Metallene Blitzschutzbauteile wie Klemmen, Leitungen, Fangstangen oder Erder, die der freien Bewitterung ausgesetzt sind, müssen vor der Herstellerprüfung einer künstlichen Alterung bzw. Konditionierung unterzogen werden, um ihre tatsächliche Einsatzfähigkeit für diese Anwendungsfälle nachzuweisen.

Natürliche Bewitterung und Korrosions­beanspruchung

Die künstliche Alterung und die Prüfung metallener Bauteile erfolgt entsprechend DIN EN 60068-2-52 und DIN EN ISO 6988 in zwei Schritten.

Schritt 1: Salznebelbehandlung

Diese Prüfung ist zur Anwendung bei Bauteilen oder Geräten vorgesehen, die konstruiert wurden, um Beanspruchungen in salzhaltiger Atmosphäre zu widerstehen. Die Prüfeinrichtung (Bild 5.8.1) besteht aus einer Feuchteprüfkammer, in welcher die Prüflinge über drei Tage dem Schärfegrad 2 ausgesetzt werden. Schärfegrad 2 besteht aus drei Sprühphasen von je 2 Stunden mit einer 5-prozentigen Natriumchloridlösung (NaCl) bei einer Temperatur zwischen 15 °C und 35 °C, mit jeweils anschließender Feuchtelagerung zwischen 20 und 22 Stunden bei einer relativen Luftfeuchte von 93 % sowie einer Temperatur von 40 °C.

Schritt 2: Behandlung unter feuchter schwefeliger Atmosphäre

Diese Prüfung ist ein Verfahren zur Beurteilung der Beständigkeit von Werkstoffen oder Gegenständen gegenüber kondensierter, schwefeldioxidhaltiger Feuchtigkeit. Die Prüfeinrichtung (Bild 5.8.2) besteht aus einer Prüfkammer, in welcher die Prüflinge in sieben Zyklen behandelt werden: Jeder Zyklus hat eine Dauer von 24 Stunden. Er besteht aus einer Erwärmungszeit von 8 Stunden bei einer Temperatur von 40 ± 3 °C in feuchter gesättigter Atmosphäre und einer Ruhezeit von 16 Stunden. Danach wird die feuchte schwefeldioxidhaltige Atmosphäre ersetzt.

Die Alterung / Konditionierung gilt sowohl für Bauteile, die im Außenbereich eingesetzt werden als auch für Bauteile, die ins Erdreich eingebracht werden. Bei Bauteilen zur Anwendung im Erdreich sind jedoch noch zusätzliche Vorgaben und Maßnahmen zu berücksichtigen. Generell sollten keine Klemmen oder Leitungen aus Al im Erdreich verlegt werden. Kommt hier Edelstahl zum Einsatz, so muss dieser hochlegiert sein, wie z. B. NIRO (V4A). Die Edelstahlsorte NIRO (V2A) ist nach DIN VDE 0151 nicht zulässig. Für Bauteile, die nur für Innen­raumanwendungen vorgesehen sind, ist eine Alterung / Konditionierung nicht gefordert (z. B. für Potentialausgleichsschienen). Für Bauteile, die in den Beton eingebracht werden, kann dies ebenso entfallen. Diese bestehen daher häufig aus unverzinktem (schwarzem) Stahl.

Fangeinrichtungen und -stangen

Als Fangeinrichtung setzt man überwiegend Fangstangen von 1 m Länge (z. B. im Betonsockel für Flachdachbauten) bis hin zu 25 m langen Ausführungen (z. B. bei Biogasanlagen).
Die Norm DIN EN 62561-2 (VDE 0185-561-2) legt die Werkstoffkombinationen von Fangeinrichtungen und Ableitungen untereinander und mit Konstruktionsteilen, Mindestquerschnitte und die zulässigen Werkstoffe fest, einschließlich ihrer elektrischen und mechanischen Eigenschaften. Bei Fangstangen für größere Höhen ist die Festigkeit der Fangstange gegen Einknicken und auch die Standfestigkeit kompletter Systeme (Fangstange im Dreibeinstativ) über eine statische Berechnung nachzuweisen. Entsprechend dieser Berechnungen sind dann die notwendigen Querschnitte und Materialien auszuwählen. Als Berechnungsgrundlage dienen auch die Anforderungen / Parameter der jeweiligen Windzone.

