GewitteraktivitÃ¤t - Fachgebiet Hochspannungstechnik

Gewitteraktivität 

Fachgebiet 

Hochspannungstechnik 

Hochspannungstechnik / Kapitel11 - 1 -






•• Zu Zu jedem jedem beliebigen Zeitpunkt weltweit ca. ca. 2000 2000Gewitter im im Gange Gange 

•• Geschätzt: 100 100Blitzeinschläge jede jede Sekunde 

•• Starke Starke lokale lokale Unterschiede in in den den Gewitterhäufigkeiten 

•• Im Im Mittel Mittel jedoch jedoch für für jede jede Region Region konstante Gewitterhäufigkeit 

Erstellung von von „Gewitterkarten“ möglich 

Keraunischer Pegel T D = Anzahl Gewittertage pro Jahr 





Keraunische Pegel Pegel weltweit 

Mitteleuropa: T D 

= 

D 10 10 ... ... 25 25 

In In Äquatorregionen: T D 

= 

D 100 100 ... ... 180 180 





Keraunische Pegel Pegel weltweit 

Mitteleuropa: T D 

= 

D 10 10 ... ... 25 25 

In In Äquatorregionen: T D 

= 

D 100 100 ... ... 180 180 

T D 

= 20 ... 80 

T D 

= 80 ... 180 





Keraunische Pegel Pegel Deutschland 

Blitzeinschlagdichte N g 

= Zahl der Blitzeinschläge je km 2 und Jahr 

1,25 

Empirischer Zusammenhang: Ng = 0,04 ⋅T d N g 

in (km2·a)-1 









Blitzortungssysteme 





Gewitter über über Deutschland 29.6.2005 mit mit BLIDS BLIDS Spion Spion 

http://www.blids.de 









http://www.aldis.at/ 





http://www.meteorage.fr/meteorage.fr/index.php 




Gewitterentstehung 

Vorbedingung: starke Aufwinde und hohe Luftfeuchtigkeit 

Wärmegewitter 

Bodentemperaturen > 30 °C; warme Luft steigt auf, kalte Luft steigt ab 

und strömt seitlich nach 

Frontgewitter 

Kalte Luftmassen schieben sich unter feuchtwarme Luftmassen 

Warme Warme feuchte feuchte Luft Luft steigt steigt auf, auf, enthaltene Feuchtigkeit kondensiert aus: aus: 

Gewitterwolken enthalten Regen, Regen, Schnee und und Eiskristalle 





Tropopause 





















Entstehung der Gewitterelektrizität noch 

nicht völlig geklärt 

• Zerstäuben von Wassertröpfchen 

• Zerplatzen von Eiskristallen 

• Gefrieren von polarisierten Wassertropfen 

Typische Ladungsverteilung: 

• oben positiv 

• unten negativ 

• unten ein kleiner positiver Bereich 

Gewitterwolke = Dipol Dipol mit mit Ladung 

25 25 As As (im (im Mittel) Mittel) 





Lebenszyklus einer Gewitterwolke: Startphase, Entwicklungsphase, Reifestadium, Abbauphase 

Lebensdauer: im Mittel ca. 1 h 

größte größte interne interne Aktivität 

größte größte externe externe Aktivität 




Blitzentladung 

Entwicklung der der Leitentladung 

Wenn am Wolkenrand die Durchbruchfeldstärke 

überschritten wird: 

Beginn innerhalb der Wolke als Kanalentladung 

Vorwachsen eines 10 m bis 200 m langen Leaders 

Ladungsschlauch: Ø einige einige 10 10 m 

Plasmakern: Ø ca. ca. 2 mm mm 






Nach einer Zeitdauer von 10 µs ... 100 µs 

(in dieser Zeit fließt Ladung nach): 

Fortsetzung mit erneutem Leader 






usw. usw. 

Vorwachsen der Leitentladung 

in Ruckstufen (stepped leader) 

v ≈ 300 km/s (1/1000 c 0 

) 

Die Richtung der einzelnen 

Leader ist unregelmäßig; 

abhängig von Feldverteilung 

und Ionisierungsbedingungen 

Näherung an die Erde bis auf 

einige zehn Meter 

Erdfeld wächst! 






