Blitzschutzmaßnahmen an einer Windenergieanlage der 2,5 MW-Klasse für Offshoreanlagen

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1 Blitzschutzmaßnahmen an einer Windenergieanlage der 2,5 MW-Klasse für Offshoreanlagen Prof. Dr.-Ing. Klaus Scheibe Fachhochschule Kiel, Kiel Dipl.-Ing. Tobias Gehlhaar Nordex-Energy GmbH, Norderstedt Dipl.-Ing. Bernd Fritzemeier Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg 1. Einführung Die Nutzung der Windenergie ist ein integraler Bestandteil der Energieversorgung in der Bundesrepublik Deutschland geworden. Ende 2000 waren in Deutschland 9359 Windenenergieanlagen mit einer installierten Gesamtleistung von über 6 GW installiert [1]. Hiermit kann etwa 2% des Strombedarfes in Deutschland gedeckt werden. Wegen der hohen Windgeschwindigkeiten auf dem Meer werden Offshoreanlagen zunehmend eine interessante Alternative zu den Onshoreanlagen. Es wird erwartet, dass innerhalb der nächsten zehn Jahre Windparks mit einer gesamt installierten Leistung von mehreren 1000 MW vor den Küsten Europas errichtet werden. Die Einzelanlagen, die in den letzten fünfzehn Jahren eine Größenentwicklung von 50 kw bis 2,5 MW erlebt haben, werden über eine installierte Leistung von bis zu 5MW je Windenergieanlage in naher Zukunft verfügen. Diese Groß-Windenergienanlagen werden mit einer Turmhöhe über 100 m und einem Rotordurchmesser von ebenfalls über 100 m exponierte Anlagen mit hoher Blitzeinschlagwahrscheinlichkeit darstellen. Zur Vermeidung von Ausfällen mit hohen Folgekosten stellt der Blitzschutz dieser Anlagen einen großen Stellenwert im Rahmen der Anlagenentwicklung dar. Der technische Bericht IEC [2] ist vom Komitee 24: Lightning protection for wind turbines des Technischen Komitees IEC/TC 88 Wind turbine generator systems erarbeitet worden und hat im Hinblick auf den Blitzschutz an Windenergieanlagen rein informativen Charakter. Die Recommendation 25 [3] ist ebenfalls keine Norm, sondern eine Empfehlung der defu für Blitzschutzmaßnahmen bei Onshore und Offshore-Anlagen. Beide Schriftstücke spiegeln den derzeitigen Stand der Technik wieder und stellen für Entwickler eine hilfreiche Grundlage für die Realisierung von Blitzschutzmaßnahmen an Windenergieanlagen dar. 2. Blitzgefährdung bei Windenergieanlagen Bekanntlich treten bei atmosphärischen Entladungen zwischen Wolke und Erde zwei unterschiedliche Entladungsarten auf: Der abwärts gerichtete Blitz und der aufwärts gerichtete Blitz. Der Abwärtsblitz hat seinen Ursprung in der Gewitterwolke und seinen Einschlagsort auf der Erdoberfläche (Wolke-Erde-Blitz). Dagegen breitet sich beim Aufwärtsblitz die Entladung von einem exponierten Ort auf der Erdoberfläche zur Gewitterwolke hin aus (Erde-Wolke-Blitz). Beide Entladungsarten lassen sich in jeweils zwei weitere Blitztypen unterscheiden, je nachdem welche Polarität die Entladung hat,

