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Untersuchungen an Blitzschutzerdungsanlagen unter besonderer Berücksichtigung der Schrittspannung

Suchanek, Sebastian :
Untersuchungen an Blitzschutzerdungsanlagen unter besonderer Berücksichtigung der Schrittspannung.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Untersuchungen an Blitzschutzerdungsanlagen unter besonderer Berücksichtigung der Schrittspannung
Language: German
Abstract:

In der vorliegenden Arbeit wird über die Untersuchung von Blitzschutz-Erdungsanlagen unter der besonderen Berücksichtigung von Schrittspannungen berichtet. Anlass für diese Untersuchung ist die Diskrepanz, dass die aktuelle VDE-Normung zur Reduzierung von Schrittspannungen Erdungsanlagen vorsieht, die einerseits sehr aufwändig und damit teuer sind, andererseits auf Grund ihrer Größe in dicht bebauten Gebieten nicht realisierbar sind. Ziel ist es daher, zu untersuchen, ob Erdungsanlagen nach der aktuellen VDE-Norm wirksam im Sinne des Auftretens lediglich ungefährlicher Schrittspannungen sind; falls nicht, wie sie wirksam gestaltet werden können; und falls ja, ob sie auch in einfacheren Ausführungen immer noch wirksam sind.

Um beurteilen zu können, ob eine Erdungsanlage wirksam ist oder nicht, ist es notwendig zu wissen, bis zu welcher Höhe Schrittspannungen für den Menschen als ungefährlich angesehen werden können. Da solche Angaben für den speziellen Fall kurzer Impulse und den Strompfad Fuß-Fuß nicht allgemein bekannt sind, wird zunächst die Wirkung von Strom auf den menschlichen Körper dargestellt und mit Hilfe von Literaturstellen mögliche Werte für einen Schrittspannungs-Grenzwert hergeleitet. Als weitere, neue Methode wird zusätzlich die Computersimulation von elektrischen Strömen durch den menschlichen Körper herangezogen.

Die Untersuchung der einzelnen Blitzschutz-Erdungsanlagen erfolgt ebenfalls mit Hilfe von Computersimulationen, wobei aus Effizienzgründen stationäre Strömungsfeld-Simulationen zum Einsatz kommen. Als Besonderheit werden Erdungsanlagen dabei nicht nur in homogenem Boden konstanter Leitfähigkeit simuliert, sondern auch mit Berücksichtigung nichtlinearen Bodenverhaltens, welches sich aus dem Effekt der Bodenionisierung ergibt. Des Weiteren werden die Untersuchungen systematisch an Hand von vier vordefinierten Gebäudegrößen vorgenommen. Dabei wird eine Vielzahl unterschiedlicher Erderkonfigurationen wie Ring- und Stab-Erder jeweils in jeder Kombination aus diesen vier Gebäudegrößen, dem unterschiedlichen Bodenverhalten sowie drei unterschiedlichen Blitzstromstärken untersucht. Konkret werden dabei auch die in der VDE-Normung vorgesehenen ("konventionellen") Erderkonfigurationen mit Konfigurationen, die auf eigenen Überlegungen ("nichtkonventionelle Erdungskonzepte") basieren, verglichen.

Nach der reinen Vorstellung der Ergebnisse werden diese diskutiert, miteinander verglichen und eine Wirksamkeitsmatrix aufgestellt. Auf der Basis dieser Diskussion werden allgemeine Regeln zur Auslegung von Blitzschutz-Erdungsanlagen abgeleitet. Dabei zeichnet sich als ein wesentlicher Aspekt ab, dass die Schutzwirkung der Erdungsanlage gegen gefährliche Schrittspannungen u.a. von der Größe des zu schützenden Gebäudes abhängt: sehr kleine Gebäude lassen sich kaum oder nur mit sehr hohem Aufwand schützen, während größere Gebäude schon mit deutlich geringerem Aufwand, als in der VDE-Norm vorgesehen, geschützt werden können.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The following work covers the investigation of Lightning Protection Grounding Systems with special consideration of Step Voltages. The reason for this investigation is the discrepancy within the IEC and VDE standards that stipulate Grounding System, which are on the one hand complex and expensive and on the other hand can't be implemented in densely populated areas due to their size. Therefore it is the purpose of this work to investigate if Grounding Systems according to the IEC standard are effective in the sense that only innocuous Step Voltages can occur. If this should not be the case, how they can be made effective. And if this should be the case, how can they be made less complex while keeping their effectiveness. To be able to evaluate, if a Grounding System is effective or not, it is necessary to know Step Voltages up to which magnitude can be regarded as innocuous to human beings. Since such data isn't readily available for this special case of short impulses and foot-to-foot current path, at first the effect of electrical current on the human body is described. After that, possible values for a Step Voltage threshold is derived with the help several citations. As an additional new method, also the computer simulation of electrical current in the human body is used. Computer simulations are also used for the investigation of Lightning Protection Grounding Systems. Due to increased efficiency, stationary current simulations are used for this. As a speciality, Grounding Systems are not only simulated in homogenous soil of constant conductivity, but also with consideration of non-linear soil behaviour associated with the effect of soil ionisation. Furthermore, the investigations are done systematically with the use of four different predefined sizes of buildings. A multitude of different Grounding System configurations, like earthing rings and earthing rods, is examined in every combination with these four building sizes, both soil behaviours and three different magnitudes of lightning current. Especially, the Grounding Systems designs described in the IEC/VDE standards ("conventional") are compared to new designs ("non-conventional") based on own considerations. After a simple presentation of the results, the results are discussed in depth and compared to each other. Also a "matrix of effectiveness" is given. Based on the discussions, general rules for designing of Lightning Protection Grounding Systems are derived. An essential finding is that the effectiveness of a Grounding System with respect to the occurrence of only innocuous Step Voltages depends, among other factors, from the size of the building to be protected: very small building can hardly be protected or only with very high efforts, while large buildings can be protected even with considerably lower effort than given in the IEC/VDE standards.English
Place of Publication: Darmstadt
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
lightning protection, step voltage, grounding, earthing rods, earthing ringsEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin, Gesundheit
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electrical Power Systems > High Voltage Technology
Date Deposited: 14 Jan 2014 11:29
Last Modified: 14 Jan 2014 11:29
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-37354
Referees: Hinrichsen, Prof. Volker and Pack, Prof. Stephan
Refereed: 11 December 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3735
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