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Die Erfindung betrifft ein Windenergieanlagen-Stromschienensystem umfassend eine Mehrzahl von parallel nebeneinander angeordneten Stromleitern in einem Gehäuse mit einem Schutzleiter, wobei die Stromleiter zu parallel geschalteten Gruppen zusammengefasst sind.
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Zum Transportieren der erzeugten elektrischen Leistung innerhalb einer Windenergieanlage sind Stromschienen vorgesehen. Häufig sind sie an einer Innenwandung des Turms der Windenergieanlage angeordnet, um die von dem Generator in der Gondel am Kopf des Turms erzeugte elektrische Leistung zum Fuß des Turms zu transportieren zur Abgabe an einen Ausgangsanschluss der Windenergieanlage. Stromschienen können auch innerhalb der Gondel oder in anderen Bereichen der Windenergieanlage vorgesehen sein. Stromschienen können zum Betrieb auf Nieder- oder Mittelspannungsniveau vorgesehen sein.
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Die Stromschienen sind in der Regel ausgeführt als langgestreckte plattenartige, im Paket angeordnete Gebilde. Das Paket umfasst mehrere parallel laufende plattenartige Leiter. Sie können entweder zur Übertragung größerer Stromstärken einfach direkt parallel geschaltet sein, oder sie sind in einem Mehrphasensystem vorzugsweise jeweils zur Übertragung einer Phase vorgesehen. So sind in einem typischerweise mit drei Phasen versehenen Drehstromsystem immer drei plattenartige Stromleiter zu einer Gruppe zusammengefasst. Um einen Kurzschluss zwischen den Platten zu verhindern, sind diese isoliert voneinander angeordnet. Dies bringt es unvermeidlicherweise mit sich, dass zwischen den Platten parasitäre Kapazitäten entstehen, und zwar häufig nicht nur zwischen den Platten an sich sondern auch relativ zu dem umgebenden Gehäuse.
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Bei Windenergieanlagen mit ihren leistungsstarken Umrichtern können diese parasitären Kapazitäten infolge der hohen Taktfrequenzen der Umrichter und den dadurch hervorgerufenen hochfrequenten getakteten Spannungen eine bedeutende Rolle einnehmen. Es kann zu Überspannungen und, insbesondere bei langen Stromschienen, zu Resonanzen kommen. Dies gilt vor allem dann, wenn die Stromschienen in der häufig aus Raumspargründen verwendeten Sandwich-Bauweise ausgeführt sind.
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Bisher sind diese parasitären Kapazitäten und die sich bei dem Einsatz von Umrichtern mit ihren getakteten Spannungen ergebenden Effekte nicht oder wenn, dann nur unzureichend berücksichtigt worden. Als Folge kann es zu Überspannungen auf einzelnen Phasen kommen. Dies ist nachteilig für die Stabilität des elektrischen Systems sowie die Lebensdauer der dort verwendeten elektrischen Komponenten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windenergieanlage mit ihren Stromschienen der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass derartige negative Auswirkungen verringert werden.
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Die erfindungsgemäße Lösung liegt in den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein Windenergieanlagen-Stromschienensystem umfasst eine Mehrzahl von parallel nebeneinander angeordneten Stromleitern in einem Gehäuse mit einem Schutzleiter, wobei die Stromleiter zu parallel geschalteten Gruppen zusammengefasst sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Stromleiter in einer der Gruppen phasenweise vertauscht zu denen einer anderen parallel geschalteten Gruppe angeordnet sind.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die störenden parasitären Kapazitäten nicht symmetrisch auf die Phasen verteilt sind. Als eine Folge dieser Unsymmetrie wird bei einer Phase eine größere Überspannung auftreten als bei einer anderen. Die Erfindung macht sich dies zunutze, indem sie durch Vertauschung eine möglichst hohe Symmetrie der Kapazitäten zu erreichen suchte. Die Erfindung hat erkannt, dass dies auf so einfache wie auch zweckmäßige Weise erreicht werden kann durch eine besondere Anordnung bzw. Anschlussbelegung der Stromleiter innerhalb einer Leitergruppe der Stromschiene. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird eine Symmetrierung der Kapazitäten erreicht, und damit werden Ungleichmäßigkeiten und dadurch hervorgerufene Überspannungen sowie Ableitströme reduziert. Es ist überraschend, dass dieser positive Effekt nahezu ohne Zusatzaufwand erreicht werden kann. Es genügt, die ohnehin vorhandenen Stromleiter anders anzuordnen bzw. zu schalten.
