Erdungsanlagen in Windenergieanlagen zur Einhaltung zulässiger Berührungsspannungen Siemens AG, IC SG SE PTI stefan.hoene@siemens.com
Gliederung Einführung Grundlagen Forderungen der Standards: zulässige Berührungsspannungen Rho-E-Messung Besonderheiten von Windenergieanlagen Blitzschutz Überprüfung von Erdungsanlagen Beispiele Zusammenfassung
Personenschutz bei Erdfehlern
IEC TS 60479-1 Effekt des Stromes auf das Herz Herzkammerflimmern
Aufgaben der Erdungsanlage gemäß VDE 0101-2 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.
Beispiel Erdung einer Hochspannungsanlage Erdseil Lichtmast Gerüst Portal Gebäude Transformator Zaun Erdungssystem
Strömungsfeld im Erdreich I Stromlinien Äquipotentiallinien Ersatzwiderstände
Oberflächenpotential und Äquipotentiallinien G I Äquipotentiallinien in der Draufsicht Diagramm des Oberflächenpotentials
Erdungsspannung und Berührungsspannung Berührungsspannung Berührungsspannung Erdungsspannung Oberflächenpotential Transformator U E = R E I Potentialsteuerung
DIN VDE 0101-2 (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
Entwicklung der Erdungsnormen < 2000 2000 2010 Nationale Normen Deutschland DIN VDE 0141 Österreich ÖN Großbritannien BS 7430 Europa HD 637 (1999) DIN VDE 0101 (2000) International IEC 61936 (2002) Europa EN 50522 (2010) VDE 0101-2 (2011) International IEC 61936 (2010) VDE 0101-1 (2011) USA ANSI IEEE 80 (1986) USA ANSI IEEE 80 (2000)
VDE 0101-2: 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
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
Erdungsspannung und Berührungsspannung Berührungsspannung Berührungsspannung Erdungsspannung Oberflächenpotential Transformator U E = R E I Potentialsteuerung
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 1.7 10-4 Ω m Porzellan 5 10 Ω m
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
Blitzschutz-Erdungsanlage (DIN EN62305-3, IEC61400-24) Ausbreitungswiderstand, minimale Länge des Erders l1 (m) 100 90 80 70 60 50 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 40 30 Schutzklasse 20 10 0 0 500 1000 1500 2000 2500 III, IV 3000 p ( Ω m)
Strom-Spannungs-Methode mit großen Strömen Prinzip mit Kabel als Testleitung (VDE 0101-2, Anhang L)
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
Onshore Windpark
Onshore: Maßnahmen bei felsiger Untergrund
Schaltanlage, Erdungsmessung
Offshore Windpark
Offshore: Hochspannungsbetriebsmittel, Erdungsleitung
Offshore: Erdungsmessung, Messleitung
Zusammenfassung Eine Auslegung der Erdungsanlagen für Windenergieanlagen mit Betriebsmitteln über 1kV AC ist gemäß VDE0101-2 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 0101-2, Anhang L) Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!