DE102010045920A1 - Overvoltage protection device for lightning protection of e.g. land-based wind-power plants, has interfaces forming electrical interruption during and/or after receiving separation signal, so that bridge is separated from cable end - Google Patents
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Abstract
Description
Der Gegenstand betrifft einen Überspannungsschutz für Windkraftanlagen, insbesondere einen Blitzschutz für Windkraftanlagen (Windkraftwerke).The subject matter relates to overvoltage protection for wind turbines, in particular lightning protection for wind turbines (wind power plants).
Windkraftanlagen sind heutzutage fester Bestandteil der Energieversorgung und sorgen im Strommix für einen hohen Anteil an erneuerbarer Energie. Zur Energiegewinnung sind ”off-shore” als auch ”land-based” Windkraftanlagen bekannt. Diese sind heutzutage zwischen 100 und 150 m hoch und verfügen über leistungsstarke Generatoren in ihren Gondeln. Über die Generatoren werden große Leistungen mit Spannungen im Bereich von einigen kV bei gleichzeitig sehr hohen Strömen erzeugt. Kabelstränge führen die elektrische Energie von der Gondel der Windkraftanlagen zu einem Umrichter im Sockel des Turms der Windkraftanlage. Der Umrichter speist die elektrische Energie in das Energieversorgungsnetz eines Energieversorgers spannungs-, frequenz-, und phasenrichtig ein. Aufgrund der hohen Spannungen und hohen Ströme sind solche Umrichter sehr komplex und teuer. Die Umrichter machen daher einen erheblichen Anteil der Gesamtkosten der Windkraftanlage aus und müssen sicher vor Beschädigung geschützt werden.Wind turbines are now an integral part of the energy supply and ensure in the electricity mix for a high proportion of renewable energy. For power generation, "off-shore" as well as "land-based" wind turbines are known. These are now between 100 and 150 m high and have powerful generators in their gondolas. The generators generate high power with voltages in the range of a few kV with very high currents. Cable harnesses carry the electrical energy from the nacelle of the wind turbines to a converter in the base of the tower of the wind turbine. The inverter feeds the electrical energy into the energy supply network of an energy provider in terms of voltage, frequency, and phase. Due to the high voltages and high currents, such converters are very complex and expensive. The converters therefore account for a significant proportion of the total cost of the wind turbine and must be safely protected from damage.
Heutzutage stellt sich das Problem, dass Blitzeinschläge häufig zu einer Zerstörung der Umrichter führen. Bekannte Blitzschutzmaßnahmen greifen nicht, da aufgrund der hohen Ströme und der hohen Spannungen in den Energiekabeln Lichtbögen entstehen, die selbst bei Auslösung des Blitzschutzes eine vollständige elektrische Trennung verhindern. Es fließt weiter ein sehr hoher Strom über den Lichtbogen, der dazu führt, dass der Umrichter zerstört werden kann.Nowadays, the problem arises that lightning strikes often lead to destruction of the inverter. Known lightning protection measures do not apply, because of the high currents and the high voltages in the power cables arcs that prevent a complete electrical separation even when lightning protection is triggered. It continues to flow a very high current through the arc, which leads to the fact that the inverter can be destroyed.
Aus diesem Grunde lag dem Gegenstand die Aufgabe zugrunde, einen wirksamen Überspannungsschutz für Windkraftanlagen zur Verfügung zu stellen, der die Bildung von Lichtbögen verhindert.For this reason, the object of the present invention was to provide an effective overvoltage protection for wind turbines available, which prevents the formation of arcs.
Diese Aufgabe wird durch einen Überspannungsschutz für Windkraftanlagen nach Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a surge protection for wind turbines according to claim 1.
