Blitzstoßströme erkennen und analysieren 1

Die extremen Wetterbedingungen auf offener See stellen hohe Anforderungen an Windenergieanlagen. Um deren Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit zu erhöhen, sind umfassende Schutzmaßnahmen erforderlich. Phoenix Contact bietet dafür eine entsprechende Lösung. Widrige Wetterverhältnisse, Salznebel, Wellenschlag, heftige Gewitter-Entladungen und nicht zuletzt hohe Vibrationen – unter diesen Bedingungen müssen Windenergieanlagen (WEA) wirtschaftlich arbeiten.

Autoren: Steffen Riechers und Michael Thiele, Phoenix Contact

Bei Gewitter ist die Anlage durch ihre exponierte Installation zusätzlich gefährdet. Die energiereichen transienten Spannungsspitzen bei Blitzeinschlägen auf dem offenen Meer erfordern ein Überspannungsschutz-Konzept, das die Anlage über Jahrzehnte zuverlässig schützt.

Das Blitzschutzzonen-Konzept einer Windturbine weist unterschiedliche EMV-Schutzzonen aus, die durch geeignete Maßnahmen wie Potentialausgleich und Schirmung sowie Blitzstrom-Ableiter und Überspannungsschutz-Geräte abgesichert werde.

Beim Blitzeinschlag, etwa in ein Rotorblatt, wird der Blitzstrom über definierte Ableitungen ins Erdungssystem geführt. Soweit keine genaueren Analysen durchgeführt wurden, ist normativ – nach IEC 63205-2 – davon auszugehen, dass etwa 50 Prozent des Blitzstroms in die Anlage eingekoppelt wird. Das elektrische System kann also mit bis zu 100 kA belastet werden. Für einen umfassenden Schutz sind sowohl Blitzstrom-Ableiter Typ I wie auch Überspannungsschutz-Geräte Typ II erforderlich.

Die Zuordnung zur Blitzschutzzone (Lightning Protection Zone, kurz LPZ) hängt ab von den maximal zulässigen Restspannungen am Einbauort. Der neue Blitzstrom-Ableiter Powertrab PWT von Phoenix Contact ist der weltweit erste Typ I-Ableiter, der die Anforderungen in vollem Umfang sowie unabhängig von der jeweiligen Systemkonstellation erfüllt. Selbst die erhöhten Anforderungen eines IT-Stromversorgungssystems sind abgedeckt.

Den Kern des Gerätes bildet die netzfolgestromfreie Funkenstrecke mit Hochleistungs-Varistoren. Die Leckstromfreiheit des Powertrab verhindert einen Typ-bedingten Alterungsprozess, wie er etwa bei Blitzstrom-Ableitern auf Varistorbasis üblich ist. Die robuste Konstruktion sowie das korrosionsbeständige Aluminiumgehäuse erlauben einen uneingeschränkten Einsatz in rauer Umgebung sowie bis 4000 m Höhe.

Netzschwankungen dauerhaft beherrschen
Um einerseits dem Interesse des Anlagenbetreibers hinsichtlich des Wirkungsgrades zu entsprechen, und andererseits die Anschlussbedingungen der Netzbetreiber zu erfüllen, werden Generatoren in Kombination mit Wechselrichtern eingesetzt. Bauartbedingt treten dabei konstante, immer wiederkehrende hochfrequente Spannungsspitzen auf, die der Netzspannung überlagert sind.

Um diese auf Dauer zu bewältigen, ist ein resistenter Ableiter mit einer entsprechenden Bemessungsspannung erforderlich. Die Installationsrichtlinie für Blitzstrom-Ableiter Typ I sowie für Überspannungsschutz-Geräte Typ II setzt eine hohe Dauerspannung (Uc) für Ableiter voraus. Die Bemessungsspannung (UC) des Powertrab erfüllt mit 800 V AC nicht nur die Richtlinie, sondern bietet nach oben hin Reserven für 690 V IT-Systeme.

Hohe Anforderungen stellen auch die Normentwürfe für Ableiter in Windkraftanwendungen (CLC/TS 50539-22). Von Vorteil ist hier die niedrige Begrenzungsspannung von zum Beispiel 2,7 kV bei 35 kA. Nicht nur ungewöhnlich hohe Netzschwankungen und Fehlerzustände, auch mögliche betriebsbedingte stetig wiederkehrende Spannungsspitzen im Millisekunden-Bereich werden bewältigt.

Der Blitzstrom-Ableiter Powertrab arbeitet mit einer niedrigen Begrenzungsspannung – hier die Begrenzungsspannung U in kV bei verschiedenen Stoßstromamplituden I in kA (8/20 µs Impuls).

Nach IEC 61643-1 müssen Hersteller von Überspannungsschutz-Geräten eine maximal zulässige Ableiter-Vorsicherung angeben, um das Schutzgerät und die zuführenden Leitungen im Bedarfsfall zu schützen. Den Flaschenhals im Schutz-system bilden die Sicherungen, da sie nur bedingt blitzstromtragfähig sind.

Die maximal erforderliche Vorsicherung von 400 A schützt den Powertrab und dessen Verdrahtung bei Kurzschlüssen. Gleichzeitig kann sie den Blitzstrom von maximal 35 kA (10/350)µs, der pro Kanal auftrifft, sicher führen. Ein frühzeitiges Auslösen dieser Ableiter-Vorsicherung oder gar ein Auslösen der Anlagensicherung wird so vermieden.

Dem Systemausfall einen Schritt voraus
Powertrab signalisiert die einwandfreie Funktion durch ein neuartiges Fernmelde-Monitoring – auf der Basis einer integrierten mehrstufigen Zustandsüberwachung. Eine eventuelle Vorschädigung des Geräts wird dem Service-Team rechtzeitig signalisiert.

Das Überspannungsschutz-Gerät wird dadurch nicht beeinträchtigt, die Anlage ist weiterhin geschützt. Ein vorzeitiger Service-Einsatz entfällt, und das betroffene Schutzgerät kann beim nächsten regulären Wartungstermin ausgetauscht werden. Bevor der Ableiter in den Überlastbetrieb geht, setzt die zweite Signalisierungsstufe eine Meldung ab und schaltet den Powertrab zeitgleich in einen sicheren Zustand.

Auch wenn die WEA weiter geschützt ist, sollte das Schutzgerät umgehend getauscht werden. So wird beim nächsten Ereignis ein Auslösen der Ableiter-Vorsicherung vermieden. Powertrab PWT bietet zahlreiche Funktionen, um Windkraftanlagen sicherer und wirtschaftlicher zu machen. Auch in anderen Branchen wird der Blitzstrom-Ableiter eingesetzt.

Die erhöhten Anforderungen, die sich beim weltweiten Einsatz ergeben, erfüllt der Blitzstrom-Ableiter ebenfalls. Der geringe Platzbedarf sowie das integrierte mehrstufige Zustands-Meldesystem machen eine kostenoptimierte Wartung auch an schwer zugänglichen Standorten möglich. 

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