DE19501267A1 - Windkraftanlage mit Blitzstromableitung - Google Patents
Windkraftanlage mit BlitzstromableitungInfo
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Description
Gegenstand des Patents . . . (Patentanmeldung P 44 45 899.1)
ist eine Windkraftanlage mit einem Turm, in deren von diesem
getragenen Turmkopf ein von einem Rotor angetriebener
Generator angeordnet ist, wobei der Rotor um eine vom
Turmkopf gehalterte Nabe drehbar und mit Rotorblättern
versehen ist und wobei die Windkraftanlage eine
Blitzschutzeinrichtung aufweist, bei welcher die
Rotorblätter über ihren Verlauf wenigstens eine
Leiterbahn aus einem leitenden Material aufweisen und
die Leiterbahnen im Normalbetrieb zum Erdpotential
galvanisch getrennt sind und bei durch atmosphärische
Entladung gegebener Blitzstrombeanspruchung eine
niederohmige Verbindung zwischen den Leiterbahnen der
Rotorblätter und der Erde über durch die Beanspruchung
gezündete Entladungsstrecken mit nachfolgender
Erdleitung geschaltet ist und zum Schutz der Bauteile
der Windkraftanlage blitzstromtragfähige und netzfolge
stromlöschende Längsspannungs-Schutzbausteine sowie in
Ergänzung dazu Querspannungs-Schutzbausteine vorgesehen
sind, nach Patent . . . (Patentanmeldung P 44 45 899.1)
(Patentansprüche 1 und 22).
Bei einer solchen Windkraftanlage ist nach dem Hauptpatent
die Aufgabe gelöst, daß die Blitzschutzwirkung der
Blitzschutzeinrichtung auch bei laufendem Rotor, also ohne
ein Stillsetzen desselben, gegeben ist.
Hierzu sieht das Hauptpatent zunächst einen sogenannten
äußeren Blitzschutz vor, der dem Einfangen des Blitzes und
dem Ableiten des Blitzstromes über die zu diesem Zweck mit
zugeordneten Leiterbahnen versehenen Rotorblätter in die
Ortserde dient, wozu parallel zu den Lagern der
Windkraftanlage angeordnete und über die Beanspruchung durch
den Blitzstrom gezündete Entladungsstrecken ausgebildet
sind. Mit diesem äußeren Blitzschutz ist der Vorteil
verbunden, daß bei der gegebenen galvanischen Trennung der
Rotorblätter von der Kraftwerkserde bei einem Gewitter die
Windkraftanlage nicht abgebremst und in eine Parkstellung
mit einer definierten Lage der Rotorblätter überführt werden
muß, weil bei der Blitzschutzeinrichtung auch bei laufendem
Rotor der erst bei Blitzeinschlag auftretende Blitzstrom vom
Rotorblatt bis in das Erdreich niederimpedant abgeleitet
wird und keine Anlagenteile durch einen direkten
Blitzeinschlag beschädigt werden. Erst bei einer
Blitzeinwirkung kann der dabei auftretende Blitzstrom die
der galvanischen Trennung dienenden Entladungsstrecken
überbrücken und über die dadurch dynamisch hergestellte
niederimpedante Verbindung zur Erde abfließen.
Daneben ist in dem Hauptpatent schon der sogenannte innere
Blitzschutz angesprochen, der Maßnahmen zur elektromag
netischen Verträglichkeit umfaßt mit dem Ziel, sämtliche
elektrischen und elektronischen Betriebsmittel der
Windkraftanlage störfest und ergänzend hierzu frei von
störenden elektromagnetischen Emissionen zu konzipieren und
so einen Geräteschutz sicherzustellen; diesem inneren
Blitzschutz dienen entsprechend vorgesehene blitzstromtrag
fähige und netzfolgestromlöschende Schutzbausteine in Form
von Längsspannungsschutzkomponenten sowie
Querschutzkomponenten.
Insoweit liegt der vorliegenden Erfindung nunmehr die
Aufgabe zugrunde, bei dem Gegenstand des Hauptpatentes den
inneren Blitzschutz weiter zu verbessern.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich einschließlich
vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der
Erfindung aus dem Inhalt der Patentansprüche, welche dieser
Beschreibung nachgestellt sind.
