Windenergieanlagen (WEA) sind aufgrund ihrer exponierten Lage und Bauhöhe häufig direkten Blitzeinwirkungen ausgesetzt. Aufgrund mehrerer Studien wurde nachgewiesen, dass bei Windkraftanlagen der Multi-Megawatt Klasse mit mindestens 10 direkten Blitzeinschlägen pro Jahr zu rechnen ist. Die hohen Investitionskosten müssen sich durch die Einspeisevergütung in wenigen Jahren amortisieren, d. h., Stillstandzeiten aufgrund von Blitz- und Überspannungsschäden und damit verbundene Reparaturkosten sind zu vermeiden. Ein umfassender Blitz- und Überspannungsschutz ist deshalb notwendig.

Für die Dimensionierung von Blitzschutzmaßnahmen muss berücksichtigt werden, dass bei Objekten mit einer Höhe von > 60 m und blitzexponierter Lage neben Wolke-Erde-Blitze auch Erde-Wolke-Blitze, sogenannte Aufwärtsblitze, in Betracht zu ziehen sind. Diese treten vor allem im Winter mit höheren Ladungen als Q = 300 C auf. Daher ist es sinnvoll, die Anforderungen für Ableitsysteme höher auszulegen. Grund hierfür ist, dass die Ladung Q Ursache für die Verschmelzungen an Anlagenteilen ist und somit entscheidenden Einfluss auf Wartung von Ableitsystemen, Funkenstrecken etc. hat.
Als Beispiel erreicht die Ladung in Japan Werte von Q = 600 C aufgrund von Aufwärtsblitzen durch Wintergewitter.

Normung

Bei der Auslegung des Schutzkonzeptes dienen die DIN EN 61400-24 (VDE 0127-24) – IEC 61400-24, die Normen der Reihe DIN EN 62305 und die Richtlinien des Germanischen Lloyd (z. B. GL 2010 IV – Teil 1: Richtlinie für die Zertifizierung von Windenergieanlagen) als Basis.

Schutzmaßnahmen

Die DIN EN 61400-24 sowie GL 2010 empfiehlt, dass alle Teilkom­ponenten des Blitzschutzsystems einer WEA gemäß Gefährdungspegel LPL I (Lightning Protection Level) geschützt werden sollen, es sei denn, durch eine Risikoanalyse kann nachgewiesen werden, dass auch ein niedrigerer LPL ausreichend ist. Eine Risikobewertung kann zudem ergeben, dass verschiedenen Teilkomponenten unterschiedliche Gefährdungspegel zugewiesen werden. Als Grundlage des Blitzschutzes wird in der DIN EN 61400-24 ein vollständiges Blitzschutzkonzept empfohlen.

Der Blitzschutz (LP – Lightning Protection) einer WEA besteht aus dem äußeren Blitzschutzsystem (LPS – Lightning Protection System) und dem Überspannungsschutz (SPM – Surge Protection Measure) zum Schutz der elektrischen und elektronischen Einrichtungen. Für die Planung der Schutzmaßnahmen ist es vorteilhaft, die WEA in Blitzschutzzonen (LPZ – Lightning Protection Zone) einzuteilen.

Der Blitzschutz von Windkraftanlagen beinhaltet den Schutz von zwei Teilsystemen, die in ihrer Art so nur in WEAs zu finden sind: die Rotorblätter und der mechanische Antriebsstrang. Dem Schutz dieser besonderen Anlagenteile und dem Nachweis der Schutzwirkung der Blitzschutzmaßnahmen werden in DIN EN 61400-24 deshalb ein entsprechend breiter Raum eingeräumt. Die Norm empfiehlt, die Blitzstromfestigkeit dieser Systeme durch Hochstromtests mit dem ersten Blitzstoßstrom und dem Langzeitstrom, soweit möglich in einer gemeinsamen Entladung, nachzuweisen.

Nachfolgend wird schwerpunktmäßig die Realisierung von Blitz- und Überspannungs-Schutzmaßnahmen für die elektrischen und elektronischen Geräte / Systeme einer WEA aufgezeigt.
Die komplexen Probleme des Schutzes von Rotorblättern und drehbar gelagerten Teilen / Lagern bedürfen einer detaillierten Untersuchung und sind hersteller- und typspezifisch. Wichtige Hinweise dazu gibt die DIN EN 61400-24.

