Erdungs- und Blitzschutzsystem

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1 1 of 11 Erdungs und Blitzschutzsystem

2 2 of 11 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Externes Blitzschutzsystem Rotorblatt Gondel Turm Potenzialausgleichsschiene Fundamenterder Fundamenterder allgemein Ausführung des Fundamenterders Interner Blitzschutz/Schutz elektronischer Komponenten Normen und Richtlinien für die Ausführung von Blitzschutz und Erdungsanlagen

3 3 of 11 1 Einleitung Eine Windenergieanlage (WEA) kann, wie jedes andere elektrische System, elektrischen Einwirkungen durch interne und externe Fehler ausgesetzt sein. Dieses sind zum einen innere Fehler, wie Kurz oder Erdschlüsse in den elektrischen Komponenten, sowie äußere Fehler, wie z. B. Überspannungen durch atmosphärische Entladungen oder Schaltüberspannungen. Diese Einwirkungen können die Zerstörung der elektrischen Einrichtungen und schlimmstenfalls Gefahr für den Menschen zur Folge haben. Zur Minimierung der Gefahrenpotenziale durch elektrische Überspannungen sind alle ENERCON WEA mit einem umfassenden Blitzschutz und Erdungssystem ausgerüstet. Der äußere Blitzschutz setzt sich insbesondere zusammen aus den Maßnahmen für den Blitzschutz am Rotorblatt sowie der definierten Ableitung des Blitzstromes zur Erde. Außerdem werden die elektrischen Komponenten der WEA gegen Störfelder und Störspannungen von außen abgeschirmt. Den Schutz der elektrischen und elektronischen Einrichtungen der WEA selber wird als innerer Blitzschutz bezeichnet

4 4 of 11 2 Externes Blitzschutzsystem 2.1 Rotorblatt Die Rotorblattspitze ist der höchste Punkt der WEA und besitzt daher das höchste Gefährdungspotenzial bei Gewitter. Ein Blitzeinschlag in das Rotorblatt kann zur Zerstörung des betroffenen Blattes und weiterer Komponenten der Windenergieanlage sowie zur Gefährdung von in der WEA befindlichen Menschen führen. Die gesamte WEA ist von der Rotorblattspitze bis ins Fundament mit einem durchgängigen Blitzschutzsystem ausgestattet, sodass Blitzeinschläge abgeleitet werden, ohne dass Schäden am Rotorblatt oder an sonstigen Komponenten der WEA entstehen. Die Rotorblattspitze ist als Aluminiumformteil ausgebildet. Ein Blitzableiter verbindet die Blattspitze mit dem Aluminiumring an der Blattwurzel (siehe Abb. 2). Der Aluminiumring befindet sich in einem ausreichenden Abstand zu den metallischen Teilen im Blattanschlussbereich. So wird ein unerwünschter Überschlag im Fall eines Blitzeinschlages verhindert, der Blitzstrom wird definiert abgeleitet. Da die Blitzableitung bereits an der Blattwurzel erfolgt und nicht über Nabe und Rotorlagerung, bleiben die Rotorlager vor möglichen Folgeschäden verschont. Abb. 1: Konzept äußerer Blitzschutz

5 5 of Gondel Abb. 2: Blitzschutzkonzept eines Rotorblattes Die Ableitung des Blitzstromes vom drehbaren Teil (Rotorblätter) auf den feststehenden Teil der WEA (Gondel) erfolgt für jedes Rotorblatt über eine Funkenstrecke, die mittels Fangstange an der Gondel und Aluminiumring am Rotorblatt ausgebildet wird. Die Fangstangen befinden sich auf der Rotorverkleidung (jeweils einem der drei Blätter zugeordnet) sowie auf dem hinteren Teil der Gondelverkleidung. Jede Fangstange hat eine konische Spitze, um zu dieser hin ein möglichst hohes elektrisches Feld im Vergleich zur Umgebung aufzubauen. Von der Rotorverkleidung aus wird der Blitzstrom über einen weiteren Ring und eine weitere Funkenstrecke auf die Gondel übertragen. Aluminiumring Fangstangen Abb. 3: Fangstangen

