Blitz- und Überspannungsschutz für Windkraftanlagen

Mit dem wachsenden Bewusstsein für die globale Erwärmung und den Grenzen unserer fossilen Brennstoffe wird die Notwendigkeit einer besseren erneuerbaren Energiequelle offensichtlich. Die Nutzung der Windenergie ist eine schnell wachsende Branche. Solche Installationen befinden sich im Allgemeinen in offenem und erhöhtem Gelände und bieten daher attraktive Erfassungspunkte für Blitzentladungen. Wenn eine zuverlässige Versorgung aufrechterhalten werden soll, ist es wichtig, dass die Ursachen für Überspannungsschäden gemindert werden. LSP bietet eine breite Palette von Überspannungsschutzgeräten, die sowohl für direkte als auch für teilweise Blitzströme geeignet sind.

Blitz- und Überspannungsschutz für Windkraftanlagen

LSP verfügt über eine vollständige Palette von Überspannungsschutzprodukten für Windkraftanlagen. Das Angebot von LSP über verschiedene DIN-Schienenschutzprodukte sowie Überspannungs- und Blitzüberwachung. In einer Zeit in der Geschichte, in der durch den Vorstoß zu grüner Energie und Technologie immer mehr Windparks gebaut und aktuelle Windparks erweitert werden, sind sich sowohl die Turbinenhersteller als auch die Eigentümer / Betreiber von Windparks zunehmend der damit verbundenen Kosten bewusst Blitzeinschläge. Der finanzielle Schaden, den die Bediener bei einem Blitzschlag erleiden, hat zwei Formen: Die Kosten für den Austausch von Maschinen aufgrund physischer Schäden und die Kosten für das System, das offline ist und keinen Strom erzeugt. Elektrische Turbinenanlagen stehen vor den ständigen Herausforderungen der sie umgebenden Landschaft, wobei Windkraftanlagen im Allgemeinen die höchsten Strukturen in einer Anlage sind. Aufgrund des rauen Wetters, dem sie ausgesetzt sein werden, und der Erwartung, dass eine Turbine während ihrer gesamten Lebensdauer mehrmals vom Blitz getroffen wird, müssen die Kosten für den Austausch und die Reparatur von Geräten in den Geschäftsplan eines Windparkbetreibers einbezogen werden. Der direkte und indirekte Blitzschlagschaden wird durch intensive elektromagnetische Felder verursacht, die vorübergehende Überspannungen erzeugen. Diese Überspannungen werden dann durch das elektrische System direkt zu empfindlichen Geräten innerhalb der Turbine selbst geleitet. Der Stoß breitet sich durch das System aus und verursacht sowohl sofortige als auch latente Schäden an Schaltkreisen und computergestützten Geräten. Komponenten wie Generatoren, Transformatoren und Stromrichter sowie Steuerelektronik-, Kommunikations- und SCADA-Systeme werden möglicherweise durch durch Licht verursachte Spannungsspitzen beschädigt. Direkte und unmittelbare Schäden können offensichtlich sein, aber latente Schäden, die infolge mehrerer Schläge oder wiederholter Überspannungen auftreten, können an wichtigen Leistungskomponenten einer betroffenen Windkraftanlage auftreten. Oft sind diese Schäden nicht durch die Herstellergarantien abgedeckt, und daher die Die Kosten für Reparatur und Austausch gehen zu Lasten des Betreibers.

Offline-Kosten sind ein weiterer wichtiger Faktor, der in jedem Geschäftsplan eines Windparks berücksichtigt werden muss. Diese Kosten entstehen, wenn eine Turbine deaktiviert ist und von einem Serviceteam bearbeitet werden muss oder wenn Komponenten ausgetauscht werden müssen, was sowohl Anschaffungs- als auch Transport- und Installationskosten umfasst. Die Einnahmen, die durch einen einzelnen Blitzschlag verloren gehen können, können erheblich sein, und der latente Schaden, der im Laufe der Zeit entsteht, trägt zu dieser Summe bei. Das Windkraftanlagenschutzprodukt von LSP reduziert die damit verbundenen Kosten erheblich, da es auch nach mehreren Streiks mehreren Blitzstößen ohne Fehler standhalten kann.