Prüfung der Verbindungsbauteile

Verbindungsbauteile – häufig einfach nur als Klemmen bezeichnet – verwendet man im Blitzschutzbau, um Leiter (Ableitung, Fangleitung, Erdeinführung) untereinander zu verbinden oder an eine Installation anzuschließen. Je nach Klemmentyp und Klemmenwerkstoff sind dabei etliche Klemmkombinationen möglich. Entscheidend hierfür sind die Art der Leiterführung und die entsprechenden Materialkombinationen. Unter der Art der Leiterführung ist zu verstehen, ob die Klemme den oder die Leiter in einer Kreuzanordnung oder in einer Parallelanordnung verbindet. Bei einer Blitzstrombelastung entstehen elektrodynamische und thermische Kräfte, welche auf die Klemme wirken und von ihr aufgenommen werden müssen. Die resultierenden Kräfte hängen stark ab von der Art der Leiterführung und der Klemmverbindung. 

Tabelle 5.8.1 zeigt Materialien, die man kombinieren kann, ohne dass es zu einer Kontaktkorrosion kommt. Die Kombination verschiedener Werkstoffe untereinander sowie deren differierende mechanische Festigkeiten und thermische Eigenschaften wirken sich bei Blitzstrombelastung unterschiedlich auf die Verbindungsbauteile aus. Dies zeigt sich insbesondere bei Verbindungsbauteilen aus Edelstahl (NIRO (V4A)), wo aufgrund der geringen spezifischen Leitfähigkeit hohe Temperaturen bei einem Blitzstromdurchgang entstehen. Deshalb müssen alle Klemmen einer Blitzstromprüfung im Labor gemäß DIN EN 62561-1 (VDE 0185-561-1) unterzogen werden.

Der Ablauf der Prüfungen soll nachfolgend am Beispiel einer MV-Klemme demonstriert werden:
Zunächst ist zu ermitteln, wie viele Prüfkombinationen durchzuführen sind. Die hier betrachtete MV-Klemme besteht aus Edelstahl (NIRO (V4A)) und kann mit Leitungen aus Stahl, Al, NIRO (V4A) und Kupfer kombiniert werden. Des Weiteren kann die Verbindung in Kreuz- und Parallelanordnung erfolgen, was ebenfalls zu prüfen ist. Damit ergeben sich für die betrachtete MV-Klemme acht mögliche Prüfkombinationen (Bild 5.8.3 und Bild 5.8.4).

Nach DIN EN 62561-1 (VDE 0185-561-1) muss jede dieser Prüfkombinationen mit drei entsprechenden Prüflingen / Prüfaufbauten geprüft werden. Somit müssen 24 Prüflinge dieser einen MV-Klemme getestet werden, um das ganze Spektrum abzudecken. Jeder einzelne Prüfling wird nach Normvorgaben mit dem adäquaten Anzugsdrehmoment montiert und, wie bereits oben beschrieben, mittels Salznebelbehandlung und einer feuchten schwefeligen Atmosphäre einer künstlichen Alterung unterworfen. Für die anschließende elektrische Prüfung kommen die Prüflinge auf eine Isolierplatte (Bild 5.8.5). Je drei Blitzstromimpulse der Wellenform 10/350 µs mit 50 kA (normale Belastung) und 100 kA (hohe Belastung) werden auf jeden Prüfling aufgebracht.

Nach der Blitzstrombelastung dürfen die Prüflinge keine erkennbaren Schäden aufweisen. Der Übergangswiderstand – gemessen über der Klemme – darf bei Klemmen aus Aluminium, Kupfer oder Stahl nicht mehr als 1 mΩ und bei Klemmen aus Edelstahl nicht mehr als 2,5 mΩ betragen. Ebenso muss das geforderte Lösedrehmoment noch gegeben sein. Für jede Prüfkombination wird ein Herstellerprüfbericht erstellt, der Kunden in ausführlicher Form von den Herstellern auf Anfrage zur Verfügung gestellt wird oder in vereinfachter Ausführung über das Internet heruntergeladen werden kann (z. B. unter www.dehn.de – Produktdaten).