Blitzschutzzonen-Konzept

Das Blitzschutzzonen-Konzept ist eine Strukturierungsmaßnahme, um innerhalb eines Objektes ein definiertes EMV-Klima zu schaffen. Das definierte EMV-Klima (EMV – Elektromagnetische Verträglichkeit) wird durch die Störfestigkeit der verwendeten elektrischen Betriebsmittel spezifiziert. Das Blitzschutzzonen-Konzept beinhaltet daher als Schutzmaßnahme, die leitungs- und feldgebundenen Störgrößen an Schnittstellen auf vereinbarte Werte zu reduzieren. Aus diesem Grund wird das zu schützende Objekt in Schutzzonen unterteilt.

Die Bestimmung der Zonen LPZ 0_A , also der Anlagenteile, die einem direkten Blitzeinschlag ausgesetzt sein können, und LPZ 0_B , die jenen Anlagenteilen zugeordnet wird, die durch externe Fangeinrichtungen oder in Anlagenteilen integrierte Fangeinrichtungen (wie z. B. im Rotorblatt) vor Direkteinschlägen geschützt sind, erfolgt durch das Blitzkugelverfahren.

Das Blitzkugelverfahren ist laut DIN EN 61400-24 nicht für die Rotorblätter selbst anwendbar. Die Ausführung der Fangeinrichtung sollte deshalb entsprechend Kapitel 8.2.3 der DIN EN 61400-24 überprüft werden. Bild 9.23.1 zeigt die prinzipielle Anwendung des Blitzkugelverfahrens und Bild 9.23.4 die mögliche Einteilung einer WEA in verschiedene Blitzschutzzonen. Dabei ist die Einteilung in Blitzschutzzonen vom Aufbau der WEA abhängig. Sie sollen deren Struktur berücksichtigen. Entscheidend ist jedoch, dass die von außen in der Blitzschutzzone LPZ 0_A einwirkenden Blitzparameter an allen Zonengrenzen durch geeignete Schirmungsmaßnahmen und den Einbau von Überspannungsschutzgeräten soweit reduziert werden, dass die innerhalb der WEA befindlichen elektrischen und elektronischen Geräte und Systeme störungsfrei betrieben werden können.

Schirmungsmaßnahmen

Die Gondel sollte als ein in sich geschlossener, metallener Schirm aufgebaut werden. Innerhalb der Gondel wird dadurch ein Volumen mit einem gegenüber außen erheblich geschwächten, elektromagnetischen Feld erreicht. Ein röhrenförmiger Stahlturm, wie er bei großen WEAs oft eingesetzt wird, kann nach DIN EN 61400-24 als fast perfekter Faradayscher Käfig zur elektromagnetischen Schirmung angesehen werden.

Bei Beton-Hybridtürmen ist die Funktion des galvanischen Käfigs durch Bewehrungsstahl sowie Erdung und Durchkontaktierung der einzelnen Komponenten sicherzustellen. Die Schalt- und Steuerschränke in der Gondel und wenn vorhanden, im Betriebsgebäude, sollten ebenfalls aus Metall sein. Die Verbindungsleitungen sollten mit einem äußeren, blitzstromtragfähigen Schirm versehen sein. Im störschutztechnischen Sinne sind geschirmte Leitungen nur dann gegen EMV-Einkopplungen wirksam, wenn die Schirme beidseitig mit dem Potentialausgleich verbunden werden.

Die Kontaktierung der Schirme muss mit rundum (360 °) kontaktierenden Anschlussklemmen erfolgen, ohne dass EMV-untaugliche, lange „Anschlusszöpfe“ anlagenseitig installiert werden.
Die magnetische Schirmung und Leitungsführung sollte nach DIN EN 62305-4, Abschnitt 4, durchgeführt werden. Deshalb sollten die allgemeinen Richtlinien für eine EMV-verträgliche Installationspraxis nach IEC/TR 61000-5-2 angewendet werden.
Schirmungsmaßnahmen sind z. B.:

• Anbringen eines Metallgeflechts an Gondeln mit GFK-
  Beschichtung
• metallener Turm
• metallener Schaltschrank
• metallene Steuerschränke
• blitzstromtragfähig geschirmte Verbindungsleitungen (metallener Kabelkanal, geschirmtes Rohr oder dergleichen)
• Leitungsschirmung.