Der Fall für Überspannungsschutzsysteme für Windtrubinen

Der ständige Wandel der Klimabedingungen in Verbindung mit der zunehmenden Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen hat weltweit ein großes Interesse an nachhaltigen, erneuerbaren Energiequellen geweckt. Eine der vielversprechendsten Technologien für grüne Energie ist die Windenergie, die mit Ausnahme der hohen Anlaufkosten von vielen Nationen weltweit gewählt werden würde. In Portugal beispielsweise bestand das Ziel der Windenergieerzeugung von 2006 bis 2010 darin, die Gesamtenergieerzeugung der Windenergie auf 25% zu steigern, ein Ziel, das in späteren Jahren erreicht und sogar übertroffen wurde. Während aggressive Regierungsprogramme, die die Wind- und Solarenergieerzeugung vorantreiben, die Windindustrie erheblich erweitert haben, steigt mit dieser Zunahme der Anzahl von Windkraftanlagen die Wahrscheinlichkeit, dass Turbinen vom Blitz getroffen werden. Direkte Schläge auf Windkraftanlagen wurden als ernstes Problem erkannt, und es gibt einzigartige Probleme, die den Blitzschutz in der Windenergie schwieriger machen als in anderen Branchen.

Der Bau von Windkraftanlagen ist einzigartig und diese hohen, meist metallischen Strukturen sind sehr anfällig für Schäden durch Blitzeinschläge. Sie sind auch mit herkömmlichen Überspannungsschutztechnologien schwer zu schützen, die sich hauptsächlich nach einem einzigen Überspannungsschutz opfern. Windkraftanlagen können eine Höhe von mehr als 150 Metern erreichen und befinden sich normalerweise auf einer Anhöhe in abgelegenen Gebieten, die den Elementen ausgesetzt sind, einschließlich Blitzeinschlägen. Die am stärksten exponierten Komponenten einer Windkraftanlage sind die Schaufeln und die Gondel. Diese bestehen im Allgemeinen aus Verbundwerkstoffen, die keinen direkten Blitzschlag aushalten können. Ein typischer direkter Schlag tritt im Allgemeinen bei den Schaufeln auf und führt zu einer Situation, in der der Stoß durch die Turbinenkomponenten innerhalb der Windmühle und möglicherweise in alle elektrisch verbundenen Bereiche der Farm fließt. Die für Windparks typischen Bereiche weisen schlechte Erdungsbedingungen auf, und der moderne Windpark verfügt über eine Verarbeitungselektronik, die unglaublich empfindlich ist. All diese Probleme machen den Schutz von Windkraftanlagen vor blitzbedingten Schäden am schwierigsten.

Innerhalb der Windkraftanlagenstruktur selbst sind die Elektronik und die Lager sehr anfällig für Blitzschäden. Die mit Windkraftanlagen verbundenen Wartungskosten sind aufgrund der Schwierigkeiten beim Austausch dieser Komponenten hoch. Das Einbringen von Technologien, mit denen statistische Durchschnittswerte für den erforderlichen Austausch von Komponenten verbessert werden können, ist in den meisten Sitzungssälen und Regierungsbehörden, die mit der Windproduktion befasst sind, eine Quelle großer Diskussionen. Die Robustheit der Überspannungsschutz-Produktlinie ist unter den Überspannungsschutztechnologien einzigartig, da sie das Gerät auch bei Aktivierung weiterhin schützt und nach einem Blitzstoß kein Austausch oder Zurücksetzen erforderlich ist. Dadurch können Windkraftanlagen länger online bleiben. Jegliche Verbesserung der statistischen Durchschnittswerte der Offline-Status und der Zeiten, in denen die Turbinen wegen Wartungsarbeiten außer Betrieb sind, führt letztendlich zu weiteren Kosten für den Verbraucher.

Die Vermeidung von Schäden an Niederspannungs- und Steuerkreisen ist von entscheidender Bedeutung, da Studien gezeigt haben, dass mehr als 50% der Ausfälle von Windkraftanlagen durch Ausfälle dieser Art von Komponenten verursacht werden. Dokumentierte Ausfälle von Geräten, die auf direkte und induzierte Blitzeinschläge und Rückflussstöße zurückzuführen sind, die sich unmittelbar nach einem Blitzeinschlag ausbreiten, sind häufig. Auf der Stromnetzseite von Systemen installierte Blitzableiter werden zusammen mit der Niederspannungsseite geerdet, um den Erdungswiderstand zu verringern und die Fähigkeit der gesamten Kette zu erhöhen, einem Schlag auf eine einzelne Windkraftanlage standzuhalten.

Blitz- und Überspannungsschutz für Windkraftanlagen

Dieser Artikel beschreibt die Implementierung von Blitz- und Überspannungsschutzmaßnahmen für elektrische und elektronische Geräte und Systeme in einer Windkraftanlage.

Windkraftanlagen sind aufgrund ihrer großen exponierten Oberfläche und Höhe sehr anfällig für die Auswirkungen direkter Blitzeinschläge. Da das Risiko eines Blitzeinschlags auf eine Windkraftanlage quadratisch mit ihrer Höhe zunimmt, kann geschätzt werden, dass eine Multi-Megawatt-Windkraftanlage ungefähr alle zwölf Monate von einem direkten Blitzschlag getroffen wird.

