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Auf dem gesamten Erdball blitzt es etwa 40 bis 50 Mal pro Sekunde; das ergibt fast 1,4 Milliarden Blitze im Jahr.

Blitze schlagen oft wiederholt in derselben Stelle ein. Das Empire State Building wird durchschnittlich 23 Mal im Jahr getroffen.

In einem Umkreis von bis zu 2 km von der Einschlagstelle kann ein Blitz gefährlich hohe Potenzialdifferenzen verursachen.

Schäden durch Blitze kosten Versicherungen schätzungsweise mehr als eine Milliarde Dollar jedes Jahr.

Blitze können die Luft um sich herum auf Temperaturen erhitzen, die mehr als das Fünffache der Oberflächentemperatur der Sonne entsprechen.

Selten liegen Schönheit und Gefahr so dicht beieinander wie bei diesem Naturschauspiel: Denn so eindrucksvoll die Adern eines Blitzes den Himmel erhellen, so unberechenbar und zerstörerisch können die Folgen eines Einschlags sein. Mit der Faszination für dieses Naturphänomen, Erfahrung, Ehrgeiz und den entscheidenden „Geistesblitzen“ hat Pepperl+Fuchs das 6,2 Millimeter schmale, steckbare Überspannungsschutzsystem entwickelt, das weit mehr bietet als die reine Schutzfunktion.

Kaum vorstellbar und doch Realität – Roy C. Sullivan, ein ehemaliger Ranger in einem amerikanischen Nationalpark, wurde in seinem Leben unglaubliche acht Mal vom Blitz getroffen und hat immer nur leichte Verletzungen davongetragen. Das brachte ihm den Eintrag ins „Guinness Buch der Rekorde“ ein. Ebenfalls rekordverdächtig ist die Statistik der internationalen Unwettervorkommen: Denn weltweit, so schätzen Experten, gibt es zu jedem beliebigen Zeitpunkt 2 000 bis 3 000 Gewitter, die täglich von bis zu 30 Millionen Blitzen begleitet werden. Die Blitze schlagen dabei vor allem in Regionen in Südamerika, entlang des Äquators in Afrika sowie in Asien auf die Erde ein. „Kein Wunder also, dass aus Asien die ersten Anregungen kamen, sich mit dem Thema Blitz- bzw. Überspannungsschutz zu beschäftigen“, blickt Friedrich Füß, Produktmanager für Interfacetechnik bei Pepperl+Fuchs in Mannheim, zurück.
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Es ist die Summe zusätzlicher Funktionalitäten, die das neue Überspannungsschutzmodul so besonders macht.

Friedrich Füß, Produkt-Portfolio-Manager Interfacetechnik

„Initialzündung“ nach Blitzeinschlag

Und nach Asien, genauer gesagt in das Institut für Überspannungsschutz in Shanghai, führte ihn eine seiner ersten Recherchereisen. „Das Institut ist eine führende Instanz in China“, erläutert Füß. „Dort sind Schäden durch Überspannungen aufgrund des großen Blitzvorkommens recht bekannt, da die Leute aus dem persönlichen Erleben heraus mit stärkeren Unwettern und deren Folgen konfrontiert sind.“ Ihm selbst erging es nicht anders: Der Termin im Institut fiel aus, weil der Direktor, mit dem er verabredet war, zur Untersuchung eines Blitzeinschlages mit Todesfolge auf einen Fußballplatz gerufen wurde.

Trotzdem oder gerade deswegen – die Motivation für das Thema war ungebrochen und mit Leidenschaft konnte Füß eine Mannschaft um sich scharen, die sich in der Folgezeit zu einem richtigen Expertenteam rund um das Thema Überspannungsschutz formieren sollte. „Was wir mit dem neuen Überspannungsschutzsystem M-LB-5000 (Modular Lightning Barrier) an Funktionalitäten auf minimalem Bauraum umgesetzt haben, konnte nur mit dem Ideenreichtum einer hochmotivierten Gruppe gelingen. Das Fünf-Mann-Kernteam wie auch die weiteren etwa 25 mitwirkenden Kolleginnen und Kollegen aus den Bereichen Produktion, Einkauf, Anlagenbau und Service haben Großartiges geleistet“, resümiert Füß.