Als Konsequenz für den Errichter von Blitzschutzanlagen bedeutet dies, dass die Verbindungsbauteile für die zu erwartende Belastung (H oder N) am Installationsort ausgewählt werden müssen. So ist z. B. bei einer Fangstange (voller Blitzstrom) eine Klemme für die Belastung H (100 kA) und z. B. in einer Masche oder an einer Erdeinführung (Blitzstrom bereits aufgeteilt) eine Klemme mit der Belastung N (50 kA) einzusetzen.

Zum Einsatz in der Schutzklasse I und II des Blitzschutzsystems (LPL I, II) sowie bei einem k_c = 1 gibt es nun auch in Anlehnung an die DIN EN 62561-1 (VDE 0185-561-1) Klemmen, die für einen Blitzstoßstrom von 200 kA (10/350 µs) ausgelegt sind, wie z. B. die MV-Klemmen für Rundleiter (Art.-Nr. 390 209).

Anforderungen an Leitungen

Auch an Leitungen (Fang- und Ableitungen oder z. B. Ring­erder) stellt DIN EN 62561-2 (VDE 0185-561-2) konkrete Anforderungen, wie z. B.:

• mechanische Eigenschaften (Mindestzugfestigkeit und -bruchdehnung),
• elektrische Eigenschaften (max. spezifischer Widerstand) und
• korrosionsschützende Eigenschaften (künstliche Alterung, wie bereits beschrieben).

Das Bild 5.8.6 zeigt den Aufbau für die Prüfung der Zugfestigkeit von Rundleitern (z. B. Al). Speziell bei beschichteten Werkstoffen wie verzinktem Stahl (St/tZn) sind die Güte der Beschichtung sowie die Mindestdicke und die Haftung auf dem Grundwerkstoff wichtig und zu prüfen.
Weiterhin wird an die Leitungsmaterialien die Anforderung nach leichter und einfacher Verarbeitung beim Errichten von Blitzschutzsystemen gestellt. So sollen z. B. Drähte oder Bänder leicht mittels eines Drahtrichtgeräts (Richtrollen) oder durch Tordieren (in sich drehen) gerade zu richten sein. Diese Anforderungen aus der Norm sind relevante Produktmerkmale, die in den Unterlagen dokumentiert werden müssen. Diese Informationen können aus den Produktdatenblättern der Hersteller entnommen werden.

Erder und Tiefenerder

Die Norm DIN EN 62561-2 (VDE 0185-561-2) legt Anforderungen an Erder fest, d. h. an den Werkstoff, die Geometrie, die Mindestmaße sowie die mechanischen und elektrischen Eigenschaften. Als Schwachstellen bei den Tiefenerdern gelten die Kupplungsstellen, über die die einzelnen Erderstäbe verbunden werden. Aus diesem Grund schreibt DIN EN 62561-2 (VDE 0185-561-2) vor, die Qualität dieser Kupplungen noch zusätzlich durch mechanische und elektrische Prüfungen zu testen.

Die Prüfung erfolgt in einer Stabführung mit einer Stahlplatte als Aufschlagfläche. In diese Prüfvorrichtung wird der Prüfling, bestehend aus zwei zusammengesetzten Stabteilen von jeweils 500 mm Länge, aufgenommen. Für jeden Erdertyp sind drei dieser Prüflinge notwendig. Am oberen Ende des Prüflings wird über einen Vibrationshammer eine Schlagbeanspruchung über die Dauer von 2 Minuten auf den Prüfling aufgebracht. Die Schlagzahl des Hammers muss dabei 2000 ± 1000 min^-1 und die Schlagenergie des Einzelschlages 50 ± 10 [Nm] betragen.