Die Einspeisungskompensation muss die hohen Investitionskosten innerhalb weniger Jahre amortisieren, so dass Ausfallzeiten infolge von Blitz- und Überspannungsschäden und damit verbundenen Reparaturkosten vermieden werden müssen. Deshalb sind umfassende Blitz- und Überspannungsschutzmaßnahmen unerlässlich.

Bei der Planung eines Blitzschutzsystems für Windkraftanlagen müssen nicht nur Wolken-zu-Erde-Blitze, sondern auch Erde-zu-Wolken-Blitze, sogenannte Aufwärtsleiter, für Objekte mit einer Höhe von mehr als 60 m an exponierten Orten berücksichtigt werden . Die hohe elektrische Ladung dieser Aufwärtsleiter muss insbesondere für den Schutz der Rotorblätter und die Auswahl geeigneter Blitzstromableiter berücksichtigt werden.

Standardisierung - Blitz- und Überspannungsschutz für Windkraftanlagen
Das Schutzkonzept sollte auf den internationalen Normen IEC 61400-24, IEC 62305 und den Richtlinien der Germanischen Lloyd Klassifikationsgesellschaft basieren.

Schutzmaßnahmen
IEC 61400-24 empfiehlt die Auswahl aller Unterkomponenten des Blitzschutzsystems einer Windkraftanlage nach Blitzschutzstufe (LPL) I, es sei denn, eine Risikoanalyse zeigt, dass eine niedrigere LPL ausreicht. Eine Risikoanalyse kann auch ergeben, dass verschiedene Unterkomponenten unterschiedliche LPLs aufweisen. IEC 61400-24 empfiehlt, dass das Blitzschutzsystem auf einem umfassenden Blitzschutzkonzept basiert.

Der Blitz- und Überspannungsschutz für Windkraftanlagen besteht aus einem externen Blitzschutzsystem (LPS) und Überspannungsschutzmaßnahmen (SPMs) zum Schutz elektrischer und elektronischer Geräte. Um Schutzmaßnahmen zu planen, ist es ratsam, die Windkraftanlage in Blitzschutzzonen (LPZ) zu unterteilen.

Der Blitz- und Überspannungsschutz für Windkraftanlagen schützt zwei Teilsysteme, die nur in Windkraftanlagen zu finden sind, nämlich die Rotorblätter und den mechanischen Antriebsstrang.

In IEC 61400-24 wird ausführlich beschrieben, wie diese speziellen Teile einer Windkraftanlage geschützt werden und wie die Wirksamkeit der Blitzschutzmaßnahmen nachgewiesen werden kann.

Nach dieser Norm ist es ratsam, Hochspannungstests durchzuführen, um die Blitzstrombeständigkeit der betreffenden Systeme mit dem ersten Hub und dem langen Hub, wenn möglich, in einer gemeinsamen Entladung zu überprüfen.

Die komplexen Probleme hinsichtlich des Schutzes der Rotorblätter und der drehbar montierten Teile / Lager müssen eingehend untersucht werden und hängen vom Hersteller und Typ der Komponenten ab. Die Norm IEC 61400-24 enthält diesbezüglich wichtige Informationen.

Blitzschutzzonenkonzept
Das Blitzschutzzonenkonzept ist eine Strukturierungsmaßnahme zum Erstellen einer definierten EMV-Umgebung in einem Objekt. Die definierte EMV-Umgebung wird durch die Störfestigkeit der verwendeten elektrischen Geräte festgelegt. Das Blitzschutzzonenkonzept ermöglicht die Reduzierung von leitungsgebundenen und abgestrahlten Störungen an den Grenzen auf definierte Werte. Aus diesem Grund wird das zu schützende Objekt in Schutzzonen unterteilt.

Das Rollkugelverfahren kann verwendet werden, um LPZ 0A zu bestimmen, nämlich die Teile einer Windkraftanlage, die direkten Blitzeinschlägen ausgesetzt sein können, und LPZ 0B, nämlich die Teile einer Windkraftanlage, die vor direkten Blitzeinschlägen durch Außenluft geschützt sind. Abschlusssysteme oder Luftabschlusssysteme, die in Teile einer Windkraftanlage integriert sind (z. B. im Rotorblatt).

Gemäß IEC 61400-24 darf die Rollkugelmethode nicht für Rotorblätter selbst verwendet werden. Aus diesem Grund sollte die Konstruktion des Luftabschlusssystems gemäß Kapitel 8.2.3 der Norm IEC 61400-24 geprüft werden.

