Diplomarbeit Daniel Swoboda - FH Aachen, Elektrolabor
Diplomarbeit Daniel Swoboda - FH Aachen, Elektrolabor
Diplomarbeit Daniel Swoboda - FH Aachen, Elektrolabor
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Fachbereich Elektrotechnik und Automation<br />
Fachrichtung Elektrische Energietechnik<br />
Literaturrecherche zu<br />
Blitzschutzmaßnahmen von Windenergie-Anlagen<br />
unterschiedlicher Leistungsklassen<br />
von<br />
<strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong><br />
Die Durchführung dieser Arbeit erfolgte an der<br />
Fachhochschule <strong>Aachen</strong>, Abteilung Jülich,<br />
Labor für Hochspannungstechnik
Referent: Prof. Dr. Ing. Alexander Kern<br />
Korreferent: Prof. Dr. rer. nat. Boris Neubauer<br />
Jülich, im November 2003<br />
Für die Aufgabenstellung, die Betreuung dieser <strong>Diplomarbeit</strong> und seine Geduld möchte ich<br />
mich herzlich bei Herrn Prof. Dr. Ing. Alexander Kern bedanken.<br />
Des weiteren bedanke ich mich bei Herrn Prof. Dr. rer. nat. Boris Neubauer, der sich als<br />
Zweit-Prüfer zur Verfügung stellte.<br />
Außerdem bedanke ich mich bei meinen Freunden und Kommilitonen, die mir zu jeder<br />
Zeit mit Rat und Tat zur Seite standen.<br />
Besonders bedanken möchte ich mich bei meiner Familie, die immer für mich da war und<br />
mir auch in schwierigen Zeiten ihre ganze Liebe und Unterstützung gegeben hat.<br />
Diese Arbeit ist von mir selbständig angefertigt<br />
und verfasst. Es sind keine anderen als die<br />
angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt<br />
worden.<br />
_________________________<br />
Unterschrift
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Inhaltsverzeichnis<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
0 Verwendete Formelzeichen ......................................................6<br />
1 Einleitung...................................................................................7<br />
2 Windenergienutzung.................................................................9<br />
2.1 Meilensteine der Windenergienutzung.................................................................... 9<br />
2.2 Stand der Windenergienutzung (30.06.2002)........................................................ 11<br />
2.2.1 Potentieller Jahresenergieertrag aus Windenergieanlagen ............................... 12<br />
2.2.2 Marktanteile der Anbieter................................................................................. 13<br />
2.3 Standortwahl für Windenergieanlagen.................................................................. 14<br />
2.4 Errichtung von Windenergieanlagen..................................................................... 15<br />
3 Windkraftanlagen ...................................................................17<br />
3.1 Einteilung von Windenergieanlagen ..................................................................... 17<br />
3.1.1 Leistungsklassen............................................................................................... 17<br />
3.1.2 Größenklassen .................................................................................................. 17<br />
3.2 Bauformen von Windkraftanlagen ........................................................................ 18<br />
3.2.1 Rotoren mit vertikaler Drehachse..................................................................... 19<br />
3.2.2 Rotoren mit horizontaler Drehachse................................................................. 20<br />
3.2.2.1 Dreiblattrotor ............................................................................................. 21<br />
3.2.2.2 Zweiblattrotor ............................................................................................ 22<br />
3.2.2.3 Einblattrotor............................................................................................... 22<br />
3.2.2.4 Mehrblattrotoren........................................................................................ 22<br />
3.3 Physikalische Grundlagen der Windenergiewandlung.......................................... 22<br />
3.4 Aufbau von Windkraftanlagen .............................................................................. 24<br />
4 Blitzentladung..........................................................................26<br />
4.1 Die Gewitterentstehung......................................................................................... 26<br />
4.2 Blitztypen .............................................................................................................. 28<br />
4.2.1 Wolke – Erde – Blitz ........................................................................................ 28<br />
4.2.2 Erde – Wolke - Blitz......................................................................................... 30<br />
4.3 Gefährdungspotential des Blitzes.......................................................................... 30<br />
3
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Inhaltsverzeichnis<br />
5 Blitzschutz................................................................................31<br />
5.1 Begriffe.................................................................................................................. 31<br />
5.1.1 Äußerer Blitzschutz .......................................................................................... 31<br />
5.1.2 Innerer Blitzschutz............................................................................................ 31<br />
5.1.3 Blitzschutzsystem ............................................................................................. 31<br />
5.1.4 Schutzklasse eines Blitzschutzsystems............................................................. 31<br />
5.2 Aufgabe eines Blitzschutzsystems ........................................................................ 32<br />
5.3 Erwägungen für die Einfügung eines Blitzschutzsystems .................................... 32<br />
5.3.1 Blitzdichte......................................................................................................... 32<br />
5.3.2 Einschlagshäufigkeit......................................................................................... 32<br />
5.3.3 Risiko – Management....................................................................................... 34<br />
5.3.3.1 Allgemeines............................................................................................... 34<br />
5.3.3.2 Detailliertes Verfahren .............................................................................. 35<br />
5.3.3.3 Akzeptierbares Schadensrisiko.................................................................. 36<br />
5.3.3.4 Erforderliche Parameter............................................................................. 36<br />
5.3.3.5 Risiko-Komponenten................................................................................. 37<br />
5.3.3.6 Abschätzung der Notwendigkeit von Schutzmaßnahmen......................... 39<br />
5.3.3.7 Auswahl von Schutzmaßnahmen .............................................................. 40<br />
5.3.4 Wahl der Schutzklasse...................................................................................... 43<br />
5.4 Blitzschutzzonenkonzept....................................................................................... 44<br />
5.4.1 Zone 0 ............................................................................................................... 45<br />
5.4.2 Zone 1 ............................................................................................................... 46<br />
5.4.3 Zone 2 ............................................................................................................... 46<br />
5.4.4 Zonengrenzen ................................................................................................... 46<br />
5.4.5 Unterteilung einer Windenergieanlage in Blitzschutzzonen ............................ 47<br />
6 Blitzschutz einer Windkraftanlage ........................................49<br />
6.1 Rotorblätter und der Übergang Rotorblatt/Nabe................................................... 49<br />
6.1.1 Bemessung der Materialien .............................................................................. 51<br />
6.1.2 Blitzschutz von Rotorblättern........................................................................... 53<br />
6.1.3 Übergang Rotorblatt / Nabe.............................................................................. 55<br />
6.2 Lager und Getriebe................................................................................................ 56<br />
6.2.1 Lager................................................................................................................. 56<br />
6.2.2 Getriebe ............................................................................................................ 58<br />
6.3 Elektrische Anlagen .............................................................................................. 59<br />
6.3.1 Maschinenhaus ................................................................................................. 60<br />
6.3.1.1 Windsensoren und Flugbefeuerung........................................................... 61<br />
6.3.2 Generator .......................................................................................................... 61<br />
6.3.3 Stromversorgungssystem.................................................................................. 61<br />
6.4 Steuerungssystem .................................................................................................. 67<br />
6.5 Fernmeldekabel ..................................................................................................... 70<br />
6.6 Erdungsanlage ....................................................................................................... 71<br />
6.7 Blitzschutzmaßnahmen an Windparks am Beispiel Luxemburg .......................... 73<br />
4
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Inhaltsverzeichnis<br />
7 Abschließende Betrachtung....................................................76<br />
8 Anhang .....................................................................................77<br />
8.1 Glossar................................................................................................................... 77<br />
8.2 Quellen .................................................................................................................. 78<br />
8.2.1 Internetrecherche .............................................................................................. 78<br />
8.2.2 Internet und elektronische Medien ................................................................... 78<br />
8.2.3 Literatur ............................................................................................................ 79<br />
5
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Verwendete Formelzeichen<br />
0 Verwendete Formelzeichen<br />
Zeichen Benennung Einheit<br />
D Durchmesser m<br />
Ekin,W kinetische Energie des Windes Nm<br />
F Querschnittsfläche m 2<br />
hn Nabenhöhe m<br />
m Masse der Luft kg<br />
v Windgeschwindigkeit m/s<br />
ρ Luftdichte kg/m 3<br />
Rx Risiko-Komponenten<br />
Ra akzeptierbares Schadensrisiko<br />
6
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Einleitung<br />
1 Einleitung<br />
Der beschleunigte und kontinuierliche Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien ist einer<br />
der wichtigsten Punkte mit dem z.Zt. versucht wird, den begrenzten und zur Neige<br />
gehenden fossilen Energieressourcen zu begegnen.<br />
Die Förderung der Energiegewinnung aus erneuerbaren Energieträgern wird in der<br />
Bundesrepublik Deutschland durch das „Erneuerbare – Energien - Gesetz (EEG)“ gewährleistet.<br />
Als erstes Etappenziel für den Anteil der regenerativen Energien an der gesamten<br />
Energiegewinnung in Deutschland ist eine Verdoppelung des derzeit ca. 5 prozentigen<br />
Anteils bis 2010 angedacht. Über das Jahr 2010 hinaus wird mit einem anteiligen Zuwachs<br />
von 10 % je Dekade gerechnet. Als derzeitiges Endziel wird ein Anteil der erneuerbaren<br />
Energien von etwa 50 % im Jahr 2050 zu Grunde gelegt.<br />
Neben Energieträgern wie Sonne, Wasser, Biogas, Geothermie oder Deponiegas ist die<br />
Nutzung des Windes eine wichtige und für jeden sichtbar die auffälligste Art der<br />
alternativen Energieerzeugung. Waren Windkraftanlagen vor ca. 10 Jahren etwas<br />
Besonderes und optische Highlights in der Landschaft, so findet man diese modernen<br />
Windmühlen inzwischen fast überall in der Republik.<br />
Da es sich bei Windenergieanlagen um Systeme handelt, die auf sehr beengtem Raum mit<br />
umfangreicher elektrischer und elektronischer Technik ausgestattet sind, traten mit der<br />
Ausbreitung dieser Technologie auch die mit ihr zusammenhängenden Probleme zu Tage.<br />
Neben Eiswurf und Schattenschlag sind Blitzschäden die größten Probleme. Während die<br />
beiden Erstgenannten hauptsächlich ein Problem für Anwohner sind, so stellen Schäden<br />
durch Blitzeinschläge, welche bei WEA aufgrund ihrer exponierten Lage und Bauhöhe<br />
nicht allzu selten sind, ein nicht zuletzt auch wirtschaftliches Risiko für Hersteller und<br />
Betreiber von Windkraftanlagen dar. Somit liegt für die Hersteller, neben Weiter- und<br />
Neuentwicklung, das Hauptaugenmerk darauf, ihre Anlagen mit einem geschlossenen<br />
Blitzschutzkonzept auszustatten.<br />
7
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Einleitung<br />
Diese <strong>Diplomarbeit</strong> beleuchtet in Form einer Literaturrecherche den aktuellen Stand der<br />
Blitzschutzmaßnahmen an Windenergieanlagen unterschiedlicher Größe. Neben der Feststellung<br />
der Maßnahmen zum Schutz gegen Blitzschäden wird in einer abschließenden<br />
Betrachtung auch auf die Punkte, die einer Verbesserung bedürfen, hingewiesen.<br />
8
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Windenergienutzung<br />
2 Windenergienutzung<br />
2.1 Meilensteine der Windenergienutzung<br />
„Wenn der Wind der Veränderung weht,<br />
bauen die einen Windmühlen – die anderen Mauern“ [i1]<br />
Die Nutzung der Windenergie hat in den 50er – 70er Jahren bereits ihre ersten Schritte<br />
gemacht. Eine nennenswerte kommerzielle Nutzung in Deutschland wurde jedoch erst<br />
Anfang der 90er Jahre verzeichnet. Spätestens nach dem Unfall im AKW Tschernobyl<br />
wurde die Entwicklung von Windenergieanlagen (WEA) und die Nutzung der<br />
Windenergie massiv voran getrieben. Dennoch handelt es sich keinesfalls um eine neue<br />
Technologie, sondern eher um eine Wiederentdeckung einer der ältesten genutzten<br />
Energieformen.<br />
Die Nutzung des Windes in Form von Segelschiffen lässt sich bis ca. 2000 Jahre v. Chr. in<br />
Ägypten nachweisen. Erste zuverlässige Beweise für den Einsatz von Windmühlen<br />
stammen aus dem „mittleren Osten“ des 7. Jahrhunderts.<br />
Im 16. Jahrhundert galten Holland, Deutschland und Dänemark als die Windnationen ihrer<br />
Zeit. Die verbreitetsten Windmühlen im Mittelalter waren die Bockwindmühlen, Wippmühlen,<br />
Turmwindmühlen (im Mittelmeerraum) und Holländer-Windmühlen. Charakteristisch<br />
für diese Zeit war, dass kein Windmühlen-Typ sich durch einen effektiveren Typ<br />
hat endgültig verdrängen lassen.<br />
Um die Jahrhundertwende (1900) war die große Zeit der vielflügeligen Blechrotoren, der<br />
sogenannten „Western Mills“. Diese Langsamläufer eigneten sich durch ihr hohes Drehmoment<br />