Maßnahmen zum äußeren Blitzschutz

Hierzu zählen:

• Fang- und Ableitungseinrichtungen in den Rotorblättern
• Fangeinrichtungen zum Schutz der Gondelaufbauten, der Gondel und der Nabe
• Nutzung des Turms als Fangeinrichtung und Ableitung
• Fundamenterder in Kombination mit einem Ringerder als Erdungsanlage.

Das äußere Blitzschutzsystem (LPS) hat die Aufgabe, direkte Blitzeinschläge einschließlich der Einschläge in den Turm der WEA einzufangen und den Blitzstrom vom Einschlagpunkt zur Erde abzuleiten. Weiterhin dient es dazu, den Blitzstrom in der Erde zu verteilen, ohne thermische oder mechanische Schäden oder gefährliche Funkenbildung zu verursachen, die einen Brand oder eine Explosion auslösen und Personen gefährden können.
Die potentiellen Einschlagstellen in eine Windenergieanlage können, außer bei den Rotorblättern, mit Hilfe des Blitzkugelverfahrens bestimmt werden (Bild 9.23.1). Für WEA wird die Blitzschutzklasse I empfohlen. Daher wird zur Ermittlung der Einschlagstellen eine Blitzkugel mit einem Radius r = 20 m über die WEA gerollt. Überall dort, wo die Kugel die WEA berührt, sind potentielle Blitzeinschlagpunkte und somit Fangeinrichtungen erforderlich.

Die Gondelkonstruktion sollte Teil des Blitzschutzes sein, sodass sichergestellt ist, dass in die Gondel einschlagende Blitze entweder natürliche Metallteile treffen, die der Beanspruchung standhalten können, oder eine Blitzfangeinrichtung, die für diesen Zweck konstruiert worden ist. Gondeln mit einer GFK-Beschichtung oder dergleichen sollten mit einer Blitzfangeinrichtung und mit Ableitungen ausgerüstet werden, die einen Käfig um die Gondel bilden (Metallgeflecht). Die Blitzfangeinrichtung, einschließlich der freiliegenden Leiter in diesem Käfig, sollte in der Lage sein, Blitzen entsprechend dem gewählten Gefährdungspegel standzuhalten.

Weitere Leiter im Faradayschen Käfig sollten so ausgelegt sein, dass sie dem Anteil des Blitzstromes standhalten, dem sie ausgesetzt sein können. Nach DIN EN 61400-24 sollten Blitzfangeinrichtungen zum Schutz von Messgeräten usw. an der Außenseite der Gondel nach den allgemeinen Vorschriften in lEC 62305-3 ausgeführt und Ableitungen an den beschriebenen Käfig angeschlossen werden.
„Natürliche Bestandteile“ aus leitenden Werkstoffen, die immer in / auf der WEA verbleiben und nicht geändert werden (z. B. Blitzschutz der Rotorblätter, Lager, Maschinenrahmen, Hybridturm), dürfen als Teil des LPS verwendet werden.

Bestehen WEAs aus einer metallenen Konstruktion, so kann davon ausgegangen werden, dass diese die Voraussetzungen für den äußeren Blitzschutz der Blitzschutzklasse I nach der DIN EN 62305 erfüllt.
Voraussetzung ist, dass der Blitz sicher vom Blitzschutzsystem der Rotorblätter gefangen wird und über die natürlichen Bestandteile wie Lager, Maschinenträger, Turm und / oder den Umgehungssystemen (z. B. offene Funkenstrecken, Kohlebürsten) zur Erdungsanlage abgeleitet werden kann.

Fangeinrichtung / Ableitung

Wie aus Bild 9.23.1 ersichtlich, können

• die Rotorblätter,
• die Gondel mit Aufbauten (Bild 9.23.2 und Bild 9.23.4),
• die Rotornabe und
• der Turm der WEA

vom Blitz getroffen werden. Wenn diese alle in der Lage sind, den maximal zu erwartenden Blitzstoßstrom von 200 kA sicher zu fangen und zur Erdungsanlage abzuleiten, können sie als „natürliche Bestandteile“ der Fangeinrichtung des äußeren Blitzschutzsystems der WEA genutzt werden.