Fig. 1 zeigt eine typische Anwendung des Rollkugelverfahrens, während Fig. 2 die mögliche Aufteilung einer Windkraftanlage in verschiedene Blitzschutzzonen darstellt. Die Unterteilung in Blitzschutzzonen hängt von der Auslegung der Windkraftanlage ab. Daher sollte der Aufbau der Windkraftanlage beachtet werden.

Es ist jedoch entscheidend, dass die von außerhalb der Windkraftanlage in LPZ 0A eingespeisten Blitzparameter durch geeignete Abschirmmaßnahmen und Überspannungsschutzvorrichtungen an allen Zonengrenzen reduziert werden, damit die elektrischen und elektronischen Geräte und Systeme innerhalb der Windkraftanlage betrieben werden können sicher.

Abschirmmaßnahmen
Das Gehäuse sollte als eingekapselte Metallabschirmung ausgeführt sein. Dies bedeutet, dass im Gehäuse ein Volumen mit einem elektromagnetischen Feld erreicht wird, das erheblich geringer ist als das Feld außerhalb der Windkraftanlage.

Gemäß IEC 61400-24 kann ein Stahlrohr-Turm, der überwiegend für große Windkraftanlagen verwendet wird, als nahezu perfekter Faradayscher Käfig angesehen werden, der sich am besten für die elektromagnetische Abschirmung eignet. Die Schaltanlagen und Schaltschränke im Gehäuse oder in der „Gondel“ und gegebenenfalls im Betriebsgebäude sollten ebenfalls aus Metall bestehen. Die Verbindungskabel sollten über eine externe Abschirmung verfügen, die Blitzströme aufnehmen kann.

Abgeschirmte Kabel sind nur dann beständig gegen EMV-Störungen, wenn die Abschirmungen an beiden Enden mit dem Potentialausgleich verbunden sind. Die Abschirmungen müssen über vollständig (360 °) Kontaktklemmen kontaktiert werden, ohne dass EMV-inkompatible lange Verbindungskabel an der Windkraftanlage installiert werden.

Die magnetische Abschirmung und Kabelführung sollte gemäß Abschnitt 4 der IEC 62305-4 erfolgen. Aus diesem Grund sollten die allgemeinen Richtlinien für eine EMV-kompatible Installationspraxis gemäß IEC / TR 61000-5-2 verwendet werden.

Abschirmmaßnahmen umfassen zum Beispiel:

• Installation eines Metallgeflechts auf GFK-beschichteten Gondeln.
• Metallturm.
• Schaltschränke aus Metall.
• Schaltschränke aus Metall.
• Blitzstromführende abgeschirmte Verbindungskabel (Metallkabelkanal, abgeschirmtes Rohr oder dergleichen).
• Kabelabschirmung.

Externe Blitzschutzmaßnahmen
Die Funktion des externen LPS besteht darin, direkte Blitzeinschläge einschließlich Blitzeinschläge in den Turm der Windkraftanlage abzufangen und den Blitzstrom vom Einschlagpunkt auf den Boden abzuleiten. Es wird auch verwendet, um den Blitzstrom im Boden ohne thermische oder mechanische Schäden oder gefährliche Funkenbildung zu verteilen, die Feuer oder Explosion verursachen und Personen gefährden können.

Die potenziellen Auftreffpunkte für eine Windkraftanlage (mit Ausnahme der Rotorblätter) können mit Hilfe der in Abb. 1 gezeigten Rollkugelmethode bestimmt werden. Für Windkraftanlagen empfiehlt es sich, die Klasse LPS I zu verwenden. Daher ist eine Rollkugel mit Ein Radius r = 20 m wird über die Windkraftanlage gerollt, um die Auftreffpunkte zu bestimmen. Luftabschlusssysteme sind erforderlich, wenn die Kugel die Windkraftanlage berührt.

Die Gondel- / Gehäusekonstruktion sollte in das Blitzschutzsystem integriert werden, um sicherzustellen, dass Blitzeinschläge in der Gondel entweder natürliche Metallteile treffen, die dieser Last standhalten können, oder ein dafür vorgesehenes Luftabschlusssystem. Gondeln mit GFK-Beschichtung sollten mit einem Luftabschlusssystem und Ableitern ausgestattet sein, die einen Käfig um die Gondel bilden.