Haben die Kupplungen die Schlagprüfung ohne erkennbare Mängel bestanden, so folgt auch hier die künstliche Alterung durch Salznebelbehandlung und feuchte schwefelige Atmosphäre. Anschließend werden die Kupplungen mit je drei Blitzstromimpulsen der Wellenform 10/350 ms mit 50 kA und 100 kA belastet. Der Übergangswiderstand (gemessen über der Kupplung) darf bei Tiefenerdern aus Edelstahl nicht mehr als 2,5 mΩ betragen.
Um zu prüfen, ob die Verbindung auch nach der Blitzstrombelastung noch ausreichend fest ist, wird die Kuppelkraft mit einer Zugprüfmaschine getestet.

Prüfung von isolierten Leitungen sowie Abstandshalter

Entsprechend der neuen Bauteilenorm IEC 62561-8 TS Ed.1.0, sind zukünftig auch isolierte Leitungen inklusive Systemkomponenten sowie isolierte Abstandshalter (GFK) mechanischen sowie elektrischen Prüfungen zu unterziehen. Je nach Produktart gestalten sich die durchzuführenden Prüfungen unterschiedlich.

Isolierte Leitungen – HVI-Leitungen

Eine hochspannungsfeste isolierte Ableitung (HVI-Leitung) sowie das zugehörige Befestigungsmaterial muss entsprechend IEC 62561-8 TS Ed.1.0 die Funktion erfüllen, Blitzströme sicher und isoliert ableiten zu können. Dazu werden auch mechanischen Belastungen und Umgebungseinflüsse berücksichtigt. Aus diesem Grund werden in der Bauteilenorm sowohl UV-Lichttests als auch Korrosionsprüfungen gefordert.

Umfang Prüfung isolierte Leitung

• Hochspannungsprüfung zum Nachweis der elektrischen Festigkeit der isolierten Leitung mittels Hochspannungsprüfung (Nachweis der Überschlags- und Durchschlagsfestigkeit); und als Systemprüfung (Bild 5.8.7)
• Prüfung Blitzstromtragfähigkeit der isolierten Leitung nach den Vorgaben der IEC 62561-1 mit einem Prüfi mpuls entsprechend der Klassifizierung des Herstellers nach IEC 62561-8 TS Ed.1.0

Umfang Prüfung Leitungshalter

• Auszugskraft axial (Leitung montiert, Halterabstand 250 mm, axiale Zugbelastung 50 N)
• Biegetest (Leitung montiert, Halterabstand 250 mm, vertikale Zugbelastung 200 N, Zeit in Abhängigkeit der Halterart)

Isolierte Abstandshalter – DEHNiso-Distanzhalter

Bei isolierten Abstandshaltern wird bei der Prüfung je nach Montageart zwischen freistehenden Komponenten (Distanzhalter im Betonsockel) als auch horizontal montierten Haltern (Fangstange mit Distanzhalter) differenziert. Die Prüflinge sind vor mechanischen sowie elektrischen Prüfungen einer UV-Lichttest und einem Korrosionsprüfung zu unterziehen.

Umfang mechanische Prüfung

• Biegetest (Länge Prüfling 500 mm, mind. Belastung 10 N, mind. Dauer 60 min)
• Schlagprüfung mittig (Länge Prüfling 500 mm, Belastung 2 J)
• Auszugskraft (Länge Prüfling 500 mm, Zugkraft 200 N)

Umfang elektrische Prüfung

Für die elektrische Prüfung wird die Testanordnung einer Hochspannungsprüfung unterzogen, wobei isolierten Abstandshaltern eine Spannungsfestigkeit entsprechend normativen Forderungen nach IEC 62561-8 TS Ed.1.0 aufweisen.

Prüfung nach IEC 62561-8 TS Ed.1.0

DEHN-Produkte für getrennten sowie isolierten Blitzschutz sind für die Anforderungen nach IEC 62561-8 TS Ed.1.0 ausgelegt.

