LM-S von Phoenix Contact: Blitzeinschläge messen

Je höher ein Bauwerk, desto stärker ist es Belastungen durch Blitzeinschläge ausgesetzt. Für die Erfassung und Auswertung von Blitzeinschlägen hat Phoenix Contact das Lightning-Monitoring-System LM-S entwickelt. Es liefert seine Werte auch vom höchsten Gebäude der Welt, dem Burj Khalifa in Dubai.

Die Autoren: Alexa Broer, Arno Kiefer, Phoenix Contact, Blomberg

Immer wieder verursachen Blitzeinschläge verheerende Schäden an Gebäuden und Anlagen. Abhängig von der mitgeführten Energie des einschlagenden Blitzes kommt es dann zu massiven Beschädigungen oder Zerstörungen. Weil die Städte immer größer und die Gebäude immer höher werden – Urbanisierung und Megacities sind die Stichworte – wird auch hier das Thema Blitzmessung immer wichtiger. Um die Blitzeinschläge in die Spitze des höchsten Gebäudes der Welt, dem Burj Khalifa in Dubai, zu messen und auszuwerten, wurde dort ein Blitzmesssystem (Lightning-Monitoring-System, LM-S) installiert.

Magnetooptischer Faraday-Effekt

Errichtet wurde der Wolkenkratzer der Superlative von Emaar Properties, einem in Dubai in den Vereinigten Arabische Emiraten ansässigen und global agierenden Bauträger. Das Unternehmen errichtet und betreut zahlreiche Megaprojekte – der 828 m hohe 2010 fertiggestellte Turm von Khalifa in eines davon. Bei Wind beträgt die Auslenkung in den höchsten Stockwerken rund 1,5 m. Die 526 760 m² Geschossfläche umfassen Hotelbetrieb, Restaurants, Büros und Privatwohnungen. Auf zwei unterirdischen Etagen wird geparkt. 57 Aufzüge verbinden die 160 bewirtschafteten Etagen, und auch die welthöchste Aufzugshaltestelle befindet sich hier in einer Höhe von 638 m.

Das Blitzmesssystem LM-S besteht aus einem Analyser, einer Verbindungsleitung und bis zu drei Sensoren. Schlägt ein Blitz in die Blitzfangstange – wie sie auch auf dem Burj Khalifa angebracht wurde – ein, entsteht ein Magnetfeld im Ableiter, der den Blitzstoßstrom führt. Das LM-S nutzt den magnetooptischen Faraday-Effekt, um diese Stoßströme in Blitzableitungen zu messen. Dazu wird in der Messstrecke, die sich im Sensor befindet, das Licht polarisiert. Erfasst die Messstrecke des Sensors ein Magnetfeld, das durch einen Blitzeinschlag verursacht wurde, wird das zuvor polarisierte Licht messbar verdreht. Die charakteristischen Kennwerte des Blitzereignisses – Amplitude, maximale Steilheit, spezifische Energie, Ladung – werden ermittelt und mit Datum und Uhrzeit des Blitzeinschlags gespeichert. Vom Sensor wird das Lichtsignal über ein faseroptisches Kabel zum Analyser übertragen.

Von der Windkraft lernen

Die Installation des Blitzstrom-Messystems in Dubai erfolgte unter extremen Bedingungen, und auch der Betrieb kann mit einigen Rekorden aufwarten. Während bei Windenergieanalgen Kabellängen von 10 m ausreichen, um den Sensor in der Blattwurzel mit dem Analyser in der Nabe zu verbinden, beträgt die Kabellänge im Burj Khalifa immerhin 200 m. Ursprünglich wurde das LM-S entwickelt, um durch Blitze verursachte Schadensfälle in Windkraftanlagen zu vermeiden. Denn ungeplante Service-Einsätze und Reparaturen verursachen dort immer wieder hohe Kosten.

Bei einer Windenergieanlage ergänzt das Blitzstrom-Messsystem die Zustandsüberwachung – mit den Erfahrungswerten über typische Blitzcharakteristiken im Windpark und durch die Zuordnung der Schadensbilder können präventive Wartungen besser geplant werden. Inzwischen zeigt sich immer deutlicher, dass auch die umfassenden Blitzschutzkonzepte in Gebäuden von dieser Praxis profitieren können – der Wolkenkratzer in der Megacity noch mehr als das Einfamilienhaus. Daher kommen auch in Gebäuden intelligente Monitoring-Systeme zum Einsatz, die die Funktionszustände permanent überwachen und die Ergebnisse unmittelbar an eine zentrale Steuereinheit melden.

Die Blitzfangstange stellt – auch beim Burj Khalifa – den höchsten Punkt des Gebäudes dar. Daran wurde der Blitzsensor mit Metallkabelbindern fixiert. Normalerweise ist der Sensor schwarz, aber wegen der extremen Sonneneinstrahlung wurde hier eine Spezialausführung in weiß gewählt – damit wird die Wärmeabsorption des Sonnenlichtes minimiert.

Der Analyser im Burj Khalifa arbeitet in einem klimatisierten Serverschrank in 680 m Höhe. Die über 200 m lange Glasfaserleitung zwischen Sensor und Analyser wurde speziell für diese Umgebungsbedingungen auf Temperaturfestigkeit von über 70 °C geprüft. Bei der Verlegung musste auch auf eine besonderes sichere Fixierung der Leitung geachtet werden. Alle zehn Höhenmeter wurde die Leitung zudem ein kurzes Stück waagerecht verlegt, um ein Dehnen und Durchhängen aufgrund des Eigengewichts zu verhindern.

Inzwischen hat das weltweit höchste Gebäude mit integriertem Blitzmesssystem auch schon einige Blitze erfasst, die in die Spitze eingegangen sind – alle mit Maximalwerten von über 50 kA. Dem Betreiber des Gebäudes dienen diese Informationen lediglich zur statistischen Auswertung, denn über ein umfassendes äußeres und inneres Blitzschutzsystem verfügt das Gebäude ebenfalls. Eventuelle Auffälligkeiten in der Elektro- und Betriebstechnik des Burj Khalifa werden mit den aktuellen Messwerten des Blitzmesssystems abgeglichen.

Wenn in Gebäuden – wie auch bei Windenergieanlagen – Blitzeinschläge gemessen werden, sind jederzeit Rückschlüsse aus der Relation zwischen den Blitzparametern und der damit verbundenen Zerstörung möglich. Zudem lässt die Auswertung bestimmter Ereignisse Rückschlüsse auf die Effizienz des Blitzschutzsystems zu. Auch im Falle einer Schadensregulierung werden Informationen über Blitzeinschläge mit Hilfe von Blitzinformationssystemen eingeholt – sie können einen Blitzeinschlag mit einer Genauigkeit von 200 m orten. Denn ob und an welcher Stelle der Blitz ein Gebäude getroffen hat, das kann nur mit einem Blitzstrommesssystem bestimmt werden – wie dem LM-S von Phoenix Contact. I