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Erdungsanlagen in Windenergieanlagen
zur Einhaltung zulässiger Berührungsspannungen
Siemens AG, IC SG SE PTI
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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!