besonders zur Bereitstellung von mechanischer Energie, sprich dem Antrieb von<br />
Kolbenwasserpumpen.<br />
1932 machte Hermann Honnef mit seiner Vision der Stromerzeugung mit Hilfe von Großwindkraftwerken<br />
(Abb. 1) von sich reden. Seine Konstruktion sah mehrere Doppel-Windräder<br />
mit Ringgenerator vor. Rotor und Stator der elektrischen Maschine waren jeweils an<br />
einem der gegenläufigen mehrflügeligen Rotoren angebracht. Mit den geplanten 120 Meter<br />
9
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Windenergienutzung<br />
für den Generator und 160 Meter Gesamtdurchmesser sowie einer Turmhöhe von ca. 250<br />
Metern, sollte dieses Windkraftwerk mit einer Leistung von 20 MW, selbst für heutige<br />
Maßstäbe, riesige Ausmaße annehmen. Wegen baulicher Probleme, welche in der Größe<br />
des Projektes zu suchen sein dürften, und höchstwahrscheinlich wegen des 2. Weltkrieges<br />
ist dieses Großrad nie über das Planungsstadium hinausgekommen. Honnef war es auch,<br />
der als Erster den Vorschlag machte, Windkraftanlagen „offshore“ aufzustellen. Somit darf<br />
man ihn durchaus zu den Pionieren der Windenergie zählen.<br />
Abb. 1 (links): Entwurf eines Großwindkraftwerks von Hermann Honnef [i2]<br />
Abb. 2 (mitte): StGW-34-Anlage nach Ulrich Hütter [i3]<br />
Abb. 3 (rechts): GROWIAN Windkraftanlage [i4]<br />
1957 wurde die StGW-34-Anlage (Abb. 2) nach den Plänen von Dr. Ulrich Hütter<br />
errichtet. Diese Anlage gilt als Urmodell aller modernen Windenergieanlagen. Nur ein Jahr<br />
später griff Hütter die offshore-Idee von Hermann Honnef mit einer kleinen 10 kW<br />
Maschine auf. Diese Anlage wurde im Golf von Mexiko auf einer Ölplattform installiert.<br />
Mit dem Bau der einst größten Windenergieanlage, genannt GROWIAN (Abb. 3), wurde<br />
1980 am Kaiser-Wilhelm-Koog begonnen. Ende 1982 nahm die Anlage ihren Versuchsbetrieb<br />
auf und sollte u.a. das Wissen über die Dynamik der Rotorblätter, das<br />
Schwingungsverhalten des Gesamtsystems und das Regelungsverhalten in Abhängigkeit<br />
von unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten verbessern. Nach Beendigung des<br />
Versuchsprogramms wurde sie 1987 wieder abgebaut. Die zahlreichen Probleme an<br />
GROWIAN führten 1990 zu der kleineren Anlage WKA-60. Eine der vier auch<br />
10
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Windenergienutzung<br />
GROWIAN II genannten Anlagen wurde auf Helgoland errichtet. Die Rotorblätter der<br />
WKA-60 hatten allerdings erhebliche Probleme mit Blitzschlägen, was dazu führte, dass<br />
die Versicherungen bereits den dritten Blitzschlagschaden nicht mehr übernahmen.<br />
Am 12. September 1998 wurde Europas größter Windpark in der Gemeinde Holtriem in<br />
der Nähe von Aurich, Ostfriesland, eingeweiht. Die 35 aufgestellten Enercon E66 1,5 MW<br />
Anlagen, die ersten WEA ohne Getriebe, entsprechen einer Gesamtleistung von 52,5 MW.<br />
2.2 Stand der Windenergienutzung (30.06.2002)<br />
In der Bundesrepublik Deutschland sind nach Herstellerangaben 12.257 Windenergieanlagen<br />
mit einer installierten Leistung von 9.837,27 MW in Betrieb. Somit liegt<br />
die durchschnittlich installierte Leistung bei 802,58 kW je WEA. Allein im 1. Halbjahr<br />
2002 wurden 827 WEA mit einer Gesamtleistung von 1.086,71 MW errichtet.<br />
Stand<br />
30.06.2002<br />
[5]<br />
2000<br />
[2]<br />
1.Hj 2001<br />
[3]<br />
2001<br />
[4]<br />
1.Hj 2002<br />
[5]<br />
Gesamte Anzahl WEA 12.257 1.495 674 2.079 827<br />
Gesamte installierte<br />
Leistung, MW<br />
durchschnittlich installierte<br />
Leistung, kW/WEA<br />
Tab. 1: Stand der Windenergienutzung in Deutschland<br />
9.837,27 1.665,26 821,72 2.658,96 1.086,71<br />
802,58 1.113,90 1.219,16 1.278,96 1.314,04<br />
Vergleicht man nun die Entwicklung 2002 mit dem gleichen Zeitraum des Vorjahres, so<br />
erkennt man einen Zuwachs der neu errichteten Anlagen um 22,7 % und einen Anstieg der<br />
Gesamtleistung um sogar 32,4 %. Die durchschnittliche Leistung der neu installierten<br />
WEA verzeichnete einen Anstieg um 7,8 % und betrug 1.314,04 kW. Diese Zuwächse und<br />
der Erfahrungswert, dass ca. 65 % der in einem Jahr installierten Leistung auf das 2. Halbjahr<br />
entfallen, lassen vermuten, dass das absolute Rekordjahr 2001 im Jahr 2002 nochmals<br />
übertroffen wird. Eine Prognose rechnet mit einer installierten Leistung von ca. 11.800<br />
MW, bis Ende 2002.<br />
11
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Windenergienutzung<br />
14.000<br />
12.000<br />
10.000<br />
8.000<br />
6.000<br />
4.000<br />
2.000<br />
0<br />
Stand<br />
30.06.2002<br />
2000<br />
1.Hj 2001<br />
2001<br />
Abb. 4: Stand der Windenergienutzung in Deutschland<br />
1.Hj 2002<br />
Gesamte Anzahl WEA<br />
Gesamte installierte<br />
Leistung, MW<br />
durchschnittlich<br />
installierte Leistung,<br />
kW/WEA<br />
Erstmals wurden 2002 die von den Herstellern gemeldeten, abgebauten WEA statistisch<br />
bei der DEWI erfasst. Demnach wurden 8 Anlagen mit einer Leistung von 3,17 MW<br />
abgebaut und durch neue WEA mit größerer Leistung ersetzt (Repowering) [5].<br />
2.2.1 Potentieller Jahresenergieertrag aus Windenergieanlagen<br />
In Tab. 2 sind die Anteile des potentiellen Jahresenergieertrags aus Windenergie am Nettostromverbrauch<br />
der Bundesländer und Deutschlands bezogen auf das Jahr 2000 aufgeführt.<br />
Dieser Jahresenergieertrag wurde auf der Basis der installierten Leistung zum 30.06.2002<br />
bei einem 100 % Windjahr berechnet.<br />
Es ist ersichtlich, dass die Küstenländer Schleswig-Holstein, Mecklenburg-Vorpommern<br />
und Niedersachsen wegen der windgünstigen Lage naturgemäß Spitzenpositionen in dieser<br />
Statistik einnehmen. Ebenfalls weisen Sachsen-Anhalt und Brandenburg einen nennenswerten<br />
Anteil der Windenergie am Jahresenergieertrag ihres Bundeslandes auf. Nordrhein-<br />
Westfalen steht trotz seiner 1.613 WEA und der installierten 1.159,8 MW Leistung nur an<br />
Position 9 in dieser Erhebung. Dies liegt daran, dass das bevölkerungsstärkste Bundesland<br />
mit seiner großen Industrie einen Nettostromverbrauch hat, der über 10 mal so hoch liegt<br />
wie der des Spitzenreiters Schleswig-Holstein.<br />
12
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Windenergienutzung<br />
Bundesland<br />
Nettostromverbrauch<br />
2000<br />
GWh<br />
potentieller Jahresenergieertrag<br />
GWh<br />
Anteil am Nettostromverbrauch<br />
%<br />
WEA<br />
installierte<br />
Leistung,<br />
MW<br />
Schleswig-Holstein 13.053 3.425 26,24 2.408 1.632,8<br />
Mecklenburg-Vorpommern 6.039 1.172 19,40 895 714,0<br />
Sachsen-Anhalt 14.234 2.006 14,09 917 968,7<br />
Niedersachsen 47.528 5.412 11,39 3.245 2.724,4<br />
Brandenburg 14.880 1.555 10,45 982 917,4<br />
Sachsen 20.481 803 3,92 541 448,5<br />
Thüringen 10.333 388 3,75 276 246,7<br />
Rheinland-Pfalz 27.753 825 2,97 511 416,0<br />
Nordrhein-Westfalen 135.746 2.366 1,74 1.613 1.159,8<br />
Hessen 34.740 423 1,22 422 285,6<br />
Bremen 5.846 26 0,44 29 17,1<br />
Saarland 7.522 32 0,43 28 19,9<br />
Hamburg 12.972 35 0,27 44 23,8<br />
Baden-Württemberg 56.281 135 0,24 171 140,3<br />
Bayern 69.821 144 0,21 175 123,4<br />
Berlin 14.011 0 0,00 0 0,0<br />
gesamte Bundesrepublik 491.243 18.747 3,82 12.257 9.838,4*<br />
Tab. 2: Anteil des potentiellen Jahresenergieertrages aus WEA am Nettostromverbrauch der<br />
Bundesländer und Deutschlands [5].<br />
* Der Unterschied zu dem Wert der installierten Leistung Deutschlands in Tab. 1 ist<br />
ausschließlich auf Rundungsungenauigekeiten der zur Verfügung stehenden Daten zurück zu<br />
führen.<br />
2.2.2 Marktanteile der Anbieter<br />
seit 1982 1. Hj. 2002<br />
Enercon 30,9% 46,1%<br />
Vestas 15,1% 10,6%<br />
GE Wind Energy 12,8% 14,4%<br />
NEG Micon 11,2% 3,7%<br />
Nordex 10,1% 5,9%<br />
AN Windenergie 9,2% 6,8%<br />
Repower Systems 3,9% 6,2%<br />
DeWind 3,0% 4,4%<br />
Fuhrländer 1,5% 1,5%<br />
Sonstige 2,2% 0,5%<br />
Tab. 3: Anteile der Anbieter an der gesamten installierten Leistung in % [5]<br />
Im 1. Hj. 2002 gab es große Verschiebungen in den Marktanteilen. So konnte Enercon<br />
seine Vormachtstellung weiter ausbauen. Firmen wie Vestas, NEG Micon und Nordex<br />
13
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Windenergienutzung<br />
mussten teilweise dramatische Verluste verzeichnen. Allerdings muss man anmerken, dass<br />
der Zeitraum eines Halbjahres zu kurz ist, um eine endgültige Aussage über<br />
Marktanteilgewinne oder –verluste zu treffen.<br />
2.3 Standortwahl für Windenergieanlagen<br />
Der wirtschaftliche Betrieb von Windenergieanlagen ist ganz entscheidend von den<br />
örtlichen Windverhältnissen abhängig. Einen groben Anhalt bei der Beurteilung der<br />
Windverhältnisse bieten Windgeschwindigkeitskarten. Die tatsächlichen Windverhältnisse<br />
können jedoch z.T. erheblich von den in den Windkarten angegebenen Werten abweichen.<br />
Für die erwarteten Energieerträge sind die über den tages- und jahreszeitlichen Verlauf<br />
statistisch ermittelten Windgeschwindigkeitswerte und deren Häufigkeitsverteilungen<br />
maßgebend. Ebenso sind der Geländeverlauf (Orographie), die Oberflächenrauhigkeit<br />
(Topographie) und Hindernisse in der Nähe des Standortes zu berücksichtigen, da diese<br />
Einflussfaktoren, wie auch die Luftdichte, Temperatur und Sonneneinstrahlung, den<br />
Verlauf und die Stärke des Windes beeinflussen. Die durch die vorgenannten Einflüsse<br />
verursachten Turbulenzen stellen Anforderungen an die Festigkeit, Konstruktion und<br />
Regelung der Anlagen.<br />
Somit sind im Interesse des Betreibers vor Errichtung der Windkraftanlagen die zu<br />
erwartenden Energieerträge möglichst genau zu prognostizieren, um die Wirtschaftlichkeit<br />
der Anlage abschätzen zu können und Investitionsrisiken zu minimieren. Dazu werden<br />
Standortgutachten und Energieprognosen erstellt, welche auf Messungen bzw. Berechnungen<br />
basieren. Solche Gutachten werden z.B. von der WINDTEST Grevenbroich GmbH<br />
erstellt.<br />
Zur Ermittlung der Windgeschwindigkeiten werden Anemometer verwendet. Obwohl man<br />
die Windgeschwindigkeiten, die z.B. in 10 m Höhe gemessen wurden nach folgender<br />
Beziehung<br />
a<br />
⎛ h n ⎞<br />
v n =<br />
v 10 ⋅ ⎜ ⎟<br />
⎝ 10 m ⎠<br />
14
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Windenergienutzung<br />
mit dem Exponenten a = 0,16 für Windgeschwindigkeiten ab 4 m/s [10] näherungsweise<br />
auf Nabenhöhe umrechnen kann, werden Anemometer mit Windrichtungsmesseinrichtung<br />
auf Nabenhöhe wegen ihrer Genauigkeit bevorzugt.<br />
Moderne Windmesssysteme ermitteln aus ihren Messungen die mittlere Windgeschwindigkeit<br />
sowie die Häufigkeitsverteilung von Windgeschwindigkeit und Windrichtung. Durch<br />
verschiedene Berechnungsverfahren lassen sich relativ exakte Energieertragsprognosen<br />
erstellen. Die Hauptkomponenten solcher Windmesssysteme sind Windmessmast,<br />
Windgeber und Messcomputer. Für einen vollautomatischen Betrieb sind eine wetterfeste<br />
Ausführung, ein Blitzschutzsystem und eine leistungsfähige Stromversorgung die Grundvoraussetzung.<br />
Eine weitere entscheidende Rolle, neben der Windgeschwindigkeit, spielt die Eignung des<br />
Geländes für die Windenergienutzung. Bei Standorten in Küstengebieten ist die direkte<br />
Wassernähe zu bevorzugen, da schon wenige Kilometer landeinwärts deutlich geringere<br />
Energieerträge zu erwarten sind. Im Binnenland sind exponierte Lagen wie Höhenzüge<br />
oder Hochebenen von Interesse. In jedem Fall ist darauf zu achten, dass die WEA aus den<br />
am häufigsten auftretenden Windrichtungen frei angeströmt werden kann. Dies bedeutet,<br />
dass in unmittelbarer Nähe keine größeren Hindernisse sein sollten.<br />
Aus Kostengründen ist die Entfernung zur Netzanbindung möglichst gering zu halten.<br />
Ebenfalls ist auf die Festigkeit des Baugrundes und bereits vorhandene befestigte Zuwege<br />
zu achten.<br />
Grundsätzlich ist der Nahbereich zu Natur- bzw. Landschaftsschutzgebieten wegen<br />
möglicher Probleme im Genehmigungsverfahren zu meiden.<br />
2.4 Errichtung von Windenergieanlagen<br />
Der Windenergienutzung zur Gewinnung elektrischer Energie kommt im Hinblick auf die<br />
Belange der Luftreinhaltung, des Klimaschutzes und der Ressourcenschonung steigende<br />
Bedeutung zu. Vor allem in der Nähe von Wohngebieten und stark touristisch genutzten<br />
15
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Windenergienutzung<br />
Gegenden ist die Akzeptanz gegenüber einzelner Windkraftanlagen oder großer Windparks<br />
gesunken. Als Hauptargumente gegen die Nutzung der Windenergie werden folgende<br />
Punkte angeführt:<br />
• Verschandelung der Natur<br />
• Beeinträchtigung der Tierwelt<br />
• Schattenwurf<br />
• Lärmbelästigung<br />
• Sicherheitsaspekte (z.B. Eiswurf)<br />
Ein weiterer, vor allem in letzter Zeit vermehrt angeführter Punkt, ist die Fehlförderung der<br />
Windenergie, also die Bezuschussung von WEA in ungeeigneten Gegenden. Für den Fall,<br />
dass all diese vorgenannten Gründe in hinreichendem Maße ausgeräumt sind, sollte der<br />
Errichtung der Anlage nichts mehr im Wege stehen.<br />
Die Errichtung der Windkraftanlagen wird für das Bundesland Nordrhein-Westfalen durch<br />
die „Grundsätze für Planung und Genehmigung von Windenergieanlagen (Windenergie –<br />
Erlass – WEAErl.-)“ in ihrer aktuellen Fassung vom 03.05.2002 geregelt.<br />
16
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Windkraftanlagen<br />
3 Windkraftanlagen<br />
3.1 Einteilung von Windenergieanlagen<br />
3.1.1 Leistungsklassen<br />
Seit Beginn der statischen Erhebungen über WEA wurden diese in Leistungsklassen<br />
eingeteilt. 1992 wurde die Unterteilung in drei Leistungsklassen (0-80 kW ; 80,1-200 kW<br />
und über 200 kW) [1] als völlig ausreichend angesehen, obwohl man in der letzten<br />
Kategorie Anlagen der Größe bis 500 kW und über 500 kW zusammengefasst hat.<br />
Aufgrund immer weiterschreitender Entwicklung von Wissenschaft und Technik sowie der<br />
beim Bau von WEA verwendeten Materialien, sind Windkraftanlagen immer größer und<br />
auch leistungsfähiger geworden. Somit musste über die folgenden Jahre die Einteilung der<br />
Leistungsklassen mehrfach angepasst werden.<br />
Eine Unterteilung aller in Deutschland errichteten WEA erfolgt z.Zt. in sieben Leistungsklassen.<br />
Anlagengröße WEA %<br />
5 - 80 kW 746 6,1<br />
80,1 - 130 kW 620 5,1<br />
130,1 - 310 kW 858 7,0<br />
310,1 - 749,9 kW 5.545 45,2<br />
750,0 - 1499,9 kW 1.820 14,8<br />
1500,0 - 3100 kW 2.668 21,8<br />
über 3100 kW 0 0,0<br />
Tab. 4: Einteilung von WEA in unterschiedliche Leistungsklassen [5]<br />
Diese Einteilung der Leistungsklassen dürfte noch einige Zeit bestehen bleiben, da in der<br />
Klasse über 3100 kW noch keine WEA erfasst ist.<br />
3.1.2 Größenklassen<br />
Über die Einteilung in Leistungsklassen hinaus ist man in den letzten Jahren dazu<br />
übergegangen, die modernen Windmühlen ebenfalls in Größenklassen zu unterteilen. Bei<br />
17
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Windkraftanlagen<br />
der Klassifizierung nach der Größe der WEA richtet man sich nach dem Rotordurchmesser<br />
und der Rotorfläche.<br />
Anlagengröße D / m Fläche / m 2<br />
bis kW<br />
0,0 - 8 0,0 - 50 10<br />
8,1 - 11 50,1 - 100 25<br />
11,1 - 16 100,1 - 200 60<br />
16,1 - 22 200,1 - 400 130<br />
22,1 - 32 400,1 - 800 310<br />
32,1 - 45 800,1 - 1600 750<br />
45,1 - 64 1600,1 - 3200 1.500<br />
64,1 - 90 3200,1 - 6400 3.100<br />
90,1 - 128 6400,1 - 12800 6.400<br />
klein<br />