Friedrich Füß, Thomas Lebkücher und Thomas Ofenloch
Friedrich Füß, Thomas Lebkücher und Thomas Ofenloch

Friedrich Füß, Thomas Lebkücher und Thomas Ofenloch (Von links nach rechts)


Überspannung – die unterschätzte Schadensursache Nr. 1

Blitze entladen sich innerhalb von zehn Mikrosekunden, weisen dabei Stromstärken bis 100 000 Ampere sowie eine Spannung von mehreren Millionen Volt auf und können die Luft um sich herum schlagartig auf bis zu 30 000 °C erhitzen – das entspricht mehr als dem Fünffachen der Oberflächentemperatur der Sonne. Schlägt solch eine Naturgewalt in ungeschützte Industrieanlagen ein, kann dies verheerende Folgen nach sich ziehen: Elektronikschäden, der Ausfall ganzer Automatisierungssysteme, Brände sowie die Beschädigung oder komplette Zerstörung von Anlagen und Gebäuden – von der Gefährdung von Menschenleben ganz abgesehen.

„Die Wahrscheinlichkeit eines direkten Blitzeinschlages ist glücklicherweise verschwindend gering, allerdings stellen diese auch nur die Spitze des Eisberges dar“, verdeutlicht Thomas Lebkücher, Leiter der Produktgruppe Mechanisches Design im Bereich Prozessautomation bei Pepperl+Fuchs in Mannheim. „Häufig unterschätzt werden die Auswirkungen eines indirekten Blitzeinschlages. Denn selbst wenn ein Blitz einige Hundert Meter entfernt einschlägt, können auftretende Spannungsspitzen die gesamte Elektrik zum Erliegen bringen. Überspannungen durch direkte oder indirekte Blitzeinschläge, aber auch durch Schaltvorgänge, sind daher immer noch eine der häufigsten Schadensursachen in der elektrischen Anlagentechnik.“

Ein moderner Überspannungsschutz ist demnach eine Investition in eine erhöhte Betriebssicherheit und Anlagenverfügbarkeit. Doch wie die Schutzeinrichtung konzipieren und was bei der Umsetzung beachten, um dem Anwender möglichst viele Mehrwerte zu schaffen?

Die M-LB-5000 ist besonders schmal.

Ein Anforderungsprofil, das es in sich hat

Der Überspannungsschutz für Mess- und Regelsignale zur Hutschienenmontage war zwar die geforderte Grundfunktionalität, aber längst nicht die schwierigste Herausforderung. „Es ist die Summe zusätzlicher Funktionalitäten, die das neue Überspannungsschutzmodul so besonders macht“, beschreibt Füß. „Für unsere Kunden darf der Schutz vor Überspannung keinen zusätzlichen Platz auf der Hutschiene benötigen. Er muss eine einfache Inbetriebnahme ohne spezielle Hilfsmittel ermöglichen und zudem selbstständig Verschleiß oder Ausfall signalisieren. Optimalerweise sollten für die Wartung keine Expertenkenntnisse erforderlich sein – und im Betrieb der Anlage darf man möglichst nichts von der Überspannungsschutzeinrichtung merken“, bringt es Thomas Ofenloch, Entwicklungsingenieur im Bereich Interfacetechnik bei Pepperl+Fuchs in Mannheim, auf den Punkt.

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Das Modul gehört zu den raffiniertesten und ausgeklügeltsten, die ich je mitentwickeln durfte.