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Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung bei nur einer Stromschiene beschränkt (Intra-Stromschiene). Sie erstreckt sich auch auf die Verwendung mehrerer Stromschienen, wobei die Stromschienen parallel betrieben werden, jedoch einen jeweils unterschiedlichen Phasenanschluss aufweisen (Inter-Stromschienen).
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Es sei angemerkt, dass der Schutzleiter in das Gehäuse integriert sein kann und/oder als gesondertes Element zwischen den Stromleitern angeordnet sein kann, vorzugsweise in Gestalt eines wiederum plattenartigen Stromleiters.
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Mit Vorteil ist die Vertauschung derart gewählt, dass eine kapazitive Ankopplung der Stromleiter gegenüber dem Schutzleiter und/oder Gehäuse verringert ist gegenüber einem unvertauschten Zustand. Damit verringern sich die Abweichungen in Bezug auf die kapazitive Ankopplung der Stromschienen untereinander einerseits bzw. gegenüber dem Gehäuse/Schutzleiter andererseits. Es findet also insoweit eine Angleichung statt. Dies führt dazu, dass auftretende Überspannungen geringere Unterschiede zwischen den einzelnen Stromleitern (Phasen) aufweisen. Die schädliche besonders hohe Überspannung eines Stromleiters, wie im Stand der Technik, wird damit wirkungsvoll vermieden.
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Die Erfindung hat ferner erkannt, dass eine zur Vermeidung der Überspannung günstige kapazitive Angleichung zwar dazu führen kann, dass eine magnetisch gesehen optimale Anordnung durch die erfindungsgemäße phasenmäßige Vertauschung nicht mehr erreicht werden kann. Es ist jedoch der Verdienst der Erfindung erkannt zu haben, dass mit der Vertauschung ein wesentlich günstigerer Kompromiss aus magnetischer Angleichung einerseits und kapazitiver Angleichung andererseits erreicht werden kann. Der Stand der Technik enthält dazu keinerlei Lehre.
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Mit Vorteil sind die Stromleiter derart vertauscht, dass ein in einer Gruppe außenliegender Stromleiter in einer anderen Gruppe innen liegt. Damit wird auf einfache Weise eine Vertauschung der Phasen erreicht. Zweckmäßigerweise erfolgt dies in der Weise, dass die Stromleiter über die Gruppen regelmäßig durchgetauscht sind. Es gibt eine gleichmäßige Verteilung über die gesamte Stromschiene(n) hinweg. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Stromleiter zyklisch vertauscht sind. Damit wird der günstigste Symmetrierungsgrad erreicht.
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Zweckmäßigerweise ist nur ein Teil der Stromleiter gruppenübergreifend vertauscht, wobei die übrigen symmetrisch zum Schutzleiter und/oder Gehäuse angeordnet sind. Hierbei macht man sich die Erkenntnis zunutze, dass die Vermeidung der schädlichen Überspannungen oft nur auf bestimmte Phasen erforderlich ist, und nicht unbedingt auf allen. Auf diese Weise kann der Grad der Vertauschung verringert werden, was zu einer Vereinfachung führt.
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Mit Vorteil liegen die Stromleiter in einer gemeinsamen Ebene. Darunter wird verstanden, dass die durch die Stromleiter gebildeten Gruppen auf einem Niveau angeordnet sind. Es ist nicht erforderlich, dass die Stromleiter sämtlich in einer Ebene angeordnet sind. Im Gegenteil, vorzugsweise ist dieses gemeinsame Niveau orthogonal ausgerichtet zu den durch die plattenförmigen Stromleiter definierten Ebenen. Die ebene Anordnung ist in Bezug auf elektrische Felder günstiger als eine räumlich ausgedehnte Anordnung.