mittel<br />
groß<br />
Tab. 5: Einteilung der WEA in Größenklassen (Zahlenangaben gerundet) [5]<br />
Die Erfassung der WEA in Größenklassen kann den Aufwand, den eine solche Statistik<br />
macht, im Vergleich zur Leistungsklassenerfassung verringern, da viele Hersteller ihre<br />
Anlagen nach dem Rotordurchmesser benennen (z.B. REpower 48/600, Enercon E66,<br />
Nordex N80, Südwind S70).<br />
3.2 Bauformen von Windkraftanlagen<br />
In der Vergangenheit sind unzählige Vorschläge gemacht worden, wie man die kinetische<br />
Energie des Windes in mechanische Arbeit umwandeln könnte. Dabei sind die ungewöhnlichsten<br />
Bauformen entwickelt worden. Allerdings sind die meisten Anlagen in der<br />
Praxis hinter den Erwartungen ihrer Erfinder zurück geblieben. Das dürfte daran liegen,<br />
dass eine Windkraftanlage keineswegs nur aus dem Rotor besteht, sondern auch die<br />
weiteren Komponenten wie Getriebe, Generator, Regelungssystem und eine Vielzahl von<br />
Hilfsaggregaten und Ausrüstungsgegenständen für die mechanisch – elektrische Energiewandlung<br />
unerlässlich sind.<br />
Windenergiekonverter lassen sich durch die aerodynamische Wirkungsweise oder aber<br />
durch ihre Bauform unterscheiden. Die aerodynamische Einordnung erfolgt danach, ob die<br />
Anlage ihre Leistung allein aus dem Luftwiderstand der bewegten Flächen zieht oder<br />
zusätzlich auch den Auftrieb an entsprechenden Flächen nutzt.<br />
18
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Windkraftanlagen<br />
Für den Fall, dass WEA rein nach konstruktiven Gesichtspunkten unterschieden werden,<br />
ist das augenscheinlichste Merkmal, die Rotordrehachse, das wichtige Unterscheidungskriterium.<br />
3.2.1 Rotoren mit vertikaler Drehachse<br />
Windmühlen mit vertikaler Drehachse stellen die älteste Bauform dar. In den Anfängen<br />
konnten diese nur als reine Widerstandsläufer ausgeführt werden. Eine der bekanntesten<br />
Bauformen ist der Savonius-Rotor, welcher z.B. als Schalenkreuz zur Windgeschwindigkeitsmessung<br />
zum Einsatz kommt.<br />
Abb. 5: Rotorformen mir vertikaler Drehachse [11]<br />
Erst in neuerer Zeit wurden Bauformen mit vertikaler Drehachse entwickelt, die auch den<br />
aerodynamischen Aufwind ausnutzen konnten. Besonders herauszustellen ist hier eine<br />
1925 vom Franzosen Darrieus entwickelte Form. Beim Darrieus-Rotor drehen sich die<br />
Rotorblätter auf der Mantellinie einer Rotationsfigur um die senkrechte Achse. Aufgrund<br />
der geometrischen Form der Blätter ist deren Herstellung aufwendig.<br />
Die Vorteile der Darrieus-Rotoren liegen in ihrer Windrichtungsunabhängigkeit und der<br />
Möglichkeit, bei einer relativ einfachen Bauart die Komponenten zur Energiewandlung am<br />
19
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Windkraftanlagen<br />
Boden aufstellen zu können. Die Nachteile dieses Anlagentyps sollten nicht unerwähnt<br />
bleiben. Zu nennen ist da die Unfähigkeit selbständig anzulaufen, wie auch die fehlende<br />
Möglichkeit durch Rotorblattverstellung die Leistungsabgabe bzw. Drehzahl zu regeln.<br />
Darrieus-Rotoren werden bevorzugt mit zwei oder drei Rotorblättern gebaut.<br />
Als Abwandlung gibt es den H-Darrieus-Rotor, welcher auf den Engländer Musgrove<br />
zurück geht. Bei dieser WEA sind gerade Blätter mit variabler Geometrie über<br />
Haltestreben mit der Rotorwelle verbunden, wobei die Rotorfläche und das Drehmoment<br />
mit zunehmender Windgeschwindigkeit verkleinert wird. Somit wird eine grobe Leistungsund<br />
Drehzahlregelung erzielt.<br />
Des weiteren gibt es eine große Anzahl von Vertikalachsen-Rotor-Konzepten, welche<br />
hauptsächlich darauf abzielen, die Konstruktion günstiger zu gestalten.<br />
3.2.2 Rotoren mit horizontaler Drehachse<br />
Windenergieanlagen werden z.Zt. fast ausschließlich in der Ausführung mit horizontaler<br />
Drehachse errichtet. In dieser Konzeption wird hauptsächlich die Propellerbauart verwirklicht.<br />
Zu dieser Bauform zählen die europäischen Windmühlen, die amerikanischen<br />
Windturbinen und die modernen Windenergieanlagen. Die folgenden Vorzüge sind<br />
ausschlaggebend für die Überlegenheit dieser Bauart:<br />
• Möglichkeit der Blatteinstellwinkelregelung, womit die Rotordrehzahl und die<br />
Leistungsabgabe geregelt werden kann,<br />
• Schutz gegen Überdrehzahl und extreme Windgeschwindigkeiten durch Verstellung<br />
der Rotorblätter,<br />
• die Form der Rotorblätter kann aerodynamisch optimal ausgelegt und somit der<br />
Wirkungsgrad der Anlage optimiert werden,<br />
• technologischer Entwicklungsvorsprung durch die konsequente Forschung über die<br />
letzten Jahrzehnte.<br />
20
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Windkraftanlagen<br />
Die am häufigsten errichteten WEA besitzen ein, zwei oder drei Rotorblätter. Gründe für<br />
den Trend, mit immer weniger Blättern auskommen, zu wollen sind:<br />
• die möglichst hohen Drehzahlen, die den kostenintensiven Aufwand für Getriebe<br />
und Generator verringern,<br />
• die Verringerung der Materialkosten durch weniger Blätter,<br />
• die Realisierung von gelenkigen Blattaufhängungen bei Ein- und Zweiblattrotoren.<br />
Abb. 6: Ausführungsformen von Horizontalachsenanlagen [i5]<br />
Im folgenden werden die unterschiedlichen Ausführungsformen der Horizontalachsenanlagen<br />
mit ihren Eigenarten kurz beleuchtet.<br />
3.2.2.1 Dreiblattrotor<br />
Der Dreiblattrotor (Abb.6: A) ist im Moment die gebräuchlichste Form für Windkraftanlagen,<br />
da er der Rotortyp mit der geringsten Blattzahl ist bei dem die dynamischen<br />
Probleme am einfachsten zu beherrschen sind. Die Rotorblätter sind an einer starren Nabe<br />
befestigt. Dies ist eine kostengünstige, wartungsarme Ausführung ohne Verschleiß.<br />
Allerdings werden alle an den Blättern entstehenden Kräfte an die Blattanschlüsse und die<br />
nachfolgenden Maschinenteile übertragen.<br />
21
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Windkraftanlagen<br />
3.2.2.2 Zweiblattrotor<br />
Zweiblattrotoren (Abb. 6: B) können mit höheren Drehzahlen als Dreiblattrotoren arbeiten,<br />
was zu geringerem Aufwand für Getriebe und Generator führt. Die Gondel- und Rotormasse<br />
ist geringer als bei vorgenanntem Rotortyp. Durch die Verwendung von Pendelnaben<br />
können die Probleme durch höhere Belastungen verringert werden. Als die hauptsächlich<br />
problematischen Belastungen wurden Gier- und Pendelmomente ausgemacht.<br />
3.2.2.3 Einblattrotor<br />
Der Einblattrotor (Abb. 6: C) zeichnet sich dadurch aus, dass er eine noch höhere Drehzahl<br />
als Zwei- oder Dreiblattrotoren ermöglicht. Durch die massebedingte Unförmigkeit der<br />
Konstruktion müssen die negativen Effekte (Gier- und Pendelmomente) durch eine<br />
entsprechende Gondelaufhängung und Nabenart kompensiert werden.<br />
3.2.2.4 Mehrblattrotoren<br />
Windkraftanlagen mit mehr als drei Rotorblättern haben in der Praxis nur eine Bedeutung<br />
zur Wandlung der Windenergie in mechanische Energie (z.B. Wasserpumpen).<br />
3.3 Physikalische Grundlagen der Windenergiewandlung<br />
Die primäre Komponente einer Windkraftanlage ist ein Energiewandler, der die kinetische<br />
Energie des Windes in mechanische Arbeit umsetzt. Die grundsätzlichen Gesetzmäßigkeiten<br />
für den Vorgang des Entzugs von mechanischer Arbeit aus einem bewegten<br />
Luftstrom wurden von Alfred Betz erkannt.<br />
Die im Wind enthaltene kinetische Energie lässt sich wie folgt berechnen:<br />
1<br />
E kin,<br />
W =<br />
⋅m<br />
⋅ v<br />
2<br />
2<br />
22
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Windkraftanlagen<br />
Die Nutzung der Windenergie erfordert die Kenntnis über die Leistung des Windes. Sie ist<br />
identisch mit der durch einen Querschnitt fließenden Energiemenge pro Zeit:<br />
P<br />
Wind<br />
1<br />
= ⋅ρ<br />
⋅ v<br />
2<br />
3<br />
⋅F<br />
Die Luftdichte ρ beträgt näherungsweise 1,22 kg/m 3 und nimmt pro 1000 m über NN um<br />
ca. 10% ab. Dies hat selbstverständlich Einfluss auf die Windenergienutzung im Mittelbzw.<br />
Hochgebirge. Die Gleichung zeigt, dass die Leistung mit der Luftdichte, der<br />
Rotorfläche und der Windgeschwindigkeit in der dritten Potenz zusammenhängt. Somit<br />
führt eine Verdoppelung der Windgeschwindigkeit zu einer Steigerung der Leistung um<br />
das 8-fache, wobei in diesem Vergleich eine Veränderung der Luftdichte nicht so stark ins<br />
Gewicht fällt.<br />
Um bewerten zu können, welcher prozentualer Anteil des Leistungsgehaltes des Windes in<br />
nutzbare Energie umgewandelt werden kann, definiert man den Leistungsbeiwert cp. Der<br />
maximale Leistungsbeiwert wird für<br />
1<br />
v2 = ⋅ v<br />
3<br />
1<br />
mit<br />
v1: Anströmgeschwindigkeit<br />
v2: Windgeschwindigkeit hinter dem Konverter<br />
erreicht. Für diesen Fall liegt er bei einem Wert von 0,593 und wird als BETZ’scher<br />
Idealwert bezeichnet. Der BETZ’sche Idealwert stellt einen theoretisch ermittelten Wert<br />
dar.<br />
Das folgende Diagramm (Abb. 7) zeigt den Verlauf des Leistungsbeiwertes in Abhängigkeit<br />
des Verhältnisses von Anströmgeschwindigkeit zur Windgeschwindigkeit hinter der<br />
WEA.<br />
23
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Windkraftanlagen<br />
Abb. 7: Verlauf des Leistungsbeiwertes über dem Geschwindigkeitsverhältnis vor und hinter dem<br />
Energiewandler [11]<br />
Es ist ersichtlich, dass theoretisch maximal ca. 59% der im Wind zur Verfügung stehenden<br />
Energie in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann. In der Praxis werden heute<br />
Leistungsbeiwerte von unter 50% erreicht.<br />
3.4 Aufbau von Windkraftanlagen<br />
Abb. 8 zeigt den typischen Aufbau von Windkraftanlagen größerer Leistung. Die Trafostation<br />
dient der Anpassung der Generatorspannung von typischerweise 690V an das<br />
Mittelspannungsnetz. Sie ist bei vielen Windenergieanlagen in unmittelbarer Nähe zum<br />
Turmfuß angeordnet. Einige Hersteller ordnen sowohl die Mittelspannungsschaltanlage als<br />
auch die Trafostation mit im Turm an. Der Anschluss auf der Mittelspannungsseite zum<br />
Umspannwerk erfolgt in Windparks durch Erdkabel. Die Verbindung von der Trafostation<br />
zur WEA wird ebenfalls über Erdkabel realisiert. Im Turmfuß befindet sich die<br />
Niederspannungshauptverteilung mit den Hauptschaltungselementen, der Frequenzumrichter<br />
zur Frequenzanpassung des Generators an das 50 Hz-System und die<br />
Steuerungstechnik. In der Topbox bzw. Gondel sind sowohl die Steuerungstechnik für die<br />
Sensorik und Aktorik, die Getriebe- und Generatorüberwachung, als auch Antriebe für die<br />
Windnachführung der Gondel installiert. Weitere Steuerungs- und Antriebstechnik<br />
befinden sich bei „pitch“ gesteuerten WEA in der Rotornabe zur Rotorblatt-Verstellung.<br />
24
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Windkraftanlagen<br />
Ein großer Teil der E-Technik ist für sicherheitsrelevante Aufgaben zuständig. Bei zu<br />
starkem Wind wird die Anlage aus dem Wind gefahren. Auch bei Netzausfall muss diese<br />
Schutzeinrichtung fehlerfrei funktionieren. Mit den verwendeten mechanischen Bremssystemen<br />
lassen sich die Massen , vor allem die Rotorblätter, nur schwer beherrschen.<br />
Somit kommt der Verfügbarkeit der elektrischen Sicherheitseinrichtung eine besondere<br />
Bedeutung zu. Damit wird der Blitz- und Überspannungsschutz ein wichtiger Bestandteil<br />
der Windkraftanlagen. Einige Hersteller verwenden auch hydraulische Systeme zur<br />
Rotorblatt-Verstellung. Die Kommunikation der Steuerungen untereinander, z.B. Turmfuß<br />
zur Topbox, wird über Bussysteme realisiert, die oftmals in Lichtwellenleiter - Technik<br />
ausgeführt sind.<br />
Abb. 8: Windenergieanlage mit Trafostation [i7]<br />
25
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzentladung<br />
4 Blitzentladung<br />
4.1 Die Gewitterentstehung<br />
Für die Entstehung von Gewittern sind starke Luftbewegungen, die warme Luftmassen mit<br />
ausreichender Feuchtigkeit in hohe Schichten der Atmosphäre transportieren, eine Grundvoraussetzung.<br />
Aufwinde führen zu einem thermisch bedingten Austausch dieser<br />
wärmeren Luftschicht mit der aus größerer Höhe absinkenden kühleren Luft.<br />
Im Fall von Wärmegewittern entstehen Aufwinde durch die Erwärmung bodennaher<br />
Luftschichten bei intensiver Sonneneinstrahlung. Zu Frontgewittern kann es kommen,<br />
wenn sich durch einen Kaltfronteinbruch die kühle unter die warme Luft schiebt und diese<br />
sozusagen nach oben drückt. Ein dritter Gewittertyp ist das orographische Gewitter. In<br />
diesem Fall führen horizontale Luftbewegungen über Bodenerhebungen zu Aufwinden.<br />
In sogenannten Aufwindschläuchen erfolgt das Aufsteigen der Luft meist stoßartig mit<br />
Geschwindigkeiten bis 100 km/h. In Folge des Aufstieges kühlt sich die Luft ab und<br />
erreicht in einer gewissen Höhe bei entsprechender Temperatur einen Zustand, in dem die<br />
Luft mit Wasserdampf gesättigt ist. Weiteres Aufsteigen führt zu Kondensation und der<br />
damit verbundene Entzug des Wasseranteils in der Luft sowie die freiwerdende<br />
Kondensationswärme führen dazu, dass die nun wieder leichtere Luft einen erneuten<br />
Auftrieb erfährt. Dieses weitere Aufsteigen der Luft hat somit die Bildung von<br />
ambossförmigen Quellwolken (Abb. 9) zur Folge.<br />
Abb. 9 (links): Aufbau einer Gewitterzelle [12]<br />
Abb. 10 (rechts): Typische Zelle eines Wärmegewitters [12]<br />
26
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzentladung<br />
Ein Gewitter beinhaltet in der Regel mehrere Gewitterzellen, von denen jede einzelne<br />
ca. 30 Minuten aktiv ist und in dieser Zeit durchschnittlich 2-4 Blitze pro Minute erzeugt.<br />
In ihren einzelnen Stadien, dem Jugendstadium, dem Reifestadium, der aktiven Phase und<br />
dem Abbaustadium, können die Gewitterzellen nebeneinander existieren.<br />
Charakteristisch für solche Gewitterzellen ist eine Höhe von 5-12 km und ein Durchmesser<br />
von 5-10 km. Typisch ist dabei eine Region negativer Ladung im Gebiet mit einer<br />
Temperatur zwischen - 10 °C und - 20 °C. Regionen positiver Ladungen findet man im<br />
oberen bzw. unteren Teil der Wolke.<br />
Hat die elektrische Feldstärke einen kritischen Wert erreicht, werden die räumlich<br />
getrennten Ladungen ausgeglichen. Die zum Auslösen eines Blitzes erforderliche<br />
Feldstärke hängt vom Ionisierungsgrad der Luft ab und liegt zwischen 0,5 und 10 kV/cm.<br />
Die Ausbildung eines Blitzes erfolgt in mehreren Phasen. Pakete negativer Ladungen<br />
bewegen sich stufenweise in Längen von ca. 50 m und einer mittleren Pausenzeit von 50<br />
µs voran. Diese Vorentladungen bilden durch fortschreitende Ionisierung einen leitfähigen<br />
Kanal. Nähert sich dieser ca. 5 cm dicke Leitblitz dem Erdboden, schlägt ihm von dort aus<br />
eine Fangentladung entgegen und leitet den Hauptblitz ein. Im Augenblick der größten<br />
Stromdichte steigt die Temperatur im Blitzkanal auf 20.000 bis 30.000 °C an. Der<br />
Explosionsknall wird als Donner wahrgenommen. Der Durchmesser des Kanals kann von<br />
wenigen cm bis 0,5 m variieren. Auch in der Länge gibt es eine große Schwankungsbreite:<br />
zwischen 1 und 15 km wurden beobachtet. Die Blitzstromstärke liegt zwischen wenigen<br />
kA und über 200 kA.<br />
Die hohen Temperaturen halten noch einige Zeit die thermische Ionisation aufrecht,<br />
wodurch sich Folgeblitze ausbilden können.<br />
Blitzkanäle existieren nicht nur zwischen Wolke und Erde, auch innerhalb von Wolken<br />
bzw. von Wolke zu Wolke können sie sich ausbilden.<br />
27
