• Das Maschen-Verfahren ist zur Planung des Schutzes von ebenen Flächen geeignet.
• Das Schutzwinkel-Verfahren ist für die meisten Gebäude mit einfacher Form zweckmäßig.
• Das Blitzkugel-Verfahren ist die universelle Planungsmethode, die insbesondere für geometrisch komplizierte Anwendungsfälle empfohlen wird. Es ist eine hervorragende Methode, blitzeinschlaggefährdete Bereiche festzulegen, wenn ein Modell für das betreffende Gebäude oder eine entsprechend genaue dreidimensionale Beschreibung für eine numerische Simulation vorhanden ist. Liegt das zu untersuchende Gebäude in unmittelbarer Nachbarschaft zu weiteren Gebäuden bzw. Objekten, so ist eine Nachbildung der Umgebung unerlässlich. Damit wird die Annahme unrealistischer Seiteneinschläge in das zu untersuchende Gebäude und damit eine unnötige Überdimensionierung von Fangeinrichtungen verhindert.
  Das Blitzkugel-Verfahren beruht auf dem elektro-geometrischen Modell, einer aus der Blitzphysik heraus erarbeiteten Modellvorstellung, die weiter unten beschrieben wird.

Die Werte des Schutzwinkels α, der Blitzkugelradius r und die Maschenabmessungen w in Abhängigkeit von der gewählten Schutzklasse sind in DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) in Tabelle 2 (Bild) angegeben.

Hat sich der Leitblitz bis auf einige 10 bis einige 100 Meter der Erde genähert, wird die elektrische Isolationsfähigkeit der bodennahen Luft überschritten. Es beginnt von der Erde bzw. von dort befindlichen Objekten eine weitere, dem Leitblitz ähnliche Leader-Entladung in Richtung Leitblitzkopf zu wachsen: die Fangentladung. Damit wird die Einschlagstelle des Blitzes festgelegt (Bild).

Den Startpunkt der Fangentladung und damit die spätere Einschlagstelle bestimmt vor allem der Leitblitzkopf. Der Leitblitzkopf kann sich nur bis zu einem bestimmten Abstand der Erde nähern. Dieser wird bestimmt durch die ständig steigende elektrische Bodenfeldstärke während des Annähern des Leitblitzkopfs. Der kleinste Abstand zwischen Leitblitzkopf und Startpunkt der Fangentladung wird Enddurchschlagstrecke genannt. Unmittelbar nach dem Überschreiten der elektrischen Isolationsfähigkeit an einer Stelle entsteht die Fangentladung, die zum Enddurchschlag führt und die Enddurchschlagstrecke überwindet.

Basierend auf der Beobachtung der Schutzwirkung von Erdseilen und Hochspannungsmasten wurde das sogenannte elektro-geometrische Modell erstellt. Es gründet auf der Hypothese, dass sich der Leitblitzkopf den Objekten auf der Erde willkürlich und unbeeinflusst bis auf die Enddurchschlagstrecke annähert. Die Einschlagstelle wird dann von dem Objekt festgelegt, das die kürzeste Entfernung zum Leitblitzkopf aufweist. Die von dort startende Fangentladung setzt sich durch.

Der Zusammenhang zwischen dem Scheitelwert I des Blitzstroms und der Enddurchschlagstrecke lässt sich damit wie folgt beschreiben:

   R = 10 ∙ I ^0,65 mit R in m, I in kA.

Diese Enddurchschlagstrecke wird nun als Radius der Blitzkugel verwendet.

Der Blitzschutz von Gebäuden ist in der DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) beschrieben. Diese Norm definiert u. a. die Einteilung in Schutzklassen und legt die daraus resultierenden Blitzschutzmaßnahmen fest. Sie unterscheidet vier Schutzklassen: Schutzklasse I bietet den größten, Schutzklasse IV den im Vergleich geringsten Schutz.

Mit der Schutzklasse einher geht das Beherrschen von Blitzströmen bis zu einem minimalen Stromscheitelwert, d. h. Blitzströme oberhalb des Wertes werden durch die Fangeinrichtungen sicher eingefangen, Blitzströme mit kleineren Scheitelwerten können noch neben den Fangeinrichtungen einschlagen. Dies kann auch vereinfacht als Einfangwirksamkeit E_i der Fangeinrichtungen verstanden werden. Damit wird ausgedrückt, welcher Anteil der zu erwartenden Blitzeinschläge durch die Fangeinrichtungen sicher beherrscht wird.