2 die an der Gewitterwolke ausgeglichen wird. Bei einem negativen Abwärtsblitz wandern z.b. negative Ladungsträger von der Wolke zur Erde, bei einem positiven Abwärtsblitz werden dagegen positive Ladungsträger von der Gewitterwolke zur Erde bewegt. Entsprechend sind die Verhältnisse beim Aufwärtsblitz. Ca. 90 % aller Wolke-Erde- Blitze haben eine negative Polarität, die übrigen 10 % haben dagegen eine positive Polarität, jedoch i.a. mit höheren elektrischen Parametern. Bei der Ausbreitung der negativen Ladungsträger von der Gewitterwolke zur Erde stellt sich die atmosphärische Entladung als eine Summe von Einzelentladungen dar (Bild 1), wogegen bei der Ausbreitung der positiven Ladungsträger von der Gewitterwolke zur Erde im allgemeinen nur ein einziger Entladungsvorgang (Bild 2) beobachtet werden kann. Bild 1: Schematische Darstellung eines typischen negativen Abwärtsblitzes Bild 2: Schematische Darstellung eines typischen positiven Abwärtsblitzes Negative Aufwärtsblitze zeichnen sich dadurch aus, dass i.a. der Langzeitstom von impulsförmigen Einzelentladungen überlagert ist (Bild 3). Windenergieanlagen sind ebenso wie schmale Sendetürme für eine solche Art der Ausbildung der atmosphärischen Entladung prädestiniert. Der Aufwärtsblitz beginnt mit einem Langwellenstrom, dem Stromimpulse überlagert sind. Im Anschluss hieran treten die typischen Folgeentladungen auf, die den Folgeblitzen von Abwärtsblitzen ähnlich sind. Die größte Gefahr bei dieser Entladungsart wird durch den Langwellenstrom dargestellt, die Stromimpulsamplituden liegen dagegen deutlich unter denjenigen der Abwärtsblitze.

3 Bild 3: Schematische Darstellung eines typischen negativen Aufwärtsblitzes Zusammenfassend lassen sich die entscheidenden Bedrohungswerte der einzelnen Entladungen der Tabelle 1 für eine 5% Wahrscheinlichkeit entnehmen. Blitzart Negativer Abwärtsblitz Positiver Abwärtsblitz Aufwärtsblitz (Gesamtdauer bis ca. 1 s) Stromscheitelwert Teilblitz 90 ka 250 ka 20 ka ---Folgeblitz 30 ka Ladungsmenge Teilblitz 24 As 350 As 300 As ---Folgeblitz 11 As Spez. Energie Teilblitz 550 kj/ω 15 MJ/Ω ---Folgeblitz 52 kj/ω Max. Blitzstromsteilheit Teilblitz 65 ka/µs 32 ka/µs 20 ka/µs ---Folgeblitz 162 ka/µs Tabelle 1: Charakteristische Eigenschaften von Blitztypen Die Besonderheiten von Windenergieanlagen im Vergleich zu anderen baulichen Anordnungen ist u.a. ihre Höhe, die sich schon jetzt bei den 2,5 MW Maschinen auf über 120 m erstreckt, ferner ihre Standorte, die meistens so ausgewählt sind, dass kaum höhere oder gleich hohe Gebäude oder andere Einrichtungen in ihrer Nähe sind. Auch ist typisch für Windenergieanlagen, dass ihre entscheidenden Komponenten wie z.b. die Blätter oder die Nabe aus Materialien gefertigt sind, die einen Blitz nicht ableiten können und im Gegensatz zu anderen baulichen Einrichtungen keine feste Position haben, sondern rotieren. Ferner gilt für Windenergieanlagen wie für andere bauliche Einrichtungen auch, dass für den Fall eines Blitzeinschlages der Blitz in die Erde abgeleitet werden muss, diese aber allenfalls bei Offshoreanlagen über einen hinreichend niedrigen Erdungswiderstand verfügt, nicht jedoch im steinigen Gebirge.

