Erdungsanlagen in Windenergieanlagen zur Einhaltung ... · PDF fileIEC 61936 (2002) < 2000...

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Infrastructure & Cities Sector

Erdungsanlagen in Windenergieanlagen

zur Einhaltung zulässiger Berührungsspannungen

Siemens AG, IC SG SE PTI

stefan.hoene@siemens.com

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Gliederung

Einführung

Grundlagen

Forderungen der Standards:zulässige BerührungsspannungenRho-E-MessungBesonderheiten von WindenergieanlagenBlitzschutzÜberprüfung von Erdungsanlagen

Beispiele

Zusammenfassung

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Personenschutz bei Erdfehlern

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IEC TS 60479-1 Effekt des Stromes auf das Herz

Herzkammerflimmern

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Aufgaben der Erdungsanlage gemäß VDE 0101-2

Die Erdungsanlage muss, in Verbindung mit geeigneten Maßnahmen, die Schritt- und Berührungsspannungen auf zulässige Werte begrenzen.

Die Erdungsanlage muss den Fehlerstrom führen und gegen Erde ableiten können, ohne ihre thermischen und mechanischen Grenzen zu überschreiten.

Die Erdungsanlage muss so wirken, dass Beschädigungen von Betriebsmitteln vermieden werden.

Die Erdungsanlage muss dazu beitragen, die elektromagnetische Verträglichkeit sicherzustellen.

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BeispielErdung einer Hochspannungsanlage

Transformator

GerüstPortal

Gebäude

Zaun

Lichtmast

Erdseil

Erdungssystem

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Strömungsfeld im Erdreich

I

Äquipotentiallinien

Stromlinien

Ersatzwiderstände

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G

I

Diagramm des Oberflächenpotentials

Äquipotentiallinien in der Draufsicht

Oberflächenpotential und Äquipotentiallinien

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Erdungsspannung und Berührungsspannung

Transformator

Potentialsteuerung

Oberflächenpotential

Berührungs-spannung

Erdungsspannung

Berührungsspannung

UE = RE · I

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DIN VDE 0101-2 (EN 50522) Zulässige Berührungsspannung

t = 3 t = 3 t = 3 t = 3

ssss

UUUUT,tolT,tolT,tolT,tol = 92 V= 92 V= 92 V= 92 V

UUUUT,tolT,tolT,tolT,tol = 650 = 650 = 650 = 650

VVVV

t = 0.1 t = 0.1 t = 0.1 t = 0.1

ssss

Zeit in ms

Spannung in V

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USA

ANSI IEEE 80 (2000)

Nationale Normen

Deutschland DIN VDE 0141 Österreich ÖN Großbritannien BS 7430

Europa

HD 637 (1999)

DIN VDE 0101 (2000)

USA

ANSI IEEE 80 (1986)

International

IEC 61936 (2002)

2000 2010< 2000

Entwicklung der Erdungsnormen

Europa

EN 50522 (2010)

VDE 0101-2 (2011)

International

IEC 61936 (2010)

VDE 0101-1 (2011)

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VDE 0101-2: Erdung von Starkstromanlagen mitNennwechselspannungen über 1 kV (EN 50522)

1. Anwendungsbereiche

2. Normative Verweise

3. Begriffe

4. Grundlegende Anforderungen

5. Auslegung von Erdungsanlagen

6. Maßn. z. Vermeidung von Potentialverschleppung

7. Errichten von Erdungsanlagen

8. Messungen

9. Wartung

10. Inspektion, Prüfung und Übernahme vor Ort

Anhang A - O

Anhang P (normativ): Spez. nationale Bedingungen

Annex Q (informative): Abweichungen

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Übergangswiderstand RH →→→→ hoch

RH

RF

Standortisolierung RF →→→→ hoch

RT

Potentialsteuerung RT →→→→ klein

Typische Maßnahmen zur Einhaltungzulässiger Berührungsspannungen

RT

Potentialausgleich RT ≈≈≈≈ 0

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Erdungsspannung und Berührungsspannung