6 6 of 11 Mithilfe dieser Anordnung wird ein Blitzeinschlag, unabhängig von der momentanen Stellung des Rotors sowie unabhängig vom momentanen Rotorblattwinkel, zur tragenden Struktur übergeleitet. Auf dem hinteren Teil der Gondelverkleidung ist ebenfalls eine Fangstange zum Schutz der Gondel und der Messeinrichtungen (Anemometer und Windfahne) angeordnet. Innerhalb des Maschinenhauses wird der Blitzstrom über ein Schleifringsystem am Azimutkranz vom Maschinenträger auf den Turm übertragen. Zusätzlich ist das Maschinenhaus durch ein flexibles Kupferkabel mit der Potenzialausgleichsschiene im Turmkeller verbunden. 2.3 Turm Abb. 4: Gondelanenometer Stahlrohrturm: Bei Stahlrohrtürmen (SRT) erfolgt die Ableitung des Blitzstromes von der Gondel zum Fundamenterder über dem elektrisch leitenden Turm selber. Hierzu sind die Flanschverbindungen der Segmente spritzverzinkt. Zwei am Turm angeschweißte Laschen dienen dem Anschluss der Anschlussfahnen des Fundamenterders. Abb. 5: Verbindung Stahlrohrturm Fundamenterder Betonfertigteilturm: Beim Betonfertigteilturm wird der Blitzschutz über vier Bandeisen (3,5 x 30 mm²) im Turm hergestellt. Die Ableiter sind durchgängig vom Fundament bis zur Stahlturmsektion verbunden und gewährleisten ein sicheres Ableiten des Blitzstromes. Abb. 6: Verbindung Betonturm Fundamenterder

7 7 of Potenzialausgleichsschiene Der zentrale Anschlusspunkt für alle nicht aktiven Metallteile, wie Schaltschrankgehäuse, Ölwanne, Befestigungsvorrichtungen etc. ist die Potenzialausgleichsschiene. Die metallisch nicht aktiven Komponenten werden mittels ausreichenden Querschnitten und auf direktem Weg an die Potenzialausgleichsschiene angeschlossen. Über diesen zentralen Verknüpfungspunkt wird der Potenzialausgleich innerhalb der WEA hergestellt und unzulässige Berührungsspannungen vermieden. Die Potenzialausgleichsschiene ist direkt mit dem Sternpunkt des Anlagentransformators verbunden und befindet sich, abhängig vom Anlagentyp, entweder innerhalb der Niederspannungsverteilung oder an der Ölwanne. Abb. 7: Potenzialausgleichsschiene in einer NSVerteilung (E 70) Abb. 8: Potenzialausgleichsschiene an der Ölwanne (E 48) 2.5 Fundamenterder Fundamenterder allgemein Erdungsanlagen haben generell folgende Aufgaben: Schutz von Lebewesen und Sachwerten bei Fehlern, wie Kurz und Erdschlüssen transiente Vorgänge, wie Blitzeinschläge und Schalthandlungen Jedes elektrische System muss an Erdpotenzial angeschlossen sein, um eine Verbindung mit geringem Widerstand zwischen der elektrischen Einrichtung und der allgemeinen Masse des Erdbodens herzustellen. Das Erdungssystem soll eine effektive Wirkung der Schutzeinrichtungen, Bereitstellung eines Referenzpotenzials für elektrische Einrichtungen und Vermeidung übermäßiger Spannungsspitzen und Potenzialunterschiede sicherstellen

8 8 of 11 Ein Blitz, der z. B. in das Rotorblatt der WEA einschlägt, verursacht einen entsprechenden Strom, der über das Rotorblatt, die Gondel, den Turm und den Fundamenterder in das Erdreich abgeleitet wird. In Abhängigkeit von der Form und den Abmessungen des Fundamenterders sowie der Erdungsanlage außerhalb des Fundamentes erfolgt ein Potenzialanstieg im und um das Fundament der WEA. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass die zulässigen Schritt und Berührungsspannungen, verursacht durch den Fehlerstrom / Blitzstrom, nicht überschritten werden, um das Gefährdungspotenzial für in der Nähe befindliche Personen zu minimieren. Abb. 9: Potenzialverlauf im Erdreich Ausführung des Fundamenterders Es werden 4 Ringerder in verschiedenen Positionen im Fundament verlegt. Diese bestehen aus fvz. Bandstahl mit einem Mindestquerschnitt von 100 mm² (3,5 x 30 mm²) und sind mittels Fundamenterderverbinder untereinander verbunden. Sollte wegen landesspezifischer Normen die Verlegung von fvz. Bandstahl im Fundament durch Kupferleitung ergänzt werden müssen, ist mit dem zuständigen EProjektleiter Rücksprache zu halten