4 Der Blitz wird von seinem Einschlagsort bis in die Erde nicht nur große Weglängen zurücklegen, sondern möglicherweise auch dicht an elektronischen Geräten vorbeifliessen, die Steuer- und Messeinrichtungen der Windenergieanlage beinhalten. Bei der Erarbeitung eines Blitzschutzkonzeptes für eine Onshore- oder auch Offshore- Windenergieanlage [4] - [6] können die bekannten Normen im allgemeinen nicht immer ohne Berücksichtigung dieser Besonderheiten der WEA herangezogen werden. 3. Schadensstatistiken Schäden an Windenergieanlagen können unterschiedliche Ursachen haben. Somit sind auch die Komponenten, die einen Fehler aufweisen können, recht zahlreich. Schäden durch Blitzeinwirkungen an Windenergieanlagen in dem zurückliegenden Jahrzehnt haben gezeigt, dass in Nordeuropa etwa 4-8% der Windenergieanlagen pro Jahr eine blitzstrombedingte Störung erleben. Von diesen Blitzschäden sind etwa 30 % aller Fehler durch direkten Blitzeinschlag und 70% aller Fehler durch indirekte Blitzeinwirkung aufgetreten. Die größte Fehleranzahl an den deutschen Windenergieanlagen trat im Regelungsund Steuersystem, im Generator und an den Rotorblättern auf. Die höchsten Kosten für Reparaturen waren eindeutig bei Schäden an den Rotorblättern zu verzeichnen. Da Rotorblätter i.a. keine Schäden durch indirekte Blitzeinwirkung aufweisen, ist aus dieser statistischen Übersicht abzuleiten, dass der direkte Blitzschutz der Rotorblätter eine der wichtigsten Aufgaben des Blitzschutzes von WEA darstellt. Eine weitere wichtige Aufgabe ist der Schutz des elektrischen Systems bzw. der Regelund Steuereinrichtungen. Zwar sind die Reparaturkosten bei diesen Systemen ungleich geringer gegenüber denjenigen beim Ausfall eines Blattes, jedoch ist die Fehlerrate an diesen Systemen vergleichbar hoch. Weitere Komponenten, die bei einer Blitzeinwirkung besonders zu schützen sind, sind die Sensorbereiche, der Generator und die Lager bzw. die Nabe sowie die Hydraulik der Anlage. Vor der Auslegung des Schutzes ist ein Blitzschutzzonenkonzept aufzustellen, um die Bedrohungsparameter für die einzelnen Komponenten festzulegen. 4. Anlagenbeschreibung Die Windenergieanlage N80 ( Bild 4) der Fa. NORDEX gehört zur Leistungsklasse 2,5 MW und verfügt über eine pitch-geregelte Rotorblattverstellung zur Leistungsregelung. Ihre Leistungsdaten sind nachfolgend aufgeführt: Der Rotor verfügt über drei Blätter mit einer Länge von jeweils ca. 39 m, deren Drehgeschwindigkeit zwischen 10,3 und 19,2 U/min liegen. Sie sind aus GFK gefertigt und am Drehkranz befestigt. Die Leistungsregelung erfolgt nach dem pitch-verfahren. Der Generator ist ein doppelt-gespeister Asychrongenerator mit einer Nennleistung von 2,5 MW. Die Spannung beläuft sich auf 660 V. Der Turm ist aus Stahl gefertigt. Sein Durchmesser liegt zwischen 3,8 m (unten ) und 3 m (oben). Bei der Offshore-Anlage

5 wird beim Fundament alternativ von einem Schwerkraftfundament bzw. einem Monopile ausgegangen. Die Nabenhöhe liegt bei m. Das Maschinenhaus ist ebenfalls aus GFK hergestellt. Auf dem Maschinenhaus befinden sich zwei Windmesseinrichtungen zur Windrichtungs- und Windgeschwindigkeitsmessung sowie zwei Blitzfangstangen, ferner sind Flughindernisbefeuerungen angebracht. Bild 4: N80 Windenergieanlage (NORDEX) Nachfolgendes Bild 5 zeigt das Maschinenhaus. Von rechts nach links sind die Rotorblätter mit der Nabe, das Hauptlager mit der Welle, das Getriebe und der sich links anschließende doppeltgespeiste Asynchronmotor dargestellt. Die Windgeschwindigkeits- und Windmesseinrichtungen sind zusammen mit den Blitzfangeinrichtungen auf dem Maschinenhausdach erkennbar (Bild 6).