Die Tabelle zeigt die Zusammenhänge zwischen Schutzklasse, Einfangwirksamkeit E_i der Fangeinrichtungen, Enddurchschlagstrecke = Blitzkugel-Radius und Blitzstrom-Scheitelwert.

Untersuchungen mit numerischen Verfahren zeigen, dass die Einfangwirksamkeiten von Fangstangen, die nach dem Blitzkugel-Verfahren geplant und installiert wurden, wesentlich höher sind als die in der Tabelle  angegebenen Werte. Das Blitzkugel-Verfahren ist sehr konservativ aufgebaut und liefert dem Planer alle möglichen Stellen für einen Einschlag oberhalb des für die Blitzschutzklasse genannten Blitzstrom-Scheitelwertes, ohne allerdings für die einzelnen Stellen eine Einschlagwahrscheinlichkeit mitzuliefern. Die Werte der Einfangwirksamkeiten sind also Mindestwerte; mit dem Blitzkugel-Verfahren liegt man stets auf der sicheren Seite.

Dazu wird eine fiktive "Blitzkugel" verwendet, eine Kugel mit einem Radius, der mit der Enddurchschlagsstrecke gemäß der gewählten Schutzklasse identisch ist. Im Mittelpunkt dieser Blitzkugel befindet sich gedanklich der Leitblitzkopf, zu dem sich Fangentladungen von den verschiedenen Objekten auf der Erde aus bilden.

Die Blitzkugel wird nun um und über das zu schützende Objekt "gerollt". Dies kann an einem maßstäblichen (Computer-) Modell z. B. im Maßstab 1:100 erfolgen, das die äußeren Konturen und ggf. Fangeinrichtungen dreidimensional nachbildet (Bild, Bild). Je nach Standort des zu untersuchenden Objekts ist es ebenfalls notwendig, die umliegenden Gebäude und Objekte mit einzubeziehen, da diese als natürliche Schutzmaßnahmen für das zu untersuchende Objekt wirksam sein könnten.

Alle Berührungspunkte sind mögliche Einschlagstellen des Blitzes; sie werden farblich markiert. So werden auch Bereiche sichtbar, die durch Seiteneinschläge gefährdet sind. Die natürlichen Schutzräume, die sich aufgrund der Geometrie des zu schützenden Objekts und seiner Umgebung ergeben, werden ebenfalls deutlich; an diesen Stellen kann auf die Montage von Fangeinrichtungen in der Regel verzichtet werden. Zu beachten ist dabei allerdings, dass an Turmspitzen auch schon Blitzfußspuren an Stellen festgestellt wurden, die durch das Überrollen der Blitzkugel nicht direkt berührt wurden. Dies wird u.a. darauf zurückgeführt, dass bei Mehrfachblitzen der Fußpunkt des Blitzes aufgrund der Windverhältnisse gewandert ist. Es kann demnach vorkommen, dass sich um die ermittelten Einschlagstellen herum ein Bereich in der Größenordnung von etwa einem Meter ausbildet, in dem ebenfalls Blitzeinschläge möglich sind.

(Bild)

An den Stellen, an denen die Blitzkugel Gebäudeteile berührt, kann ein direkter Blitzeinschlag mit dem minimalen Stromscheitelwert von 3 kA auftreten. Dort sind geeignete Fangeinrichtungen erforderlich. Darüber hinaus wurden Fangeinrichtungen zum Schutz von elektrischen Einrichtungen z. B. auf dem Gebäudedach eingeplant.

Durch die Anwendung des Blitzkugel-Verfahrens wurden Fangeinrichtungen an den Stellen vermieden, wo sie aus physikalischer Sicht nicht erforderlich sind. Auf der anderen Seite konnte der Schutz vor direkten Einschlägen dort noch verbessert werden, wo es notwendig ist.