Das Luftabschlusssystem einschließlich der blanken Leiter in diesem Käfig sollte Blitzeinschlägen entsprechend der gewählten Blitzschutzstufe standhalten können. Weitere Leiter im Faradayschen Käfig sollten so ausgelegt sein, dass sie dem Anteil des Blitzstroms standhalten, dem sie ausgesetzt sein können. In Übereinstimmung mit IEC 61400-24 sollten Luftabschlusssysteme zum Schutz von außerhalb der Gondel montierten Messgeräten in Übereinstimmung mit den allgemeinen Anforderungen von IEC 62305-3 ausgelegt sein und Ableiter sollten an den oben beschriebenen Käfig angeschlossen werden.

In das LPS können „natürliche Komponenten“ aus leitfähigen Materialien integriert werden, die dauerhaft in / an einer Windkraftanlage installiert sind und unverändert bleiben (z. B. Blitzschutzsystem der Rotorblätter, Lager, Großrechner, Hybridtürme usw.). Wenn Windkraftanlagen aus Metall bestehen, kann davon ausgegangen werden, dass sie die Anforderungen an ein externes Blitzschutzsystem der Klasse LPS I gemäß IEC 62305 erfüllen.

Dies erfordert, dass der Blitzschlag vom LPS der Rotorblätter sicher abgefangen wird, damit er über natürliche Komponenten wie Lager, Großrechner, Turm und / oder Bypass-Systeme (z. B. offene Funkenstrecken) in das Erdungsabschlusssystem entladen werden kann. Kohlebürsten).

Luftabschlusssystem / Ableiter
Wie in Fig. 1 gezeigt, sind die Rotorblätter; Gondel einschließlich Aufbauten; Die Rotornabe und der Turm der Windkraftanlage können vom Blitz getroffen werden.
Wenn sie den maximalen Blitzimpulsstrom von 200 kA sicher abfangen und in das Erdungsabschlusssystem entladen können, können sie als „natürliche Komponenten“ des Luftabschlusssystems des externen Blitzschutzsystems der Windkraftanlage verwendet werden.

Metallische Rezeptoren, die definierte Trefferpunkte für Blitzeinschläge darstellen, werden häufig entlang der GFK-Klinge installiert, um die Rotorblätter vor Blitzschäden zu schützen. Ein Ableiter wird vom Rezeptor zur Klingenwurzel geführt. Bei einem Blitzschlag kann davon ausgegangen werden, dass der Blitzschlag auf die Blattspitze (Rezeptor) trifft und dann über den Ableiter im Inneren der Klinge über die Gondel und den Turm zum Erdungsabschlusssystem entladen wird.

Erdterminierungssystem
Das Erdungsabschlusssystem einer Windkraftanlage muss verschiedene Funktionen erfüllen, z. B. Personenschutz, EMV-Schutz und Blitzschutz.

Ein wirksames Erdungsabschlusssystem (siehe Abb. 3) ist wichtig, um Blitzströme zu verteilen und die Zerstörung der Windkraftanlage zu verhindern. Darüber hinaus muss das Erdterminierungssystem Menschen und Tiere vor elektrischem Schlag schützen. Im Falle eines Blitzeinschlags muss das Erdungsabschlusssystem hohe Blitzströme an den Boden abgeben und diese ohne gefährliche thermische und / oder elektrodynamische Effekte im Boden verteilen.

Im Allgemeinen ist es wichtig, ein Erdungsabschlusssystem für eine Windkraftanlage einzurichten, mit dem die Windkraftanlage vor Blitzeinschlägen geschützt und das Stromversorgungssystem geerdet wird.

Hinweis: Elektrische Hochspannungsvorschriften wie Cenelec HO 637 S1 oder geltende nationale Normen legen fest, wie ein Erdungsabschlusssystem zu konstruieren ist, um hohe Berührungs- und Stufenspannungen durch Kurzschlüsse in Hoch- oder Mittelspannungssystemen zu vermeiden. In Bezug auf den Personenschutz bezieht sich die Norm IEC 61400-24 auf IEC // TS 60479-1 und IEC 60479-4.

Anordnung der Erdungselektroden

Die IEC 62305-3 beschreibt zwei Grundtypen von Erdelektrodenanordnungen für Windkraftanlagen:

Typ A: Gemäß Anhang I der IEC 61400-24 darf diese Anordnung nicht für Windkraftanlagen verwendet werden, sondern kann für Anhänge verwendet werden (z. B. Gebäude mit Messgeräten oder Büroschuppen in Verbindung mit einem Windpark). Erdungselektrodenanordnungen vom Typ A bestehen aus horizontalen oder vertikalen Erdungselektroden, die durch mindestens zwei Ableiter am Gebäude verbunden sind.

Typ B: Gemäß Anhang I der IEC 61400-24 muss diese Anordnung für Windkraftanlagen verwendet werden. Es besteht entweder aus einer im Boden installierten externen Ringerdungselektrode oder einer Fundamenterdungselektrode. Ringerdungselektroden und Metallteile im Fundament müssen mit der Turmkonstruktion verbunden werden.