Es ist erkannt worden, dass das Entstehen von Lichtbögen an einer einzigen Trennstelle nicht verhindert werden kann. Daher wird vorgeschlagen, den Überspannungsschutz mit zwei räumlich voneinander getrennten Trennstellen vorzusehen, wobei die Trennstellen über eine Brücke miteinander elektrisch verbunden sind. Somit ist gegenständlich zwischen zwei Kabelenden eine elektrisch leitende Brücke vorgesehen, die die Kabelenden elektrisch leitend miteinander verbindet. Insbesondere sind Kabelenden eines Versorgungsstrangs, insbesondere im Bereich von Sektionsgrenzen des Turms der Windkraftanlage, mit Hilfe der Brücke verbunden.It has been recognized that arcing at a single point of separation can not be prevented. Therefore, it is proposed to provide the surge protection with two spatially separated separation points, wherein the separation points are electrically connected to each other via a bridge. Thus, objectively between two cable ends an electrically conductive bridge is provided, which connects the cable ends electrically conductive with each other. In particular, cable ends of a supply line, in particular in the region of section boundaries of the tower of the wind turbine, are connected by means of the bridge.
Die Windkraftanlage ist vorzugsweise aus einem Turm mit zumindest drei Sektionen gebildet. Die Kabel in den jeweiligen Sektionen sind vorkonfektioniert im Turm montiert und müssen bei der Montage der Sektionen des Turmes lediglich miteinander elektrisch leitend verbunden werden. Hierzu ist die Brücke vorzugsweise als Ausgleichselement gestaltet, welches ein Längenausgleich zwischen den Kabelenden gewährleistet. Aufgrund von Fertigungstoleranzen kann es dazu kommen, dass die Kabelenden an den Sektionsgrenzen einen unterschiedlichen Abstand zueinander haben. Mittels der Brücke ist es möglich, sowohl den Längenunterschied auszugleichen, als auch die Kabelenden elektrisch leitend miteinander zu verbinden.The wind turbine is preferably formed of a tower with at least three sections. The cables in the respective sections are pre-assembled in the tower and only have to be electrically connected to one another during assembly of the sections of the tower. For this purpose, the bridge is preferably designed as a compensation element, which ensures a length compensation between the cable ends. Due to manufacturing tolerances, it may happen that the cable ends at the section boundaries have a different distance from each other. By means of the bridge, it is possible to compensate both the difference in length, and to connect the cable ends electrically conductive with each other.
Die Brücke ist im Bereich der jeweiligen Kabelenden mit einer Trennstelle versehen und über die Trennstelle mit den Kabelenden elektrisch leitend verbunden. Die Brücke ist an ihren beiden Enden mit den Trennstellen versehen.The bridge is provided in the region of the respective cable ends with a separation point and electrically connected via the separation point with the cable ends. The bridge is provided at its two ends with the separation points.
Gegenständlich wird vorgeschlagen, dass ein Eingang zum Empfangen eines Trennsignals vorgesehen ist und dass beim und/oder nach dem Empfang des Trennsignals die Trennstelle eine elektrische Unterbrechung bilden, so dass die Brücke im Bereich der jeweiligen Trennstellen von den jeweiligen Kabelenden elektrisch getrennt ist.It is objectively proposed that an input is provided for receiving a disconnection signal and that the disconnection point forms an electrical interruption during and / or after the reception of the disconnection signal, so that the bridge is electrically separated from the respective cable ends in the region of the respective disconnection points.
Somit bietet der gegenständliche Überspannungsschutz zwei räumlich voneinander getrennte Trennstellen. An jeder der Trennstellen wird im Fall einer detektierten Überspannung eine elektrische Trennung bewirkt. Die Trennung erfolgt bevorzugt simultan, so dass an beiden Trennstellen im wesentlichen gleichzeitig die elektrische und mechanische Trennung erfolgt. Ein Lichtbogen, der sich an einer Trennstelle ausbildet, bricht zusammen, da der Strompfand auch an der jeweils anderen Trennstelle getrennt wird. Dadurch, dass die Kabelenden räumlich voneinander getrennt und lediglich über die Brücke elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wird gewährleistet, dass sich kein Lichtbogen unmittelbar über die Kabelenden ausbildet.Thus, the subject surge protection provides two spatially separated separation points. At each of the disconnection points, an electrical disconnection is effected in the case of a detected overvoltage. The separation preferably takes place simultaneously, so that the electrical and mechanical separation takes place essentially simultaneously at both separation points. An arc, which forms at a point of separation, collapses, since the current is also separated at the other separation point. The fact that the cable ends are spatially separated from each other and electrically connected to each other only via the bridge, it is ensured that no arc forms directly over the cable ends.