6 Bild 5: Darstellung des Maschinenhauses Bild 6 : Windmesseinrichtungen, Fangeinrichtungen und Flugbefeuerung auf dem Maschinenhaus. Im Maschinenhaus: Blick über das Getriebe zum Generator 5. Blitzschutzzonenkonzept Zur Realisierung eines zuverlässigen Blitzschutzes ist die Windenenergienanlage in Blitzschutzzonen unterteilt, um sicherzustellen, dass die einzelnen Komponenten wie Rotorblätter, Nabe, elektronische Systeme, Lager u.s.w. entsprechend den vorliegenden Gefährdungsparametern hinreichend geschützt werden. Die Einteilung in

7 Blitzschutzzonen erfolgt aufgrund der Bedrohung durch einen direkten oder indirekten Blitzeinschlag bzw. durch die Felder, die durch die Blitzeinwirkung bei einem direkten Blitzeinschlag auftreten [7]. Die Unterteilung der Windenergieanlage in Blitzschutzzonen ist ein Hilfsmittel für die Sicherstellung eines systematischen und hinreichenden Schutzes aller Komponenten der Windenergieanlage. Bei einer angemessenen Aufteilung der Windenergieanlage in Blitzschutzzonen erhält man einen effektiven und kostengünstigen Schutz. Zum Beispiel ist der Schutz gegen Überspannungen nur notwendig für Kabel, die von einer Schutzzone zu einer anderen mit geringerem Schutzlevel geführt werden, wogegen interne Verbindungen innerhalb einer Schutzzone ungeschützt bleiben mögen. Bei einem direkten Blitzeinschlag wird die Blitzschutzzone O unterteilt in die Zonen O A und O B. Die Blitzschutzzone O A berücksichtigt neben dem gesamten Blitzstrom auch das ungedämpfte elektromagnetische Feld, wogegen bei der Blitzschutzzone O B nicht der Blitzstrom, wohl aber das durch den Blitzstrom hervorgerufene ungedämpfte Feld berücksichtigt wird. Die Grenze zwischen beiden Zonen kann durch das Blitzkugelverfahren ermittelt werden. In der Blitzschutzzone 1 liegen reduzierte Blitzstromwerte vor, bzw. gedämpfte Größen des elektromagnetischen Feldes, und in der Blitzstromzone 2 (bzw. 3 usw.) sind diese Werte jeweils weiter reduziert. Die Grenze zwischen LPZ0 A oder LPZ0 B und LPZ1 kann die Abdeckung des Maschinenhauses oder auch der Turm sein. Das Maschinenhaus, der Turm und der Transformatorraum gehören zur Schutzzone LPZ1 und der Schaltschrank im Maschinenhaus und im Turmfußbereich gehören zur Blitzschutzzone LPZ2. Sehr empfindliche Einrichtungen können in eine noch weiter geschützte Zone LPZ 3 untergebracht werden oder metallische Schränke für solche Einrichtungen können als Blitzschutzzone LPZ 3 vorgesehen werden. Blitzschutzzone Anforderungen LPZ 0 A Komponenten in dieser Zone müssen in der Lage sein, einen direkten Blitzeinschlag mit Strömen entsprechend der gewählten Blitzschutzklasse und die zugehörigen ungedämpften elektromagnetischen Feldern zu beherrschen und den vollen Blitzstrom abzuleiten. LPZ 0 B Wie LPZ0 A, außer dass die Komponenten den direkten Blitzstrom beherrschen müssen. LPZ 1 Dass elektromagnetische Feld vom Blitzstrom ist um db gedämpft, und die Ströme werden begrenzt durch SPDs (Surge Protection Devices) mit 6 kv(1,2/50)µs bzw. 3 ka (8/20 µs) LPZ 2 Das elektromagnetische Feld ist weiter bedämpft durch Metallräume, und die Ströme und Spannungen werden weiter durch SPDs (Surge Protection Devices) begrenzt. Tabelle 2: Anforderungen an die einzelnen Blitzschutzzonen An den Grenzen der einzelnen Zonen sind somit Maßnahmen zu treffen, die zu einer Begrenzung der Bedrohungsparameter in den Zonen höherer Zahl führen.