Die Verstärkung des Turmfundaments sollte in das Erdungskonzept einer Windkraftanlage integriert werden. Das Erdungsabschlusssystem der Turmbasis und des Betriebsgebäudes sollte über ein vermaschtes Netzwerk von Erdungselektroden verbunden werden, um ein Erdungsabschlusssystem zu erhalten, das sich über eine möglichst große Fläche erstreckt. Um übermäßige Stufenspannungen infolge eines Blitzeinschlags zu vermeiden, müssen um den Turmfuß herum potenziell kontrollierende und korrosionsbeständige Ringerdungselektroden (aus Edelstahl) installiert werden, um den Schutz von Personen zu gewährleisten (siehe Abb. 3).

Erdungselektroden

Fundamenterdungselektroden sind technisch und wirtschaftlich sinnvoll und beispielsweise in den deutschen Technischen Anschlussbedingungen (TAB) von Energieversorgungsunternehmen vorgeschrieben. Fundamenterdungselektroden sind Teil der elektrischen Installation und erfüllen wesentliche Sicherheitsfunktionen. Aus diesem Grund müssen sie von elektrisch qualifizierten Personen oder unter Aufsicht einer elektrisch qualifizierten Person installiert werden.

Für Erdungselektroden verwendete Metalle müssen den in Tabelle 7 der IEC 62305-3 aufgeführten Materialien entsprechen. Das Korrosionsverhalten von Metall im Boden muss immer beachtet werden. Fundamenterdungselektroden müssen aus verzinktem oder nicht verzinktem Stahl (Rund- oder Bandstahl) bestehen. Rundstahl muss einen Mindestdurchmesser von 10 mm haben. Bandstahl muss Mindestabmessungen von 30 x 3,5 mm haben. Beachten Sie, dass dieses Material mit mindestens 5 cm Beton bedeckt sein muss (Korrosionsschutz). Die Fundamenterdungselektrode muss mit dem Hauptpotentialpotentialverbindungsstab in der Windkraftanlage verbunden werden. Korrosionsbeständige Verbindungen müssen über feste Erdungspunkte der Anschlussfahnen aus Edelstahl hergestellt werden. Darüber hinaus muss eine Ringerdungselektrode aus Edelstahl in den Boden eingebaut werden.

Schutz beim Übergang von LPZ 0A zu LPZ 1

Um einen sicheren Betrieb elektrischer und elektronischer Geräte zu gewährleisten, müssen die Grenzen der LPZ gegen Strahlungsstörungen abgeschirmt und gegen leitungsgebundene Störungen geschützt werden (siehe Abb. 2 und 4). Beim Übergang von LPZ 0A zu LPZ 1 (auch als „Blitz-Äquipotential-Bonding“ bezeichnet) müssen Überspannungsschutzgeräte installiert werden, die in der Lage sind, hohe Blitzströme ohne Zerstörung zu entladen. Diese Überspannungsschutzgeräte werden als Blitzstromableiter der Klasse I bezeichnet und mittels Impulsströmen mit einer Wellenform von 10/350 μs geprüft. Beim Übergang von LPZ 0B zu LPZ 1 und LPZ 1 und höher müssen nur niederenergetische Impulsströme bewältigt werden, die durch außerhalb des Systems induzierte Spannungen oder im System erzeugte Überspannungen verursacht werden. Diese Überspannungsschutzvorrichtungen werden als Überspannungsableiter der Klasse II bezeichnet und mittels Impulsströmen mit einer Wellenform von 8/20 μs getestet.

Gemäß dem Blitzschutzzonenkonzept müssen alle ankommenden Kabel und Leitungen ausnahmslos mittels Blitzstromableitern der Klasse I an der Grenze von LPZ 0A nach LPZ 1 oder von LPZ 0A nach LPZ 2 in die Blitz-Potentialausgleichsverbindung integriert werden.

Für jede weitere Zonengrenze innerhalb des zu schützenden Volumens muss eine weitere lokale Potentialausgleichsverbindung installiert werden, bei der alle Kabel und Leitungen, die in diese Grenze eintreten, integriert werden müssen.

Überspannungsableiter vom Typ 2 müssen beim Übergang von LPZ 0B zu LPZ 1 und von LPZ 1 zu LPZ 2 installiert werden, während Überspannungsableiter der Klasse III beim Übergang von LPZ 2 zu LPZ 3 installiert werden müssen. Die Funktion von Klasse II und Klasse III Überspannungsableiter sollen die Reststörung der vorgeschalteten Schutzstufen verringern und die in der Windkraftanlage induzierten oder erzeugten Überspannungen begrenzen.