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzentladung<br />
4.2 Blitztypen<br />
Der erste Schritt zum Entstehen eines Blitzes in der Wolke ist physikalisch noch nicht<br />
geklärt. Man nimmt an, dass bei zunehmender Konzentration der Ladung und damit örtlich<br />
wachsender Feldstärke ein elektrodenloser Durchschlag, ähnlich einer im Labor im<br />
elektrischen Feld von Funkenstrecken erzeugbaren elektrodenlosen Entladung, entsteht.<br />
Solche ersten Durchschlagkanäle werden an den Stellen in den Wolken beginnen, an denen<br />
Raumladungen entgegengesetzter Polaritäten aneinander stoßen. Ein so gebildeter leitender<br />
Kanal wird sich an den Enden durch Erhöhen der Feldstärke und Stoßionisation fortsetzen<br />
und verlängern. Durch ungleichmäßige Raumladungen werden auch seitliche<br />
Verzweigungen eintreten und damit größere Bereiche von Raumladungen einbezogen. Die<br />
zahlreichen Wolkenblitze dürften so den Austausch großer Raumladungen negativer und<br />
positiver Polarität herstellen. Es ist anzunehmen, dass sie ihren Ursprung vornehmlich in<br />
deren Grenzbereich haben.<br />
Abb. 11: Typen von Blitzen zwischen Wolke und Erde [12]<br />
4.2.1 Wolke – Erde – Blitz<br />
Bei Wolke-Erde-Blitzen, die auch Abwärts-Blitze genannt werden, aus positiver<br />
Wolkenladung wird im allgemeinen nur ein Hauptblitz beobachtet. Bei Blitzen aus<br />
negativen Wolkenladungen, welche den überwiegenden Teil der Abwärts-Blitze<br />
ausmachen, treten häufig mehrere solcher Hauptblitze (Folgeblitze) in verschiedenen<br />
kürzeren Abständen auf.<br />
28
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzentladung<br />
Der erste in Stufen vorwachsende Leitblitz verzweigt sich während seines Vorwachsens<br />
häufig und wird erst einige zehn Meter vor dem Boden durch eine dem Leitblitz<br />
entgegenwachsende Fangentladung entgegengesetzter Ladung zum endgültigen Einschlagpunkt<br />
„dirigiert“. Im allgemeinen erreichen diese Zweige, die auch Leitblitze sind,<br />
nicht die Erde und enden in der Luft. Sie enden durch den ersten Hauptblitz. Es kommt<br />
auch vor, dass sie die Erde gleichzeitig erreichen, so dass ein Blitz auch zwei oder sehr<br />
selten auch drei Einschlagstellen haben kann.<br />
Abb. 12: Schematisierte Entwicklung des Leitblitzes und der Fangentladung eines<br />
negativen Wolke-Erde-Blitzes [12]<br />
Der Durchmesser des Blitzkanals dürfte in der Phase des Hauptblitzes einige Zentimeter;<br />
die Koronahülle, die durch den Leitstrahl gebildet wird, zehn Meter und mehr betragen.<br />
Die Temperatur im Augenblick der höchsten Stromdichte wird auf 20.000 bis 30.000°C<br />
steigen, aber dann schnell auf 10.000 bis 15.000°C sinken. Diese Erwärmung erhält noch<br />
einige Zeit eine thermische Ionisation aufrecht, so dass ein Folgeblitz schneller und<br />
gleichmäßiger vorwachsen kann als der erste Leitblitz. Die Anzahl solcher Folgeblitze ist<br />
von Blitz zu Blitz sehr unterschiedlich. Es wurden schon über 30 Folgeblitze gemessen.<br />
29
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzentladung<br />
4.2.2 Erde – Wolke - Blitz<br />
Bei hohen Gebäuden oder Türmen, die heute durchweg mit Blitzableitern ausgestattet sind,<br />
gehen mit zunehmender Höhe Leitblitze von der Spitze zur Wolke aus. Der Leitblitz baut<br />
sich mit kleinem Strom, der ziemlich kontinuierlich fließt und Werte bis zu einigen hundert<br />
Ampere erreichen kann, auf. Es können auch einige stoßartige Impulse von einigen<br />
Kiloampere überlagert sein. Diesem anfänglichen Aufwärtsblitz können weitere Teilblitze<br />
mit von der Wolke ausgehenden Leitblitz im gleichen Kanal folgen.<br />
Je exponierter der Standort der Bauten ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit solcher<br />
von Spitzen ausgehenden Aufwärts-Blitzen. Bei Aufwärts-Blitzen ist der Einschlagsort<br />
durch den von der Erde ausgehenden Leitblitz bestimmt. Ansatzpunkte werden<br />
Blitzableiter, sonstige hohe leitfähige Bauteile, Türme oder auch Windenergieanlagen sein.<br />
Dadurch können solche Objekte während eines Gewitters auch mehrmals von Aufwärts-<br />
Blitzen getroffen werden.<br />
Abwärts-Blitze lassen sich visuell dadurch erkennen, dass ihre Verzweigungen nach unten<br />
zur Erde gerichtet sind. Bei Aufwärts-Blitzen führen diese Verzweigungen nach oben zu<br />
den Wolken.<br />
4.3 Gefährdungspotential des Blitzes<br />
Betrachtet man das Gefährdungspotential des Blitzes isoliert auf WEA so ist festzuhalten,<br />
dass Blitzeinschläge hauptsächlich ein finanzielles Risiko darstellen. Die Schadenssumme<br />
bei einem direkten Einschlag mit einem Blattschaden beträgt in der Regel mehr als<br />
25.000 Euro. Bei indirekten Blitzeinschlägen werden üblicherweise Teile der elektrischen<br />
Steuerung oder der Fernwirktechnik zerstört. Deren Schadenssumme von „nur“ einigen<br />
tausend Euro fällt stärker ins Gewicht, da Schäden durch indirekte Einschläge um ein<br />
Vielfaches häufiger auftreten als die direkten Blitzschäden. Diese Summen im<br />
Zusammenhang mit dem Problem, einen Versicherer zu finden, stellen die Hauptrisiken<br />
des Blitzes dar.<br />
30
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz<br />
5 Blitzschutz<br />
5.1 Begriffe<br />
5.1.1 Äußerer Blitzschutz<br />
Als äußeren Blitzschutz bezeichnet man ein System, bestehend aus Fangeinrichtung, den<br />
Ableitungen und der Erdungsanlage. [6]<br />
5.1.2 Innerer Blitzschutz<br />
Der innere Blitzschutz wird wie folgt definiert: Zusätzliche Maßnahmen zur Verminderung<br />
der Auswirkungen des Blitzstromes innerhalb des zu schützenden Raumes, die über die für<br />
den äußeren Blitzschutz getroffenen hinausgehen. [6]<br />
5.1.3 Blitzschutzsystem<br />
Das gesamte System nach DIN V VDE V 0185-3 (VDE V 0185 Teil 3) für den Schutz<br />
einer baulichen Anlage und ihres Inhalts gegen die Auswirkungen direkter Blitzeinschläge<br />
wird als Blitzschutzsystem bezeichnet. Es besteht sowohl aus dem Äußeren als auch aus<br />
dem inneren Blitzschutz.<br />
In besonderen Fällen kann das Blitzschutzsystem einer Anlage nur aus dem äußeren oder<br />
aus dem inneren Blitzschutz bestehen. [6]<br />
5.1.4 Schutzklasse eines Blitzschutzsystems<br />
Bei der Schutzklasse handelt es sich um einen Satz von Konstruktionsregeln für ein Blitzschutzsystem<br />
nach VDE V 0185 Teil 3 (z.B. Abstände, Maschenweiten, Schutzwinkel,<br />
Leiterquerschnitte), ausgelegt nach dem zughörigen Gefährdungspegel. Die Schutzklasse<br />
wird durch Abschätzung des Schadensrisikos ermittelt, soweit sie nicht durch Vorschriften<br />
festgelegt ist. Ihre Wirksamkeit nimmt von Schutzklasse I zu Schutzklasse IV ab. [6]<br />
31
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz<br />
5.2 Aufgabe eines Blitzschutzsystems<br />
Die Aufgabe eines Blitzschutzsystems ist es, den Blitz definiert mit einer Fangeinrichtung<br />
einzufangen und den Blitzstrom über ein Ableitsystem und eine Erdungsanlage in den<br />
Boden abzuleiten. Im übrigen sind kapazitive, induktive, galvanische oder<br />
strahlungsgebundene Einkopplungen auf ein ungefährliches Maß zu reduzieren.<br />
5.3 Erwägungen für die Einfügung eines Blitzschutzsystems<br />
Ein Blitzschutzsystem für eine Windkraftanlage ist ein nicht unerheblicher Kostenfaktor<br />
bei der Produktion einer solchen Anlage. Aus diesem Grund muss bei der Planung einer<br />
WEA das Risiko eines Blitzeinschlages und die damit verbundenen möglichen Schäden<br />
berücksichtigt werden.<br />
5.3.1 Blitzdichte<br />
Im ersten Schritt der Bewertung ist die örtliche Blitzaktivität abzuschätzen. Statistische<br />
Erhebungen über die lokale Blitzhäufigkeit sind z.B. beim Deutschen Wetterdienst zu<br />
erhalten. Sollten für den angestrebten Standort keine Angaben für die flächenbezogene<br />
Blitzdichte vorliegen, so kann sie mit folgender Gleichung abgeschätzt werden:<br />
N ⋅<br />
5.3.2 Einschlagshäufigkeit<br />
1,<br />
25<br />
g = 0,<br />
04 Td<br />
je km 2 je Jahr<br />
mit<br />
Ng: durchschnittliche jährliche flächenbezogene Blitzdichte je km 2<br />
Td: Anzahl der Gewittertage im Jahr<br />
Unter Verwendung der Blitzdichte lässt sich die durchschnittliche Einschlaghäufigkeit von<br />
direkten Blitzen in Gebäude wie folgt angeben:<br />
32
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz<br />
N<br />
−6<br />
d = N g ⋅ A e ⋅10<br />
je Jahr<br />
mit<br />
Nd: durchschnittliche jährliche Häufigkeit von direkten<br />
Blitzeinschlägen in ein Gebäude<br />
Ae: äquivalente Erfassungsfläche des zu bewertenden Gebäudes<br />
Die äquivalente Erfassungsfläche eines Bauwerks ist definiert als die Fläche, die dieselbe<br />
jährliche Häufigkeit direkter Blitzeinschläge aufweist wie das Bauwerk selbst. Bei einzeln<br />
stehenden Bauwerken entspricht die äquivalente Erfassungsfläche genau der Fläche, die<br />
von einer gedachten Linie vom Erdboden mit der Steigung 1:3 zum höchsten Punkt des<br />
Bauwerks verläuft und das Bauwerk kreisförmig umschließt [9]. Bei Windenergieanlagen<br />
liegt dieser höchste Punkt, der für die äquivalente Erfassungsfläche maßgebend ist, bei<br />
einer Höhe die der Nabenhöhe plus dem Rotorradius entspricht.<br />
Abb. 13: Äquivalente Erfassungsfläche für WEA [9]<br />
33
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz<br />
Eine Abschätzung der zu erwartenden Blitzeinschläge in eine WEA kann mit der<br />
folgenden Formel getroffen werden:<br />
N<br />
5.3.3 Risiko – Management<br />
2 −6<br />
d = N g ⋅9<br />
⋅ π⋅<br />
h ⋅10<br />
je Jahr<br />
mit<br />
h: effektive Höhe der WEA (Nabenhöhe plus Rotorradius)<br />
Im Folgenden wird kurz das Risiko – Management gemäß DIN V VDE V 0185-2 erläutert.<br />
Für alle nicht ausreichend behandelten Punkte (z.B. genaue Definition jedes einzelnen<br />
Kürzels) wird direkt auf diese Norm verwiesen.<br />
5.3.3.1 Allgemeines<br />
Das Objekt, für welches eine Risikoabschätzung vorgenommen wird, ist zunächst nach<br />
dem Blitzschutzzonenkonzept (Kap. 5.4) in Blitzschutzzonen zu unterteilen. Die Blitzschutzzone<br />
wird definiert durch die Festlegung ihrer geometrischen Grenzen, der<br />
relevanten Bedingungen und der Blitzbedrohung. Danach können durch eine Risikoanalyse<br />
die Notwendigkeit des Blitzschutzes und die geeigneten Blitzschutzmaßnahmen bestimmt<br />
werden. Für jede Blitzschutzzone müssen folgende Punkte bestimmt werden:<br />
• die geometrischen Grenzen,<br />
• die relevanten Kenndaten,<br />
• die Blitzbedrohungsdaten,<br />
• alle für diese Blitzschutzzone relevanten Schadensarten.<br />
Die geometrischen Grenzen sind frei definierbar und können anderweitig definierte Zonen<br />
(z.B. explosionsgefährdete Zonen) mit einbeziehen. Des weiteren kann sich der Hersteller<br />
34
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz<br />
bzw. der Betreiber dazu entschließen, nur Bereiche von wirtschaftlichem Interesse zu<br />
schützen [7]. Es ist müßig eine solche Trennung bei WEA treffen, da aufgrund des nur<br />
begrenzt zur Verfügung stehenden Raumes immer Komponenten, die von wirtschaftlichem<br />
Interesse sind, betroffen sein werden.<br />
Die geometrischen Grenzen einer Blitzschutzzone können<br />
• die gesamte bauliche Anlage,<br />
• einen Teil der baulichen Anlage,<br />
• eine interne Installation,<br />
• einen Teil der internen Installation,<br />
• eine Errichtung oder ein System oder<br />
• ein wertvolles Gut in der baulichen Anlage<br />
umfassen.<br />
5.3.3.2 Detailliertes Verfahren<br />
Das Risiko – Management unterscheidet zwei Analyseverfahren. Zum einen das<br />
„vereinfachte Verfahren“, bei dem die gesamte Anlage als eine Blitzschutzzone definiert<br />
wird und zum anderen das für WEA sinnvollere „detaillierte Verfahren“.<br />
Hierbei muss für jede einzelne Blitzschutzzone eine eigene Risikoanalyse durchgeführt<br />
werden. Das Ergebnis liefert einen Satz von Schutzmaßnahmen für jede Blitzschutzzone.<br />
Jeder Satz beschreibt alle Maßnahmen, die zum Schutz der jeweiligen Blitzschutzzone<br />
aufgewendet werden müssen. Abschließend sind gegenseitige Abhängigkeiten der<br />
Schutzmaßnahmen unbedingt zu berücksichtigen.<br />
35
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz<br />
5.3.3.3 Akzeptierbares Schadensrisiko<br />
Repräsentative Werte des Schadenrisikos Ra in den Fällen, in denen Blitzeinschläge<br />
erhebliche Schäden verursachen können zeigt die Tab. 6. Die Werte des akzeptierten<br />
Schadensrisiken Ra für ausschließlich wirtschaftliche Verluste werden vom Hersteller oder<br />
Betreiber der Anlage bzw. dem Errichter der Schutzmaßnahmen definiert. Bei dieser<br />
Festlegung werden streng wirtschaftliche Aspekte zu Grunde gelegt, d.h. mögliche Kosten,<br />
die durch die von Blitzeinschläge verursachten Schäden entstehen sowie die damit<br />
verbundenen Ausfallzeiten, werden gegen die Kosten der Schutzmaßnahmen aufgerechnet.<br />
Tab. 6: Typische Werte für das akzeptierbare Schadensrisiko Ra [7]<br />
5.3.3.4 Erforderliche Parameter<br />
Bei der Abschätzung des Schadenrisikos im Rahmen der Risikoanalyse werden folgende<br />
Daten (Parameter) berücksichtigt:<br />
• Erdblitzdichte für das Gebiet, in dem die Anlage errichtet wird,<br />
• Eigenschaften der baulichen Anlage,<br />
• Art und Eigenschaften des Inhalts,<br />
• Eigenschaften der Umgebung,<br />
• Eigenschaften des Erdbodens um die Anlagen herum,<br />
• Art, Eigenschaften und Länge der Versorgungsleitungen,<br />
• Art der internen Installationen,<br />
36
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz<br />
• Schutzmaßnahmen gegen elektrischen Schock,<br />
• Schutzmaßnahmen gegen physikalische Schäden,<br />
• Schutzmaßnahmen zur Reduzierung der Auswirkung eines Schadens,<br />
• Ausmaß der auftretenden Verluste und ihre Auswirkungen auf die Öffentlichkeit<br />
und die Umgebung,<br />
• Kosten der erwarteten Schäden und<br />
• Kosten der erforderlichen Schutzmaßnahmen.<br />
5.3.3.5 Risiko-Komponenten<br />
Für jede Schadensart (Tab. 6) setzt sich das Schadensrisiko R aus der Summe der<br />
unterschiedlichen Risiko-Komponenten RX zusammen:<br />
R<br />
∑<br />
= X<br />
R<br />
X<br />
Je Risiko-Komponente RX kann wie folgt berechnet werden:<br />
R X<br />
= N ⋅ P ⋅δ<br />
mit<br />
N: Häufigkeit von gefährlichen Ereignissen<br />
P: Schadenswahrscheinlichkeit<br />
δ: Schadensfaktor<br />
Die Risiko-Komponenten hängen werden nachfolgend definiert. Jede der Risiko-<br />
Komponenten ist dabei von der Einschlagstelle abhängig.<br />
37
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz<br />
Direkte Blitzeinschläge in die bauliche Anlage:<br />
• Risiko-Komponente RA als Verlust von Lebewesen durch Berührungs- und<br />
Schrittspannungen in einem Bereich bis zu 3m außen um die bauliche Anlage<br />
herum. In diesem Fall kann das Schadensrisiko innerhalb der baulichen Anlage<br />
vernachlässigt werden. Es können die Schadensarten D1 im Falle von<br />
landwirtschaftlichen Anwesen und D4 mit dem Verlust von Tieren auftreten. [7]<br />
• Risiko-Komponente RB als physikalischer Schaden durch gefährliche Funkenbildung<br />
innerhalb der baulichen Anlage mit der Folge von Feuer und Explosionen.<br />
Damit kann auch die Umgebung gefährdet werden. Alle Schadensarten (D1, D2,<br />
D3, D4) können auftreten. [7]<br />
• Risiko-Komponente RC als Störung von elektrischen oder elektronischen Systemen<br />
durch Überspannungen, die durch galvanische Kopplung oder durch induktive<br />
Kopplung entstehen. Die Schadensarten D2 und D4 sind hier in allen Fällen<br />
relevant, darüber hinaus ggf. auch D1 bei explosionsgefährdeten Anlagen, bei<br />
Krankenhäusern und bei baulichen Anlagen, in denen Störungen an elektrischen<br />
