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Die
Erfindung betrifft ein Blitzschutzsystem für ein Rotorblatt einer Windkraftanlage
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Es
ist bekannt, dass Blitze häufig
in den höchst
gelegenen Punkt des Gebietes einschlagen. Windkraft- bzw. Windenergieanlagen – und vor
allem deren Rotorblätter – sind aufgrund
ihrer exponierten Lage in besonderem Maße blitzgefährdet. Aus diesem Grund werden
moderne Rotorblätter üblicherweise
bereits bei deren Herstellung mit einem Blitzschutzsystem ausgerüstet.
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Das
Baukonzept der üblicherweise
in einem Rotorblatt eingesetzten Blitzschutzsysteme ist ähnlich:
Es besteht aus einem oder mehreren, im Bereich der Rotorblattspitze
angeordneten Blitzfängern
(Rezeptoren), die über
einen Leiter mit der Maschine verbunden und dort an eine Erdung
angeschlossen sind.
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Derartige
Konstruktionen sind z.B. in der WO 2005/031158 A2 und der
DE 695 20 220 T2 offenbart.
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Bei
bekannten Blitzschutzsystemen variiert die konstruktive Ausgestaltung.
Weniger bewährt
haben sich Systeme, bei denen der Blitzfänger als Blechkonstruktion
ausgeführt
ist und die Anbindung und die Dauerfestigkeit der Blitzleiter ungenügend sind.
Neben Metallbändern,
die im ungünstigsten
Fall auch noch im nichtzugänglichen
Teil des Blattes gestückelt
sind, kommt es auch bei im Innern des Rotorblattes gespannten, gedrillten
Kupferkabeln zu Ermüdungsbrüchen in
Folge der Materialversprödung durch
thermisch bedingte oder aufgrund der Rotation des Rotorblattes auftretenden
Wechsellasten.
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Es
zeigte sich, dass Rotoren besonders schadensauffällig sind, die kein Blitzschutzsystem haben.
Ebenso schadensauffällig
sind auch Rotoren mit einem defekten Blitzschutzsystem, insbesondere einem
System der oben genannten Art mit einem Blitzfänger als Blechkonstruktion.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ausgehend von diesem Stand der Technik ein
verbessertes Blitzschutzsystem anzugeben, welches sich insbesondere
durch eine erhöhte
Haltbarkeit auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
ein Blitzschutzsystem für
ein Rotorblatt einer Windkraftanlage mit den Merkmalen des Patentanspruches
1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Unteransprüchen 2 bis
7 angegeben.
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Erfindungsgemäß wird bei
dem Blitzschutzsystem wenigstens ein Rezeptor, üblicherweise ein an der Blattspitze
des Rotorblattes angeordneter Rezeptor, mit einer Halteleine mit
einem Federelement abgesichert. Das Federelement dient insbesondere dazu,
mechanische Längenänderungen
abzufangen, wie sie beispielsweise aufgrund thermischer Ausdehnung
oder aufgrund einer unter Last auftretenden Verformung des Rotorblattes
auftreten können.
Die Halteleine beugt insbesondere einem Lösen des Rezeptors nach einem
Blitzschlag vor, so dass das erfindungsgemäße Blitzschutzsystem auch nach
einem Blitzschlag noch funktionstüchtig ist, um den Rotor bzw.
das Rotorblatt weiterhin zu schützen.
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Die
Halteleine erlaubt es zudem, einen Blitzleiter so auszulegen, dass
er von einer solchen Haltefunktion grundsätzlich befreit ist. Der Blitzleiter kann
z.B. ohne Zug- und Tragfunktion locker im Inneren des Rotorblattes
geführt
werden, er kann aber auch genauso gut durch ein beispielsweise außen auf
dem Rotorblatt angebrachtes, einen ausreichenden Querschnitt aufweisendes
Metallband realisiert sein.
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Dabei
kann die elektrische Anbindung an die Maschine direkt oder auch über eine
Funkenstrecke gebildet werden, bei der z.B. das Drehlager der Rotorblätter oder
das Wellenlager überbrückt werden.
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Wie
oben gesagt bestehen grundsätzlich zwei
Möglichkeiten,
die Halteleine und das Federelement in das Blitzschutzsystem einzubeziehen.
Zum einen kann die Halteleine mit dem Federelement rein mechanische
Aufgaben erfüllen,
in diesem Fall ist das Federelement gegenüber dem wenigstens einen Rezeptor
elektrisch isoliert (Anspruch 2).