Auswahl der SPDs basierend auf der Spannungsschutzstufe (Up) und der Störfestigkeit der Geräte

Um das Up in einer LPZ zu beschreiben, müssen die Immunitätsstufen der Geräte innerhalb einer LPZ definiert werden, z. B. für Stromleitungen und Anschlüsse von Geräten gemäß IEC 61000-4-5 und IEC 60664-1; für Telekommunikationsleitungen und Anschlüsse von Geräten gemäß IEC 61000-4-5, ITU-T K.20 und ITU-T K.21 sowie für andere Leitungen und Anschlüsse von Geräten gemäß den Anweisungen des Herstellers.

Hersteller von elektrischen und elektronischen Bauteilen sollten in der Lage sein, die erforderlichen Informationen zur Störfestigkeit gemäß den EMV-Normen bereitzustellen. Andernfalls sollte der Windkraftanlagenhersteller Tests durchführen, um das Immunitätsniveau zu bestimmen. Das definierte Immunitätsniveau von Komponenten in einer LPZ definiert direkt das erforderliche Spannungsschutzniveau für die LPZ-Grenzen. Die Störfestigkeit eines Systems muss gegebenenfalls bei allen installierten SPDs und den zu schützenden Geräten nachgewiesen werden.

Schutz der Stromversorgung

Der Transformator einer Windkraftanlage kann an verschiedenen Orten installiert werden (in einer separaten Verteilerstation, in der Turmbasis, im Turm, in der Gondel). Beispielsweise wird bei großen Windkraftanlagen das ungeschirmte 20-kV-Kabel in der Turmbasis zu den Mittelspannungsschaltanlagen geführt, die aus einem Vakuum-Leistungsschalter, einem mechanisch verriegelten Wahlschalter-Trennschalter, einem ausgehenden Erdungsschalter und einem Schutzrelais bestehen.

Die MV-Kabel werden von der MV-Schaltanlage im Turm der Windkraftanlage zum Transformator in der Gondel geführt. Der Transformator speist den Schaltschrank im Turmfuß, den Schaltschrank in der Gondel und das Pitch-System in der Nabe über ein TN-C-System (L1; L2; L3; PEN-Leiter; 3PhY; 3 W + G). Der Schaltschrank in der Gondel versorgt die elektrischen Geräte mit einer Wechselspannung von 230/400 V.

Gemäß IEC 60364-4-44 müssen alle in einer Windkraftanlage installierten elektrischen Geräte eine bestimmte Nennimpulsfestigkeit aufweisen, die der Nennspannung der Windkraftanlage entspricht. Dies bedeutet, dass die zu installierenden Überspannungsableiter in Abhängigkeit von der Nennspannung des Systems mindestens das angegebene Spannungsschutzniveau aufweisen müssen. Überspannungsableiter zum Schutz von 400/690-V-Stromversorgungssystemen müssen einen Mindestspannungsschutz von bis zu ≤ 2,5 kV aufweisen, während Überspannungsableiter zum Schutz von 230/400-V-Stromversorgungssystemen einen Spannungsschutz von bis zu ≤ 1,5 aufweisen müssen kV zum Schutz empfindlicher elektrischer / elektronischer Geräte. Um diese Anforderung zu erfüllen, müssen Überspannungsschutzgeräte für 400/690-V-Stromversorgungssysteme installiert werden, die Blitzströme mit einer Wellenform von 10/350 μs ohne Zerstörung leiten können und einen Spannungsschutzpegel von bis zu ≤2,5 kV gewährleisten.

230/400 V Stromversorgungssysteme

Die Spannungsversorgung des Schaltschranks im Turmfuß, des Schaltschrankes in der Gondel und des Pitch-Systems in der Nabe mittels eines 230/400 V TN-C-Systems (3PhY, 3W + G) sollte durch Klasse II geschützt werden Überspannungsableiter wie SLP40-275 / 3S.

Schutz der Flugzeugwarnleuchte

Die Flugzeugwarnleuchte am Sensormast in LPZ 0B sollte an den entsprechenden Zonenübergängen (LPZ 0B → 1, LPZ 1 → 2) mit einem Überspannungsableiter der Klasse II geschützt werden (Tabelle 1).

400 / 690V-Stromversorgungssysteme Zum Schutz des 400/690 V-Transformators müssen koordinierte einpolige Blitzstromableiter mit einer hohen Nachstrombegrenzung für 40/750 V-Stromversorgungssysteme wie SLP3-400 / 690S installiert werden , Wechselrichter, Netzfilter und Messgeräte.