und elektronischen Systemen unmittelbar zur Gefährdung von Menschenleben<br />
führen. [7]<br />
Blitzeinschläge in den Erdboden neben der baulichen Anlage:<br />
• Risiko-Komponente RM als Störung von elektrischen und elektronischen Systemen<br />
durch induzierte Überspannungen, die durch den Blitzstrom in den internen<br />
Installationen induziert werden [7]. Die relevanten Schadensarten sind mit denen<br />
der Risikokomponente RC identisch.<br />
Direkte Blitzeinschläge in eine eingeführte Versorgungsleitung:<br />
• Risiko-Komponente RU als Verlust von Menschenleben durch Berührungs- und<br />
Schrittspannungen, die durch den eingeleiteten Blitzstrom auf der eingeführten<br />
Versorgungsleitung innerhalb der baulichen Anlage entstehen. Die Schadensart D1<br />
kann auftreten. [7]<br />
38
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz<br />
• Risiko-Komponente RV als physikalischer Schaden (Feuer, Explosion durch<br />
gefährliche Funkenbildung zwischen der eingeführten Versorgungsleitung und<br />
metallenen Teilen, insbesondere an der Eintrittsstelle in die bauliche Anlage) durch<br />
den in die bauliche Anlage eingeleiteten Blitzstrom auf der Versorgungsleitung.<br />
Alle Schadensarten (D1, D2, D3, D4) können auftreten. [7]<br />
• Risiko-Komponente RW als Störung von elektrischen und elektronischen Systemen<br />
durch Überspannungen, die längs der eingeführten Versorgungsleitung induziert<br />
und dann in die bauliche Anlage eingeleitet werden [7]. Die relevanten<br />
Schadensarten sind mit denen der Risikokomponente RC identisch.<br />
Blitzeinschläge in den Erdboden neben einer eingeführten Versorgungsleitung:<br />
• Risiko-Komponente RZ als Störung von elektrischen und elektronischen Systemen<br />
durch Überspannungen, die längs der eingeführten Versorgungsleitung induziert<br />
und dann in die bauliche Anlage eingeleitet werden [7]. Für auftretenden<br />
Schadensarten wird auf die Risiko-Komponente RC verwiesen.<br />
5.3.3.6 Abschätzung der Notwendigkeit von Schutzmaßnahmen<br />
Schutzmaßnahmen müssen installiert werden, wenn sie durch nationale Vorschriften<br />
gefordert werden. Soweit diese Vorschriften keine besonderen Spezifikationen der<br />
Blitzschutzmaßnahmen enthalten, wird nach VDE V 0185 Teil 3 ein Blitzschutzsystem der<br />
Schutzklasse III empfohlen.<br />
In anderen Fällen sollte die Notwendigkeit von Blitzschutzmaßnahmen durch eine<br />
detaillierte Risikoanalyse bestimmt werden. Für jedes Schadensrisiko, welches in einer<br />
Blitzschutzzone auftreten kann, müssen im Rahmen dieser Risikoanalyse für die (noch)<br />
nicht geschützte Blitzschutzzone die folgenden Schritte durchgeführt werden:<br />
39
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz<br />
• Identifikation der Risiko-Komponenten Rx, die das Schadensrisiko bestimmen,<br />
• Berechnung der identifizierten Risiko-Komponenten Rx,<br />
• Berechnung des gesamten Schadensrisikos R<br />
• Festlegung des akzeptierbaren Schadensrisikos Ra,<br />
• Vergleich des Schadensrisikos R mit dem akzeptierbaren Schadensrisiko Ra.<br />
Sofern bei dem Vergleich der Schadensrisiken<br />
R ≤ R a<br />
gilt, sind weitere Schutzmaßnahmen nicht erforderlich. Sollte allerdings<br />
R > R a<br />
sein, so müssen zusätzliche Schutzmaßnahmen durchgeführt werden, um das<br />
Schadensrisiko auf ein akzeptablen Maß zu reduzieren. Dies gilt für alle Schadensrisiken,<br />
denen die Blitzschutzzonen ausgesetzt sind.<br />
5.3.3.7 Auswahl von Schutzmaßnahmen<br />
Das in der VDE V 0185 Teil 2 empfohlene Verfahren zur Auswahl der Schutzmaßnahmen<br />
für die einzelnen Schadensarten zeigt das folgende Flussdiagramm (Abb. 14). Dabei<br />
handelt es sich um einen wiederkehrenden Prozess, der helfen soll, den optimalen Schutz<br />
zu den geringst möglichen Kosten zu finden.<br />
Solange R > Ra ist, sind weitergehende Schutzmaßnahmen, sofern man nicht fahrlässig<br />
handeln will, zwingend notwendig.<br />
40
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz<br />
Abb. 14: Flussdiagramm für die Auswahl von Schutzmaßnahmen [7]<br />
41
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz<br />
Nach Festlegung eines geeigneten Schutzgrades I bis IV, mit dem die primäre<br />
Blitzbedrohung definiert wird, können die Schutzmaßnahmen ausgewählt werden.<br />
Schutzmaßnahmen, die das Risiko Rd direkter Blitzeinschläge vermindern:<br />
• geeignetes Blitzschutzsystem nach DIN V VDE V 0185-3 (Schutzklassen I bis IV)<br />
• blitzstromtragfähiger, gitterförmiger räumlicher Schirm um die Blitzschutzzone 1<br />
nach DIN V VDE V 0185-4 (VDE V 0185 Teil 4)<br />
• andere Schutzmaßnahmen zur Verminderung der Risiko-Komponenten RA, RB, RC.<br />
Schutzmaßnahmen, die insbesondere das Risiko Ri durch indirekte Blitzeinschläge<br />
vermindern:<br />
• Überspannungsschutzgeräte an den Eintrittsstellen von eingeführten Versorgungsleitungen<br />
in jede Blitzschutzzone oder an Geräteeingängen zu Reduktion von<br />
leitungsgebundenen Störungen, wie sie durch Blitzeinschläge in oder neben<br />
Versorgungsleitungen (Risiko-Komponenten RU, RV, RW, RZ) sowie durch Blitzeinschläge<br />
direkt in die bauliche Anlage (Risiko-Komponente RC) entstehen,<br />
• gitterförmige räumliche Schirmung oder Schutzmaßnahmen bei der internen<br />
Leitungs-Führung und -Schirmung zur Reduktion von leitungsgebundenen<br />
Störungen, wie sie durch Induktionswirkung auch innerhalb einer Blitzschutzzone<br />
entstehen (Risiko-Komponente RM),<br />
• andere Schutzmaßnahmen zur Verminderung der Risiko-Komponenten RM, RU,<br />
RV, RW, RZ<br />
Für jede Schadensart gibt es einen Satz von Schutzmaßnahmen, für die einzeln oder<br />
kombiniert die Bedingung R ≤ Ra erfüllt sind. Diese geeigneten Schutzmaßnahmen sollten<br />
sinnvollerweise von Beginn an durch Planer, Betreiber und Hersteller berücksichtigt<br />
werden. Auf der Basis dieses Ergebnisses ist dann das Blitzschutzsystem auszuwählen.<br />
42
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz<br />
5.3.4 Wahl der Schutzklasse<br />
Blitzschutzanlagen werden gemäß VDE V 0185 Teil 3 in vier Schutzgrade eingeteilt. Die<br />
folgenden Tabellen (Tab. 7 und Tab. 8) geben Aufschluss über die Schutzgrade, deren<br />
Wirksamkeit sowie der Höchstwerte von Blitzparametern zu den jeweiligen Schutzgraden.<br />
Tab. 7: Zuordnung der maximalen Blitzkennwerte zu den Gefährdungspegeln/Schutzklassen [8]<br />
Je höher der Schutzgrad einer BSA ist, desto wirksamer ist sie. Dies bedeutet, dass der<br />
Aufwand zur Realisierung ansteigt, je besser der Blitzschutz sich darstellt. Es werden<br />
größere Leiterquerschnitte sowie größere Erdungsanlagen benötigt. Des weiteren ist der<br />
Abstand der Blitzauffangpunkte zu verkleinern.<br />
43
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz<br />
Tab. 8: Beziehung zwischen Gefährdungspegel/Schutzklasse, Radius der Blitzkugel, minimalem<br />
Scheitelwert des Blitzstroms und Einfangwahrscheinlichkeit [8]<br />
Nach Forderungen des „Germanischen Lloyd“ ist eine Windenergieanlage mit einer<br />
Nabenhöhe < 60m in die Schutzklasse III eingruppiert. Anlagen mit einer Nabenhöhe ><br />
60m sind mit einem Blitzschutzsystem der Schutzklasse II auszustatten [i6] [i7] [15].<br />
Selbstverständlich ist eine Einstufung in eine höhere Schutzklasse möglich.<br />
5.4 Blitzschutzzonenkonzept<br />
Das Blitzschutzzonenkonzept unterteilt die WEA in unterschiedliche Bedrohungsbereiche.<br />
Mit ansteigender Zonenzahl nehmen die Bedrohungsparameter ab. Die Zonen sind so zu<br />
wählen, dass die Bedrohungsparameter der Zone die Störfestigkeit der eingesetzten Geräte<br />
nicht überschreiten.<br />
Die Blitzschutzmaßnahmen an einer Windenergieanlage sollten auf der Basis eines EMVorientierten<br />
Blitzschutzzonenkonzeptes ausgeführt werden. Dies bedeutet, dass nach<br />
Festlegung der Schutzklasse die Gesamtanlage einzuteilen ist. Hieraus ergeben sich dann<br />
die Anforderungen für die einzelnen Bereiche. Eine Schutzzone hat die Aufgabe,<br />
leitungsgebundene Störgrößen und Felder auf festgelegte Grenzwerte zu reduzieren. Die<br />
Schutzzonen ergeben sich durch den Aufbau der WEA und sollen den natürlichen Aufbau<br />
der Struktur berücksichtigen. Entscheidend ist, dass die von außen auf eine Schutzzone<br />
einwirkenden Blitzparameter durch Schirmungsmaßnahmen und den Einbau von<br />
Überspannungsschutzgeräten soweit reduziert werden, dass die innerhalb der Schutzzone<br />
44
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz<br />
befindlichen elektrischen und elektronischen Systeme und Geräte störungsfrei betrieben<br />
werden können.<br />
Die Grenzwerte für Strom, Spannung und elektromagnetisches Feld der jeweiligen<br />
Schutzzonen richten sich nach den in der Windkraftanlage installierten Komponenten. Sie<br />
entscheiden darüber, wie stark Störeinflüsse gedämpft werden müssen. Somit macht es<br />
wenig Sinn, Grenzwerte für die einzelnen Blitzschutzzonen zu definieren.<br />
5.4.1 Zone 0<br />
Die Blitzschutzzone 0 lässt sich in zwei Blitzschutzzonen (BSZ) unterteilen.<br />
Die BSZ 0A gilt für Bereiche, in der Gegenstände direkten Blitzeinschlägen ausgesetzt sind<br />
und deshalb den vollen Blitzstrom zu führen haben.<br />
Die BSZ 0B gilt für Bereiche, in der Gegenstände keinen direkten Blitzeinschlägen<br />
ausgesetzt sind, in denen jedoch das ungedämpfte elektromagnetische Feld auftritt.<br />
Die Grenze zwischen BSZ 0A und 0B wird mit Hilfe des Blitzkugel – Verfahrens festgelegt,<br />
wie es Abb. 15 darstellt.<br />
Abb. 15: Anwendung des Blitzkugel – Verfahrens an einer WEA [9]<br />
45
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz<br />
5.4.2 Zone 1<br />
Die BSZ 1 gilt für Bereiche , in denen Gegenstände keinen direkten Blitzeinschlägen<br />
ausgesetzt sind und in der die Ströme an allen leitenden Teilen innerhalb dieser Zone im<br />
Vergleich mit den Zonen 0A und 0B reduziert sind. In dieser Zone kann auch das<br />
elektronische Feld gedämpft sein, abhängig von den Schirmungsmaßnahmen.<br />
5.4.3 Zone 2<br />
Zur BSZ 2 gehören Einrichtungen innerhalb der Blitzschutzzone 1, wenn ergänzende<br />
Abschirmmaßnahmen zur weiteren Reduzierung der Störpegel vorgenommen werden. Dies<br />
sind z.B. Systeme, welche innerhalb der BSZ 1 in Schaltschränken installiert sind.<br />
Noch empfindlichere Systeme können innerhalb der BSZ 3 untergebracht werden. Für<br />
diese Ausrüstungen, welche sich innerhalb der BSZ 2 befinden, sind weitergehende<br />
Abschirmmaßnahmen zur Reduzierung der Störpegel zu treffen.<br />
5.4.4 Zonengrenzen<br />
An jeder Zonengrenze muss sichergestellt sein, dass Kabel und Leitungen, die Grenzen<br />
überqueren, keine größeren Anteile des Blitzstroms oder der transienten Spannungen in<br />
Schutzzonen mit einer höheren Ordnungszahl übertragen. Dies wird durch einen gut<br />
ausgeführten Potentialausgleich und Abschirmungen sowie durch Überspannungsschutz<br />
der Kabel und Leitungen an den Zonengrenzen erreicht. Ziel ist es dabei, die Werte von<br />
Strom und Spannung so weit zu verringern, wie es für die Ausbauten, die in der<br />
Schutzzone mit höherer Ordnungszahl untergebracht sind, erforderlich ist.<br />
Die Anzahl notwendiger Bauteile für den Schutz gegen Überspannungen kann und sollte<br />
durch entsprechende Unterteilung in Schutzzonen, geeignete Verlegung der Kabel,<br />
Verwendung von abgeschirmten Kabeln und durch Verwendung von Lichtwellenleitern für<br />
die Übertragung von Signalen und Daten verringert werden. Überspannungs-<br />
46
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz<br />
schutzeinrichtungen können relativ teuer und groß sein, und diese Tatsache allein zeigt,<br />
dass Ihr Einsatz beschränkt bleiben sollte. Außerdem können derartige Einrichtungen auch<br />
durch Umgebungseinflüsse, denen sie ausgesetzt sind, sowie durch Alterung ausfallen. [9]<br />
5.4.5 Unterteilung einer Windenergieanlage in Blitzschutzzonen<br />
In diesem Kapitel wird in einem Beispiel eine Einteilung in Blitzschutzzonen<br />
vorgenommen. Dieses Beispiel wird anhand der WEA „protec MD“ der Firma Fuhrländer<br />
durchgeführt.<br />
Abb. 16: Übersicht der Windkraftanlage „protec MD“ mit eingetragenen Blitzschutzzonen. [15]<br />
47
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz<br />
In der folgenden Auflistung sind die wichtigsten Elemente der „protec MD“ und die<br />
entsprechende Zuordnung der Blitzschutzzonen zusammengefasst.<br />
Element (Gerät) Blitzschutzzone<br />
Asynchrongenerator, doppelt gespeist BSZ 0B<br />
(s. Maschinenhaus)<br />
Blitzstromableitung über redundant ausgeführte Schleifringe<br />
mit Kohlebürsten und parallelen Funkenstrecken<br />
BSZ 0B<br />
(s. Maschinenhaus)<br />
Energiekabel im Turm BSZ 1<br />
Getriebe BSZ 0B<br />
(s. Maschinenhaus)<br />
Hydraulik BSZ 0B<br />
Leitungen, in Welle verlegt BSZ 1<br />
Maschinenhaus BSZ 0B<br />
Maschinenträger BSZ 0B<br />
Nabe BSZ 0B<br />
Nabenbox BSZ 1<br />
Rezeptoren BSZ 0A<br />
(s. Rotorblatt)<br />
Rotorblatt BSZ 0A<br />
Rotorwelle BSZ 0B<br />
(s. Maschinenhaus)<br />
Sensorikkabel, geschirmt BSZ 1<br />
TopBox BSZ 1<br />
Turm, außen BSZ 0A<br />
Turm, innen BSZ 1<br />
Umrichter BSZ 2<br />
Wettermast BSZ 0A<br />
Tab. 9: Elemente der „protec MD“ und Zuordnung der Blitzschutzzonen<br />
48
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
6 Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
Für den Blitzschutz einer WEA ist es entscheidend, dass ein Blitzschlag über eine<br />
durchgängige Verbindung von der Rotorblattspitze oder der Gondeloberseite bis in das<br />
Fundament abgeleitet wird. Im Folgenden sollen nun Aufbau und Beschädigungsmechanismen<br />
der Einzelkomponenten kurz, sowie die verwirklichten Blitzschutzmaßnahmen<br />
genauer betrachtet werden.<br />
6.1 Rotorblätter und der Übergang Rotorblatt/Nabe<br />
Die Rotorblätter von Windkraftanlagen sind aus Verbundwerkstoffen gefertigte Hohlraumkonstruktionen.<br />
Um das Gewicht der Blätter so gering wie möglich zu halten werden<br />
vorrangig Materialien wie glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), karbonfaserverstärkte<br />
Kunststoffe (CFK) oder glasfaserverstärkte Epoxidharze verwendet.<br />
Rotorblätter werden je nach Regelungs- und Bremsprinzip in den unterschiedlichsten<br />
Bauformen gefertigt. Die gängigsten Modelle werden nun kurz beschrieben.<br />
Rotorblätter nach Bauform A (Abb. 17 A) besitzen eine Klappe oder Querruder am<br />
äußeren Ende ihrer Vorderkante. Diese Klappe wird als Bremse benutzt, da sie bei<br />
Betätigung für einen Strömungsabriss sorgt. Die häufigsten Blitzeinschläge werden an den<br />
Klappenscharnieren aus Stahl verzeichnet.<br />
Blätter, die nach Typ B (Abb. 17 B) gefertigt sind, verwenden Tip-Bremsen, welche von<br />
einer Feder gehalten werden und bei zu hoher Drehzahl aufgrund der Zentrifugalkräfte<br />
ausgelöst werden. Blitze schlagen vornehmlich im Bereich von wenigen Zentimetern um<br />
die Blattspitze oder den Seiten der Tip-Bremse ein.<br />
Die Bauformen A und B werden überwiegend in kleineren oder älteren Anlagen eingesetzt.<br />
Schäden treten bei Typ A auf, weil die Betätigungsseile aus Stahl den Blitzstrom nur<br />
unzureichend ableiten können. Bei Typ B Blättern liegt die größte Gefahr darin, dass sich<br />
49
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
von der inneren Seite der Tip-Welle ein Lichtbogen im Blattinneren ausbildet, und somit<br />
zur völligen Zerstörung führt.<br />
Abb. 17: Bauformen von Rotorblättern [9]<br />
Die Bauarten C und D repräsentieren moderne Rotorblätter. Blätter mit einer Tip-Bremse,<br />