Fangentladung (die sich 

aus Streamer-Entladungen 

entwickelt) wächst der 

Leitentladung entgegen. 

Nach der Vereinigung: 

Hauptblitz (return (returnstroke) 

• wächst nach oben 

• Lichtblitz 

• „Donnergrollen“ 

• v ≈ 30.000 km/s (1/10 c 0 

) 

• î bis 200 kA 

• Dauer wenige 10 µs 





Der Hauptblitz „grast 

den Ladungsschlauch 

ab“. 

Stromfluss des des 

Hauptblitzes durch durch 

Entladung des des 

Ladungsschlauches, 

nicht nicht der der Wolke! Wolke! 





Weitere Entladung der Wolke durch Folgeblitze (multiple strokes) in Abständen 

von 10 ms bis 100 ms über den vorionisierten Kanal 

Durchgehender Leader (dart( 

leader) mit v ≈ 3000 km/s (1/100 c 0 

) 

• größere Stromsteilheit 

• kleinere Amplitude 

• bis zu 54 Folgeblitze beobachtet --> „Zucken“ eines Blitzes 

• häufig Stromschwanz 

(in ca. 50% aller Fälle) 





Mehrfachentladung eines negativen Wolke-Erde- 

Blitzes mit vom Gewitterwind getrennten Funkenbahnen. 

Die abwärts gerichteten Verästelungen des 

ersten Teilblitzes deuten auf einen Wolke-Erde-Blitz, 

die Mehrfachentladungen auf einen negativen Blitz 

hin. Die Folgeentladungen haben keine Verästelungen. 

Offenbar war die Pausenzeit zwischen der ersten 

und der zweiten Entladung so lang, dass sich die 

zweite Entladung im unteren, erdnahen Teil einen 

neuen Weg suchte. Die Spur des letzten Teilblitzes 

rechts im Bild zeigt einen Lichtschleier, der auf einen 

sich anschließenden Stromschwanz hinweist. 




Blitzarten 

> 90% 90% 

Keine Folgeblitze, 

größte 

beobachtete 

Stromhöhen 

und Ladungsinhalte 

Abwärtsblitz 

Wolke-Wolke-Blitz 

Selten! 

Von Erhebungen 

(Sendemasten, 

Fernsehtürme) 

Aufwärtsblitz 








Blitzstromparameter 

Blitzströme sind eingeprägte Ströme! 

Wellenwiderstand des Entladungskanals: 

• 900 Ohm (@ 50 kA) 

• 2000 Ohm (@ 10 kA) 

Wellenwiderstand Freileitung: ≈ 300 Ohm 

Erdungswiderstände: < 10 bis einige 10 Ohm 





Vier Vier wichtige Blitzstromparameter: 

Scheitelwert îî 

Maximale Stromsteilheit S max 

(auch: 

max 

(auch: di/dt di/dt max 

) 

max 

) 

Ladung Ladung ∫idt ∫idt (Strom-Zeitintegral) 

Stromquadrat-Zeitintegral ∫i ∫i 2 2 dt dt 






î = 5 kA ... 100 kA (250 kA Extremfall) 

Resistive Spannungsfälle an an Erdungsanlagen 

(Überspannungen, Überschläge) 

Höhe Höhe der der als als Wanderwellen über über eine eine Leitung Leitung laufenden 

Überspannungen (û (û = Z·î) Z·î) 

Erdungswiderstände sollten sollten < 10 10 Ohm Ohm sein! sein! 

Bodenart 

ρ E in Ωm 

Feuchter Humus 30 

Feuchter Sand 200 

Trockener Kies 1000 

Steiniger/felsiger Boden 3000 






î î = 5 kA kA ... ... 100 100 kA kA (250 (250 kA kA Extremfall) 

50%-Wert ≈ 30 30 kA kA 

Häufigkeit der Blitzstromscheitelwerte (1: erste negative Teilblitze; 2: negative Folgeblitze; 3: positive Blitze) 






(auch: 

max 


) 

max 

) 

Elektromagnetisch induzierte Spannungen in in Leiterschleifen 

S max 

Am Am wichtigsten für für Störbeeinflussung 

von von Leitungen, Elektronik, .... .... 