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Mehrere parallel angeordnete Stromleiter sind zu Gruppen zusammengefasst. Mehrere Gruppen wiederum bilden eine Stromschiene.
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Vorzugsweise ist das die Stromleiter umgebende Gehäuse rechteckig ausgeführt. Auf diese Weise kann eine kompakte Anordnung der aus plattenförmigen Elementen gebildeten und parallel angeordneten Stromleiter erreicht werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform, für die gegebenenfalls unabhängiger Schutz beansprucht wird, umfasst das System mehrere Stromschienen, die parallel angeordnet sind, wobei die Stromschienen relativ zueinander phasenmäßig verschieden beschaltet sind. Dies eröffnet die Möglichkeit, die gewünschte Kapazitätsangleichung durch eine phasenmäßig verschiedene Beschaltung der Stromschienen relativ zueinander zu erreichen. Die Verschaltung innerhalb einer Stromschiene braucht hierbei nicht verändert zu sein, d.h. sie braucht in diesem Fall nicht phasenmäßig vertauscht zu sein. Es genügt, wenn die Stromschienen im Parallelbetrieb mit einem unterschiedlichen Phasenanschluss versehen sind. Dies bietet den Vorteil der einfachen Anwendbarkeit, da handelsübliche Stromschienen verwendet werden können mit der ebenfalls üblichen Belegung. Der gewünschte Ausgleich der Kapazitäten wird dann zwischen den Stromschienen durchgeführt (Inter-Stromschiene).
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Zweckmäßigerweise ist hierbei vorgesehen, dass die Anzahl der Stromschienen der Phasenzahl des Mehrphasen-Wechselstromsystems entspricht oder ein mehrfaches ganzzahliges Vielfaches davon ist. Beim Drehstromsystem sind es vorzugsweise drei Stromschienen, möglich wären aber auch sechs oder neun Stromschienen. Damit kann eine vollständigere Symmetrierung erreicht werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, in der vorteilhafte Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigen:
- 1 eine Windenergieanlage mit einem Stromschienensystem;
- 2 einen Detailansicht eines Abschnitts einer Turmwandung mit daran angeordneten Stromschienen;
- 3 eine schematische Ansicht einer Stromschiene mit Stromleitern in zwei Gruppen;
- 4 ein Vergleichsbeispiel aus dem Stand der Technik zu 3;
- 5 ein Stromschienensystem mit drei Stromschienen; und
- 6 eine Schnittansicht einer kompakten Stromschiene mit drei Gruppen.
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Eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage, die in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsnummer 1 bezeichnet ist, ist in 1 dargestellt. Sie weist einen Turm 10 auf, an dessen oberen Ende eine Gondel 11 in Azimutrichtung verschwenkbar angeordnet ist. An einer Stirnseite der Gondel 11 ist ein Windrotor 12 drehbar angeordnet. Dieser treibt einen Generator mit einem Umrichter zur Erzeugung elektrischer Leistung an, die (nicht dargestellt) in der Gondel 11 angeordnet sind. Die so erzeugte elektrische Leistung wird über ein an einer Innenseite der Wandung des Turms 10 angeordnetes Stromschienensystem 2 zum Fuß des Turms 10 geführt und von dort über eine mehrphasige Anschlussleitung 14 an ein Netz abgegeben, an das die Windenergieanlage 1 angeschlossen ist. Das Stromschienensystem 2 umfasst mehrere Stromschienen 3. Sie sind über geeignete Träger 21 fest an der Innenseite der Wandung des Turms 10 angeordnet (siehe 2).