die von einem Stahldraht ausgelöst werden (Abb. 17 C), werden wie auch die Blätter der<br />
Bauform B hauptsächlich innerhalb weniger 10 cm von der Blattspitze entfernt oder den<br />
Seiten der Tip-Bremse vom Blitz getroffen. Schäden am Hauptblatt treten dann auf, wenn<br />
der Stahldraht den Blitzstrom nicht führen kann.<br />
Rotorblätter der Bauform D (Abb. 17 D) sind vollständig aus nichtleitenden Werkstoffen<br />
gefertigt. An diesen Blättern können Blitze über die gesamte Blattfläche einschlagen.<br />
Dennoch werden auch hier die meisten Einschläge in einem kleinen Bereich um die<br />
Blattspitze herum beobachtet.<br />
Obwohl man zu Beginn davon ausgegangen ist, dass Blitze Blätter aus nicht leitenden<br />
Materialien nicht beschädigen würden, hat die Praxis das Gegenteil gezeigt.<br />
Blitzeinschläge und gravierende Beschädigungen treten recht häufig auf. Blitzentladungen<br />
an solchen Materialien können u.a. dadurch erklärt werden, dass Verschmutzungen und<br />
Wasser (an Offshore - Anlagen auch Salzwasser) diese Blätter leitfähiger machen, was bis<br />
hin zu fast metallischen Eigenschaften führen kann. Des weiteren ist anzumerken, dass<br />
Rotorblätter größten Teils aus Verbundwerkstoffen, welche keine Isolatoren sind, gefertigt<br />
werden. Die Leitfähigkeit von z.B. karbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) hängt stark<br />
von der Ausrichtung der Fasern ab. Obwohl Kohlefasern elektrisch leitend sind , haben<br />
50
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
CFK-Werkstoffe, bei denen die verschiedenen Lagen der Faser fest in einer Matrix<br />
verbunden sind, eine etwa 1000-fach geringere Leitfähigkeit als Aluminium. Zu den<br />
typischen Schäden an den Einschlagspunkten sind Delaminierungen und Verbrennungen<br />
der Oberfläche des Verbundwerkstoffes, sowie Erwärmung oder das Schmelzen von<br />
metallischen Bauteilen, die sich in der Nähe des Einschlagspunktes befinden. Die stärksten<br />
Beschädigungen werden durch Lichtbögen im Rotorblattinneren oder zwischen den<br />
Schichten des Verbundwerkstoffes verursacht. Durch Feuchtigkeit begünstigte Lichtbögen<br />
haben fast immer die Zerstörung des Blattes zur Folge, wobei zu beachten ist, dass bei<br />
Bauart B und C sich die Zerstörung meist auf die Tip-Bremse beschränkt, während<br />
Rotorblätter der Bauart D in solchen Fällen komplett zerstört werden.<br />
6.1.1 Bemessung der Materialien<br />
Die im Ableitersystem verarbeiteten Materialien sind so zu dimensionieren, dass sie die<br />
elektrischen, thermischen und elektrodynamischen Beanspruchungen, die durch den<br />
Blitzstrom hervorgerufen werden, ohne Schaden überstehen. Eine Übersicht der gängigsten<br />
Werkstoffe und der Mindestabmessungen für Auffangeinrichtung und Ableitung gibt die<br />
Tabelle 10.<br />
Tab. 10: Mindestabmessungen von Werkstoffen für Blitzschutzanlagen [9]<br />
51
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
Es wird darüber hinausgehend empfohlen, besonders beanspruchte Bauteile, wie z.B. die<br />
Stahlseile für Tip-Bremsen, noch massiver auszuführen. Dies ist dadurch begründet, dass<br />
sich die mechanische Belastbarkeit bei Erwärmung auf hohe Temperaturen verringert. Die<br />
Erwärmung von Leitern durch das Führen eines Blitzstroms kann mit der folgenden<br />
Gleichung berechnet werden:<br />
( W / R)<br />
1 ⎧ ⎡ ⋅α<br />
⋅ρ<br />
⎤ ⎫ 0<br />
θ − θ0<br />
= ⋅⎨exp⎢<br />
⎥ −1<br />
2<br />
⎬<br />
α ⎩ ⎣ q ⋅ γ ⋅c<br />
W ⎦ ⎭<br />
mit<br />
θ-θ0 : Erwärmung des Leiters in K,<br />
α : Temperaturkoeffizient des Widerstandes in 1/K,<br />
W/R : Spezifische Energie des Stromimpulses in J/Ω,<br />
ρ0 : Spezifischer Widerstand des Leiters bei<br />
Umgebungstemperatur in Ωm<br />
q : Querschnittfläche des Leiters in m 2<br />
γ : Werkstoffdichte in kg/m 3<br />
cW : Wärmekapazität in J/kg·K<br />
Ummittelbar nach einer Blitzentladung über den Draht muss er eine ausreichende<br />
Festigkeit besitzen, damit seine Funktionalität weiter gewährleistet ist. In Tab. 11 sind die<br />
Eingangswerte für diese Gleichung mit gebräuchlichen Werkstoffen angegeben und die<br />
Tab. 12 zeigt die Temperaturerhöhung für unterschiedliche Leiterwerkstoffe. Es sei noch<br />
einmal daran erinnert, dass für mechanisch stark belastete Drähte der Schmelzpunkt nicht<br />
erreicht werden muss, um einen Ausfall zu verursachen.<br />
52
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
Tab. 11: Physikalische Eigenschaften üblicher Werkstoffe für den Einsatz in Blitzschutzanlagen [9]<br />
Tab. 12: Temperaturanstieg in K von unterschiedlichen Leitern in Abhängigkeit von (W/R) [9]<br />
6.1.2 Blitzschutz von Rotorblättern<br />
Die Aufgabe des Blitzschutzes an den Rotorblättern ist es, den Blitzstrom sicher, ohne die<br />
Bildung von Lichtbögen, von dem Punkt des Blitzeinschlages zur Nabe zu führen. Eine<br />
andere Möglichkeit, bei der der Blitzstrom vom Rotorblatt auf das Gondelgehäuse geleitet<br />
wird, ist im weiteren Text ebenfalls beschrieben.<br />
Die wohl geläufigste Methode des Blitzschutzes ist die, bei der der Blitzstrom im Inneren<br />
des Rotors geführt wird. Diese Technik ist eine weit verbreite Art, d.h. das sie sowohl bei<br />
Blättern mit Tip-Bremse als auch bei vollständig aus Verbundwerkstoffen gefertigten<br />
Rotorblättern angewandt wird. In dem Fall der Blätter mit Tip-Bremse wird der Blitzstrom<br />
über sogenannte Rezeptoren in den Blattspitzen, die mit den „Tip-Seilen“ verbunden sind,<br />
ins Blattinnere geleitet. Von dort aus wird er über die ausreichen dimensionierten Seile zur<br />
53
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
Blattspitzensteuerung bis zur Blattwurzel geführt. Somit erfüllen die Tip-Seile gleich zwei<br />
Aufgaben. Zum Einen dienen sie zur Steuerung der Tip-Bremse, und zum Anderen sind sie<br />
ein unverzichtbares Element des inneren Ableitsystems. Bei den Rotorblättern von<br />
„pitch“ - gesteuerten Anlagen, also der Bauart D, wird üblicherweise ein Vollmetallrezeptor<br />
an der Blattspitze angebracht. Dieser lenkt einen möglichen Blitzeinschlag in das<br />
Ableitersystem im inneren des Flügels. Für Rotorblätter mit einer Länge bis 20 Meter wird<br />
diese Maßnahme als ausreichend angesehen. Bei längeren Flügeln besteht die Gefahr, dass<br />
Blitze nicht nur in die Spitze, sondern auch direkt in das Blatt einschlagen. Somit werden<br />
solche Blätter über die gesamten Flächen verteilt mit Rezeptoren ausgestattet. Diese in der<br />
Regel aus Aluminium gefertigten Rezeptoren werden über hauptsächlich aus Kupfer<br />
bestehende isolierte Kabel mit der Nabe verbunden, von der aus die Energie des Blitzes<br />
weiter bis zur Erde geleitet wird. Die Firma NOI benutzt bei den von ihnen gefertigten<br />
Rotorblättern 70 mm dicke isolierte Kupferkabel.<br />
Ein weiteres häufig angewendetes Verfahren ist das, bei dem ein Aluminiumgeflecht direkt<br />
unter der Oberfläche einlaminiert wird. Das Aluminiumgeflecht wird aus Gründen des<br />
Gewichts dem Kupfergeflecht vorgezogen. Dieses einlaminierte Geflecht erstreckt sich<br />
über das gesamte Blatt bis hin zur Blattwurzel.<br />
Wie bereits erwähnt gibt es ein System, bei dem der Blitzstrom nicht über die Nabe geführt<br />
wird. Die Firma ENERCON betreibt ein Blitzschutzsystem, welches zum Teil auch<br />
bauartbedingt den Blitzstrom an Verschleißteilen vorbei führt. In diesem Fall ist die<br />
Rotorblattspitze als Aluminiumformteil ausgeführt. Entlang der Vorder- und Hinterkante<br />
des Rotorblattes ist unmittelbar unter der Oberfläche je ein Aluminium-Profil<br />
eingearbeitet. Diese Profile verbinden das Aluformteil an der Blattspitze mit einem Aluminiumring,<br />
der in der Nähe des Blattflansches um die Blattwurzel gelegt ist. Der Ring<br />
befindet sich in ausreichendem Abstand zu den leitenden Teilen im Blattanschlussbereich,<br />
so dass die Isolation vom Blatt selbst übernommen wird. Da die Blitzableitung bereits an<br />
der Blattwurzel erfolgt und nicht über Nabe und Rotorlagerung, bleiben die Rotorlager vor<br />
evtl. Folgeschäden verschont. Die Überleitung erfolgt über Funkenstrecken, die wiederum<br />
den Blitzstrom direkt in den stehenden Teil der Anlage übertragen. Die Fangstangen<br />
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<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
befinden sich auf der Rotorverkleidung (jeweils einem der drei Blätter zugeordnet) sowie<br />
auf dem hinteren Teil der Gondelverkleidung. Die Ableitung des Blitzes erfolgt von dort<br />
über die Statortragarme, Achszapfen, Maschinenträger und Turm ins Fundament der<br />
Anlage. Mit Hilfe dieser Anordnung wird ein Blitzeinschlag unabhängig von der<br />
momentanen Stellung des Rotors, sowie unabhängig vom momentanen Rotorblattwinkel<br />
zur tragenden Struktur übergeleitet. [16]<br />
6.1.3 Übergang Rotorblatt / Nabe<br />
Das Ableitungssystem der Rotorblätter wird üblicherweise an der Blattwurzel mit dem<br />
Blattmontageflansch oder der Nabe verbunden. Eine Ausnahme ist das Ableitsystem der<br />
Firma ENERCON (Kap. 6.1.2).<br />
Bei WEA mit „pitch“ Steuerung ist die zur Zeit gängigste Methode, den Blitzstrom über<br />
die einzelnen Blattlager abzuleiten. Hierbei sind die von den Fangeinrichtungen<br />
kommenden Kabel leitend über den Innenring der Blattlager mit der Nabe verbunden. Es<br />
gibt ebenfalls die Möglichkeit den Blitzstrom über eine Art Potentialausgleich, der die<br />
Lager überbrückt, abzuleiten. In diesem Fall wird der Strom häufig über Schleifkontakte<br />
mit parallelen Funkenstrecken abgeleitet. Diese Methode findet auch bei dem Übergang<br />
Nabe/Maschinenhaus seine Anwendung.<br />
Bei Rotorblätter der Bauart C wird die Tip-Bremse mittels eines Hydrauliksystems<br />
betätigt. Da bei dieser Art der Rotorblätter das „Seil“ zur Betätigung der Tip-Bremse<br />
ebenfalls Bestandteil des Ableitsystems ist, das hydraulische System besonders gefährdet,<br />
und ist in Folge dessen zu schützen. Hierfür werden üblicherweise flexible<br />
Potentialausgleichbänder genutzt, welche über eine ausreichende Länge verfügen, um die<br />
Bewegungen des Kolbens nicht zu beinträchtigen.<br />
55
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
6.2 Lager und Getriebe<br />
Grundsätzlich ist anzumerken, das sich durch einige der nachfolgend beschriebenen<br />
Maßnahmen in Folge eines Blitzes oder Störfalles, hohe Spannungen zwischen einem<br />
elektrisch isolierten Triebstrang und der Grundplatte der Gondel aufbauen können. Dies<br />
kann zu einer Gefährdung des Personals Führen kann.<br />
Aus Gründen der Arbeitssicherheit sollten sich während eines Gewitters jedoch keine<br />
Personen in einer WEA aufhalten. Alle weiteren Schutzmaßnahmen und Verhaltensweisen<br />
zum Thema „Arbeiten unter Spannung“ werden in der VDE 0105 Teil 100 und der<br />
BGV A2 „Elektrische Anlagen und Betriebsmittel“ (alte UVV VBG 4) beschrieben.<br />
6.2.1 Lager<br />
Es ist bekannt, dass Ströme Beschädigungen an Lagern hervorrufen können. Ein Grossteil<br />
der Erfahrungswerte über Schäden durch Gleich- oder Wechselströme stammt aus dem<br />
Maschinenbaubereich. Hierbei ist anzuführen, dass Stromdichten von weniger als 2 A/mm 2<br />
bereits zu Beschädigungen an Lagern innerhalb weniger tausend Betriebsstunden führen<br />
[9].<br />
Bei den zeitlich kürzeren Blitzströmen liegt das Gefährdungspotential in den Lichtbögen,<br />
die sich Lagerlaufflächen und Wälzkörper ausbilden können. Die durch die Lichtbögen<br />
geführte Energie kann starken Lochfraß hervorrufen. Dies führt zu einer nicht<br />
unerheblichen Verkürzung der Lebenszeit der Lager. Des weiteren sind Lager eine Hauptkomponenten<br />
von Windkraftanlagen und deren Beschädigungen können zu hohen Kosten<br />
durch die Instandhaltungsmaßnahmen und Ausfallzeiten führen.<br />
Es wird dennoch, zumindest für „pitch“ - gesteuerte Anlagen bei denen die Blattlager Teil<br />
des Ableitsystems sind, die These vertreten, dass es sich um ein akzeptables Risiko<br />
handelt. Da es für das Bremssystem in der Regel genügt, wenn schon alleine ein Blatt aus<br />
dem Wind gedreht wird, werden die Lager nur bei offensichtlichen Beschädigungen,<br />
welche sich durch Fehlfunktionen der Blattwinkelsteuerung bemerkbar machen,<br />
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<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
gewechselt [15]. Diese Vorgehensweise wird unter anderem durch Laboruntersuchungen<br />
gestützt, in denen Beschädigungen durch Blitzströme nur an rotierenden Lagern<br />
nachgewiesen werden konnten. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Blitzstrom genau zum<br />
Zeitpunkt der Blattverstellung über ein Lager geführt werden muss, ist vernachlässigbar<br />
gering.<br />
Die Grundproblematik des Blitzschutzes an den Hauptwellenlagern, Generatorlagern aber<br />
auch an den Getrieben ist es einen gesunden Kompromiss zwischen der Schmierung der<br />
Lager (Verminderung der Reibung) und einem guten metallischen Kontakt, welcher für die<br />
Führung des Blitzstromes notwendig ist, zu finden.<br />
Der Schutz der Rotor- oder Hauptwellenlager wird üblicherweise durch alternative<br />
Strompfade gewährleistet, um damit den Anteil des Blitzstroms, der über das Lager fließt,<br />
so weit wie möglich zu reduzieren. Hierbei wird der Blitzstrom über Schleifringkontakte<br />
mit parallelen Funkestrecken auf den Maschinenträger geleitet. Die Schleifkontakte<br />
werden in der Form von Kohlebürsten realisiert. Der Grund für eine Kombination aus<br />
Schleifringen und Funkenstrecke ist, dass die Schleifringe eine galvanische Verbindung<br />
zwischen den beiden Kontaktbereichen darstellen und die auf wenige Millimeter<br />
eingestellte Funkenstrecke erst dann zur Zündung kommt, wenn die Spannung zu groß<br />
wird. Da große Lager zum Teil sehr geringe Impedanzen besitzen sind zu den<br />
Blitzschutzmaßnahmen, bestehend aus Schleifringen und Funkenstrecke, einige zusätzliche<br />
Maßnahmen vorzunehmen um die Impedanz der Lager zu erhöhen. Dies kann z.B. durch<br />
den Einbau zusätzlicher hochohmiger oder isolierender Schichten erfolgen. In Abb. 18<br />
wird gezeigt, wie ein Strompfad vom vorderen Ende der langsam drehenden Welle zur<br />
Grundpatte der Gondel hergestellt werden kann, während gleichzeitig isolierende<br />
Schichten in sämtliche Strompfade zwischen Lager , Getriebe und schnell laufender Welle<br />
und der Grundplatte der Gondel eingebaut wurden [9].<br />
57
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
Abb. 18: Alternativer Strompfad zur Reduzierung des Blitzstroms [9]<br />
Alle elektrischen Betriebsmittel am Triebstrang müssen gegen Überspannungen, welche<br />
sich zwischen Triebstrang und Grundplatte der Gondel aufbauen können, geschützt<br />
werden.<br />
6.2.2 Getriebe<br />
Es konnten bis heute keine Getriebeschäden explizit auf die Folgen eines Blitzeinschlages<br />
zurück geführt werden. Dennoch sind des öfteren Überlegungen angestellt worden, in den<br />
Antriebsstrang eine isolierende Kupplung einzubauen. Des weiteren lässt sich auch hier die<br />
Firma Enercon anführen, die durch ihre getriebelosen Windkraftanlagen Schäden an<br />
diesem Bauteil nicht zu befürchten haben. Ansonsten sind als Blitzschutz die selben<br />
isolierenden Maßnahmen in die Tat umgesetzt, wie sie bereits im vorhergehenden<br />
Kapitel 6.2.1 beschrieben sind.<br />
58
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
6.3 Elektrische Anlagen<br />
Jede WEA kann in vier unterschiedliche Abschnitte mit elektrische Betriebsmitteln<br />
eingeteilt werden. Die Abschnitte sind:<br />
• Generator,<br />
