuchen, und das bei einer hohen Genauigkeit und bei überschaubarem Rechenaufwand. Aus diesem Grund wird die erweiterte Methodik als „eDEGM“ bezeichnet. Die Ergebnisse dieser Simulation sind durch analytische Vergleichsberechnungen verifiziert. Mit ihr können nicht nur die Einfangwahrscheinlichkeiten auf Grundlage der anerkannten Regeln der Technik an Fangstangen präzise berechnet werden, sondern auch die gewichteten Fangflächen, jeder individuelle maximale Blitzkugelradius und jeder individuelle maximale Blitzstromscheitel von allen Objekten einer untersuchten Struktur und ihren Einzelelementen. Hieraus lassen sich dreidimensionale Darstellungen der Gebäude und ihrer Fangflächen, Fangvolumen, Histogramme über maximale Blitzstromscheitel und kumulierte Verteilungen anfertigen. In der Vergangenheit wurde bereits vermutet, dass die unkonventionellen Fangeinrichtungen ihren wesentlichen Gewinn aus ihren exponierten Standorten ziehen. Das Projekt nutzt das eDEGM zur Beschreibung der Standortqualität einer Fangstange. Es lässt sich damit erstmalig die Einfangfläche von hochkomplexen Gebäuden und Gebäudeteilen bestimmen. Wichtige Einflussparameter des Aufstellortes wurden untersucht und zeigen große Abhängigkeiten vom Aufstellort. Hierbei muss jedoch danach unterschieden werden, ob die Fangstange dem Schutz des Gebäudes dienen oder lediglich die Einfangwirksamkeit verbessert werden soll. Es hat sich gezeigt, dass Fangstangen auf hohen Gebäuden erst dann besonders wirksam werden, in dem Sinne, dass sie viele Blitze einfangen, wenn sie die Höhe des Gebäudes ausnutzen können, also am Rand oder an Ecken positioniert werden, denn hierdurch gewinnt sie virtuell an Höhe.

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