Nach der Erfindung ist zunächst vorgesehen, daß die
Längsspannungsschutzkomponenten als bei
transienter Spannungsbeanspruchung mit hinreichend hoher
Amplitude in weniger als einer Mikrosekunde ansprechende
Entladungsstrecken ausgebildet sind. Mit der Erfindung ist
der Vorteil verbunden, daß über die sehr schnell
ansprechenden Längsspannungsschutzkomponenten, welche im
stationären Betrieb auf die Phasenspannung der
Spannungsebene abzustimmen sind, die bei Blitzeinschlag
auftretende hohe Spannung zwischen beispielsweise dem
Generatorgehäuse und dem an Niederspannung angeschlossenen
Generator auf ungefährliche Werte abgesenkt wird.
Nach Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die
Längsspannungsschutzkomponenten als Funkenstrecken, Gasent
ladungsstrecken oder Gleitentladungsstrecken ausgebildet.
Zur Reduzierung des Netzfolgestromes kann vorgesehen sein,
den Schutzkomponenten niederimpedante Widerstände in Reihe
zuzuschalten.
Weiterhin ist nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
vorgesehen, den Längsspannungsschutzkomponenten zur
Reduzierung der Blitzteilströme Induktivitäten
vorzuschalten, wobei die den Blitzteilstrom begrenzenden
Impedanzen in die Phasenleitungen integriert sein
können.
Nach Ausführungsbeispielen der Erfindung können die
Längsspannungsschutzkomponenten als blitzstromtragfähige
Varistoren ausgelegt sein oder auch als
Kombinationsschaltungen aus Entladungsstrecken und
Varistoren ausgebildet sein.
Nach der Erfindung kann vorgesehen sein, Längsspannungs
schutzkomponenten auch im unteren Bereich des Turmes
anzuordnen und dort die Ableitung des Blitzstromes in die
Erde zu ermöglichen.
Schließlich ist nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
vorgesehen, daß die Querschutzkomponenten ebenfalls
netzfolgestromlöschend ausgebildet sind.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel wiedergegeben,
welches nachstehend beschrieben wird. Die einzige Figur
zeigt am Beispiel des im Turm der Windkraftanlage
untergebrachten Generators die Maßnahmen zum inneren
Blitzschutz in Schaltungsform.
Als Besonderheit von Windkraftanlagen ist zunächst die
treibende Netzspannung von 690 V zu sehen; diese Spannung
wird - ebenso wie die Netzspannung von 230 V beziehungsweise
Spannungsebenen von Meß-Steuer-Regelkreisen - bis zur
Generatorebene weitergeleitet. Der Generator wird
beispielsweise bei einer verketteten Spannung von 690 V
betrieben, wogegen das Generatorgehäuse auf Erdpotential
liegt.
Dieses Erdpotential kann sich bei einem Blitzeinschlag
kurzzeitig deutlich erhöhen, wobei Ursache hierfür der große
Spannungsabfall ist, der im Falle eines Blitzeinschlages am
Turm des Windkraftwerkes abfällt. Geht man von einer
dynamischen Spannungsveränderung im Einschlagfall nach
folgender Gleichung aus:
UL = L*di/dt
so läßt sich der Spannungsabfall überschlägig wie folgt
berechnen:
angenommene Blitzstromsteilheit: 20 kA/µs
angenommene Induktivität des Turmes: L = 1 µH/m
- jeweils abhängig von der Turmhöhe und der Leitungs führung im Turm -
angenommene Blitzstromsteilheit: 20 kA/µs
angenommene Induktivität des Turmes: L = 1 µH/m
- jeweils abhängig von der Turmhöhe und der Leitungs führung im Turm -
Somit verfügt ein etwa 50 m hoher Turm einer Windkraftanlage
über eine Induktivität von ca. 50 µH; geht man weiterhin von
20 kA/ps als Blitzstromsteilheit aus, so beläuft sich der
Spannungswert längs des Turmes auf rund 1,0 MV.
Diese vorgenannte Spannung baut sich nun zwischen den
geerdeten Teilen der Generatorebene und den an Nieder
spannung beziehungsweise 230 V oder 690 V angeschlossenen
Betriebsmitteln auf.
Nachfolgend seien am Beispiel des Generators die
Gefährdungen der elektrischen und elektronischen
Betriebsmittel sowie deren möglicher Schutz dargestellt:
Die Wicklungsisolation des Generators weist in der Regel nur
eine Spannungsfestigkeit von einigen wenigen kV auf. Ehe die
Spannungsfestigkeit der Generatorisolation überschritten
ist, muß die Spannung zwischen dem Generatorgehäuse 10 und
dem an Niederspannung angeschlossenen Generator auf
ungefährliche Werte abgesenkt werden, was über sehr schnell
ansprechende Längsspannungsschutzkomponenten A1, A2, A3
erfolgen kann, welche im stationären Betrieb auf die
Phasenspannung der Spannungsebene abzustimmen sind.