Das Trennsignal kann von einem Blitzsensor stammen und führt zu einem Trennen der Trennstelle im Falle eines Blitzeinschlags.The isolation signal can come from a flash sensor and leads to a separation of the separation point in the event of a lightning strike.
Um sicherzustellen, dass die Trennung zwischen den Kabelenden und der Brücke im Bereich der Trennstelle sicher erfolgt, ohne dass sich die auf die Trennstellen wirkenden Kräfte im Moment der Trennung negativ beeinflussen, wird vorgeschlagen, dass die Kabelenden ortsfest zueinander angeordnet sind und die Brücke ein Kabel ist, welches länger ist, als der Abstand der Kabelenden zueinander. Somit bietet die Brücke eine ausreichend hohe Flexibilität, die ein Trennen der Trennstelle ermöglicht. Eine Kraft, die auf eine erste Trennstelle wirkt, wirkt dann nicht mehr unmittelbar auf die zweite Trennstelle, da die Brücke lang genug ist, die durch die erste Kraft bewirkte Verschiebung der Trennstelle aufzunehmen.To ensure that the separation between the cable ends and the bridge in the area of the separation point is done safely, without affecting the separation points acting forces at the moment of separation negative, it is proposed that the cable ends are fixed to each other and the bridge is a cable which is longer is, as the distance between the cable ends to each other. Thus, the bridge provides a sufficiently high level of flexibility that allows separation of the separation point. A force acting on a first separation point, then no longer acts directly on the second separation point, since the bridge is long enough to absorb the displacement of the separation point caused by the first force.
Insbesondere ist die Brücke U-förmig zwischen den Kabelenden angeordnet. Hierbei ist es beispielsweise möglich, dass die Brücke im Bereich des U-Bodens fest an dem Gehäuse der Windkraftanlage, hier den Turm, befestigt ist. Dies verhindert, dass im Falle des Blitzeinschlags die Brücke unbefestigt ist und zum Boden fällt. Aufgrund der großen Höhen in den Windkraftanlagen könnte dies zu erheblichen Verletzungen führen. Daher ist es zu vermeiden, dass die Brücke in dem Turm herunterfällt.In particular, the bridge is arranged in a U-shape between the cable ends. It is possible, for example, that the bridge in the region of the U-bottom is fixedly attached to the housing of the wind turbine, here the tower. This prevents the bridge in case of lightning strike being unpaved and falling to the ground. Due to the high altitudes in the wind turbines, this could lead to significant injuries. It is therefore important to avoid dropping the bridge in the tower.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass den Trennstellen jeweils ein Hilfsantrieb zugeordnet ist. Ein Hilfsantrieb kann dafür sorgen, dass auf die Trennstellen eine Trennkraft wirkt. Daher wird vorgeschlagen, dass der Hilfsantrieb beim Empfang des Trennsignals eine die elektrische Trennung bewirkende Trennkraft auf die Trennstelle ausübt.According to an advantageous embodiment, it is proposed that the separating points are each assigned an auxiliary drive. An auxiliary drive can ensure that a separation force acts on the separating points. Therefore, it is proposed that the auxiliary drive on receipt of the separation signal exerts a separation effecting the electrical separation on the separation point.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass der Hilfsantrieb ein durch das Trennsignal aktivierbarer, insbesondere pyrotechnischer Hilfsantrieb ist. Ein pyrotechnischer Hilfsantrieb hat den Vorteil, dass die auf die Trennstelle wirkende Trennkraft groß ist und eine sichere Trennung der Trennstelle bewirkt werden kann. Außerdem hat der pyrotechnische Hilfsantrieb den Vorteil, dass er sehr flink ist und beim Empfang des Trennsignals sehr schnell auslöst. Die Auslöseverzögerung beträgt weniger als 1 s, insbesondere weniger als 100 ms, bevorzugt weniger als 50 ms. Dies führt dazu, dass im Falle eines Blitzeinschlags der Umrichter nicht zerstört wird, da die Trennstellen schnell genug trennen.According to an advantageous embodiment, it is proposed that the auxiliary drive is an activatable by the separation signal, in particular pyrotechnic auxiliary drive. A pyrotechnic auxiliary drive has the advantage that the separation force acting on the separation point is large and a secure separation of the separation point can be effected. In addition, the pyrotechnic auxiliary drive has the advantage that it is very fast and triggers very quickly when receiving the separation signal. The tripping delay is less than 1 s, in particular less than 100 ms, preferably less than 50 ms. As a result, the inverter will not be destroyed in the event of a lightning strike, as the separation points separate quickly enough.