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2.5
Spezifische Energie
Die spezifische Energie W/R eines Stoßstromes ist die Energie, die der Stoßstrom in einem Widerstand von 1 Ω umsetzt. Dieser Energieumsatz ist das Integral des Quadrates des Stoßstromes über der Zeit für die Dauer des Stoßstromes:
Die spezifische Energie wird deshalb oftmals als Stromquadrat-Impuls bezeichnet. Sie ist maßgebend für die Erwärmung vom Blitzstoßstrom durchflossener Leiter sowie für die Kraftwirkung auf vom Blitzstoßstrom durchflossene Leiter untereinander (Bild 2.5.1).
Bild 2.5.1
Erwärmung und Kraftwirkung durch die spezifische Energie des Blitzstromes
Für die in einem Leiter mit dem Widerstand R umgesetzte Energie W gilt:
R
(temperaturabhängiger) Gleichstromwiderstand des Leiters
W/R
spezifische Energie.
Die Berechnung der Erwärmung von Blitzstoßstrom-durchflossenen Leitern kann notwendig werden, wenn bei Planung und Errichtung von Blitzschutzsystemen Risiken hinsichtlich Personenschutz, Feuer- und Explosionsgefahr zu beachten sind. Bei der Berechnung wird davon ausgegangen, dass die gesamte thermische Energie durch den ohmschen Widerstand der Komponenten des Blitzschutzsystems erzeugt wird. Ferner wird davon ausgegangen, dass aufgrund der Kürze des Vorganges kein merklicher Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet. In Tabelle 2.5.1sind die Temperaturanstiege unterschiedlicher im Blitzschutz verwendeter Materialien und deren Querschnitte in Abhängigkeit von der spezifischen Energie zusammengestellt.
Querschnitt [mm2]
4
10
16
25
50
100
Werkstoff
Aluminium W/R [MJ/Ω]
2,5
–
564
146
52
12
3
5,6
–
–
454
132
28
7
10
–
–
–
283
52
12
Eisen W/R [MJ/Ω]
2,5
–
–
1120
211
37
9
5,6
–
–
–
913
96
20
10
–
–
–
–
211
37
Kupfer W/R [MJ/Ω]
2,5
–
169
56
22
5
1
5,6
–
542
143
51
12
3
10
–
–
309
98
22
5
nicht- rostender
Stahl W/R [MJ/Ω]
2,5
–
–
–
940
190
45
5,6
–
–
–
–
460
100
10
–
–
–
–
940
190
Tabelle 2.5.1
Temperaturerhöhung ΔT in K verschiedener Leitermaterialien
Die durch einen Strom i verursachten elektrodynamischen Kräfte F in einer Leitung mit einem langen, parallelen Abschnitt der Länge l und einem Abstand d (Bild 2.5.2) lassen sich näherungsweise mit folgender Gleichung berechnen:
Bild 2.5.2
Elektrodynamische Kraftwirkung zwischen parallelen Leitern
F(t)
Elektrodynamische Kraft
i
Strom
µ0
Magnetische Feldkonstante in Luft (4 π · 10-7 H/m)
l
Leitungslänge
d
Abstand zwischen den parallel verlaufenden Leitungen.
Die Kraftwirkung auf die beiden Leiter ist bei gleicher Stromrichtung anziehend und bei entgegengesetzter Stromrichtung abstoßend. Sie ist proportional dem Produkt der Ströme in den Leitungen und umgekehrt proportional zum Abstand der Leitungen untereinander. Aber auch im Falle einer einzigen, gebogenen Leitung, tritt eine Kraftwirkung auf die Leitung auf. Dabei ist die Kraft proportional dem Quadrat des Stromes in der gebogenen Leitung.
Die spezifische Energie des Stoßstromes bestimmt damit die Belastung, die eine reversible oder irreversible Verformung von Komponenten und Anordnungen eines Blitzschutzsystems verursacht. Diese Wirkungen sind in den Prüfaufbauten der Produktnormen über die Anforderungen an Verbindungsbauteile für Blitzschutzsysteme berücksichtigt.
