Bei direkten oder nahen Blitzeinschlägen in die beteiligten Gebäude oder Teile der Wägeeinrichtung kann eine Schadensmöglichkeit nicht vollkommen ausgeschlossen werden. Für einen einschlagsgefährdeten Aufstellungsort von Waagenbrücke und Wägehaus empfehlen wir die Einrichtung eines Überspannungsschutzes.

Moderne Wägesysteme sind heute weitgehend aus leistungsstarken elektronischen Komponenten aufgebaut. Sie sind jedoch gerade deshalb besonders anfällig für Schäden, die durch Blitzschlag und allgemein durch Überspannung entstehen können.

In einer gemeinsamen Studie mit den Herstellern von Wägezellen und Kunden hat HE Wägetechnik speziell das Problem von Blitzschäden an Wägesystemen erforscht. Diese Information befasst sich mit grundsätzlichen Fragen zum Thema Blitzschutz und mit dem Einbau eines Blitzschutzsystems.

Blitzschlag

Wärme, die sich bei voller Sonneneinstrahlung an Gebirgshängen staut, oder kalte Luftmassen, die auf ihrer Unterseite Warmluft in einer Wetterfront vor sich herschieben, erzeugen Luftbewegungen. Beim Aufsteigen kühlt sich die Warmluft allmählich ab. Es entsteht eine Wolke aus Wassertröpfchen und in größeren Höhen aus Eiskristallen. Eine Gewitterwolke ist ein derartiges System mit höheren Luftgeschwindigkeiten, als dies normalerweise der Fall ist. Die gewaltigen Aufwärts- und Abwärtsströmungen im Zentrum der Wolke erzeugen statische Ladungen, wobei die Eiskristalle in den oberen Schichten der Wolke positiv und die Wassertröpfchen in den unteren Schichten negativ geladen sind.

Das zwischen den Ladungszentren erzeugte Spannungsfeld bewirkt eine Ionisation der Luftmoleküle, sodass ein leitender Kanal entsteht, der die Entladung, d.h. den Blitz, ermöglicht. Die meisten Blitze sind Entladungen zwischen zwei Wolken. Etwa 15 % sind Entladungen zwischen Wolke und Erdboden. Generell ist die Ladungskonzentration an hohen oder spitzen Punkten am höchsten. Daher schlägt ein Blitz zwischen Wolke und Erde vorzugsweise in Masten, Türme, Bäume usw. ein. Ist der Ionisationskanal zwischen Wolke und Erdboden hergestellt, entsteht ein leitender Pfad, der die Ladungszentren kurzschließt, damit den Hauptstromfluss bzw. Rückschlag ermöglicht und das Gleichgewicht zwischen den Ladungen wiederherstellt. Dieser Strom kann Spannungen in Energieversorgungsanlagen wie beispielsweise lange, parallel zur Erde verlaufende (unterirdische) Kabelzüge induzieren. Untersuchungen haben erwiesen, dass ein Blitzschlag innerhalb eines Umkreises von 300 m um das geometrische Zentrum einer Brückenwaage mit Sicherheit einen schädlichen Einfluss auf diese ausübt. Außerdem sind Schäden nicht auf Blitze zur Erde beschränkt, da Blitze von Wolke zu Wolke ebenfalls einen hinreichend starken elektromagnetischen Impuls erzeugen können, um Schäden zu verursachen. Blitzschläge sind Entladungsstöße, bei denen Strom und Spannung erheblich über den normalen Werten liegen.

Schäden durch Blitzschläge

Kernstück moderner Wägezellen sind folienartige Dehnungsmessstreifen-Widerstände. Diese Dehnungsmessstreifen, kurz DMS, werden durch Beschichten eines Epoxyd- bzw. Polyamidträgers mit einem dünnen Film hergestellt. Eine Wägezelle besteht normalerweise aus vier (bzw. einem Mehrfachen von vier) DMS in Form einer Wheatstone-Brückenkonfiguration. Mit den Speiseleitungen der Wheatstone-Brücke sind mehrere Widerstände in Reihe geschaltet.

Diese Widerstände kompensieren Temperatureinflüsse und dienen der Kalibrierung des Wägezellen-Ausgangssignales. DMS und Widerstände können nur niedrigen Spannungen von höchstens 15 oder 20 Volt standhalten. Die Durchschlagfestigkeit des Folienträgers beträgt ca. 400 bis 500 Volt. Durch Blitzschlag entstandene Überspannung bzw. -strom zerstören die Wägezelle entweder: durch Schädigung der Widerstände oder DMS, oderdurch Schädigung des Folienträgers, der die Brücke mit dem Gehäuse verbindet.

