ISBN 978-3-8439-4489-2

978-3-8439-4489-2, Reihe Elektrotechnik

Christian Paul
Parameter und Ortung atmosphärischer Entladungen

283 Seiten, Dissertation Universität der Bundeswehr München (2020), Hardcover, B5

Zusammenfassung / Abstract

Der Ausbau erneuerbarer Energien bedingt die Installation von leistungsstarken Windkraftanlagen. Bis zu einer kritischen Bauhöhe von etwa 100 m werden die Windkraftanlagen nahezu ausschließlich von sogenannten Abwärtsblitzen getroffen. Die Abwärtsblitze gehen von der Gewitterwolke aus und treffen das Bauwerk bei ihrer Entwicklung zur Erde hin mehr oder weniger zufällig. Wird jedoch die kritische Bauhöhe von etwa 100 m überschritten, treten vermehrt sogenannte Aufwärtsblitze auf, die vom hohen Bauwerk selber an dessen Spitze ausgelöst werden. Vor allem moderne, leistungsstarke Windkraftanlagen, die inzwischen eine Gesamthöhe von über 200 m erreichen, werden nahezu ausschließlich von solchen Aufwärtsblitzen getroffen. Das besondere an den Aufwärtsblitzen besteht darin, dass sie oftmals nur einen sogenannten einleitenden Langzeitstrom aufweisen, der aufgrund seiner langen Dauer (bis über eine Sekunde) und seines hohen Stroms (bis über 10.000 A) zu erheblichen Schäden führen kann, bis hin zur vollständigen Zerstörung der Windkraftanlage. Stoßströme, wie bei den Abwärtsblitzen mit Impulszeiten unter 1 Millisekunde und Stromwerten über 100 kA, treten allerdings nur in etwa der Hälfte der Blitzeinschläge auf. Deshalb bleibt schätzungsweise die Hälfte der Blitzeinschläge in Windkraftanlagen unerkannt, da diese von Blitzortungssystemen nicht erfasst werden können.

In dieser Arbeit werden die Voraussetzungen untersucht, damit ein Blitz geortet werden kann. Ziel ist es, Vorgaben abzuleiten, um Verbesserungen bei den Blitzortungssystemen vornehmen zu können. Dazu werden die bestehenden Statistiken über die Blitze, die Blitzströme und Blitzfelder erweitert und nach den für die Problemstellung angepassten Kriterien untersucht. Ferner erfolgen Untersuchungen von direkt an Bauwerken gemessenen Blitzströmen. Diese zeigen, dass das vom Blitz getroffene Bauwerk nicht rückwirkungsfrei auf die Wellenform und die Stärke des Blitzstroms ist. Messungen und begleitende Berechnungen unter vollständiger Lösung der Maxwell-Gleichungen zeigen, dass zum einen die Feinstruktur des Bauwerks um die Einschlagstelle zu berücksichtigen ist. Es können Resonanzen angeregt werden, die sich als Schwingungen im Mega-Hertz-Bereich dem eigentlichen Blitzstrom überlagern, was mit einer starken Überhöhung des Blitzstroms einhergeht. Zusätzlich wird eine weitere Resonanz durch das Bauwerk selbst angeregt, das aufgrund seiner Höhe wie eine Monopolantenne wirkt. Erneut überlagern sich Schwingungen, allerdings im Sub-Mega-Hertz- Bereich, dem eigentlichen Blitzstrom und überhöhen diesen.

Infolgedessen werden auch die abgestrahlten Felder überhöht, weshalb durch die Blitzortungssysteme zu große Stromwerte angegeben werden. Zur Kompensation dieser Einflüsse werden „Eichfaktoren“ eingeführt. Diese werden durch umfangreiche parametrische Berechnungen, unter Berücksichtigung unterschiedlicher Werte für Leitfähigkeit und Permittivität des Erdbodens (Einfluss der verlustbehafteten Erde) und unter Benutzung eines auf den Integralgleichungen nach Sommerfeld beruhenden Lösungsansatzes, für unterschiedliche Entfernungen gewonnen.