Der Dom befindet sich mitten in der Aachener Altstadt. Einige der benachbarten hohen Gebäude bieten dem Aachener Dom einen natürlichen Schutz vor Blitzeinschlägen. Sie werden im Modell maßstabgerecht nachgebildet. Das Bild zeigt das ergänzte Modell mit den beiden Blitzkugeln für die Schutzklasse II (rot, Radius  30 cm) und III (blau, Radius 45 cm).

Zuerst wird die blaue Kugel (Schutzklasse III) über das Modell gerollt und die Berührungsflächen werden gelb markiert. Anschließend wird die rote Blitzkugel (Schutzklasse II) über das Modell gerollt. Sie berührt das Modell an Stellen, die von der blauen Blitzkugel mit dem größeren Radius nicht berührt wurden. Diese Bereiche werden rot markiert.

Diese Untersuchung zeigt:

• Die umliegenden Gebäude und der Dom selbst bilden Schutzräume für viele Dachflächen. So ist z. B. das Dach des Oktogon zur Hälfte durch die benachbarte Turmspitze des Doms geschützt (Bild).
• Seiteneinschläge gefährden nur wenige Bereiche des Doms.
• Die rot markierten Flächen zeigen die Bereiche, bei denen Blitzeinschläge auftreten können, wenn die Schutzklasse II anstatt Schutzklasse III angewendet wird. Dies betrifft insbesondere die Seitenflächen des Turms (Bild). Auffallend ist, dass nur wenige Flächen rot gefärbt sind, d. h. die flächenmäßige Zunahme der blitzeinschlag-gefährdeten Bereiche fällt sehr gering aus. Dies ist einerseits dem Baustil des Doms, der keine größeren glatten Flächen kennt, und andererseits der Umgebung geschuldet.

• DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3): Blitzschutz - Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen
• Hasse, P.; Wiesinger, J.; Zischank, W.: Handbuch für Blitzschutz und Erdung. Pflaum Verlag München. 5. Auflage 2006
• Kern A.; Wettingfeld J.: Blitzschutzsysteme 1 - Allgemeine Grundsätze, Risikomanagement, Schutz von baulichen Anlagen und Personen. VDE-Schriftenreihe Band 44.  VDE-Verlag, 2014.
• DIN EN 62305-1 (VDE 0185-305-1): Blitzschutz - Teil 1: Allgemeine Grundsätze
• Kern A.: Das dynamische elektro-geometrische Modell zur detaillierten Berechnung der Einschlagwahrscheinlichkeit in Fangeinrichtungen – 3 Fallstudien. VDE Fachbericht 72: 11. VDE/ABB-Blitzschutztagung. VDE Verlag, 2015.
• VDB-Info 12: Blitzkugelverfahren - Untersuchung von blitzeinschlaggefährdeten Bereichen am Beispiel des Aachener Doms. 1998.

Eine elektrische oder metallene Einrichtung ist durch eine isolierte Fangeinrichtung geschützt, wenn diese sich vollständig im Schutzbereich befindet.
Die Ermittlung des Schutzbereichs erfolgt mit dem Blitzkugel-Verfahren oder mit dem Schutzwinkel-Verfahren: Für einfache Fangeinrichtungen wird in der Regel der Schutzbereich über den für die jeweiligen Verhältnisse gültigen Schutzwinkel ermittelt; bei komplexeren Fangeinrichtungen wird das Blitzkugelverfahren mit dem der Schutzklasse entsprechenden Blitzkugelradius verwendet.

Bei großen Dachaufbauten (z.B. Kühlaggregatsysteme) muss der Schutzbereich durch weitere konstruktive Maßnahmen realisiert werden. Eine Möglichkeit ist die Errichtung einer isolierten Fangeinrichtung auf Haltestangen aus elektrisch nicht leitendem Material. Die dadurch entstehenden Kosten sind häufig unter Berücksichtigung des erzielten Schutzerfolgs und der Einsparungen im Bereich des Inneren Blitzschutzes gerechtfertigt.