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Zum
anderen kann die Halteleine mit dem Federelement aber auch in das
Blitzschutzsystem elektrisch integriert sein. Dann ist, wie in Anspruch
3 beschrieben, bevorzugt, dass parallel zu der Feder ein weiterer
Blitzleiter zu einem Anschluss an dem Maschinengehäuse führt. Hierdurch
wird bei einem Blitzschlag eine Aufteilung des Blitzstromes erzielt, wobei
insbesondere bei einer Ausgestaltung der Feder als Schraubenfeder
(vgl. Anspruch 5) der Hauptanteil des Blitzstromes an dem Federelement
vorbei geführt
wird. Dies rührt
daher, dass bei den hohen und zeitlich kurz auftretenden Stromstärken das
Federelement wie eine Induktivität
wirkt und insoweit einen Wechselstromwiderstand darstellt. Demgegenüber ist
der parallele zweite Blitzleiter mit einem geringeren Widerstand
ausgestattet, so dass der größere Anteil
des Blitzstromes diesen Weg wählt.
Mit Vorteil wird dadurch verhindert, dass das Federelement bei einem
Blitzschlag Schaden nimmt und die mechanische Absicherung des Rezeptors
leidet bzw. unterbunden wird. Diese Lösung trägt somit ebenfalls zu der verbesserten
Haltbarkeit des erfindungsgemäßen Blitzschutzsystemes bei. In dem letztgenannten Fall,
in dem die Halteleine mit dem Federelement in die Blitzleiterkonstruktion
mit einbezogen ist, ist es zu bevorzugen, dass der parallel zu dem
Federelement geführte,
zweite Blitzleiter zugleich eine Funktion als Fangleine zur Absicherung
des Rezeptors ausübt (Anspruch
4). Hierdurch wird, sollte die Halteleine oder das Federelement
dennoch einmal einen Schaden nehmen, verhindert, dass der Rezeptor
sich von der Blattspitze lösen
und ungebremst herabfallen kann. Die Fangleine stellt somit einen
zusätzlichen Schutz
des Blitzschutzsystems dar. Sie schützt den Blitzleiter und den
Rezeptor im Falle eines Versagens der Feder, so dass das erfindungsgemäße Blitzschutzsystem
auch nach einem Blitzschlag noch funktionstüchtig ist, um den Rotor bzw.
das Rotorblatt weiterhin zu schützen.
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Bei
längeren
Rotorblättern
ist es von Vorteil, nicht nur einen im Bereich der Rotorblattspitze
angeordneten Rezeptor vorzusehen, sondern noch weitere, entlang
der Länge
des Rotorblattes verteilt (Anspruch 6). Ansonsten bestünde die
Gefahr eines Blitzeinschlages an einem von dem Rezeptor weiter entfernten
Punkt an dem Rotorblatt.
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Als
Material für
den bzw. die Rezeptor(en) wird derzeit Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung bevorzugt
(Anspruch 7).
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Die
Anbindung des Blitzleiters an Masse bzw. Erde kann an dem Maschinengehäuse der Windkraftanlage
in üblicher
und bekannter Weise erfolgen. So kann bzw. können beispielsweise der Blitzleiter
bzw. die Blitzleiter an einem eigens in dem Maschinengehäuse verlegten
Blitzableiter angeschlossen sein. Alternativ kann auch das Maschinengehäuse selbst
leitend und geerdet sein.
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Das
erfindungsgemäße Blitzschutzsystem eignet
sich sowohl für
eine Integration in neu gebaute Anlagen wie auch zur Nachrüstung in
bestehenden Anlagen, wobei eine Nachrüstung auf einfache Weise und
ohne weitgehende Demontage der Anlage durch einfaches Abtrennen
der Spitze des stehenden Rotorblattes und Einfügen des Blitzschutzsystems
in das Innere des Rotorblattes inklusive Anbringen einer Austauschspitze
in Form eines Rezeptors erfolgen kann.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
anhand der beigefügten Figur.
Dabei zeigt:
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1 schematisch
den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Blitzschutzsystems.
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In
der einzigen 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Blitzschutzsystem
mit einem Rezeptor 1 in Form einer Rotorblattspitze dargestellt.
An den Rezeptor 1 ist elektrisch ein Blitzleiter 2 angeschlossen.