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Der Aufbau einer Stromschiene 3 für ein dreiphasiges Wechselstromsystem (sog. Drehstromsystem) ist in 3 schematisiert dargestellt. Man erkennt im unteren Bereich der Figur die drei Phasen L1, L2 und L3 sowie einen Schutzleiter PE. Als Leiter sind in der Stromschiene 3 eine Mehrzahl von parallel nebeneinander angeordneten plattenartigen Stromleitern 51, 52 und 53 angeordnet. Die Gesamtheit bildet eine Gruppe 4. Sie sind umschlossen von einem Gehäuse 50, dass mit dem Schutzleiter PE verbunden ist und somit selbst als Schutzleiter fungiert. Ferner vorgesehen ist eine zweite Gruppe 4', die ebenfalls drei Stromleiter 51', 52' und 53' aufweist. Sie sind angeordnet in einem Gehäuse 50', das ebenfalls als Schutzleiter ausgeführt ist.
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Bei der ersten Gruppe 4 sind die Stromleiter 51, 52 und 53 so an die jeweiligen Phasen des Drehstromsystems angeschlossen, dass der Stromleiter 51 an die Phase L1, der Stromleiter 52 an die Phase L2 und der Stromleiter 53 an die Phase L3 angeschlossen sind. Zwischen den einzelnen Stromleitern 51, 52 und 53 sowie zwischen dem Gehäuse 50 und den jeweils außenliegenden Stromleitern 51, 53 besteht eine kapazitive Kopplung. Diese ist symbolisch dargestellt durch jeweilige kapazitive Ersatzelemente 60, 61, 62 und 63. Wegen ihrer äußeren Lage nahe zum Gehäuse 50 unterscheiden sich die Ersatzkapazitäten 60, 63 (in der Tabelle bezeichnet als Cx0 ) der beiden äußeren Stromleiter 51, 53 von den Ersatzkapazitäten 61, 62 (in der Tabelle bezeichnet als Cxy ) des innen gelegenen Stromleiters 52. Es besteht insoweit eine Unsymmetrie, die sich insbesondere zu Ungunsten des Stromleiters 52 für die zweite Phase L2 auswirkt.
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Für die zweite Gruppe 4' sind ebenfalls die jeweiligen kapazitiven Ersatzelemente dargestellt und mit den Bezugsnummern 60', 61', 62' und 63' bezeichnet. Im Unterschied zu der ersten Gruppe 4 sind bei der zweiten Gruppe 4' die einzelnen Stromleiter jedoch anders angeschlossen. So ist hier der erste Stromleiter 51' angeschlossen an die Phase L3, während der zweite Stromleiter 52' an die Phase L1 und der dritte Stromleiter 53' an die Phase L2 angeschlossen sind. Die außenliegenden Stromleiter 51', 53' wirken somit auf die zweite und dritte Phase L2 und L3, während der wegen seiner inneren Lage hinsichtlich der kapazitiven Kopplung abweichende Stromleiter 52' nunmehr an die erste Phase L1 angeschlossen ist.
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Damit werden die sich wegen der geometrischen Anordnung der einzelnen Stromleiter 51 bis 53 bzw. 51' bis 53' unvermeidlich ergebenden Unsymmetrien nicht auf eine Phase des Drehstromsystems konzentriert, sondern vielmehr auf die Phasen verteilt. Es ergibt sich somit insgesamt eine verringerte Unsymmetrie hinsichtlich der kapazitiven Kopplung. Dies kann noch gesteigert werden, wenn bei einer dritten Gruppe der Anschluss der einzelnen Stromleiter an die Phasen L1, L2 und L3 weiter vertauscht wird, und zwar vorzugsweise zyklisch. Es ergibt sich so eine Spiegelung an einer Mittelachse 40 zwischen den Gruppen 4, 4', wodurch eine Symmetrie der Kapazitäten entsteht.