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird auch vorgeschlagen, dass beim Empfang des Trennsignals die Brücke im Bereich der jeweiligen Trennstelle von dem jeweiligen Kabelende mechanisch getrennt ist. Neben einer elektrischen Trennung wird auch eine mechanische Trennung der Brücke von dem Kabelende bewirkt. Die mechanische Trennung kann bedeuten, dass die Trennstelle von dem Kabelende räumlich getrennt wird. Diese räumliche Trennung kann durch die von dem Hilfsantrieb bewirkte Kraft erfolgen. Eine räumliche Trennung kann darin liegen, dass die Trennstelle von dem Kabelende weggeschossen wird und somit ein ausreichend großer Abstand zwischen dem Kabelende und der Trennstelle hergestellt wird, dass ein Lichtbogen zusammenbricht.According to an advantageous embodiment, it is also proposed that upon receipt of the separation signal, the bridge in the region of the respective separation point is mechanically separated from the respective cable end. In addition to an electrical separation, a mechanical separation of the bridge is effected by the cable end. The mechanical separation may mean that the separation point is spatially separated from the cable end. This spatial separation can be done by the force caused by the auxiliary drive. A spatial separation can be that the separation point is shot away from the cable end and thus a sufficiently large distance between the cable end and the separation point is made that an arc collapses.
Dadurch, dass an beiden Kabelenden gleichzeitig eine Trennung erfolgt, wird das Entstehen eines Lichtbogens verhindert.The fact that at both ends of the cable at the same time a separation, the emergence of an arc is prevented.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass das Kabelende und die Trennstelle eine Aufnahme und einen hierzu korrespondierenden Vorsprung aufweisen. Das Kabelende kann die Aufnahme oder den Vorsprung aufweisen und die Trennstelle dann den korrespondierenden Vorsprung bzw. die Aufnahme. Hierbei ist es unerheblich, ob in dem Kabelende die Aufnahme oder der Vorsprung angeordnet ist. Wesentlich ist lediglich, dass die Trennstelle dann das jeweils hierzu korrespondierende Teil aufweist.According to an advantageous embodiment, it is proposed that the cable end and the separation point have a receptacle and a projection corresponding thereto. The cable end can have the receptacle or the projection and the separation point then the corresponding projection or the receptacle. It is irrelevant whether the receptacle or the projection is arranged in the cable end. It is only essential that the separation point then has the respective corresponding part.
Die Brücke ist mechanisch und elektrisch mit den Kabelenden über die Aufnahme und den Vorsprung verbunden. Die Aufnahme kann beispielsweise ein sich verjüngender Zylinder sein und der Vorsprung ein sich verjüngender Konus, der in die Aufnahme gesteckt werden kann. Der Konus und die Aufnahme können so gestaltet sein, dass diese selbsthemmend sind und beim Zusammenschieben bereits kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Die Selbsthemmung kann so groß sein, dass diese ausreicht, die Zugkraft, die durch die Brücke auf die Verbindung zwischen Aufnahme und Vorsprung ausgeübt wird, hält. Die Zugkraft, die durch die Brücke ausgeübt wird, kann beispielsweise die Gewichtskraft der Brücke sein.The bridge is mechanically and electrically connected to the cable ends via the receptacle and the projection. The receptacle can be, for example, a tapering cylinder and the projection a tapered cone that can be inserted into the receptacle. The cone and the receptacle can be designed so that they are self-locking and are already connected positively together when pushed together. The self-locking can be so large that it is sufficient, the tensile force exerted by the bridge on the connection between recording and projection holds. The tensile force exerted by the bridge may be, for example, the weight of the bridge.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiels wird vorgeschlagen, dass der Hilfsantrieb zum Trennen der Aufnahme von dem Vorsprung gebildet ist. Hierbei kann der Hilfsantrieb beispielsweise in der Aufnahme angeordnet sein und beispielsweise über ein Zünddraht gezündet werden.According to an advantageous embodiment, it is proposed that the auxiliary drive for separating the receptacle is formed by the projection. In this case, the auxiliary drive can be arranged for example in the receptacle and ignited, for example, via a firing wire.