8 Die Blitzschutzklassen geben die Wirksamkeit an, bzw. drücken die Wahrscheinlichkeit aus, mit der ein Blitzschutzsystem ein Volumen gegen Blitzeinwirkung schützt. Im vorliegenden Fall wird nach einer Risikoabschätzung die Blitzschutzklasse I gewählt. Beziehung zwischen Schutzklasse P und Wirksamkeit E (nach EN ): Schutzklasse P Wirksamkeit E I 0,98 Zuordnung der Blitzstromkennwerte zu den Schutzklassen nach EN : Kennwerte des Blitzes Symbol Einheit Schutzklasse I Scheitelwert I ka 200 Impulsladung Q impuls C 100 Gesamtladung Q ges C 300 Spezifische Energie SE kj/ω Mittlere Steilheit di/dt ka/µs 200 Durch die Blitzfangeinrichtungen, z. B. an der dem Rotor abgewandten Seite des Maschinenhausdaches, wird eine Zone LPZ 0 B auf dem Dach des Maschinenhauses geschaffen, wodurch z. B. die meteorologischen Instrumente gegen direkten Blitzeinschlag geschützt werden können. Auch am Fuße der Windenergieanlage gibt es eine Zone LPZ 0 B. Hier kann ein Transformatorraum gegen direkten Blitzeinschlag geschützt werden. Bei jedem Zonenübergang wird sichergestellt, dass Kabel und Leitungen, die durch den Übergang hindurchführen, keine unzulässig hohen Teile des Blitzstromes oder unzulässig große Spannungstransienten in die Bereiche mit höherer Zahl leiten. Dies wird durch den Überspannungsschutz an den Zonengrenzen erreicht, durch den die Restspannungen und Reststromwerte auf ein tolerierbares Maß für das Equipment in der Blitzschutzzone mit höherer Kennzahl reduziert werden. Geeignete Anforderungen für die Unterteilung in Blitzschutz-Zonen werden in Tabelle 2 beschrieben. Zur Bestimmung der Einschlagspunkte in die Windenergieanlage wird das Blitzkugelverfahren herangezogen. Nach IEC wird hierbei für die gewählte Blitzschutzklasse I ein Blitzkugelradius von 20 m herangezogen. (Bei Beurteilungen nach dem Schutzwinkelverfahren ist ein Schutzwinkel α für diese Blitzschutzklasse nur bis zu Bauteilhöhen von 20 m heranzuziehen. Darüber hinaus ist nur das Blitzkugelverfahren und Maschenverfahren anzusetzen.) Die Maschenweite w für Anordnungen der Blitzschutzklasse I beläuft sich auf 5 m.

9 Bild 7: Bestimmung potentieller Einschlagspunkte nach dem Blitzkugelverfahren Aus o.a. Bild 7 ist zu entnehmen, dass ein direkter Blitzeinschlag in die WEA N80 an unterschiedlichen Stellen auftreten kann. 1. Einschlag in die Rotorblätter ist möglich. 2. Direkter Blitzeinschlag in die Turmwandung ist möglich. 3. Direkter Blitzeinschlag in die Blitzfangeinrichtung auf dem Maschinenhaus ist möglich. 4. Direkter Blitzeinschlag in die Nabe und dem Rahmen der Gondel ist möglich. Diese Stellen sind somit auch als Blitzschutzzone 0 A zu bezeichnen. Der Rahmen des Maschinendaches ist maschenartig aufgespannt und beschreibt hierbei eingeschlossene Flächen mit Abmessungen < (5m*5m). Somit kann der Innenbereich des Maschinenhauses da der Rahmen mit der Anlagenerde verbunden ist zur Blitzschutzzone 0 B gezählt werden. Die in der Gondel angeordneten Geräte können nicht direkt getroffen werden, wohl aber dem ungedämpften Feld der Blitzentladung ausgesetzt sein. 6. Blitzschutz der Rotorblätter Rotorblätter werden überwiegend aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) oder karbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) gefertigt. Sie verfügen häufig über eine

