Blitzableiter: Evolution Materialien und Blitzschutz erklärt

Blitzableiter und ihre Entwicklung

Ein Blitzableiter ist immer parallel zur elektrischen Ausrüstung angeschlossen, die er schützt. Er beeinträchtigt den normalen Betrieb der Ausrüstung bei Systemspannung nicht. Wenn jedoch eine gefährliche Überspannung auf der Ausrüstung auftritt, leitet der Blitzableiter zuerst, um die Überspannung sicher in den Boden abzuleiten.

Die früheste und einfachste Form eines Blitzableiters bestand aus zwei Metallstäben, die durch einen Spalt getrennt waren und parallel über die elektrische Ausrüstung verbunden waren. Wenn die Spannung über diesem Spalt ein bestimmtes Schwellenniveau überschritt, brach die Luft (der Spalt) zusammen und schützte die Ausrüstung. Dieser Typ von Blitzableiter wird als "Ausschaltungsspalt" oder "Schutzspalt" bezeichnet.

Das Phänomen des Blitzes ist ähnlich: Gewitterwolken und die Erde wirken wie zwei Leiter (Elektroden). Wenn die Spannung zwischen ihnen zu hoch wird, bricht die Luft zwischen ihnen zusammen, was zu einem Blitz führt.

Es gibt jedoch einen entscheidenden Unterschied. Schutzspalte sind direkt an den Stromleitungen angeschlossen. Sobald eine gefährliche Überspannung den Spalt zum Durchschlagen bringt (d. h. die Luft zwischen den Stäben ionisiert wird), ist das Kraftwerk oder die Umspannstation nicht darüber informiert – oder kann nicht schnell genug reagieren. Daher liefert es weiterhin Strom an den nun leitenden Spalt. Da der Spalt einen Weg zum Erdungspunkt bietet, fließt dieser Strom kontinuierlich, was zu einer Kurzschlussbedingung im Stromsystem führt. Während Schutzspalte also einfach zu verwenden sind, führt ihr Betrieb zu einem anhaltenden Bogen über dem Spalt, was zu einer Kurzschlussbedingung führt.

Wie konnte der Bogen über dem Schutzspalt nach dem Betrieb schnell gelöscht werden? Dies führte zur Entwicklung des zweiten Generation Blitzableiters – dem Ausschaltungsschutzblech (oder Rohrblitzableiter). Dieses Design begrenzt den Bogen zunächst in einem Rohr und verwendet dann Methoden, um ihn zu löschen.

Trotzdem haben Ausschaltungsschutzbleche noch einen Nachteil: unabhängig von ihrer Fähigkeit, den Bogen zu löschen, leiten sie den Stromsystemstrom immer noch direkt in den Boden, was zu einem kurzen Erdfehler (Kurzschluss) führt.

Eine ideale Lösung wäre ein Gerät, das unter Normalspannung den Strom blockiert oder nur minimale Leckströme zulässt, um Kurzschlüsse zu vermeiden, aber bei gefährlichen Überspannungen (wie Blitz) schnell große Überschlagströme in den Boden leitet. Mit anderen Worten, ein solches Gerät würde wie ein "intelligenter Schalter" funktionieren, der genau weiß, wann er sich öffnen und schließen soll. In Blitzableitern wurde dieser "intelligente Schalter" zunächst mit einem Material namens Siliciumcarbid (SiC) realisiert. Blitzableiter, die aus diesem Material hergestellt werden, werden als Ventil-Blitzableiter bezeichnet, da sie wie elektrische Ventile funktionieren.

Es ist wichtig zu beachten, dass dieses "Ventil" ein elektrisches Bauteil ist, kein mechanisches Ventil wie ein Wasserhahn oder Rohrventil. Mechanische Ventile sind viel zu langsam, um auf Blitze zu reagieren, die in Mikrosekunden auftreten. Stattdessen ist ein elektrisches "Ventil" aus einem nichtlinearen Widerstand erforderlich. Siliciumcarbid war das erste nichtlineare Widerstandsmaterial, das für Hochspannungsanwendungen entdeckt wurde.

Die Technologie entwickelt sich ständig weiter. Ein zweites nichtlineares Widerstandsmaterial wurde später für Blitzableiter entdeckt: Zinkoxid (ZnO). Es erfüllt eine ähnliche Funktion wie Siliciumcarbid, zeigt aber bessere "Ventil"-Eigenschaften – professionell beschrieben als bessere Nichtlinearität.