Nach dem Ansprechen der Längsspannungskomponenten liegt nun
jedoch auch die erhöhte Spannung auf den Phasenleitungen L1,
L2, L3. Der Blitzstrom fließt über die Längsspannungsschutz
komponenten A1, A2, A3 auf die Phasenleitungen L1, L2, L3
und dort bodenwärts. Hierbei baut sich auf den
Phasenleitungen L1, L2, L3 die große Spannung zwischen dem
Generatorgehäuse 10 und der Erde beziehungsweise Erdleitung
14 ab. Durch die Zündung der
Längsspannungsschutzkomponenten, die vorzugsweise extrem
niederimpedant ausgelegt sein müssen, um keinen weiteren
unzulässig hohen Spannungsabfall zu erzeugen, kann nun auch
das Netz in die Zündstelle einen Netzfolgestrom treiben;
wenn dieser erfindungsgemäß gelöscht wird, kann die Anlage
nach Abklingen des Blitzstromes wieder in den zuverlässigen
und störungsfreien Betrieb übergehen.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Patentansprüchen,
der Zusammenfassung und der Zeichnung offenbarten Merkmale
des Gegenstandes dieser Unterlagen können einzeln als auch
in beliebigen Kombinationen untereinander für die
Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen
Ausführungsformen wesentlich sein.
Claims (11)
1. Windkraftanlage mit einem Turm, in deren von diesem
getragenen Turmkopf ein von einem Rotor angetriebener
Generator angeordnet ist, wobei der Rotor um eine vom
Turmkopf gehalterte Nabe drehbar und mit Rotorblättern
versehen ist und wobei die Windkraftanlage eine
Blitzschutzeinrichtung aufweist, bei welcher die
Rotorblätter über ihren Verlauf wenigstens eine
Leiterbahn aus einem leitenden Material aufweisen und
die Leiterbahnen im Normalbetrieb zum Erdpotential
galvanisch getrennt sind und bei durch atmosphärische
Entladung gegebener Blitzstrombeanspruchung eine
niederohmige Verbindung zwischen den Leiterbahnen der
Rotorblätter und der Erde über durch die Beanspruchung
gezündete Entladungsstrecken mit nachfolgender
Erdleitung geschaltet ist und zum Schutz der Bauteile
der Windkraftanlage blitzstromtragfähige und netzfolge
stromlöschende Längsspannungsschutzkomponenten sowie in
Ergänzung dazu Querspannungsschutzkomponenten vorgesehen
sind, nach Patent . . . (Patentanmeldung P 44 45 899.1),
dadurch gekennzeichnet, daß die
Längsspannungsschutzkomponenten (A1, A2, A3) als bei
transienter Spannungsbeanspruchung mit hinreichend hoher
Amplitude in weniger als einer Mikrosekunde ansprechende
Entladungsstrecken ausgebildet sind.
2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Längsspannungsschutzkomponenten (A1, A2, A3) als
Funkenstrecken ausgebildet sind.
3. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Längsspannungsschutzkomponenten (A1, A2, A3) als
Gasentladungsstrecken ausgebildet sind.
4. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Längsspannungsschutzkomponenten (A1, A2, A3) als
Gleitentladungsstrecken ausgebildet sind.
5. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Reduzierung des
Netzfolgestromes niederimpedante Widerstände mit den
Längsspannungsschutzkomponenten (A1, A2, A3) in Reihe
geschaltet sind.
6. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Reduzierung der
Blitzteilströme den Längsspannungsschutzkomponenten (A1,
A2, A3) Induktivitäten vorgeschaltet sind.
7. Windkraftanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die den Blitzteilstrom begrenzenden
Impedanzen in die Phasenleitungen (L1, L2, L3)
integriert sind.
8. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Längsspannungsschutz
komponenten (A1, A2, A3) als blitzstromtragfähige
Varistoren ausgelegt sind.
9. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Längsspannungsschutz
komponenten (A1, A2, A3) Kombinationsschaltungen aus
Entladungsstrecken und Varistoren sind.
10. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß auch im unteren Bereich des
Turmes Längsspannungsschutzkomponenten (A1, A2, A3) zur
Ableitung des Blitzstromes in die Erde angeordnet sind.
11. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Querspannungsschutzkomponenten (V1, V2, V3)
netzfolgestromlöschend konzipiert sind.
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Family
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