Blitz vs. Blitzableiter: Wichtige Unterschiede in elektrischen Systemen

Blitz ist ein natürlicher Prozess, der bei bewölktem und stürmischem Wetter auftritt. Er erzeugt nicht nur enormes Licht, sondern besitzt auch einen riesigen Potentialgradienten (10 kV/cm) und Ströme im Bereich von 10 kA bis 90 kA. Technisch definiert: „Eine elektrische Entladung zwischen Wolke und Erde, zwischen Wolken oder zwischen den Ladungszentren derselben Wolke wird als Blitz bezeichnet.“

Blitzentladung entsteht, wenn Wolken sich bis zu einem so hohen Potentialgradienten gegenüber Erde oder Nachbawolke aufladen, dass die Durchschlagfestigkeit des Mediums zusammenbricht. Es gibt viele Theorien zur Blitzentstehung; hier besprechen wir die allgemein akzeptierte: Wenn warme Luft aufsteigt, erzeugt Reibung zwischen Luft und winzigen Wasserteilchen Ladungstrennung. Größere Wassertropfen werden positiv, kleinere negativ geladen.

Diese Tropfen reichern sich in Wolken an, sodass eine Wolke positive oder negative Ladung führen kann. Wird die Ladung groß genug, entlädt sie sich zur Erde oder zu einer anderen Wolke – wir nennen dies Blitz.

Mechanismus der Blitzentladung

Wenn eine geladene Wolke über der Erde vorbeizieht, induziert sie gleich große, entgegengesetzte Ladungen auf der Erdoberfläche. Erreicht der Potentialgradient 5–10 kV/cm, bricht die umgebende Luft durch und der Blitzschlag beginnt.

1. Sobald die Luft durchbricht, startet ein sogenannter Vorläufer (Leader) von der Wolke zur Erde und transportiert Ladung. Wird der Potentialgradient nicht aufrechterhalten, stoppt der Vorläufer und die Ladung dissipiert ohne vollständigen Schlag (Abb. a).
2. In vielen Fällen erreicht der Vorläufer die Erde oder ein Objekt auf ihr. Der Vorläufer ist hinreichend leuchtstark und erzeugt die erste sichtbare Entladung (Abb. b).
3. Der Pfad des Vorläufers ist ein Ionisationspfad. Es kommt zum vollständigen Durchschlag der Isolierung. Der abwärts gerichtete, negativ geladene Vorführer kontaktiert die Erde; ein rückkehrender Stromer (Return Stroke) folgt demselben Pfad aufwärts mit positiver Ladung. Diese Neutralisation verursacht den plötzlichen Blitz (Abb. c).

Blitzableiter (Überspannungsableiter) und ihre Typen:

Erdschirmung und Überspannungsableiter (Fangdrähte) bieten Schutz gegen direkte Blitzeinschläge, versagen aber oft gegen Überspannungswellen, die bis zu den Geräten vordringen. Blitzableiter (Surge Diverter) schützen Geräte gegen diese Überspannungen.

Die Abbildung zeigt den Grundaufbau eines Überspannungsableiters: einen Funkenstrecken in Reihe mit einem nichtlinearen Widerstand. Ein Ende ist mit dem zu schützenden Geräteteil verbunden, das andere geerdet. Im Normalbetrieb ist der Ableiter spannungsfrei. Bei Blitzschlag ionisiert die Luft in der Funkenstrecke und leitet den hohen Strom zur Erde ab.

Typen von Blitzableitern:

• Stab-Funkenstrecke (Rod Gap): Einfachste Form. Zwei 1,5 cm dicke Stäbe, rechtwinklig gebogen mit Zwischenraum. Ein Stab an der Leitung, der andere an Erde. Abstand zwischen Funkenstrecke und Isolator mindestens 1/3 der Stablänge, damit der Lichtbogen den Isolator nicht beschädigt.
• Horn-Funkenstrecke (Horn Gap Arrester): Zwei hornförmige Metallelemente A und B mit kleinem Luftspalt, dessen Abstand nach oben zunimmt. Auf Porzellanisolatoren montiert. Ein Ende über Serienwiderstand R und Drosselspule L an der Leitung, das andere effektiv geerdet.
• Mehrfach-Funkenstrecke (Multigap Arrester): Reihe von metallischen Zylindern, isoliert voneinander und durch kleine Luftspalten getrennt. Erster Zylinder an der Leitung, letzter an Erde über Seriewiderstände. Die Erdung der Spalten über Widerstände dämpft Überspannungswellen. Für Systemspannungen bis 33 kV einsetzbar.
• Ausblasableiter (Expulsion Type Arrester): Häufig bei Systemen bis 33 kV. Auch „Schutzrohr“ genannt. Besteht aus Stab-Funkenstrecke in Reihe mit einem zweiten Spalt in einem Faserrohr. Die Elektroden im Faserrohr: oberes Ende mit Stabkappe verbunden, unteres geerdet. Kann nur begrenzte Anzahl Operationen ausführen, da bei jedem Betrieb Faserwerkstoff verbraucht wird.
• Ventilableiter (Valve Type Arrester): Wichtigster und effektivster Typ. Zwei Baugruppen: 1) Reihenschaltung von Funkenstrecken, 2) Nichtlineare Widerstandsscheiben in Reihe (Tyrite oder Metrosil). Beide Baugruppen in dichtem Porzellangehäuse eingeschlossen.

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