Transformator

Potentialsteuerung

Oberflächenpotential

Berührungs-spannung

Erdungsspannung

Berührungsspannung

UE = RE · I

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Spezifischer ErdwiderstandBedeutung für die Auslegung der Erdungsanlage

Typische Werte:Typische Werte:Typische Werte:Typische Werte:

MoorbodenMoorbodenMoorbodenMoorboden 5 5 5 5 bis bis bis bis 40 40 40 40 Ω · mmmm

Lehm, Ton, HumusLehm, Ton, HumusLehm, Ton, HumusLehm, Ton, Humus 20 20 20 20 bis bis bis bis 200 200 200 200 Ω · mmmm

SandSandSandSand 200200200200 bisbisbisbis 2500 2500 2500 2500 Ω · mmmm

Kies, FelsKies, FelsKies, FelsKies, Fels 2000 2000 2000 2000 bis bis bis bis 3000 3000 3000 3000 Ω · mmmm

Vergleichswerte:Vergleichswerte:Vergleichswerte:Vergleichswerte:

KupferKupferKupferKupfer 1.7 1.7 1.7 1.7 · 10101010----4444 Ω · mmmm

PorzellanPorzellanPorzellanPorzellan 5 5 5 5 · 1010101012121212 Ω · mmmm

D2E

ER⋅

=ρρρρ

Tabellenwerte sind für Auslegung ungeeignet. Norm fordert Messung mit „Wenner-Methode“ auch mit großen Sondenabständen (z.B. 20m oder 40m)

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Besonderheiten von Erdungsanlagenfür Windenergieanlagen

Keine parallelen Erder wie z.B. Niederspannungsnetze Relativ kleine Grundflächen

Onshore: Häufig sehr ungünstige Erdbodenverhältnisse

Offshore: Korrosion Extreme klimatische Bedingungen Aufwendiger Nachweis der Einhaltung zulässiger Berührungsspannungen

Durch Stahlbau sehr gute Rahmenbedingungen für perfekten Potentialausgleich

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Blitzschutz-Erdungsanlage (DIN EN62305-3, IEC61400-24)Ausbreitungswiderstand, minimale Länge des Erders

Erder - Anordnung Typ A:

horizontale oder vertikale Einzelerder mindestens 2:

horizontal: l ≥ l1

vertikal: l ≥ 0,5 l1

Ω

3000250020001500100050000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

l1 (m)

II

I

Schutzklasse

III, IV

p ( m)

Ein Wert von 10 Ohm gilt als ausreichend. Wenn dieser Wert nicht eingehalten werden kann, dann muss die Bedingung für die minimale Länge der Erder erfüllt sein

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Strom-Spannungs-Methode mit großen StrömenPrinzip mit Kabel als Testleitung (VDE 0101-2, Anhang L)

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Strom-Spannungs-Methode Ergebnisse

Erdungsspannung

Erdungsimpedanz

Berührungsspannungen in und an der Anlage

Berührungsspannungen durch Potentialverschleppung

Potentialdifferenzen innerhalb des Erdungsnetzes

Verteilung des Fehlerstromes im Erdungsystem

Nullimpedanz der Versuchsleítung

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Onshore Windpark

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Onshore: Maßnahmen bei felsiger Untergrund

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Schaltanlage, Erdungsmessung

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Offshore Windpark

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Offshore:Hochspannungsbetriebsmittel, Erdungsleitung

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Offshore: Erdungsmessung, Messleitung

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Zusammenfassung

Eine Auslegung der Erdungsanlagen für Windenergieanlagen mit Betriebsmitteln über 1kV AC ist gemäß VDE0101-2 erforderlich:

•In Bezug auf zulässige Berührungsspannungen: Berechnung der Erdungsspannung basierend auf Messung der spezifischen Erdbodenwiderstandswerte und der berechneten Erdfehlerströme

•In Bezug auf thermische, mechanische und chemische Belastungen

Eine Überprüfung der Erdungsanlagen mittels Strom-Spannungs-Methode ist die einzige Möglichkeit die Einhaltung zulässiger Berührungsspannungen messtechnisch nachzuweisen (VDE 0101-2, Anhang L)

Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!