Was ist Nichtlinearität? Bildlich gesprochen bedeutet es, das Gegenteil zu tun: klein zu sein, wenn es groß sein sollte, und groß zu sein, wenn es klein sein sollte – im Gegensatz zu linearen Bauteilen, die proportional skaliert sind.

In Blitzableitern manifestiert sich Nichtlinearität wie folgt: Wenn der Strom hoch ist (z. B. während eines Blitzüberschlags), wird der Widerstand sehr gering, und je niedriger der Widerstand, desto besser die Nichtlinearität. Wenn der Strom gering ist (nachdem der Blitzüberschlag vorbei ist und das System auf die normale Betriebsspannung zurückgekehrt ist), wird der Widerstand sehr hoch, und je höher der Widerstand, desto besser die Nichtlinearität.

Siliciumcarbid zeigt Nichtlinearität, ist aber nicht ideal. Bei Normalbetriebsspannung ist sein Widerstand nicht ausreichend hoch, sodass ein kleiner Leckstrom durch den Blitzableiter fließt – wie ein Ventil, das nicht dicht schließt, was zu einem ständigen "Tropfen" von Strom führt.

Dieses Verhalten ist inhärent an dem Material, und Bemühungen, diesen Leckstrom durch Materialverbesserungen zu eliminieren, waren weitgehend erfolglos. Daher werden bei der Verwendung von Siliciumcarbid in Blitzableitern strukturelle Lösungen angewendet: Der Blitzableiter wird zunächst von der Leitung isoliert und erst bei einem Überschlag angeschlossen. Diese Aufgabe wird durch eine Serienluftlücke erledigt. Deshalb benötigen Ventil-Blitzableiter fast immer eine Lücke. Im Gegensatz dazu schließen Zinkoxidventile bei Normalbetriebsspannung "dicht", sodass sie keine Serienlücke benötigen.

Da sich die Herstelltechnik von Zinkoxid verbessert hat, wurden die früheren Einschränkungen in der "Verschlussfähigkeit" überwunden. Allerdings haben einige Zinkoxid-Blitzableiter aufgrund der historischen Prävalenz von Lückenkonstruktionen immer noch Lücken. Dennoch stellen lückenlose Zinkoxid-Blitzableiter die Mehrheit dar.

Da Zinkoxid ein Metallsauerstoff ist, werden diese Blitzableiter auch als Metallsauerstoff-Blitzableiter (MOSA) bezeichnet.

Blitzschutz in Stromsystemen

Von der Perspektive der Blitzschutzeinrichtungen aus gibt es drei Haupttypen: Blitzableiter (Lufterdungselektroden), Überkopferdungsdraht (Sicherungsdrähte) und Blitzableiter. Die ersten beiden sind strukturell einfach – im Wesentlichen nur Stangen und Drähte –, während der letztere komplexer ist, da er auf nichtlinearen Widerständen basiert, die als "intelligente Schalter" fungieren.

Von der Perspektive der geschützten Objekte aus kann der Blitzschutz in folgende Kategorien unterteilt werden: Blitzschutz für Freileitungen, Umspannwerkschutz und Motorschutz.

Freileitungen spannen weite Entfernungen und sind in offenen Gebieten ausgesetzt. Um den Einfluss auf terrestrisches Leben und Ökosysteme zu minimieren, werden sie in großer Höhe errichtet. Wie es so schön heißt, "Der höchste Baum fängt den meisten Wind", wodurch sie bevorzugte Ziele für Blitze sind. Statistiken zeigen, dass die Mehrzahl der Netzausfälle durch Blitzschläge auf Leitungen verursacht wird. Daher müssen Freileitungen geschützt werden. Aufgrund ihrer Länge ist jedoch absoluter Schutz praktisch unmöglich und zu teuer. Daher ist der Leitungsschutz relativ: Manche Blitzschläge dürfen die Leitung treffen und Flackerstöße verursachen. Dieser Schutz wird hauptsächlich durch Überkopferdungsdraht erreicht.

Im Gegensatz dazu sind Umspannwerke weitaus kritischer. Sie dienen als Knotenpunkte des Stromsystems und beherbergen konzentrierte Ausrüstung und Personal. Daher sind ihre Anforderungen an den Blitzschutz extrem hoch.

