DE19501267A1

DE19501267A1 - Windkraftanlage mit Blitzstromableitung

Info

Publication number: DE19501267A1
Application number: DE19501267A
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof Dr Ing Scheibe; Arne Dipl Ing Kuehn; Eberhard Dipl Ing Lehmann; Mark-Oliver Dipl Ing Peters
Original assignee: AUTOFLUG ENERGIETECH GmbH
Current assignee: AUTOFLUG ENERGIETECH GmbH
Priority date: 1994-12-22
Filing date: 1995-01-18
Publication date: 1996-08-29
Also published as: EP0718495A1

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:

U_L = 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 -

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

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.