In Schleifen induzierte Spannungen innerhalb eines durch einen Blitzableiter geschützten Gebäudes 

1: Eigenschleife des Blitzableiters mit möglicher Überschlagstrecke s 1 

2: Schleife aus Blitzableiter und Installationsleitung mit möglicher Überschlagstrecke s 2 

3: Vom Blitzableiter isolierte Installationsschleife mit möglicher Überschlagstrecke s 3 






(auch: 

max 


) 

max 

) 

S max 

= 

max 1 kA/µs kA/µs ... ... 100 100 kA/µs kA/µs 

50%-Wert ≈ 20 20 kA/µs kA/µs 

Häufigkeit der maximalen Stromsteilheiten (beide Polaritäten) 






Energieumsatz in in Lichtbogenfußpunkten (wegen (wegen u ≈ const.) const.) 

⇒ Abschmelzungen an an 

•• Einschlagstelle 

•• Überschlagstellen 

Energieaufnahmevermögen von von Mittelspannungsableitern 

und und Leitungsableitern 






∫idt ∫idt = 1 As As ... ... 100 100 As As (350 (350 As As Extremfall) 

50%-Wert ≈ 10 10 As As 

Häufigkeit der Ladungen (1: alle Blitze aus 119 Messungen; 2: negative Blitze; 3: positive Blitze; 

4: erste negative Teilblitze; 5: Stoßkomponenten der ersten negativen Teilblitze) 






("action integral") 

Stromwärmeenergie R· R· ∫i ∫i 2 2 dt dtin in Leitern Leitern 

Mechanischer Kraftimpuls ∫Fdt ∫Fdt 

⇒ elektrothermische 

⇒ elektrodynamische 

Auswirkungen 






∫i ∫i 2 2 dt dt = 10 10 3 3 A 2 2 s ... ... 10 10 7 7 A 2 2 s 

50%-Wert ≈ 2·10 2·10 4 4 A 2 2 s 

Häufigkeit der Stromquadrat-Zeitintegrale (1: alle Blitze aus 206 Messungen; 2: negative 

Teilblitze; 3: positive Teilblitze) 





Grundsätzlicher Unterschied negative // positive Blitzentladung bzgl. bzgl. 

•• des des zeitlichen Verlaufs 

•• des des Auftretens von von Teilblitzen 

•• der der Amplitude 




Blitzschutzmaßnahmen 

Festlegen von von definierten Blitzeinschlagsorten durch durch Fangeinrichtungen 

Fangleitungen (Erdseil) an an Freileitungen 

Fangstangen, Fangmaschen, Fangleitungen an an Gebäuden 

nur nur „äußerer“ Blitzschutz 

Blitzschutzzonenkonzept 

ENV 61024-1 

DIN V VDE 0185 Teil 100 









Schutzraumtheorie des des geometrisch-elektrischen Modells (früheres CIGRÉ SC 33) 

Hypothesen: 

Wenn Wenn sich sich der der Kopf Kopf der der Leitentladung den den Objekten auf auf der der Erde Erde bis bis auf auf eine eine 

bestimmte Enddurchschlagstrecke genähert hat, hat, überbrückt die die Fangentladung 

die die Enddurchschlagstrecke auf auf dem dem kürzest kürzest möglichen Weg. Weg. 

Die Enddurchschlagstrecke h B 

besitzt folgende Abhängigkeit vom 

Stromscheitelwert des ersten Teilblitzes 

h 

B 

− 

î 

6,8 

= 2⋅î 

+ 30 ⋅(1− 

e ) h B 

in m; î in kA 

Je höher die Blitzstromstärke des ersten Teilblitzes, desto größer ist h B 

. 






Je mehr Ladung im Ladungsschlauch 

transportiert wird, 

desto höher die Bodenfeldstärke. 

Je höher die Bodenfeldstärke, 

desto größer die von der 

Fangentladung überbrückbare 

Distanz. 

Je mehr Ladung im Ladungsschlauch 

transportiert wird, 

desto höher aber auch der 

Blitzstrom des Hauptblitzes. 