In beiden Fällen kann das Bauteil völlig ausbrennen, muss dies jedoch nicht unbedingt. Möglicherweise wird nur ein Teil der Wägezellenschaltung oder die Verklebung eines der DMS beschädigt. In diesem Falle beginnt die Waage fehlerhaft zu arbeiten und/oder nach Belastung nicht zum Nullpunkt zurückzukehren. Gelegentlich treten diese Probleme erst Wochen nach dem Blitzschlag auf! Neben den Wägezellen können ebenfalls Schäden am Messgerät (Anzeigegerät/Rechner) und an peripheren Geräten wie Druckern und Kartenlesern entstehen, insbesondere, wenn in der unmittelbaren Umgebung spannungsführende Leitungen getroffen wurden. Wie bei den Wägezellen kann auch hier nur ein kleiner Teil der Elektronik beschädigt sein, wie z.B. RS232-Anschlüsse oder sogar nur ein paar kleine Tantal-Kondensatoren. Geringfügige Schäden, die unmittelbar nach dem Blitzschlag übersehen werden, können einen Anzeigefehler verursachen. Daher sollten die Leiterplatten unbedingt sorgfältig auf Schäden oder Rückstände ausgebrannter Bauteile untersucht werden.

Blitzschutz

Man unterscheidet externen und internen Blitzschutz. Beim externen Blitzschutz besteht normalerweise eine Masseverbindung zwischen dem Stahldach der Messwarte, in der das Anzeigegerät installiert ist, bzw. einer sonstigen nahegelegenen Konstruktion oder eines hohen Schutzmastes, sodass ein bevorzugter Entladungspunkt zur Verfügung steht, über den die Überspannung sicher zur Erde geleitet wird. Dieser externe Blitzschutz ist ziemlich umstritten. Einerseits ist zwar eine Brückenwaage oder generell eine Waage kein besonderer Anziehungspunkt für Blitzschläge, doch hat ein 20 Meter hoher Mast einen Anziehungsradius von 81 m. Das heißt, ein Blitz, der ohne einen solchen Mast in ein Gebäude oder einen Baum in einer Entfernung von 60 m oder mehr einschlagen würde, erzeugt zwangsläufig einen Stromstoß (Schrittspannung) in der unmittelbaren Umgebung der Brückenwaage! Ohne sehr strenge Vorsichtsmaßnahmen bewirkt ein solcher Stromstoß einen elektromagnetisch induzierten Impuls, der zweifellos schwere Schäden an der Brückenwaage verursachen kann.

Effektive Höhe der Konstruktion (m)	Anziehungs- radius (m)
5	30
10	50
15	67
20	81
25	95
30	108
35	132
40	155

Aus der obigen Tabelle geht der Anziehungsradius einer Konstruktion bei einer bestimmten effektiven Höhe für Abwärtsschläge hervor. Masten zum Schutz der Brückenwaage bieten den einzigen Vorteil, dass der Blitz nicht direkt in die Brückenwaage einschlägt, erhöhen jedoch auf Grund ihrer blitzanziehenden Wirkung eigentlich das Beschädigungsrisiko.

Interner Blitzschutz besteht in der Herstellung eines Potentialausgleiches innerhalb des gesamten Svstems durch den Einsatz von Schutzvorrichtungen und im Bau der Brückenwaagenkonstruktion in Form eines Faradayschen Käfigs. Um die Kontrollwarte bzw. die Messkabine wird ebenfalls ein Faradayscher Käfig aufgebaut. Eine relativ kurze Entfernung zwischen den beiden Käfigen erfordert eine Erdverbindung, d.h. das Potential des gesamten Systems ist immer gleichbleibend. Ein Potentialausgleich ist bereits standardmäßig in jeder Fahrzeugwaage von HE Wägetechnik enthalten.

Alle externen Verbindungen, wie Wechselspannungsleitungen, Kommunikationsanschlüsse und die Signal-/Speiseleitung, sind eine potentielle Quelle von Stromstößen und kurzzeitigen Überspannungen. Unabdingbar für die Gewährleistung des Blitzschutzes ist daher der Einbau einer Überspannungsschutzvorrichtung am Eingang des Faradayschen Käfigs für jede Eingangs- bzw. Ausgangsleitung.

Zum Schutz der Wägezellen gegen Schrittspannungen erfolgt eine Isolation gegen das Erdreich und die Waagenbrücke. Obwohl damit ein hoher Schutz gewährleistet wird, ist zu berücksichtigen, dass die Wägezellenschaltung trotzdem von hohen durch Blitze induzierten Strömen theoretisch durchflossen und beschädigt werden kann. Das Auftreten eines derart hohen Potentialunterschiedes, dass der Folienträger zwischen DMS und Gehäuse beschädigt werden kann, ist jedoch unwahrscheinlich. Die Isolierplatten erfüllen ihre Funktion nur, wenn sie gut gegen Feuchtigkeit geschützt sind; sobald die Platten überflutet werden, fällt der Isolationswiderstand drastisch ab. Deshalb schützt eine gute Pflege und Reinigung der Waagen auch vor Schäden durch Blitzeinwirkung!

Links zum Thema

Blitz-Informations-Dienst von Siemens
mit BLITZ-SPION – die kostenlose Gesamtübersicht der aktuellen Gewitteraktivitäten.

www.blitz-radar.de
bietet Gewitterwarnung mit Benachrichtung über SMS oder Email (kostenlos)
und Archivdatenabfrage über Blitzeinschläge von einem bestimmten Tag (kostenpflichtig).

Firma Dehn + Söhne
bietet eine komplette, aufeinander abgestimmte Produktpalette für den Blitz- und Überspannungsschutz.