Dieser teilt sich an einem Abzweig 3 auf in einen Blitzleiterstrang 4 und
einen Blitzleiterstrang 5, welche bei A jeweils im Bereich
der Nabe des Rotorblattes an das Maschinengehäuse der Windkraftanlage angeschlossen
und mit elektrischer Masse verbunden sind. Der Blitzleiterstrang 5 ist
mit einer elektrisch leitenden Feder 6 verbunden.
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Der
Blitzleiter 2 in seiner Fortführung mit dem Blitzleiterstrang 5 und
der Schraubenfeder 6 ist straff gespannt und dient dem
mechanischen Halt des Rezeptors 1 und des Blitzleiters 2 an
dem Rotorblatt, wobei die Feder 6 Lageveränderungen
des Rezeptors 1 und/oder des Blitzleiters 2 aufgrund
thermischer Ausdehnung bzw. aufgrund Verbiegungen des Rotorblattes
aufgrund ihrer Elastizität
abfängt.
Der Strang aus Blitzleiter 2, Blitzleiterstrang 5 und
Feder 6 bildet somit eine Halteleine zum Zurückhalten
des Rezeptors 1 und des Blitzleiters 2 an dem
Rotorblatt. Parallel zu der Feder 6 verläuft der
weitere Blitzleiterstrang 4. Dieser ist vergleichsweise
locker gespannt und bevorzugt wie auch der Blitzleiterstrang 5 und
der restliche Blitzleiter 2 durch ein Metallseil gebildet.
Der Blitzleiterstrang 4 erfüllt zugleich zwei Funktionen,
nämlich
eine mechanische sowie eine elektrische. Die elektrische Funktion
des Blitzleiterstranges 4 besteht darin, den Großteil des
bei einem Einschlag eines Blitzes in dem Rezeptor 1 auftretenden
Blitzstromes in Richtung des Maschinengehäuses abzuleiten, um somit eine
Zerstörung
der Feder 6 zu verhindern. Die mechanische Aufgabe des
Blitzleiterstranges 4 besteht darin, eine Fangleine für den Fall
zu bilden, dass die Feder 6 bzw. der Blitzleiterstrang 5 durch
Ermüdung, Überbeanspruchung
oder sonstige Auslöser
bricht. Durch den Blitzleiterstrang 4 wird der Blitzleiter 2 und
damit der Rezeptor 1 dann immer noch an dem Rotor der Windkraftanlage
zurückgehalten.
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Nachfolgend
wird die Erfindung losgelöst von
der 1 noch einmal genauer in ihren derzeit favorisierten
technischen Details beschrieben:
Die bisherige Erfahrung hat
gezeigt, dass bis zu einer Blattlänge von 20 m ein Blitzfänger in
der Blattspitze ausreichend ist. Für längere Blätter wird im Technical Report IEC
TR 61400-24 ein weiterer Blitzfänger empfohlen.
Das bevorzugt auch nachrüstbar
zu gestaltende Blitzschutzsystem kann in mehreren Varianten ausgeführt werden.
Dabei werden derzeit folgende Aufteilungen bevorzugt: ein Rezeptor
in den Blattspitzen der Rotorblätter
bei Blattlängen
bis zu 20 m; ein Rezeptor in der Blattspitzen und ein weiterer Rezeptor
auf etwa der Hälfte
der Blattlänge
bei Rotorblättern
mit Blattlängen
zwischen 20 m und 30 m; und ein Rezeptor in den Blattspitzen und
zwei weitere Rezeptoren bei je einem Drittel und zwei Dritteln der Blattlänge des
Rotorblattes bei Rotorblättern
mit Blattlängen
von 30 m bis 40 m.
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Auslegung:
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Das
nachrüstbare
Blitzschutzsystem ist für eine
Lebensdauer von 20 Jahren bei Umgebungstemperaturen zwischen -30°C und +50°C ausgelegt. Die
elektrische Auslegung erfolgte nach IEC 61024-1 Schutzklasse II.
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Rezeptoren:
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Die
Rezeptoren bestehen aus einer massiven Aluminiumlegierung. Der Blattspitzen-Rezeptor entspricht
der vorhandenen Blattspitzengeometrie. Die weiteren Rezeptoren sind
als halbe rotationssymmetrische Körper mit einem NACA-Profil
ausgebildet und werden auf der aerodynamischen Druckseite des Blattes
des Blattkörpers
verbaut. Durch die geometrische Ausgestaltung der Rezeptoren wird
ein Einfluss auf die Schallleistung des Rotors vermieden. Ein negativer
Einfluss auf die Lärmemission
der Windkraftanlage liegt im nicht nachweisbaren Bereich.