10 Blattspitze, die drehbar ist, um eine Bremswirkung erzielen zu können (bei Stallregelung üblich). Zwischen den beiden Flügelblattseiten, die an den Kanten miteinander verleimt sind, befindet sich eine Hohlraumkonstruktion aus Verbundwerkstoffen. Die Ober- und Unterseite des Blattes ist im allgemeinen mit dieser Kunststoffstruktur verleimt. Die irrige Meinung, dass nichtleitfähige Blätter nicht vom Blitz getroffen werden können, ließ sich in der Praxis widerlegen. Prinzipiell unterscheidet man Blätter, bei denen wie oben beschrieben- die Blattspitze als Bremse genutzt werden kann von solchen, die als ganzes Blatt drehbar in der Nabe gelagert sind. Bei älteren, kleinen Anlagen wird oftmals ein ausklappbares Querruder als Bremse genutzt oder eine über Federn gehaltene Tip-Bremse, die bei Überdrehzahl aufgrund der Zentrifugalkräfte ausgeklinkt wird und die Bremswirkung erzielt. Moderne Windenergieanlagen verfügen dagegen über mit Stahldraht ausgelöste Tip-Bremsen bzw. sind vollkommen aus nichtleitenden Werkstoffen hergestellt. Bei der beschriebenen NORDEX-N80-Anlage gibt es zum einen diejenige Variante, bei der in das GFK der Blattspitze ein metallischer Rezeptor eingebracht ist, der bei Blitzeinwirkungen den Bereich der Einschlagsorte darstellt. Vom Rezeptor an der Blattspitze wird eine Blitzstromableitung im Blatt bis zur Blattwurzel geführt. Bei der Blitzeinwirkung ist davon auszugehen, dass der Blitz in die Blattspitze einschlägt und dann über die Blitzableitung im Blattinneren den weiteren Weg zur Erde über das Maschinenhaus und den Turm nimmt. Die innere Blitzableitung ist hinreichend querschnittsreich ausgeführt. Eine der Hauptaufgaben des Blitzschutzes ist die Vermeidung von Lichtbögen im Blattinneren, da diese eine Zerstörung des Rotorblattes bewirken können. Die niederimpedante Blitzstromableitung im Blattinneren setzt deshalb voraus, dass die Blitzstromableitung für Blitzströme entsprechend der gewählten Blitzschutzklasse ausgelegt ist. Eine andere Möglichkeit der Blitzstromableitung kann außen am Rotorblatt erfolgen. Ein Metallmesh hinreichender Blitzstromtragfähigkeit kann unter dem Gelcoat des Rotorblattes in die Blattfläche eingearbeitet werden. Bei geeigneter Webart, Materialwahl und Materialquerschnitt kann der Blitzstrom über dieses Mesh von der Blattspitze bis zur Blattwurzel geleitet werden [8][9]. Selbst Seiteneinschläge in das Rotorblatt sind ohne Rotorblattzerstörung beherrschbar. Bei der N 80 der Fa. NORDEX wird auch dieser Weg alternativ beschritten, also einerseits werden Blätter eingesetzt, bei denen das zuerst genannte Verfahren des metallischen Rezeptors in der Spitze und des Ableiters im Blatt zur Blattwurzel gewählt wird, zum anderen kommen Blätter mit Kupferblechen an der Blattspitze und der Blattwurzel zum Einsatz, und ein Metallmesh auf der Außenhaut der Blätter wird unterhalb des Gelcoats angeordnet. 7. Schutz der Lager und des Getriebes Es ist bekannt, dass der elektrische Strom Schäden an Lagern hervorrufen kann. Selbst bei Gleich- oder Wechselstromdichten von unter 2 A/mm 2 treten Schäden an Lagern auf, wenn die Stromflusszeit hinreichend lang ist. Erst bei Unterschreitung der Stromdichtewerte von 0,1 A/mm 2 ist eine Beschädigung gering [10]. Bei