• Niederspannungsschaltgeräte- und Leistungsaufbereitung,<br />
• Transformator und<br />
• Mittelspannungsschaltgeräte.<br />
In Abhängigkeit von der Anlagengröße können für bestimmte WEA-Gruppen die beiden<br />
Letzten Abschnitte zusammenfallen. Bei Windenergieanlagen mit einer installierten<br />
Leistung von ≥ 250 kW besitzt normalerweise jede WEA ihren eigenen Transformator. [9]<br />
Abb. 19: Prinzipschaltbild der elektrischen Betriebsmittel einer netzgekoppelten WEA [9]<br />
59
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
6.3.1 Maschinenhaus<br />
Auf der Strecke von der Rotornabe zum Turmfuß liegt in großer Höhe das Maschinenhaus.<br />
Hier enden in einem Steuerschaltschrank viele wichtige Signalleitungen, beispielsweise<br />
von der Windfahne und dem Anemometer, die sich auf dem Maschinenhaus befinden. Die<br />
Signaleingänge der Steuerung werden mit Überspannungsschutzgeräten im Schaltschrank<br />
geschützt. Weitere wichtige Signale sind die des Generators und des Getriebes, z. B. die<br />
Wicklungstemperatur und der Öldruck. Die Spannungsversorgung mit 230/400 V erhält<br />
das Maschinenhaus von der Niederspannungshauptverteilung im Turmfuß. Über<br />
Azimutantriebe wird das Maschinenhaus immer optimal in den Wind gedreht. Daher hat<br />
das Steuerungssystem eine komplexe Kontroll- und Regelaufgabe. Es ist für jeden<br />
Hersteller von enormer Wichtigkeit, dass ein Systemausfall durch Überspannung<br />
wirkungsvoll verhindert wird. Die Überspannungsschutzgeräte auf der Spannungsversorgungs-<br />
und der Signalseite gehören daher zum umfassenden Schutzkonzept.<br />
Abb. 20: Schaltschrank im Maschinenhaus einer WEA von GE Wind Energy [13]<br />
60
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
6.3.1.1 Windsensoren und Flugbefeuerung<br />
Auf dem Maschinenhaus (Gondel) sind leeseitig Windfahne, Anemometer sowie die<br />
Flugbefeuerung angebracht. Diese werden gegen direkte Blitzeinschläge durch eine<br />
Fangeinrichtung geschützt, welche gemäß DIN V VDE V 0185-3 konzipiert ist.<br />
6.3.2 Generator<br />
Bisher wurden, wie auch am Getriebe, am Generator einer Windkraftanlage keine Schäden<br />
festgestellt, die eindeutig auf Blitzeinschläge zurück zu führen sind. Dennoch wird der<br />
Generator in der Regel durch eine isolierende Kupplung mit dem Getriebe verbunden und<br />
durch eine stabile Gummilagerung zum Boden des Maschinenhauses entkoppelt. Es ist<br />
darauf hinzuweisen, dass diese Maßnahmen hauptsächlich getroffen werden, um die<br />
Übertragung von Maschinengeräuschen zu verringern.<br />
6.3.3 Stromversorgungssystem<br />
In der Niederspannungshauptverteilung im Turmfuß der WEA befinden sich der<br />
Leistungsabgang zur Transformatorstation sowie der Frequenzumrichter. Er dient der<br />
Frequenzanpassung an das 50-Hz-Stromversorgungssystem. Das Stromversorgungssystem<br />
zwischen Generator und Trafostation wird als 400/690 V TN- oder 690 V IT System<br />
ausgeführt. Bei zunehmend größeren Leistungen der Windenergieanlagen sind auch höhere<br />
Systemspannungen zu erwarten um die Baugröße der Generatoren zu begrenzen. Zur Zeit<br />
existieren keine Blitzstromableiter, die speziell für die o. g. Systemspannungen entwickelt<br />
wurden. Überspannungsschutzgeräte jedoch, die im üblichen 230/400 V-System<br />
Verwendung finden und eine Ableiter - Bemessungsspannung von Uc = 440 V besitzen,<br />
können unter Berücksichtigung entsprechender Einbaubedingungen auch in 400 /690 V-<br />
Systemen verwendet werden.<br />
Die nachfolgend vorgestellte technische Lösung der Firma „Phoenix Contact GmbH & Co.<br />
KG“ ist bereits in einer Vielzahl von Windenergieanlagen eingesetzt worden. Über<br />
61
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
Ausfälle elektrischer Systeme von Windenergieanlagen die diesem Konzept mit<br />
Blitzstrom- und Überspannungsableitern beschaltet wurden ist bisher nichts bekannt<br />
[i6][i7].<br />
In Abb. 21 ist für den Übergang von Blitzschutzzone 0 zu Zone 1 in der<br />
Niederspannungshauptverteilung der Windenergieanlage der typische Installationsort der<br />
Blitzstromableiter im 400/690 V-System skizziert. Je nach Anlagengegebenheiten und<br />
Erfordernissen werden die Blitzstromableiter vor oder nach dem Hauptschalter installiert.<br />
Der Vorteil der Installation vor dem Hauptschalter liegt darin, dass auch bei geöffnetem<br />
Schalter der Blitzstrompotentialausgleich gewährleistet ist.<br />
Abb. 21: Typischer Aufbau der Schaltschränke im Turmfuß [i7]<br />
Blitzstromableiter haben die Eigenschaft, aufgrund ihrer Funktionsweise einen<br />
impedanzbehafteten Kurzschluss nach dem Ansprechen im Stromversorgungssystem zu<br />
verursachen. Dieser wird aber von leistungsfähigen Blitzstromableitern selbst wieder<br />
unterbrochen. Damit wird eine hohe Verfügbarkeit erreicht, weil vorgeschaltete<br />
Sicherungsorgane nicht ansprechen. Bei WEA der derzeitigen typischen Leistungsklassen<br />
von 600 kW bis 2,5 MW sind am dargestellten Installationsort Kurzschlussströme von<br />
62
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
ca. 8 kA bis 30 kA zu erwarten. Es stehen dem Anwender Blitzstromableiter mit einem<br />
Blitzstromableitvermögen von 50kA (10/350)µs und einem Uc = 440 V zur Verfügung.<br />
Diese Ableiter sind zusätzlich in der Lage, einen prospektiven Kurzschlussstrom /<br />
Netzfolgestrom von 50 kA 50/60Hz zu beherrschen, d. h. sicher abzuschalten.<br />
Vorsicherungen der Größenordnung 160A= bis max. 250A= lösen nicht aus.<br />
Abb. 22: Blitzparameter [i6]<br />
Die für das 230/400 V-System festgelegten Einbaubedingungen haben im 400/690 V-<br />
System nur noch eingeschränkt Gültigkeit. Die Luft- und Kriechstrecken sind der<br />
Betriebsspannung von 690 V anzupassen. Das lässt sich durch einen zusätzlichen Abstand<br />
zwischen den Überspannungs-Schutzgeräten erreichen. Idealerweise lassen sich hier zwei<br />
Endhalter mit der Baubreite je 9,5 mm zwischen den Überspannungs-Schutzgeräten<br />
einsetzen. Somit können Standard-Verdrahtungsbrücken z.B. MPB 18/... zur PE/PA-<br />
Brückung am Ableiterfußpunkt verwendet werden. Da der „Germanische Lloyd“ die<br />
Forderung stellt, WEA mit Nabenhöhen > 60 m in die Blitzschutzklasse II (150 kA/75 kA,<br />
(10/350)µs) einzugruppieren und auch die VDE 0127 Teil 24 diese Werte fordert, sind<br />
Blitzstromableiter auf die maximale Blitzstrombedrohungsgröße von 75 kA der<br />
Windenergieanlage auszulegen. Im TN-C-System mit den drei Phasen besteht somit die<br />
Anforderung, dass das Summen – Blitzstromableitvermögen der Ableiter mindestens<br />
75kA(10/350µs) betragen muss. Bei einer symmetrischen Stromaufteilung muss jeder<br />
Ableiter 25kA (10/350)µs tragen.<br />
63
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
Die Blitzstromableiter sind bei einer Systemspannung von 690 V in ein Isolationsgehäuse<br />
oder auf eine PVC-Unterlage zu installieren. Die Tragschiene, auf der die<br />
Blitzstromableiter montiert werden, darf nicht geerdet sein. Damit wird verhindert, dass<br />
sich ein ungewollter Überschlag beim Ableiten eines Stoßstromes von den<br />
Ausblasöffnungen der Blitzstromableiter zum geerdeten Montageblech ereignet. Abb. 23<br />
zeigt mögliche Applikationen für die Haupteinspeisung und für den Generatorschutz.<br />
Abb. 23: Applikationen für Ableiter im 690V – System [i7]<br />
In Abb. 24 ist die Installation des Blitzstromableiters FLT PLUS in der Niederspannungshauptverteilung<br />
des Windenergieanlagen-Herstellers NORDEX gezeigt. Da sich<br />
bei Spannungen von 690 V das Ausblasverhalten der Blitzstromableiter stark ändert,<br />
müssen sie in ein Isolationsgehäuse oder auf einer PVC-Montageplatte installiert werden.<br />
64
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
Abb. 24: Schaltschrank des Anlagenherstellers Fa. NORDEX mit FLT-PLUS für 690V Anwendungen.<br />
Die Ableiter sind in einer PVC U-Schale installiert. [i7]<br />
Besteht die Aufgabe, auf der 690 V-Seite Komponenten der Leistungselektronik<br />
(Frequenzumrichter, Thyristorstarter) mit geringerer Spannungsfestigkeit gegen<br />
Blitzteilströme und transiente Überspannung zu schützen, werden getriggerte<br />
Funkenstrecken mit parallel geschalteten Varistorableitern eingesetzt. Die Koordination<br />
der Ableiter erfolgt dann nach dem AEC-Prinzip (Active Energy Control) wie in Abb. 25<br />
dargestellt.<br />
Abb. 25: Schaltung AEC [i6]<br />
UAF : Ansprechspannung der Funkenstrecke<br />
UVar Opt : Varistorenspannung für optimale Arbeitsweise<br />
UTrigg : Zündspannung der Funkenstrecke<br />
65
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
Hierbei wird die Triggerspannung der Funkenstrecke auf die optimale<br />
Energieabsorbtionsfähigkeit des nachgeschalteten Varistors ausgelegt. Eine Entkopplung<br />
über Leitungslängen oder Spulen ist dabei nicht mehr erforderlich. Bei Verwendung von<br />
Funkenstrecken, die eine Zündspannung von 1,5 kV haben, und Varistorableitern mit einer<br />
Nennspannung von 400 V werden Restspannungen von ca. 1.200 V erreicht. Die<br />
Aufbauzeichnung zeigt Abb. 26.<br />
Abb. 26: FLT-PLUS CTRL in direkter Parallelschaltung mit Varistorableitern nach dem<br />
AEC Prinzip [i7]<br />
Dieses Konzept erlaubt es, Überspannungs-Schutzgeräte mit einer Bemessungsspannung<br />
von 440V, die für das 230/400 V-System entwickelt wurden, unter Berücksichtigung von<br />
speziellen Einbaubedingungen auch an höheren Systemspannungen einzusetzen. Zum<br />
Einhalten der Luft- und Kriechstrecken sind die Überspannungs-Schutzgeräte auf Abstand<br />
zueinander zu installieren. [i6] [i7]<br />
66
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
6.4 Steuerungssystem<br />
Die Anlagensteuerung fragt die Sensorik der Anlagenkomponenten sowie die meteorologischen<br />
Daten (Windrichtung und Windgeschwindigkeit) ab. Während des Betriebs<br />
werden sämtliche Sensoren der Anlagenkomponenten abgefragt. Aus diesen Messwerten<br />
errechnet die Steuerung die Notwendigen Parameter für den Betrieb der WEA. Bei Bedarf<br />
werden dann die der Situation angemessenen Maßnahmen eingeleitet. Die Anlage kann<br />
sowohl automatisch als auch durch manuellen Eingriff gesteuert werden. Ein solcher<br />
manueller Eingriff wird normalerweise nur vorgenommen, wenn die Anlage „geparkt“,<br />
d.h. aus dem Wind gefahren werden soll.<br />
Das Steuerungssystem bedingt ein ausgedehntes Kabelsystem in Rotor, Gondel und Turm<br />
der WEA. Aufgrund der Tatsache, dass Signalstromkreise nur Spannungen von einigen<br />
zehn Volt überstehen sind für diese Stromkreise besondere Maßnahmen zum Schutz vor<br />
Überspannungen zu treffen.<br />
Üblicherweise ist die Elektronik der Anlage galvanisch getrennt aufgebaut und befindet<br />
sich in Schaltschränken im Turmfuß, der Gondel und der Nabe. Alle Datenein- und<br />
-ausgänge sind über Optokoppler bzw. über Relais entkoppelt. Die Ausführung einer<br />
Kommunikation über Lichtwellenleiter hat den Vorteil, dass die Drähte kein Metall<br />
enthalten und somit die an beiden Enden befindlichen Baugruppen gegen Überspannungen<br />
schützt. Auch wenn die Lichtwellenleitertechnik für diesen Fall ideal ist und auch<br />
zunehmend Anwendung findet, so werden weiterhin auch metallische Leiter verwendet, in<br />
die sich Spannungen einkoppeln können.<br />
Um durch z.B. Blitzeinschläge verursachte Spannungsunterschiede zwischen sich auf<br />
unterschiedlichen Ebenen befindliche Schaltschränke weitest möglich zu minimieren, ist<br />
für einen guten Potentialausgleich zwischen allen metallischen Ebenen zu sorgen.<br />
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<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
Abb. 27: Zwei Steuerschränke, die auf unterschiedlichen metallischen Ebenen angeordnet sind [9]<br />
Überspannungsschutzeinrichtungen (SPD) sind Bauteile oder Schaltungen, die dazu dienen<br />
durch Blitzeinwirkung, Schalthandlungen oder anderweitig verursachte transiente<br />
Überspannungen auf ein akzeptables Maß zu begrenzen. Sie sind notwendig, wenn trotz<br />
Schirmung, Potentialausgleich und richtiger Leitungsführung die eingekoppelten<br />
Spannungen höher sein können als die für die Steuerungs- und Messsystemen erlaubten<br />
Spannungen. Die Reduzierung der Spannung auf akzeptable Werte wird dadurch erreicht,<br />
dass die SPD oberhalb einer bestimmten Spannung ihre Impedanz verändert. Die<br />
Spannung bei der sich die Impedanz ändert, sollte hoch genug sein, um einen sicheren<br />
Normalbetrieb des nachgeschalteten Stromkreises zu gewährleisten, jedoch klein genug,<br />
um ein Überscheiten der Isolationsdurchbruchspannung oder den Ausfall des Steuer-,<br />
Regel- oder Messstromkreises zu vermeiden.<br />
Grundsätzlich ist darauf zu achten, dass eine SPD die Eingangssignale der zu schützenden<br />
Bauteile nicht verändert. Die korrekte Auswahl der Überspannungsschutzeinrichtung ist in<br />
Abhängigkeit von der Art des zu schützenden Stromkreises oder Betriebsmittels zu treffen.<br />
Die folgenden Abbildungen zeigen mögliche Überspannungsschutzschaltungen für<br />
Signalstromkreise. Beide Beispiele sind sowohl als fertige Baugruppen wie auch als<br />
einzelne Bauelemente erhältlich.<br />
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<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
Abb. 28: Schaltung eines Schutzbausteins für erdpotentialfreie Stromkreise [17]<br />
Abb. 29: Beispiel einer Kombinations-SPD [9]<br />
Abb. 29 zeigt eine Kombination von SPD zum Abblocken und Umlenken von Stoßspannungen.<br />
Eine Funkenstrecke kann, im Verhältnis zu ihrer Größe, große<br />
Energiemengen umlenken, jedoch können trotzdem noch schädliche transiente<br />
Spannungen im Bereich von mehreren hundert Volt den Schutz passieren. Ein MOV kann<br />
trotz schnellen Wirkens noch genügend transiente Stoßgrößen zur Beschädigung von<br />
empfindlichen Elektronikbaugruppen passieren lassen. Ein sehr schnell ansprechender<br />
Schutz kann mit Zehner-Dioden erreicht werden. Diese auch als Lawinendurchbruchdioden<br />
(ABD) bekannten Dioden können jedoch nur geringe Energiemengen umlenken.<br />
Für die Koordinierung der Funktion dieser Bauelemente und um sicherzustellen, dass das<br />
jeweilige maximale Energieverteilungsvermögen nicht überschritten wird, sind zusätzliche<br />
Impedanzen erforderlich. In vielen Fällen können geeignete Abstände die Widerstände und<br />
Induktivitäten für diese Impedanz liefern. In Baugruppen von Mehrfachschutzsystemen<br />
sind aufgrund der kurzen Verbindungswege zwischen den Bauelementen Widerstände und<br />
Induktivitäten eingefügt, wobei darauf zu achten ist, dass die Induktivitäten nicht in den<br />
Sättigungsbereich gelangen können. [9]<br />
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<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
Ist die Wahl für die richtige SPD getroffen, so wird ausdrücklich empfohlen, jede SPD in<br />
das Blitzschutzzonen-Konzept (siehe Kap. 5.4) der WEA zu integrieren. Die SPD oder<br />
Überspannungsableiter sollten an den Zonengrenzen angeordnet sein und mit möglichst<br />
kurzen Leitungen angeschlossen sein.<br />
6.5 Fernmeldekabel<br />
Alle Signaldaten werden üblicherweise auf einem PC visualisiert. Der Großteil dieser<br />
Daten wird üblicherweise über eine Modemverbindung sowohl an den Anlagenbetreiber,<br />
wie auch dem für die WEA zuständigen Serviceteam übertragen. Deshalb gehört zur<br />
vollständigen Betrachtung eines Blitzschutzkonzeptes auch die Fernmeldezuleitung.<br />
In VDE 0228 Teil 1 und 2 werden folgende Schutzmassnahmen für Fernmeldekabel<br />