Näherungen müssen durch einen ausreichenden Abstand zwischen der Fangeinrichtung und der elektrischen oder metallenen Einrichtung verhindert werden. Der Abstand zwischen der Fangeinrichtung und leitenden Teilen des Dachaufbaus muss mindestens dem Trennungsabstand gemäß Abschnitt 6.3 in DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) entsprechen. Der Trennungsabstand ist rechnerisch nachzuweisen (siehe DIN EN 62305-3, Abschnitt 6.3). Gegebenfalls sind Fangeinrichtung umzulegen, so dass der Trennungsabstand eingehalten wird.

Außerdem dürfen elektrische und metallene Einrichtungen auf dem Dach nicht direkt mit der isolierten Fangeinrichtung verbunden werden, da sonst Blitzteilströmen in die geerdeten Bauteilen in das zu schützende Gebäude fließen würden.

Anstelle der Luftisolation zwischen Fangeinrichtung und zu schützendem Objekt (Beispiel SAT-Antenne) können zur Einhaltung des Trennungsabstandes auch hochspannungsfeste isolierte Leitungen (HIL) verwendet werden (siehe IEC 62561-8 TS).

Das Bild zeigt Anwendungsbeispiele mit Komponenten unterschiedlicher Hersteller. Bei der Verwendung von HIL sind die Errichtungs- bzw. Einbauvorschriften der Hersteller exakt zu beachten, da ansonsten das Schutzziel nicht erfüllt wird.

Wenn kein ausreichend großer Schutzraum hergestellt oder der Trennungsabstand nicht eingehalten werden kann, muss der metallene Dachaufbau direkt an die Fangeinrichtung angeschlossen werden (keine isolierte Fangeinrichtung!).

Der Auftraggeber ist über die Gefahren durch das Einleiten von Teilblitzströmen in das Gebäude und die weiteren notwendigen Maßnahmen (Blitzschutz-Potentialausgleich, Installation von Überspannungs-Schutzgeräten) schriftlich zu informieren.

In der Regel geschieht dies durch die Installation einer getrennten Fangeinrichtung:

• Fangstangen, die das zu schützende Objekt überragen, werden in ausreichend großem Abstand aufgestellt, so dass ein ankommender Blitz auf die Fangstange trifft und nicht auf die zu schützende Anlage. Dabei muss strengstens darauf geachtet werden, dass es keine leitende Verbindung zwischen dem Äußeren Blitzschutzsystem und den metallenen Dachaufbauten gibt.

Kommt es zu einem Blitzeinschlag in die Fangeinrichtung des Äußeren Blitzschutzsystems, treten in der Regel Überspannungen in den elektrischen Leitungen auf, und zwar sowohl in den Leitungen des Stromversorgungssystems (z.B. 230-V-Netzspannung) als auch in allen Signal-, Steuer- und Telekommunikationsleitungen. Die empfindlichen Endgeräte müssen daher durch Überspannungsschutzgeräte geschützt werden, damit sie auch nach einem Blitzeinschlag weiterhin funktionieren.

Die Planung des Blitzschutzsystems gehört daher in die Hände einer Blitzschutzfachkraft, die die Auswirkungen des Blitzeinschlags in das vorliegende Gebäude bewerten und geeignete Schutzmaßnahmen definieren kann.

Für diese Anwendung gibt es eine eigene VDE Information Blitzschutz. Sie beschreibt die verschiedenen Vorgehensweisen in Abhängigkeit von den Absturzsicherungen, von den baulichen Gegebenheiten des Gebäudes und des Blitzschutzsystems.

Sie richtet sich an Betreiber von Gebäuden  mit Absturzsicherungen, Installationsfirmen und Hersteller von Absturzsystemen sowie Blitzschutz-Fachkräfte.

Ein Blitz sucht immer den Weg in die Erde. Kommt es zu einem Blitzeinschlag in ein Metalldach, das nicht mit der Erdungsanlage verbunden ist (diese Verbindungen werden im Blitzschutz "Ableitungen" genannt), wird der Blitzstrom den Weg durch das Gebäude nehmen und wahrscheinlich Schäden am Gebäude, Technik und unter Umständen an Personen hervorrufen.

Fazit: Ein Metalldach allein ersetzt kein Blitzschutzsystem.

Weitere Informationen, wie Metalldächer in Blitzschutzsystemen behandelt werden, enthält VDE 0185-305-3 Beiblatt 4 (2008).