11 Blitzstromeinwirkung sind die Stromamplituden im allgemeinen deutlich höher als bei stationärem Wechsel- oder Gleichstrom. Zwar sind die Vorgänge von wesentlich geringerer Einwirkungszeit, dennoch kann an einzelnen Lagerbereichen ein solch hoher Energieumsatz auftreten, dass Lagerschäden die Folge sein können. Nach einem Blitzeinschlag wird i.a. das Lager nicht auf seine hierdurch aufgetretene Belastung überprüft, so dass die Schäden möglicherweise erst nach mehreren Jahren deutlich werden. Bei der Analyse von Schadensfällen sind vereinzelt sowohl bei Onshore - als auch bei Offshoreanlagen Lagerschäden an Windenergieanlagen bekannt geworden, nachdem Blitzschäden an den Blättern verzeichnet wurden. Es ist aus diesem Grunde ratsam, bei der Auslegung der Blitzschutzmaßnahmen dafür Sorge zu tragen, dass der Blitzstrom nicht über das Lager fließen kann, sondern am Lager vorbei. Bei der vorgestellten Windenergieanlage sind die in den Blattspitzen befindlichen Rezeptoren leitend über den Innenring des Blattlagers mit der Nabe verbunden. Hier wird der Blitzstrom über Kohlebürsten abgegriffen und unter Umgehung des Lagers auf den Maschinenträger geleitet. Vom Maschinenträger wird der Blitzstrom auf die Verzahnung des Azimutlagers geführt, das fest mit dem Stahlturm verbunden ist. Der Turm dient gleichzeitig als Ableitung für den Blitzstrom ins Erdreich. Die Weiterleitung in das Erdreich ist möglich, da im Sockelbereich des Turmes eine Verbindung an mehreren Punkten mit dem Fundamenterder erfolgt ist. Bild 8 zeigt den Übergang von der Nabe über die Rotorwelle in das Maschinenhaus. Bild 8: Übergang zwischen Rotornabe und Maschinenhaus

12 Bild 9: Blitzschutz-Kohlebürsten, Ableitung von Blitzströmen von der Welle über das massive Lagergehäuse zum Bodenrahmen und zum Turm Bild 10: Darstellung der Blitzschutz-Kohlebürsten von oben Die Bilder 9 und 10 zeigen die Kohlebürsten am Hauptlager.

13 8. Schutz der elektrischen/elektronischen Systeme Das elektrische System einer Windenergieanlage stellt ebenso wie das Regel- und Steuersystem ein komplexes System im Rotor, Maschinenhaus und im Turm dar. Prinzipiell lässt sich das elektrische System in die Energieerzeugung und Weiterleitung unterteilen bzw. in den Generatorbereich (380/660V), das Niederspannungssystem, den Transformatorbereich und die Mittelspannungsschaltanlage 10 kv, 20kV bzw. 30 kv [11][12]. Der Hauptteil der elektrischen/elektronischen Systeme ist in Schaltschränken im Turmfußbereich bzw. im Maschinenhaus angeordnet. Auch wenn viele Sensor- und Signalleitungen aus Lichtwellenleitern hergestellt sind, ist dennoch das System mit leitfähigen Kabelverbindungen recht komplex. Die an die Kabel angeschlossenen Geräte sind bei der Erstellung des EMV-orientierten Blitzschutzzonensystems wie bei jeder anderen baulichen Anlage zu berücksichtigen. Die endgültige Zuordnung der EMV-orientierten-Blitz-Schutzzonen zu den einzelnen Geräten und Anlagenteilen ist modifizierbar und abhängig von den Störschwellwerten der installierten Geräte. Hierbei ist es durchaus zulässig, dass eine EMV/Blitz- Schutzzone auch mit höherer Kennzahl versehen werden kann, wenn die Verträglichkeit des Gerätes dies erfordert. Bei der Erstellung der Maßnahmen des Inneren Blitzschutzes bzw. Überspannungsschutzes werden ausgehend von dem hier dargestellten Blitzschutzzonenkonzept die notwendigen Überspannungsschutzkriterien auf der Basis der Störschwellwerte der angeschlossenen Geräte ermittelt und abgeglichen! (Besonderheit bei Windkraftanlagen ist die Generatorspannung von 400/690 V.) Bei jeder weiteren Zonenschnittstelle innerhalb des zu schützenden Volumens ist ein weiterer örtlicher Potentialausgleich eingerichtet worden, in den alle Kabel und Leitungen, die diese Schnittstelle durchdringen, einbezogen sind. An die örtlichen Potentialausgleichsschienen sind auch alle metallenen Installationen wie Schaltschränke, Motoren, Generatoren angeschlossen. Die im örtlichen Potentialausgleich zur Anwendung kommenden Bauelemente und Schutzgeräte sind entsprechend der Zonengefährdung und Störfestigkeit der Geräte ausgewählt. Die Auswahl der Schutzeinrichtungen erfolgte entsprechend den geforderten Schutzpegeln unter Berücksichtigung der Systemdaten und der Systemverträglichkeit. Für Kabel und Leitungen, die aus den Zonen LPZ 0 A bzw. LPZ 0 B in die LPZ 1 eintreten, sind für die Energie- sowie Informations- und Datentechnik geeignete Blitzstromableiter vorgesehen. Für Kabel und Leitungen, die aus der LPZ1 Überspannungsableiter installiert. in die LPZ2 eintreten, sind geeignete Weitere Zonenübergänge werden durch entsprechend gestufte Überspannungsableiter realisiert.