Einsatz Blitzschutzbauteile aus GFK

Dachaufbauten wie Lichtkuppeln, Antennen, Klimaanlagen, Werbeschilder, Sirenen usw., befinden sich heute meistens auf den Dächern großer Büro- und Industriebauten. Diese Dachaufbauten werden in der Regel elektrisch betrieben oder weisen eine leitfähige Verbindung in das Innere des Gebäudes auf. Nach dem aktuellen Stand der Blitzschutztechnik schützt man diese Dachaufbauten mit getrennten Fangeinrichtungen gegen direkte Blitzeinschläge. Dadurch wird vermieden, dass Blitzteilströme in das Gebäudeinnere gelangen können.

Getrennte Fangeinrichtungen

Fangeinrichtungen können freistehend im Betonsockel oder Dreibeinstativ (ohne zusätzliche mechanische Befestigung) installiert werden. Ab einer Fangstangenhöhe von 2,5 m bis 3,0 m müssen die Fangstangen im Betonsockel errichtet und – bedingt durch die Windlast – mechanisch mit Distanzhaltern aus elektrisch isolierendem Material (Isolierstrecke aus GFK – glasfaserverstärktem Kunststoff) an dem zu schützenden Objekt befestigt werden.
Hohe Impulsspannungen verursachen ohne zusätzliche Maßnahmen Überschläge an Isolierstoffoberflächen. Dieser Effekt ist als Gleitüberschlag bekannt. Ist die sogenannte Gleitentladungs-Einsetzspannung überschritten, wird eine Oberflächenentladung initiiert, die problemlos eine Strecke von einigen Metern zu geerdeten Teilen überschlagen kann. Mit Einhaltung des errechneten notwendigen Trennungsabstands nach
DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) kann der ungewollte Überschlag zu metallenen Installationen am oder innerhalb des zu schützenden Objektes vermieden werden. Der Trennungsabstand s wird allgemein wie folgt berechnet:

Es ist ersichtlich, dass die Größe des Trennungsabstands durch die Länge der Ableitung, den gewählten Gefährdungspegel, die Aufteilung des Blitzstromes auf verschiedene Ableitungen und das Isolationsmaterial in der Trennstrecke bestimmt wird. So ist neben den Faktoren k_i , k_c und der Länge l auch der Faktor k_m zu betrachten. Für feste Baustoffe sowie für den Isolator Luft sind die k_m-Werte bereits ausreichend bestimmt und nachgewiesen worden.

Die DEHNiso-Distanzhalter und DEHNiso-Combi-Stützrohre wurden experimentell mit Impulsstoßspannung ausreichend untersucht und mit einem k_m-Faktor von 0,7 spezifiziert. Dieser wird nun zur Berechnung des Trennungsabstands s herangezogen. Somit kann bei der Berechnung des notwendigen Trennungsabstands für das jeweilige Objekt (nach Norm Luft oder fester Baustoff) auch der k_m-Faktor von 0,7 berücksichtigt werden. Der errechnete Trennungsabstand muss ≤ der Isolierstrecke des eingesetzten Produkts sein, um den im Bild 5.8.8 dargestellten Überschlag zu vermeiden, welcher die Funktion der gesamten getrennten Fangeinrichtung außer Kraft setzen würde.
Wird der Trennungsabstand jedoch korrekt berechnet, und werden die dafür erforderlichen Bauteile richtig ausgewählt sowie vor Ort korrekt montiert, kann ein wirksames und effektives getrenntes Blitzschutzsystem für die bauliche Anlage realisiert werden.

Um ein funktionales Blitzschutzsystem errichten zu können, ist es notwendig, normenkonform geprüfte Komponenten und Bauteile zu verwenden. Der Errichter von Blitzschutzanlagen muss die Bauteile entsprechend den Anforderungen am In­stallationsort auswählen und nach den Herstellerangaben einsetzen. In der derzeitigen Blitzschutztechnik sind neben den mechanischen Anforderungen auch elektrische Kriterien zu beachten und einzuhalten.
Weiterführend zu den beschriebenen Normen sind auf internationaler Ebene Bauteilenormen z. B. für Trennstellen oder Leitungshalter bereits veröffentlicht.