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Blitzstromleiter:
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Der
Blitzstrom wird über
ein Drahtseil aus Edelstahl 1.4401 abgeführt. Das Drahtseil entspricht der
DIN 3053. Der Gesamtleiterquerschnitt beträgt 85 mm2 und übertrifft
damit die im Technical Report IEC TR 61400-24 empfohlene Mindestdimensionierung
von 70 mm2 für rostfreie, gedrillte Stähle.
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Die
Drahtseilenden werden über
Walzterminals aus Edelstahl 1.4401 an die Rezeptoren und andere
Bauteile angeschlossen. Abzweigungen und Brücken werden mit Bügelklemmen
aus Edelstahl 1.4401 ausgeführt.
Alternativ kann auch ein Kupferband zwischengelegt werden, um die
Kontaktfläche zu
vergrößern.
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Alle
Bauteile und Verbindungen des Blitzleiters weisen einen Leiterquerschnitt
von mindestens 70 mm2 auf und haben eine
Bruchlast von mindestens 85 kN.
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Der
Blitzstromleiter wird über
eine Feder aus nichtrostendem Edelstahl zugentlastet. Die Feder
ist so ausgelegt, dass alle relativen Längenveränderungen des Blitzschutzsystems
zum Rotorblatt ausgeglichen werden. Dabei handelt es sich um Temperaturausdehnungen
und geometrische Längenveränderungen
in Folge der Blattdurchbiegung im Lastzustand. Die Feder ist auf
der der Nabe des Rotorblattes näher
gelegenen Seite des Blitzschutzsystems verbaut.
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Elektromechanische
Anbindung
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Die
elektrische Anbindung an die Maschine kann entsprechend dem Blitzschutzkonzept
der Windkraftanlage direkt erfolgen oder als Funkenstrecke ausgestaltet
werden.
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Bei
der direkten Anbindung ist die Feder ein Bestandteil des Blitzleiters.
Zusätzlich
wird ein zweites Drahtseil angeschlossen, dass elektrisch parallel zu
der Feder läuft
und diese überbrückt. Diese
Brücke
teilt den Blitzstrom auf und ist die mechanische Sicherung des eingespannten
Blitzleiters (Fangleine).
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Wenn
die maschinenseitige Anbindung über eine
Funkenstrecke erfolgt, wird die Feder durch einen Isolator vom Blitzleiter
getrennt, bzw. wird nicht direkt an die Masse der Maschine angeschlossen. Hier
dient die Feder dann nicht mehr als Bestandteil des Blitzleiters,
sondern lediglich als Spannelement zur Aufnahme von Dimensionsänderungen.
Der Blitzstrom wird über
das zweite Drahtseil auf den nabenseitigen Rezeptor geführt. Auch
hier ist das angeschlossene zweite Drahtseil zugleich die Fallsicherung
des Blitzleiters.
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Versuchsaufbau
für Blitztest
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In
einem Blitztest wurde die spätere
Bauausführung
entsprechend der Blitzschutzklassen II und I getestet. In dem Versuchsaufbau
wurden die realen Einbaubedingungen in der Nachrüstung simuliert.
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In
dem Testkörper
waren alle Komponenten der späteren
Bauausführung
verbaut. Die Länge
des Blitzleiters wurde im Test auf 2 m begrenzt. Das Blitzschutzsystem
war für
diesen Test auf einer Holzkonstruktion aufgebaut. Die Maße dieser
Konstruktion betrugen in Millimeter etwa 3000 x 700 x 300, das Gewicht
lag bei ca. 25 kg.
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Hier
wurde speziell auch der Fall einer Nachrüstung eines Rotorblattes simuliert,
in dem Blatt ein defekter Blitzableiter vorhanden ist, der nicht
entfernt wird.
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Folgende
Fragen sollten in dem Test beantwortet werden:
- 1.
Hält die
Klebeverbindung der eingespannten Aluminiumspitze einem Blitzschlag
stand?
- 2. Sind alle Bauteile und Verbindungen des neuen Blitzschutzsystems
blitzfest entsprechend den IEC 61024-1 Schutzklasse II oder I ausgelegt?
- 3. (speziell für
die oben geschilderte Nachrüstproblematik)
Kommt es zu unkontrollierten Wechselwirkungen zwischen altem und
neuem Blitzleiter?
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Beschreibung
des Prüfkörpers
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Die
Blattspitze war ein Aluminium-Gußteil mit einem Gewicht von
ca. 3,5 kg. Bei der getesteten Spitze handelte es sich um eine originale
Spitze, wie sie heute in Rotorblättern
verbaut wird.