Erdfeld wächst! 

Je höher der Blitzstrom, desto 

größer die Enddurchschlagstrecke! 





Schutzraum eines eines Fangstabes 

Schutzraum eines Fangstabes der Höhe h < h B 





Schutzraum eines eines Fangstabes 

Schutzraum wird wird nie nie 

größer größer als als der der einer einer 

Fangstange der der Höhe Höhe 

h = h B 

! 

B 

! 

Schutzraum eines Fangstabes mit h > h B 





Schutzraum einer einer Fangleitung 

Schutzraum einer Fangleitung mit der Aufhängungshöhe h < h B 






Schutzraum einer Fangleitung mit der Aufhängungshöhe h > h B 






h B 

h = h B 






h B 

h > h B 






h B 

h = h B 






Optimum for h = h B 

h B 

h < h B 





Blitzkugelmethode 

Alle schraffierten Flächen müssen durch 

Fangeinrichtungen geschützt werden. 

Anwendung der Blitzkugel-Methode bei der Blitzschutzplanung von Gebäuden 











Anwendung der Blitzkugelmethode: solange die 

Blitzkugel nur die Fangstangen, nicht jedoch das 

Gebäude berührt, ist die Schutzwirkung ausreichend. 








Blitzschutz von Freileitungen 

Anwendung der der Blitzkugelmethode 

h B 

i = i grenz 

Leiterseile geschützt! 






h B 

i > i grenz 







h B 

i 

Leiterseile nicht nicht geschützt! 






Höheres Erdseil 

h B 

i 

Leiterseile nicht nicht geschützt! 






Doppeltes Erdseil 

h B 

i 






Ermittlung maximaler Blitzstromamplituden bei bei Leiterseileinschlägen 

(Eine der möglichen Vorgehensweisen) 

b 

Anmerkung: Cigré empfiehlt eine 

etwas abweichende Methode siehe 

Vorlesung "Isolationskoordination"; dort 

auch weitere Details zum Blitzschutz 

von Freileitungen 

E 

L 

h B 

a 

h B 

ist 

B 

ist die die maximale Enddurchschlagstrecke 

für für einen einen direkten 

Leiterseileinschlag. 

θ S 

"Schirmwinkel" 

a = Ort aller Punkte 

gleicher Abstände 

zum betrachteten 

Leiterseil und zur 

Erde 

Dementsprechend ist ist der der zu zu h B 

gehörighörige 

Strom Strom der der maximale Strom, Strom, 

B 

ge- 

der der bei bei einem einem direkten Leiterseileinschlag 

auftreten kann. kann. 





Ermittlung der der Einschlaghäufigkeit in in Freileitungen 

1 

i 

i grenz 

Multiplikation der Auffangbreite 

mit der Freileitungslänge: 

⇒ Auffangfläche der Freileitung 

Multiplikation der Auffangfläche 

mit der Einschlagdichte Ng: 

⇒ Einschlaghäufigkeit in die 

Freileitung für Strom i 1 

h B,E,1 

h B,L,1 

2 

3 

i 1 

Ermittlung für jede Stromhöhe: 

⇒ Einschlaghäufigkeit in die 

Freileitung allgemein 

Auffangbreite des Leiterseils 

b E,1 

b L,1 

Auffangbreite des Erdseils 











Gut! 

Schlecht! 





Rückwärtiger Überschlag 

i B 

= 2·i E 

+ i M 

u M 

= i M·R M 

R M 

... 

M 

... Maststoßerdungswiderstand 

u Isol. 

= u M 

- u L 

Bei ungünstiger Phasenlage: 

u Isol. 

= u M 

+ |u L 

| 

Falls 

u Isol. 

> u ü, Stoß 






Abhilfe: Abhilfe: R M 

kleiner 

M 

kleiner 10 10 Ohm Ohm 

sonst: sonst: Leitungsableiter 

Ohne Funkenstrecke 

Mit Funkenstrecke 





Leitungsableiter 






Stromaufteilung auf benachbarte Masten nach einem Masteinschlag bzw. einem Einschlag in das Erdseil 

in Spannfeldmitte; gleiche Maststoßerdungswiderstände angenommen

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