9 9 of 11 Fundamenterderringe Fundamenterderverbinder Abb. 10: Installation Fundamenterder Am Übergang Fundament Erdreich wird nicht rostender Stahl (V4A) mit einem Mindestquerschnitt von 100 mm² genutzt. Im Erdreich selber kann V4ABandstahl oder blankes oder verzinntes Kupferseil verwendet werden. Zur optimalen Ableitung des Blitzstromes gegen Erde sowie zur Reduzierung der Berührungsspannung wird ein maximaler Erdungswiderstand von 2 Ω gefordert, der entweder nur über den Fundamenterder oder über zusätzliche Oberflächenerder oder Tiefenerder erreicht wird. Erdungssysteme von Anlagen die elektrisch mit der WEA verbunden sind (z. B. Übergabe, Trafostation, FMShelter usw.) werden mit der Erdungsanlage der WEA verbunden. Nach Fertigstellung der Erdungsanlage ist der Erdungswiderstand (2 Ohm) von einem geeigneten Fachbetrieb zu messen und zu protokollieren. Das Erdungsprotokoll ist dem ENERCON Projektleiter vor Aufbau der WEA auszuhändigen

10 10 of 11 3 Interner Blitzschutz/Schutz elektronischer Komponenten Die Elektronik der Anlage ist galvanisch getrennt angeschlossen und in geerdeten Metallgehäusen aufgebaut. Im Falle eines Blitzeinschlages oder auch im Falle einer ungewöhnlichen Spannungserhöhung (Überspannung) werden die gesamte Elektrik und Elektronik durch fest eingebaute Energie absorbierende Bauelemente geschützt. Weitere Maßnahmen zum Schutz vor Überspannungen: Steuerschrank und Generator sind mittels Überspannungsableitern geschützt. Alle Platinen mit eigenen Netzteilen sind mit Filtern hoher Dämpfung ausgerüstet. Analoge und digitale Signalein und Signalausgänge sind mit RC Elementen und überspannungsbegrenzende Dioden gesichert. Steuer und Regelungselektronik sind galvanisch über Optokoppler, Trennverstärker und Relais entkoppelt. Signale werden innerhalb der Anlage über Lichtwellenleiter weitergeleitet. Das Datenübertragungsmodul (Modem) für die Fernüberwachung wird mit einem speziellen Schutzmodul für Datenschnittstellen geschützt, um Einkopplungen über Kabel und Leitungen von außen zu unterbinden. Abb. 11: Überspannungsschutz Datenkabel

11 11 of 11 4 Normen und Richtlinien für die Ausführung von Blitzschutzund Erdungsanlagen DIN 18014: Fundamenterdererrichtung DIN VDE 0151 (VDE 0151): Werkstoffe und Mindestmaße von Erdern bezüglich der Korrosion DIN EN (VDE ): Nationale Normenreihe Blitzschutz DIN EN (VDE 0185 Teil 202): Blitzschutzbauteile Teil 2: Anforderungen an Leitungen und Erder DIN EN (VDE 0127 Teil 100): Windenergieanlagen Schutzmaßnahmen Anforderungen für Konstruktion, Betrieb und Wartung Europäisches Harmonisierungsdokument HD 637 S1:1999 Nationale Fassung in DIN VDE 0101 (VDE 0101): Starkstromanlagen mit Nennwechselspannungen über 1 kv IEC :2002 INTERNATIONAL STANDARD Power installations exceeding 1 kv a.c.; IEC 62305: INTERNATIONAL STANDARD Blitzschutz IEC :2005, Deutsche Fassung DIN EN (VDE 01271): INTERNATIONAL STANDARD Wind turbines Part 1: Design requirements; IEC : INTERNATIONAL STANDARD Electrical installations of buildings, Deutsche Fassungen DIN V VDE V : und DIN VDE 0100 Teil 540:199111; IEEE Std IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding