Erdungsanlagen in Windenergieanlagen zur Einhaltung zulässiger Berührungsspannungen

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1 Erdungsanlagen in Windenergieanlagen zur Einhaltung zulässiger Berührungsspannungen Siemens AG, IC SG SE PTI

2 Gliederung Einführung Grundlagen Forderungen der Standards: zulässige Berührungsspannungen Rho-E-Messung Besonderheiten von Windenergieanlagen Blitzschutz Überprüfung von Erdungsanlagen Beispiele Zusammenfassung

3 Personenschutz bei Erdfehlern

4 IEC TS Effekt des Stromes auf das Herz Herzkammerflimmern

5 Aufgaben der Erdungsanlage gemäß VDE Die Erdungsanlage muss, in Verbindung mit geeigneten Maßnahmen, die Schritt- und Berührungsspannungen auf zulässige Werte begrenzen. Die Erdungsanlage muss den Fehlerstrom führen und gegen Erde ableiten können, ohne ihre thermischen und mechanischen Grenzen zu überschreiten. Die Erdungsanlage muss so wirken, dass Beschädigungen von Betriebsmitteln vermieden werden. Die Erdungsanlage muss dazu beitragen, die elektromagnetische Verträglichkeit sicherzustellen.

6 Beispiel Erdung einer Hochspannungsanlage Erdseil Lichtmast Gerüst Portal Gebäude Transformator Zaun Erdungssystem

7 Strömungsfeld im Erdreich I Stromlinien Äquipotentiallinien Ersatzwiderstände

8 Oberflächenpotential und Äquipotentiallinien G I Äquipotentiallinien in der Draufsicht Diagramm des Oberflächenpotentials

9 Erdungsspannung und Berührungsspannung Berührungsspannung Berührungsspannung Erdungsspannung Oberflächenpotential Transformator U E = R E I Potentialsteuerung

10 DIN VDE (EN 50522) Zulässige Berührungsspannung Spannung in V U T,tol T,tol = 650 V U T,tol T,tol = 92 V Zeit in ms t = 0.1 s t = 3 s

11 Entwicklung der Erdungsnormen < Nationale Normen Deutschland DIN VDE 0141 Österreich ÖN Großbritannien BS 7430 Europa HD 637 (1999) DIN VDE 0101 (2000) International IEC (2002) Europa EN (2010) VDE (2011) International IEC (2010) VDE (2011) USA ANSI IEEE 80 (1986) USA ANSI IEEE 80 (2000)

12 VDE : Erdung von Starkstromanlagen mit Nennwechselspannungen über 1 kv (EN 50522) 1. Anwendungsbereiche 2. Normative Verweise 3. Begriffe 4. Grundlegende Anforderungen 5. Auslegung von Erdungsanlagen 6. Maßn. z. Vermeidung von Potentialverschleppung 7. Errichten von Erdungsanlagen 8. Messungen 9. Wartung 10. Inspektion, Prüfung und Übernahme vor Ort Anhang A - O Anhang P (normativ): Spez. nationale Bedingungen Annex Q (informative): Abweichungen

13 Typische Maßnahmen zur Einhaltung zulässiger Berührungsspannungen R H R F Übergangswiderstand R H hoch R T Standortisolierung R F hoch R T Potentialsteuerung R T klein Potentialausgleich R T 0

14 Erdungsspannung und Berührungsspannung Berührungsspannung Berührungsspannung Erdungsspannung Oberflächenpotential Transformator U E = R E I Potentialsteuerung

15 Spezifischer Erdwiderstand Bedeutung für die Auslegung der Erdungsanlage R E E = ρ 2 D Tabellenwerte sind für Auslegung ungeeignet. Norm fordert Messung mit Wenner-Methode auch mit großen Sondenabständen (z.b. 20m oder 40m) Typische Werte: Moorboden 5 bis 40 Ω m Lehm, Ton, Humus 20 bis 200 Ω m Sand 200 bis 2500 Ω m Kies, Fels 2000 bis 3000 Ω m Vergleichswerte: Kupfer Ω m Porzellan 5 10 Ω m

16 Besonderheiten von Erdungsanlagen für Windenergieanlagen Keine parallelen Erder wie z.b. Niederspannungsnetze Relativ kleine Grundflächen Onshore: Häufig sehr ungünstige Erdbodenverhältnisse Offshore: Korrosion Extreme klimatische Bedingungen Aufwendiger Nachweis der Einhaltung zulässiger Berührungsspannungen Durch Stahlbau sehr gute Rahmenbedingungen für perfekten Potentialausgleich

17 Blitzschutz-Erdungsanlage (DIN EN , IEC ) Ausbreitungswiderstand, minimale Länge des Erders l1 (m) Ein Erder Wert - Anordnung von 10 Ohm Typ A: gilt als ausreichend. horizontale oder Wenn vertikale dieser Wert nicht eingehalten Einzelerder mindestens werden kann, 2: dann muss die horizontal: Bedingung l l 1 für die minimale Länge der Erder erfüllt sein vertikal: l 0,5 l 1 I II Schutzklasse III, IV 3000 p ( Ω m)

18 Strom-Spannungs-Methode mit großen Strömen Prinzip mit Kabel als Testleitung (VDE , Anhang L)

19 Strom-Spannungs-Methode Ergebnisse Erdungsspannung Erdungsimpedanz Berührungsspannungen in und an der Anlage Berührungsspannungen durch Potentialverschleppung Potentialdifferenzen innerhalb des Erdungsnetzes Verteilung des Fehlerstromes im Erdungsystem Nullimpedanz der Versuchsleítung

20 Onshore Windpark

21 Onshore: Maßnahmen bei felsiger Untergrund

22 Schaltanlage, Erdungsmessung

23 Offshore Windpark

24 Offshore: Hochspannungsbetriebsmittel, Erdungsleitung

25 Offshore: Erdungsmessung, Messleitung

26 Zusammenfassung Eine Auslegung der Erdungsanlagen für Windenergieanlagen mit Betriebsmitteln über 1kV AC ist gemäß VDE erforderlich: In Bezug auf zulässige Berührungsspannungen: Berechnung der Erdungsspannung basierend auf Messung der spezifischen Erdbodenwiderstandswerte und der berechneten Erdfehlerströme In Bezug auf thermische, mechanische und chemische Belastungen Eine Überprüfung der Erdungsanlagen mittels Strom-Spannungs-Methode ist die einzige Möglichkeit die Einhaltung zulässiger Berührungsspannungen messtechnisch nachzuweisen (VDE , Anhang L) Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!