Schutz der Generatorleitungen

Unter Berücksichtigung hoher Spannungstoleranzen müssen Überspannungsableiter der Klasse II für Nennspannungen bis 1000 V installiert werden, um die Rotorwicklung des Generators und die Versorgungsleitung des Wechselrichters zu schützen. Ein zusätzlicher funkenstreckenbasierter Ableiter mit einer Nennleistungsfrequenzfestigkeit UN / AC = 2,2 kV (50 Hz) dient zur Potentialisolation und um zu verhindern, dass die varistorbasierten Ableiter aufgrund möglicherweise auftretender Spannungsschwankungen vorzeitig arbeiten während des Betriebs des Wechselrichters. Auf jeder Seite des Stators des Generators ist ein modularer dreipoliger Überspannungsableiter der Klasse II mit einer erhöhten Nennspannung des Varistors für 690-V-Systeme installiert.

Modulare dreipolige Überspannungsableiter der Klasse II vom Typ SLP40-750 / 3S wurden speziell für Windkraftanlagen entwickelt. Sie haben eine Nennspannung des Varistors Umov von 750 V AC unter Berücksichtigung von Spannungsschwankungen, die während des Betriebs auftreten können.

Überspannungsableiter für IT-Systeme

Überspannungsableiter zum Schutz elektronischer Geräte in Telekommunikations- und Signalisierungsnetzen vor den indirekten und direkten Auswirkungen von Blitzeinschlägen und anderen vorübergehenden Überspannungen sind in IEC 61643-21 beschrieben und werden an den Zonengrenzen gemäß dem Blitzschutzzonenkonzept installiert.

Mehrstufige Ableiter müssen ohne tote Winkel ausgelegt sein. Es ist darauf zu achten, dass die verschiedenen Schutzstufen aufeinander abgestimmt sind, da sonst nicht alle Schutzstufen aktiviert werden und Fehler im Überspannungsschutzgerät auftreten.

In den meisten Fällen werden Glasfaserkabel zum Verlegen von IT-Leitungen in eine Windkraftanlage und zum Verbinden der Schaltschränke von der Turmbasis mit der Gondel verwendet. Die Verkabelung zwischen den Aktoren und Sensoren und den Schaltschränken erfolgt über abgeschirmte Kupferkabel. Da Störungen durch eine elektromagnetische Umgebung ausgeschlossen sind, müssen die Glasfaserkabel nicht durch Überspannungsableiter geschützt werden, es sei denn, das Glasfaserkabel hat einen Metallmantel, der direkt in die Potentialausgleichsverbindung oder mittels Überspannungsschutzvorrichtungen integriert werden muss.

Im Allgemeinen müssen die folgenden abgeschirmten Signalleitungen, die die Aktuatoren und Sensoren mit den Schaltschränken verbinden, durch Überspannungsschutzgeräte geschützt werden:

• Signalleitungen der Wetterstation am Sensormast.
• Signalleitungen zwischen der Gondel und dem Pitch-System im Hub.
• Signalleitungen für das Pitch-System.

Signalleitungen der Wetterstation

Die Signalleitungen (4 - 20 mA-Schnittstellen) zwischen den Sensoren der Wetterstation und dem Schaltschrank sind von LPZ 0B nach LPZ 2 verlegt und können mit FLD2-24 geschützt werden. Diese platzsparenden kombinierten Ableiter schützen zwei oder vier einzelne Leitungen mit gemeinsamem Referenzpotential sowie unsymmetrische Schnittstellen und sind mit direkter oder indirekter Schirmerdung erhältlich. Zwei flexible Federklemmen für dauerhaften niederohmigen Schirmkontakt mit der geschützten und ungeschützten Seite des Ableiters werden zur Schirmerdung verwendet.

Labortests nach IEC 61400-24

IEC 61400-24 beschreibt zwei grundlegende Methoden zur Durchführung von Immunitätstests auf Systemebene für Windkraftanlagen:

• Während Impulsstromtests unter Betriebsbedingungen werden Impulsströme oder Teilblitzströme in die einzelnen Leitungen eines Steuerungssystems eingespeist, während Versorgungsspannung vorhanden ist. Dabei wird das zu schützende Gerät einschließlich aller SPDs einem Impulsstromtest unterzogen.
• Die zweite Testmethode simuliert die elektromagnetischen Effekte der blitzelektromagnetischen Impulse (LEMPs). Der volle Blitzstrom wird in die Struktur eingespeist, die den Blitzstrom entlädt, und das Verhalten des elektrischen Systems wird analysiert, indem die Verkabelung unter Betriebsbedingungen so realistisch wie möglich simuliert wird. Die Blitzstromsteilheit ist ein entscheidender Testparameter.