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Tabellarisch stellt sich dies wie folgt dar, wobei bei den Indizes die erste Ziffer die Nummer des Stromleiters (ohne die führende
5) bezeichnet und die zweite Ziffer die Komponente bezeichnet, gegenüber der die Kapazität bestimmt wird, wiederum unter Nutzung der Nummer des Stromleiters ohne die führende
5; hierbei steht die Ziffer
0 für das umgebende Gehäuse. Die Werte
C10 und
C20 sind identisch und als Cx0 definiert; die Werte
C23 und
C31 sind identisch und als Cxy definiert:
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Vergleichsbeispiel:
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Anschließend ist in
4 ein Vergleichsbeispiel aus dem Stand der Technik dargestellt, bei dem die zweite Gruppe genauso beschaltet ist wie die erste Gruppe
4. Somit ergeben sich für die Stromschiene ohne Vertauschung gemäß dem Stand der Technik entsprechend die Gesamtkapazitäten (unter Verwendung derselben Terminologie und Bezugszeichen):
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Daraus erkennt man, dass die erfindungsgemäße Gestaltung zweierlei bewirkt: der Mittelwert der kapazitiven Kopplung wird beibehalten (siehe mittlere Spalte), und es wird eine deutliche Verringerung der Abweichung der kapazitiven Kopplung zwischen den einzelnen Phasen erzielt (siehe rechte Spalte).
Aus der Verringerung der kapazitiven Abweichungen ergibt sich bei den Stromschienen gemäß der Erfindung eine entsprechende Verringerung der kapazitiven Unsymmetrien und in der Folge auch der Spannungsunsymmetrien.
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In 5 ist eine Variante der Erfindung dargestellt, bei der zum Anschluss der Windenergieanlage 1 drei parallel nebeneinander in einer Ebene angeordnete Stromschienen 3, 3', 3" vorgesehen sind. Jede dieser Stromschienen 3 umfasst drei Gruppen, wie sie in 3 dargestellt sind (dort in einer Variante mit nur zwei Gruppen 4, 4'). Alternativ oder zusätzlich ist ferner vorgesehen, die mehreren parallel nebeneinandergeschalteten Stromschienen 3, 3', 3" insgesamt unterschiedlich phasenmäßig anzuschließen. Dies ist visualisiert durch eine Schraffur der jeweils an die dritte Phase L3 der Anschlussleitung 14 angeschlossenen Gruppe 4 innerhalb einer jeden der Stromschienen 3, 3' 3". Hierbei können zwar innerhalb jeder Stromschiene für sich kapazitive Unsymmetrien bestehen bleiben, jedoch wird dies in der Summe über die drei relativ zueinander vertauscht beschalteten Stromschienen hinweg ausgeglichen. Somit ist die aus den drei Stromschienen 3, 3', 3" gebildete Gesamtheit durch den unterschiedlichen Anschluss zwischen den Stromschienen dennoch kapazitiv ausgeglichen. Dieses Prinzip ist auch anwendbar bei einer höheren Anzahl von Stromschienen in dem Stromschienensystem, beispielsweise bei sechs oder neun parallelen Stromschienen. Wichtig hierbei ist, dass die Anzahl der Stromschienen ein ganzzahliges Vielfaches der Phasenanzahl (beim Drehstromsystem: drei) beträgt.
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Es können auch mehrere Gruppen innerhalb einer Stromschiene zu einem kompakten Paket zusammengefasst sein. Dargestellt ist ein Paket aus 10 Platten, und zwar drei Gruppen 4, 4', 4" mit je drei Stromleiterplatten und einer Schutzleiterplatte 49 zwischen der ersten und der zweiten Gruppe 4, 4'. Ferner ist ein Schutzleiter 9 vorgesehen. Dies ist in 6 dargestellt. Die jeweils an die Phase L3 angeschlossenen Stromleiter sind wiederum durch Schraffur hervorgehoben. Die an die erste Phase L1 angeschlossenen Stromleiter sind durch eine Kreuzschraffur kenntlich gemacht. Mit dieser Anordnung kann eine optimale magnetische und auch kapazitive Koppelung der Stromleiter erreicht werden, sodass die Stromschienen insgesamt die geringsten möglichen Unsymmetrien aufweisen. Durch Unsymmetrien hervorgerufene Überspannungen sind damit minimiert.