Blitze können ein Umspannwerk über zwei Hauptwege erreichen: direkte Treffer, die durch Blitzableiter (oder manchmal Sicherungsdrähte) gemildert werden; und Überschläge, die von Blitzschlägen auf Freileitungen ausgehen und hauptsächlich durch Blitzableiter gehandhabt werden.

Der Blitzschutz für Motoren (einschließlich Generatoren, Synchronkondensatoren, Frequenzumrichtern und Elektromotoren) ist ebenso kritisch wie der Umspannwerkschutz. Generatoren sind das "Herz" des Stromsystems, und große Motoren sind wichtige industrielle Antriebe. Blitzeinschläge auf diese Komponenten führen zu erheblichen Verlusten. Der Motorschutz ist jedoch anspruchsvoller als der Umspannwerkschutz. Motoren sind Drehmaschinen, daher kann ihre Isolation nicht zu dick sein und muss massiv sein (im Gegensatz zur flüssigen Isolation, die in Transformatoren verwendet wird). Massive Isolation neigt zur Alterung, weshalb neben primären Schutzmaßnahmen mit Blitzableitern zusätzliche Hilfsschutzmaßnahmen erforderlich sind.

Verbundgehäuse-Zinkoxid-Blitzableiter

Ein Blitzableiter ist ein elektrisches Gerät mit zwei Elektroden – eine davon ist in der Regel geerdet und die andere mit Hochspannung verbunden –, die durch ein isolierendes Material getrennt sind, das professionell als Isolator bezeichnet wird.

Da die meisten Stromsystemkomponenten der Atmosphäre ausgesetzt sind, stehen die isolierenden Oberflächen in direktem Kontakt mit der Umgebung. Dieser Teil der Isolation wird als externe Isolation oder Außenisolation bezeichnet.

Außenisolation ist ständig Sonne, Regen, Wind, Schnee, Nebel und Tau ausgesetzt. Daher müssen qualifizierte Außenisolationsmaterialien nicht nur ausgezeichnete elektrische und mechanische Eigenschaften aufweisen, sondern auch eine hohe Wetterbeständigkeit und eine Lebensdauer von 40–50 Jahren. Derzeit ist Porzellan das am häufigsten verwendete Außenisolationsmaterial im Ingenieurwesen, während hartes Glas in Leitungsanwendungen verwendet wird.

Porzellan und Glas sind anorganische Materialien. Neben ihren ausgezeichneten elektrischen und mechanischen Leistungen liegt ihr Hauptvorteil in ihrer Umweltstabilität – einer hervorragenden Beständigkeit gegenüber klimatischen Bedingungen –, was sie seit fast einem Jahrhundert zur dominierenden externen Isolation in Stromsystemen macht.

Sie teilen jedoch eine gemeinsame Schwäche: Ihre Oberflächen sind hydrophil. Dies ermöglicht es Verschmutzungsschichten auf der Isolatoroberfläche, Feuchtigkeit aufzunehmen. Wenn Verschmutzung und Feuchtigkeit kombiniert werden, ermöglicht dies den Stromfluss, was unter Normalbetriebsspannung zu einem Durchschlag über die Isolatoroberfläche führen kann. Dies wird allgemein als Verschmutzungsdurchschlag bezeichnet, spezieller als Oberflächenentladung entlang eines verschmutzten und feuchten Isolators.

In den letzten Jahrzehnten wurde weltweit Silicone Gummi weit verbreitet, um traditionelle Materialien für Isolatoren zu ersetzen. Silicone Gummi ist ein organisches Material, das stark hydrophob ist und die Verschmutzungsdurchschlagspannung der Außenisolation erheblich erhöht.

Isolatoren aus organischen Materialien werden oft als Polymerisolatoren (da organische Materialien Polymere sind), nichtkeramische Isolatoren, Verbundisolatoren (da die Außenisolation synthetisch ist) oder sogar Kunststoffisolatoren im Ausland bezeichnet.

In China wurden sie früher als Verbundisolatoren oder Silicone-Gummi-Isolatoren bezeichnet. Heute werden sie einheitlich als organische Verbundisolatoren bezeichnet (da organische Materialien Verbundstoffe sind und diese Isolatoren in der Regel aus einem Verbund aus Silicone Gummi und einem Epoxidharz-Glasfaserverstärkungsstab hergestellt werden), kurz als Verbundisolatoren.

Daher verwendet ein Verbundgehäuse-Zinkoxid-Blitzableiter ein organisches Material – speziell Silicone Gummi – als externe Isolation für einen Zinkoxid-Blitzableiter.