14 Der wirkungsvolle Einsatz von Blitzstromableitern und Überspannungsschutzgeräten hängt entscheidend von der gegenseitigen Abstimmung der Bausteine in einer Linie ab. Zur Vermeidung von Überlastungen der Feinschutzgeräte ist stets auf eine ausreichende Entkopplung zwischen zwei Schutzbausteinen zu achten. In vielen Fällen kann solch eine Entkopplung durch natürliche Leitungslängen hergestellt werden, ebenso häufig aber müssen ggf. Entkopplungselemente in Form von Induktivitäten in den Leitungszug geschaltet werden. Nur bei ausreichender Entkopplung kann sichergestellt werden, dass die Schutzkomponenten entsprechend den vom Hersteller angegeben Werten auch begrenzen und nicht überlastet werden. Bild 11: Blitzstromableiter im 660 V-System in der (3x2) +0 -Schaltung Bild 11 zeigt die Blitzstromableiter für das 660 V-System in der (3x2)+0 -Schaltung. Kabel- bzw. Leitungsverbindungen zwischen Schaltschränken gleicher Blitzschutzzonen sind so mit diesen verbunden (Schirmung), dass das Blitzschutzzonensystem nicht unterbrochen wird.

15 9. Literatur [1] Rehfeldt, Knud; DEWI; Wind Energy Use in Germany- Status , [2] IEC , Wind Turbine Generator Systems, Part 24: Lightning protection for wind turbines, 1999 [3] defu, Recommendation 25, Lightning protection of wind turbines, Ed. 1 [4] IEC , Ausgabe 1.0; Protection of structures against lightning Part 1: General princiipals [5] IEC , Ausgabe 1.0; Protection against lightning electromagnetic impulse Part 1: General principals [6] IEC 61662: Accessment of the risk of damage due to lightning, incl. Amendment No 1 [7] Schimanski, J.; Überspannungsschutz: Theorie und Praxis, Hüthig-Verlag [8] Lehmann, E.,Scheibe, K.; EMV bei Windenergieanlagen, Teil 1: Äußerer Blitzschutz, GEMVaktuell, 1/96 [9] Scheibe, K.., Schimanski, J., Wetter M.; Blitzschutzmaßnahmen für eine Windkraftanlage, 3. VDE/ABB-Blitzschutztagung, 1999 [10] FAG, Rolling Bearings in Electric Machines, FAG Rolling Bearings, Publ. No. WL EA [11] Altmaier, H., Wolff, G. ; EMV bei Windenergieanlagen, Teil 2: Innerer Blitzschutz, GEMV-aktuell 2/96 [12] Schimanski, J., Fritzemeier, B., Scheibe, K., Wetter, M.; Anforderungen an Blitzstromableiter in 400/690 V-Systemen von Windenergieanlagen, 4. VDE/ABB-Blitzschutztagung, Adressen der Autoren Prof. Dr.-Ing. Klaus Scheibe, Fachhochschule Kiel - Fachbereich Informatik und Elektrotechnik Hochspannungstechnik/EMV Grenzstr. 3, Kiel Fax klaus.scheibe@fh-kiel.de Dipl.-Ing. Tobias Gehlhaar, Nordex-Energy GmbH, Department Offshore Technology Bornbarch 2, Norderstedt Fax: tgehlhaar@nordex-online.de Dipl.-Ing. Bernd Fritzemeier, Phoenix Contact GmbH & Co. KG Flachsmarktstr. 8, Blomberg Fax: bfritzemeier@phoenixcontact.com