Eine sichere Trennung unter Verhinderung der gegenseitigen Beeinflussung zwischen den beiden Trennstellen wird beispielsweise dadurch erreicht, dass der Hilfsantrieb eine Kraft winklig zur Geraden zwischen den Kabelenden auf die Trennstelle ausübt. Insbesondere eine Kraft normal zur Gerden zwischen den Kabelenden bewirkt eine sichere Trennung entlang der Trennstelle.A secure separation while preventing mutual interference between the two separation points is achieved for example by the fact that the auxiliary drive exerts a force at an angle to the line between the cable ends on the separation point. In particular, a force normal to the devices between the cable ends causes a secure separation along the separation point.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel schlägt vor, dass die Brücke Kabelenden im Bereich eines Sektionsgrenze des Turms der Windkraftanlagen miteinander verbindet. Wie eingangs bereits erläutert, sind die Kabel in den Windkraftanlagen vorkonfektioniert und bereits in den jeweiligen Sektionen fest angeordnet. Um die Kabel in den einzelnen Sektionen elektrisch miteinander zu verbinden, kann die Brücke verwendet werden. Dadurch wird zum Einen ein Überspannungsschutz gewährleistet und zum Anderen kann die Brücke Längendifferenzen zwischen den Kabeln ausgleichen. Dies vereinfacht die Montage und ermöglicht zugleich einen Überspannungsschutz.Another embodiment proposes that the bridge connects cable ends in the region of a section boundary of the tower of the wind turbines. As already explained, the cables are pre-assembled in the wind turbines and already fixed in the respective sections. In order to electrically connect the cables in the individual sections, the bridge can be used. This ensures on the one hand overvoltage protection and on the other hand, the bridge can compensate for differences in length between the cables. This simplifies the Mounting and at the same time allows overvoltage protection.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass ein Blitzsensor das Trennsignal erzeugt. Der Blitzsensor kann beispielsweise auf der Gondel der Windkraftanlage angeordnet sein und das Trennsignal unmittelbar beim Einschlag eines Blitzes an die Hilfsantriebe übermitteln. Dadurch wird ein gleichzeitiges Trennen der Trennstellen bewirkt und eine Zerstörung des Umrichters verhindert.According to an advantageous embodiment, it is proposed that a flash sensor generates the separation signal. The lightning sensor can be arranged for example on the nacelle of the wind turbine and transmit the separation signal immediately upon the impact of a lightning to the auxiliary drives. This causes a simultaneous separation of the separation points and prevents destruction of the inverter.
Nachfolgend wird der Gegenstand anhand einer Ausführungsbeispiele zeigenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:The article will be explained in more detail with reference to drawings showing an exemplary embodiments. In the drawing show:
Zu erkennen ist, dass über eine Sektionsgrenze
Ferner ist zu erkennen, dass ein Blitzsensor
Im Fall eines Blitzeinschlags wird dieser in dem Blitzsensor
In der Aufnahme
Im Fall eines Blitzeinschlags wird ein Zündimpuls über die Steuerleitung
Ein weiteres Konzept einer Trennstelle
In
Ferner ist zu erkennen, dass zwei Trennstellen
Unmittelbar im Anschluss werden die Vorsprünge
Dadurch dass verhindert wird, dass ein Lichtbogen sich im Moment der Trennung der Trennstellen bildet, wird vermieden, dass ein Blitzeinschlag zu einer Zerstörung des Umrichters
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