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Die
Kappe der Blattspitze bestand aus einem Laminat, das üblicherweise
in der Rotorblattfertigung eingesetzt wird.
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Die
Verbindung des restlichen Rotorblattes zu der Aluminiumspitze war
eine Klebeverbindung. Abweichend von der üblichen Auslegung war die Aluminiumspitze
bei diesem Blitzschutzsystem eingespannt. Es musste daher geprüft werden,
ob es bei einem Blitzschlag zu einer flächigen Erwärmung der Klebeverbindung kommt.
Eine punktuelle Erwärmung
ist dabei nicht schädlich.
Eine thermische Störung
der Klebeverbindung ist durch eine braune bis schwarze Verfärbung der
Kunstharze erkennbar.
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Die
Bauteile des Blitzleiters waren modifizierte Industriebauteile aus
der Schifffahrt. Bei der standardmäßigen Auslegung wird die Bruchlast
die dimensionierende Größe sein.
Bei der Verwendung im Blitzschutzsystem musste sichergestellt werden, dass
es an keinem Punkt zu einer Querschnittsverjüngung kam. Deshalb wurden die
Verbindungen als Schweiß-
und Schraubkonstruktion ausgelegt.
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Die
Feder war eine Schraubenfeder in Form einer Sonderanfertigung mit
einer Drahtstärke
von 11 mm.
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Ab
einer Erwärmung
der Feder auf über 250°C verliert
diese ihre Vorspannung. Das Erreichen dieser Temperatur ist durch
eine bläuliche
Verfärbung
erkennbar.
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Die
Masseanschlüsse
waren als M16 Gewindestangen ausgebildet.
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Bei
den ersten nun für
eine Nachrüstung
vorgesehenen Rotorblättern
wurde ein Aluminiumband als Blitzleiter verbaut. Dieser Leiter ist
bei beschädigten
Rotorblättern
stellenweise unterbrochen. Im Versuchsaufbau wurde dies durch einen
geteilten Aluminiumleiter simuliert, der einseitig an das neue Blitzschutzsystem
angeschlossen ist.
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Bei
der Nachrüstung
sind der alte und der neue Blitzleiter räumlich durch einen GFK-Steg
in Sandwichbauweise getrennt. Im Versuchaufbau wurde dies durch
einen senkrecht stehenden Holzsteg simuliert.
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Ergebnis des ersten Blitztests:
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Das
Blitzschutzsystem wurde in einem Blitzlabor getestet.
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Alle
Bauteile und Verbindungen entsprachen der Blitzschutzklasse II.
Mit einer entsprechenden Dimensionierung kann die Auslegung auch
entsprechend der Blitzschutzklasse I und höher erfolgen.
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Der
Blitzstrom teilte sich (bei einer elektrischen Integration der Feder
in die Blitzleiter) in der elektromechanischen Anbindung charakteristisch auf,
und zwar zu 9/10 über
die parallel zu der Feder verlaufende Leitung und zu 1/10 über die
Feder.
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Eine
zusätzliche
Isolation der Feder ist daher nicht erforderlich. Damit ist auf
einfache Weise eine dauerfeste Ausgestaltung des Blitzsystems möglich. Das
Funktionsprinzip wurde bestätigt.
Damit steht ein Blitzschutzsystem zu Verfügung, bei dem unkontrollierte
Lasten vermieden werden.
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Das
System ist in der derzeitigen Auslegung sowohl für die Erstausrüstung als
auch für
eine Nachrüstung
geeignet.
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Bei
der Prüfung
im Blitzlabor wurde im Hinblick auf die Nachrüstbarkeit auch ein Blitzdurchschlag
zwischen dem alten und dem neuen System simuliert. Es zeigte sich,
dass das System in der getesteten Ausführung eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem
Ist-Zustand (defekte Leiter in bestehenden Windkraftanlagen)darstellt,
diese Verbesserung aber derzeit noch nicht spezifiziert werden kann.
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Für die Nachrüstung wird
das Blitzschutzsystem in Richtung einer größeren Spannungsfestigkeit weiterentwickelt.
Die Spannungsfestigkeit soll in späteren Versuchen im Blitzlabor
nachgewiesen werden.
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- 1
- Rezeptor
- 2
- Blitzleiter
- 3
- Abzweig
- 4
- Blitzleiterstrang
- 5
- Blitzleiterstrang
- 6
- Feder
- A
- Anschluss