Thomas Lebkücher, Leiter der Produktgruppe Mechanisches Design, Prozessautomation

Ideenreichtum war also gefragt und in mehreren Brainstormings – übersetzt auch „Geistesblitzen“ – wurden die entscheidenden Fragen gelöst, insbesondere die nach der Integration der geforderten Funktionalitäten in ein gerade einmal 6,2 Millimeter breites Elektronikmodul. „Basierend auf 20 Jahren Erfahrung haben wir uns eine umfassende Expertise im Überspannungsschutz angeeignet und mit dem langjährigen Fachwissen rund um Explosionsschutz, Analogtechnik und Interface-Bausteine kombiniert“, fasst Lebkücher zusammen. Darüber hinaus wurden weitere Register gezogen: „Bereits in der Konzeptionsphase haben wir Videoaufnahmen mit High-Speed-Kameras gemacht, um das Verhalten von Hochstromkontakten während eines Überspannungsereignisses zu analysieren“, berichtet Projektleiter Ofenloch. „Bei 50 000 Bildern pro Sekunde war jedes noch so kleine Detail genau zu erkennen, sodass wir darauf aufbauend beispielsweise die Anzahl und Anordnung der Kontakte optimieren konnten.“ Entscheidend für den Entwicklungserfolg war schließlich auch die enge Zusammenarbeit mit den Verantwortlichen am Produktionsstandort Singapur. „Diese war immens wichtig für die fertigungsoptimierte Entwicklung des Überspannungsschutzsystems“, betont Ofenloch. Und Lebkücher ergänzt enthusiastisch: „Das Modul gehört zu den raffiniertesten und ausgeklügeltsten, die ich je mitentwickeln durfte.“

Überspannungsschutzsystem M-LB-5000
Überspannungsschutzsystem M-LB-5000

Überspannungsschutzsystem M-LB-5000


Herausforderungen auf ganzer Linie gemeistert

Auch wenn, wie in den meisten Entwicklungsprojekten üblich, nicht immer alles nach Plan lief – das Durchhaltevermögen hat sich gelohnt. „Wir konnten die Herausforderungen meistern, ohne Abstriche machen zu müssen. Vom Anlagenplaner bis hin zum Servicetechniker – das neue Überspannungsschutzsystem bringt Vorteile über die gesamte Nutzerkette“, bestätigen alle Beteiligten unisono. „Zu wissen, dass das unmöglich Geglaubte vielleicht doch machbar ist, gibt großes Selbstvertrauen für die nächsten Projekte.“ Da das Thema Überspannungsschutz aktuell zunehmend auch in das Bewusstsein europäischer Anwender und Normungsgremien rückt, dürften die nächsten Herausforderungen nicht lange auf sich warten lassen.

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Zu wissen, dass das unmöglich Geglaubte vielleicht doch machbar ist, gibt großes Selbstvertrauen für die nächsten Projekte.

Thomas Ofenloch, Entwicklungsingenieur Interfacetechnik
Das Überspannungsschutzmodul überzeugt mit durchdachten Features

Benchmark bei Blitzgefahr

Blitzschutz in Modulbauweise, verpackt in platzsparendem Gehäuse und ausgestattet mit einer patentierten Diagnosefunktion – das Überspannungsschutzsystem M-LB-5000 zeigt, was im industriellen Überspannungsschutz heute der Stand der Technik ist. Es besteht aus einem Basismodul, das direkt in den Signalkreis eingebunden ist, sowie dem aufsteckbaren Schutzmodul. Beide bilden mit gerade einmal 6,2 Millimeter Breite ein sehr schmales, steckbares Überspannungsschutzmodul. Trotz der schmalen Baubreite ist eine Diagnosefunktion aller Schutzelemente integriert. Das Schutzmodul signalisiert sowohl im Schaltschrank – per leicht verständlicher Ampelanzeige am Gerät – als auch in der Steuerung eigenständig seinen Verschleißstatus und warnt rechtzeitig vor einem eventuellen Ausfall. Dies ermöglicht es, die Überspannungseinrichtung gemäß EN 62305-3 bequem zu überprüfen, die Produktlebenszykluskosten signifikant zu senken und Serviceeinsätze vorausschauend zu planen. Isolationstests während der Inbetriebnahme sowie der Austausch eines Schutzmoduls im Zuge von Wartungsarbeiten sind dank einer integrierten Trennfunktion im laufenden Betrieb möglich.