beschrieben, für den Fall dass Erdungsspannungen höher als 1200V zu erwarten sind:<br />
• Isolierte Einführung des Metallmantels in die Mittelspannungsanlage und Erdung<br />
des Mantels am anderen Kabelende außerhalb des Spannungstrichters. An dem<br />
Kabelende, an welchem der Mantel nicht geerdet ist, sind Maßnahmen gegen den<br />
Abgriff einer zu hohen Berührungsspannung zu treffen.<br />
• Der Metallmantel bleibt vollständig gegen Erde isoliert (schwebendes Potential)<br />
oder es werden Fernmeldekabel ohne Metallmantel verwendet. Auch hier sind<br />
gegebenenfalls Maßnahmen gegen zu hohe Berührungsspannung, z. B. Schutzisolierung<br />
der gesamten Kabeleinführung, zu treffen.<br />
Da überwiegend geschirmte Fernmeldekabel verwendet werden, insbesondere im Netz der<br />
Deutschen Telekom, stellt der Schirm einen Leiter des Potentialausgleichs zwischen WEA<br />
und dem nächsten Verteiler dar. Aus diesem Grund ist für eine gute Verbindung des<br />
Kabelschirmes zu den Erdungsschienen der Endpunkte zu sorgen, wie auch für eine gute<br />
leitende Verbindung an eventuellen Verbindungsstellen (Muffen) zu sorgen.<br />
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<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
Abb. 30: Varianten der Kabelschirmkontaktierung [18]<br />
6.6 Erdungsanlage<br />
Um die aus einer WEA fließenden Blitzströme in der Erde zu verteilen, ist es notwendig,<br />
ein geeignetes Erdungssystems zur Begrenzung von Überspannungen vorzusehen, die für<br />
Menschen oder und Betriebsmittel gefährlich sein könnten. Dies ist mit einer<br />
Erdungsanlage mit niedriger Impedanz erreichbar. Jede WEA muss mit einer eigenen<br />
Erdungsanlage ausgerüstet sein, selbst wenn diese an eine größere Erdungsanlage eines<br />
Windparks angeschlossen ist. [9]<br />
Für Windkraftanlagen der MW-Klasse (als Beispiel dient wieder die bereits bekannte<br />
protec MD) bieten sich besonders Stahltürme bzw. Stahlbetontürme an, die auf einem<br />
vorbereiteten Fundament befestigt werden. Das Fundament verfügt über einen<br />
Fundamenterder, der nach DIN V VDE V 0185-3 konzipiert ist. Die Erdungsanlage der<br />
sollte zeitgleich mit den Fundamentarbeiten ausgeführt werden. Vom Fundamenterder<br />
werden mindestens drei Verbindungen zum Fußflansch des Turmes vorgesehen (Abb. 31).<br />
Diese Verbindungen sind über den Umfang der verteilt und mit dem Fußflansch leitend<br />
verbunden. Jedes Windrad besitzt am Fuß seine eigene Trafostation.<br />
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<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
Aus diesem Grund ist die Erdungsanlage der Übergabe-/ Unterstation an die<br />
Erdungsanlage der WEA angeschlossen. Falls der Erdungswiederstand der gesamten<br />
Erdungsanlage einen Wert von 10Ω überschreitet, wird die Erdungsanlage durch<br />
zusätzliche Tiefenerder ergänzt, die an den Anschlussfahnen der Ringerder angeschlossen<br />
werden. Durch diese ergeben sich folgende Vorteile:<br />
• Personenschutz<br />
Durch den Ringerder wird die Schritt – und Berührungsspannung für Personen<br />
reduziert, die sich bei Blitzeinschlag in der Nähe des Turmfundaments befinden<br />
• Betriebssicherheit<br />
Der Tiefenerder gewährleistet einen stabilen und niedrigen Widerstand zum fernen<br />
Erder für die gesamte Erdungsanlage.<br />
Abb. 31: Erdungsanlage der „protec MD“ [15]<br />
72
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
6.7 Blitzschutzmaßnahmen an Windparks am Beispiel Luxemburg<br />
In Luxemburg sind zur Zeit mehrere Windparks verschiedener Größenordnungen<br />
(Maschinenleistungen von 600 bis 1800 kW) in Betrieb. Die Windparks selbst bestehen<br />
meist aus 2 bis 10 Windkraftanlagen. Jedes Windrad besitzt am Fuß seine eigene<br />
Trafostation. Die Entfernung zwischen Windkraftanlage und Trafostation liegt in einem<br />
Bereich bis ca. 20m. Die Erdungsbedingungen sind bisher auf 2 verschiedenen<br />
Meinungsebenen ausgeführt worden.<br />
Da gibt es zum einen den Fall der getrennten Erder. Stationserde und Fundamenterde der<br />
Windkraftanlage sind nicht miteinander verbunden. Das Erdpotential des Windrades wird<br />
jedoch durch den PEN-Leiter der 690V-Speisung des Transformators in die Station<br />
eingeführt. Bei Blitzeinschlägen in die Windkraftanlage kommt es je nach Höhe der<br />
Blitzstehstoßspannung irgendwann zu einem Überschlag in der NS-Verteilung vom PEN-<br />
Potential auf das Gehäuse des Verteilers, welches auf dem Potential der Stationserde liegt.<br />
(10cm Distanz reichten bisher nicht aus! [14] )<br />
Abb. 32: Erdungssystem einer Windenergieanlage [14]<br />
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<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
Als Lösungsansatz wurde wie folgt verfahren: Einbau von Überspannungsableitern gemäß<br />
Abb. 32, wobei zu bemerken wäre, dass es momentan keine Blitzstromableiter für<br />
Spannungen von 690V gibt (siehe Kap. 6.3.1.1). Dies konnte durch einen aufwendigeren<br />
Installationsaufwand (größerer Abstand zur Montageplatte sowie zwischen den einzelnen<br />
Ableitern) behoben werden.<br />
Nach mehreren Ausfällen verschiedener Anlagen infolge Blitzeinschlägen mit<br />
anschließenden Überschlägen im Stationsbereich (Fernmeldekabel, Steuerung, etc. ) auf<br />
Grund der getrennten Potentiale wurde alles auf ein gemeinsames Potential<br />
zusammengelegt. Ausfälle der Anlagen durch Blitzeinschläge und anschließendem<br />
Fehlerfall wurden somit auf ein Minimum reduziert. Bei den auf der 20kV-Netzseite<br />
verlegten Kabeln handelt es sich um Einzelleiter (185 oder 240 mm 2 ) mit einer<br />
Kupferschirmung von 25 mm 2 . Wegen der Netzüberwachung auf Leitungsfehler sind diese<br />
Schirmungen in jeder Station (also beidseitig) mit dem Stationspotential (Stationserde)<br />
verbunden. Bei den Anlagen mit gemeinsamem Erder für Station und Windkraftanlage<br />
wird sich demzufolge ein Teil des Blitzstromes über die Schirmung abbauen und kann zu<br />
Durchschlägen in der PE-Umhüllung des Mittelspannungskabels führen, besonders wenn<br />
diese Umhüllung bei der Verlegung eventuell beschädigt wurde. Feuchtigkeit wird somit in<br />
die Kabelumhüllung eindringen und zu einer wahrscheinlich schnelleren Alterung des<br />
Kabels führen. Je nach Häufigkeit der Blitzeinschläge könnte nach einigen Jahren bereits<br />
aus besagten Gründen ein Leitungsfehler auftreten. Um dieses zu vermeiden, wurden bei<br />
der Ausführung der Anlagen mit gemeinsamen Erdern die einzelnen Windkraftanlagen<br />
eines Windparks mittels eines blanken Cu-Seils 35 mm 2 zusätzlich untereinander<br />
verbunden. Diese Verbindungen führen zusätzlich zu einer weiteren Verbesserung des<br />
Erdwiderstandswertes und zu einer Reduzierung der Spannungseinkopplungen auf<br />
Fernmelde- und Steuerkabel. Somit müsste auch sichergestellt sein, dass lediglich geringe<br />
Ableitströme über die Schirmung der Mittelspannungskabel fließen.<br />
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<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Blitzschutz einer Windkraftanlage<br />
Es hat sich gezeigt, dass das Zusammenlegen sämtlicher leitender Elemente<br />
(Stahlkonstruktion des Windrads, Fundamenterder und Stationserder) zu einem<br />
gemeinsamen Potential als die betriebssichere Variante darstellt.<br />
Somit besteht die Grundbasis für einen effizienten Blitzschutz in der Ausführung einer<br />
vorschriftsmäßigen Erdungsanlage bezüglich der gesamten Anlage. [14]<br />
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<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Abschließende Betrachtung<br />
7 Abschließende Betrachtung<br />
Ursprünglich sollte diese <strong>Diplomarbeit</strong> den derzeitigen Stand der Blitzschutzmaßnahmen<br />
an Windkraftanlagen unterschiedlicher Leistungsklassen darstellen. Im Verlauf der<br />
Recherchen konzentrierte sich diese Arbeit jedoch zunehmend auf die Maßnahmen zum<br />
Blitzschutz bei Anlagen von etwa 100 kW bis zu denen der MW-Klasse.<br />
Die Gründe hierfür liegen bei den Herstellern kleiner bzw. kleinster Windenergieanlagen.<br />
Vielfach wird die Meinung vertreten, dass ihre Anlagen klein genug und sich ein<br />
Blitzschutzsystem aufgrund der geringen Einschlagwahrscheinlichkeit nicht lohnt. Im<br />
Allgemeinen wird der Kosten – Nutzen – Faktor häufig als Begründung für ein fehlendes<br />
Blitzschutzsystem angeführt. Des weiteren wurde in einem Fall etwas scherzhaft darauf<br />
hingewiesen, dass eine Versicherung, sofern eine gefunden wird, durchaus als<br />
Blitzschutzsystem anzusehen sei.<br />
Nichts desto trotz wird bei einem Großteil der Hersteller kleinerer Anlagen mit<br />
horizontaler Drehachse darauf geachtet, dass zumindest eine durchgängige leitende<br />
Verbindung von der Spitze der Rotorblätter bis zum Fundamenterder besteht.<br />
Bei größeren Anlagen hat sich gezeigt, dass die Vorgaben der Normen VDE 0127 Teil 24,<br />
sowie VDE V 0185 Teil 1 bis Teil 4 weitest gehend umgesetzt sind. Dennoch wird zur<br />
Zeit an der Entwicklung von Blitzstromableitern, die für die Systemspannungen<br />
(400/690 V TN- oder 690 V IT-System) speziell entwickelt sind, gearbeitet.<br />
Die Entwicklung der Blitzschutzsysteme schreitet wie auch die Entwicklung der WEA<br />
stetig voran. Dennoch lässt sich festhalten, dass zumindest die großen Anlagen durch recht<br />
ausgereifte Blitzschutzsysteme geschützt sind.<br />
76
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Anhang<br />
8 Anhang<br />
8.1 Glossar<br />
ABD : Lawinendurchbruchdioden (Avalanche Breakdown Diode)<br />
Auffangwirksamkeit : Fähigkeit zum Auffangen eines Blitzes<br />
Bemessungswirksamkeit<br />
:<br />
Fähigkeit zum Führen des Blitzstroms<br />
BGV : Berufsgenossenschaftliche Vorschift<br />
Blatteinstellwinkelregelung<br />
:<br />
BSA : Blitzschutzanlage<br />
Verstellung der Rotorblätter um ihre Längsachse<br />
DEWI : Deutsches Windenergie-Institut GmbH<br />
Ebertstr. 96 ; 26382 Wilhelmshaven<br />
Growian : Kunstwort, zusammengesetzt aus den Abkürzungen für Große<br />
Windenergie–Anlage ; Versuchs – Windenergieanlage<br />
von 1980 – 1987<br />
Häufigkeitsverteilung : Angabe, welche der einzelnen interessierenden Windgeschwindigkeiten<br />
mit wieviel Prozent bzw. Stunden im Jahr<br />
vorkommt<br />
Leeläufer : Der Rotor dreht auf der windabgewandten Seite, also „hinter“<br />
dem Turm (z.B. GROWIAN)<br />
Luvläufer : Der Rotor dreht in Windrichtung gesehen „vor“ dem Turm<br />
MOV : Metalloxidvaristor<br />
prospektiver<br />
Kurzschlussstrom :<br />
Der eingeschwungene Strom der in einem bestimmten<br />
Stromkreis unter angegebenen Bedingungen dauernd fließen<br />
würde, wenn der LS-Schalter durch eine vernachlässigbare<br />
Impedanz ersetz ist<br />
SPD : Überspannungsschutzeinrichtung<br />
WEA : Windenergieanlage<br />
77
<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Anhang<br />
8.2 Quellen<br />
8.2.1 Internetrecherche<br />
Die Internetrecherche wurde mit Hilfe der folgenden Suchmaschinen durchgeführt:<br />
• google (www.google.de),<br />
• metacrawler (www.metacrawler.de),<br />
• Fireball (www.fireball.de) und<br />
• AltaVista (www.altavista.com).<br />
8.2.2 Internet und elektronische Medien<br />
[i1] Dipl.-Ing. Heiner Dörner;<br />
http://www.ifb.uni-stuttgart.de/~doerner/windenergie1.html<br />
[i2] http://www.lrz-muenchen.de/~matthias_heymann/forschung_hey.html<br />
[i3] http://www.ifb.uni-stuttgart.de/~doerner/windenergie2.html<br />
[i4] http://www.rwe.com/en/one_group/chonicle/chronicle_six/chronicle_six.jsb?bhcp=1<br />
[i5] http://www.bupnet.de/now/Wind/Doc221.html<br />
[i6] http://www3.phoenixcontact.com/de/download/ueberspannungsschutz/download/<br />
WKA3.pdf<br />
J Schimanski, B. Fritzemeier, M. Wetter; Phoenix Contact GmbH & Co. KG,<br />
Blomberg, Germany; K. Scheibe; University of applied sciences, Kiel ,Gemany:<br />
Anforderungen an Blitzstromableiter in 400/690 V – Systeme von<br />
Windenergieanlagen<br />
[i7] http://www3.phoenixcontact.com/de/branchen/energie/loesungen/<br />
vortrag_kiel_v3a4.pdf<br />
Dipl.-Ing. Bernd Fritzemeier, Dipl.-Ing. Joachim Schimanski, Dr. Ing. Martin Wetter;<br />
Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg: Blitz- und Überspannungsschutz an<br />
Windenergieanlagen unter besonderer Berücksichtigung der Anforderungen an<br />
Blitzstromableiter für 400/690 V - Systeme<br />
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<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Anhang<br />
8.2.3 Literatur<br />
[1] Keuper, Armin; Molly, Jens Peter; Stückemann, Christiane; DEWI: Windenergienutzung<br />
in der Bundesrepublik Deutschland - Stand 30.06.1992 - ;<br />
DEWI Magazin Nr. 1<br />
[2] Rehfeldt, Knud; Stand, Christian; DEWI: Windenergienutzung in der Bundesrepublik<br />
Deutschland - Stand 31.12.2000 - ; DEWI Magazin Nr. 18, Februar 2001<br />
[3] Carsten Ender; DEWI: Windenergienutzung in der Bundesrepublik Deutschland<br />
- Stand 30.06.2001 - ; DEWI Magazin Nr. 19, August 2001<br />
[4] Carsten Ender; DEWI: Windenergienutzung in der Bundesrepublik Deutschland<br />
- Stand 31.12.2001 - ; DEWI Magazin Nr. 20, Februar 2002<br />
[5] Carsten Ender; DEWI: Windenergienutzung in der Bundesrepublik Deutschland<br />
- Stand 30.06.2002 - ; DEWI Magazin Nr. 21, August 2002<br />
[6] DIN V VDE V 0185-1 (VDE V 0185 Teil 1): Blitzschutz;<br />
Teil 1: Allgemeine Grundsätze<br />
[7] DIN V VDE V 0185-2 (VDE V 0185 Teil 2): Blitzschutz;<br />
Teil 2: Risiko – Management:<br />
Abschätzung des Schadensrisikos für bauliche Anlagen<br />
[8] DIN V VDE V 0185-3 (VDE V 0185 Teil 3): Blitzschutz;<br />
Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen<br />
[9] DIN IEC 88/117/CD: 1999, (VDE 0127 Teil 24): Windenergieanlagen;<br />
Teil 24: Blitzschutz für Windenergieanlagen<br />
[10] Heier, Siegfried; Nutzung der Windenergie, ein Informationspaket;<br />
Hrsg. Fachinformationszentrum Karlsruhe, Gesellschaft für Wissenschaftlich-<br />
Technische Information mbH. [BINE, Bürger-Information Neue Energietechniken,<br />
Nachwachsende Rohstoffe, Umwelt]. – 3. völlig überarb. Aufl. -<br />
Verl. TÜV Rheinland GmbH, Köln 1995. ISBN 3-8249-0242-7<br />
[11] Hau, Erich; Windkraftanlagen: Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit<br />
Springer – Verlag Berlin Heidelberg 1988, ISBN 3-540-50065-0<br />
[12] Hasse, Peter; Wiesinger, Johannes: Handbuch für Blitzschutz und Erdung<br />
– 4. bearb. Aufl. -<br />
1993 Richard Pflaum Verlag GmbH & Co. KG, München ; ISBN 3-7905-0657-5<br />
1993 VDE-Verlag Berlin/Offenbach ; ISBN 3-8007-1882-0<br />
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<strong>Diplomarbeit</strong> <strong>Daniel</strong> <strong>Swoboda</strong> Anhang<br />
[13] Dipl. Ing. Bernd Fritzemeier; Phoenix Contakt GmbH & Co. KG, Blomberg:<br />
Überspannungsschutzkonzept für Windenergieanlagen;<br />
ew Jg. 101(2002), Heft 20<br />
[14] persönliche Korrespondenz mit Herrn Thierry Weyrich; CEGEDEL S.A.,<br />
rue Thonas Edison 2, 2089 Luxemburg, Luxembourg<br />
[15] Fa. Fuhrländer: Windenergieanlage protec MD; Beschreibung Blitzschutz – Auszug<br />
[16] Fa. ENERCON: ENERCON E-66 / 1500 kW; Kurzbeschreibung; August 1996<br />
[17] Schimanski, Joachim; Überspannungsschutz: Theorie und Praxis;<br />
1996 Hüthig GmbH, Heidelberg; ISBN 3-7785-2335-X<br />
[18] Jens Pelser; <strong>Diplomarbeit</strong>: Verbesserung des Blitzschutz-Konzepts für auf hohen<br />
Windmeß-Masten montierten Schalenstern-Anemometern; <strong>FH</strong> <strong>Aachen</strong> Abt. Jülich,<br />
FB Elektrotechnik und Automation; März 2001<br />
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