Für den Blitzschutz der Rotorblätter wird häufig in die GFK-Blattspitze ein metallischer Rezeptor eingebracht, der für den Blitz einen definierten Einschlagpunkt darstellt. Vom Rezeptor wird eine Ableitung im Blatt bis zur Blattwurzel geführt. Bei Blitzeinwirkung ist davon auszugehen, dass der Blitz in die Blattspitze (Rezeptor) einschlägt und dann über die Blitzableitung im Blattinneren den weiteren Weg zur Erdungsanlage über das Maschinenhaus und den Turm nimmt.

Erdungsanlage

Die Erdungsanlage einer Windenergieanlage muss mehrere Funktionen in sich vereinen, wie z. B. den Personenschutz, den EMV- und den Blitzschutz. Angaben zu Werkstoffen, Formen und Mindestquerschnitten können der DIN EN 62305-3 Tabelle 6 entnommen werden. Zur Verteilung von Blitzströmen und zur Verhinderung einer Zerstörung der WEA ist eine wirksame Erdungsanlage (Bild 9.23.3) unbedingt notwendig. Die Erdungsanlage muss darüber hinaus Menschen und Tiere vor elektrischem Schlag schützen. Bei Blitzeinschlägen muss die Erdungsanlage mögliche hohe Blitzströme in die Erde ableiten und dort verteilen, ohne dass gefährliche thermische und/oder elektrodynamische Wirkungen auftreten.

Es ist allgemein wichtig, dass für eine WEA eine Erdungsanlage aufgebaut wird, welche sowohl für den Blitzschutz als auch für die Erdung des Stromversorgungsnetzes genutzt wird.

Hinweis: Für die Ausführung der Erdungsanlage zur Verhinderung hoher Schritt- und Berührungsspannungen durch Kurzschlüsse im Hoch- oder Mittelspannungsnetz sind elektrische Hochspannungsvorschriften wie CENELEC HO 637 S1 oder einschlägige nationale Normen zu beachten. Für die Sicherheit von Personen wird in der DIN EN 61400-24 auf DIN IEC/TS 60479-1 und IEC 60479-4 verwiesen.

Anordnungen von Erdern

In DIN EN 62305-3 werden zwei Grundarten von Erderanordnungen beschrieben, die für WEA gelten:

Typ A: Diese Anordnung kann entsprechend dem informativen Teil, Anhang I, der DIN EN 61400-24, nicht für WEAs, aber für Nebengebäude von WEAs angewendet werden (z. B. Gebäude, die Messeinrichtungen enthalten oder Bürobaracken, die in Verbindung mit einem Windpark stehen). Erdungsanordnungen des Typs A bestehen aus Horizontal- oder Vertikalerdern, die mit mindestens zwei Ableitungen am Bauwerk verbunden sind.

Typ B: Entsprechend dem informativen Teil, Anhang I, der DIN EN 61400-24, werden für WEAs Erderanordnungen vom Typ B empfohlen. Diese bestehen entweder aus einem äußeren Ringerder, der im Erdboden mit mindestens 80 % seiner Länge erdfühlig verlegt ist oder einem Fundamenterder. Ringerder und Metallteile im Fundament müssen mit der Turmkonstruktion verbunden sein.

Für die Erdung einer WEA sollte in jedem Falle die Armierung des Turmfundamentes mitverwendet werden. Die Erdung des Turmfußes und des Betriebsgebäudes sollte durch ein Erder-Maschennetz verbunden werden, um eine möglichst großflächige Erdungsanlage zu erhalten. Zur Vermeidung zu hoher Schrittspannungen im Falle eines Blitzeinschlags sind zum Zwecke des Personenschutzes um den Turmfuß potentialsteuernde, korrosionsfeste Ringerder (aus NIRO (V4A), z. B. Werkstoff-Nr. 1.4571) zu verlegen (Bild 9.23.3).

Fundamenterder

Der Fundamenterder ist sowohl in technischer wie auch in wirtschaftlicher Hinsicht vorteilhaft und wird in den technischen Anschlussbedingungen (TAB) der Verteilnetzbetreiber (VNB) gefordert. Der Fundamenterder gilt als Bestandteil der elektrischen Anlage und erfüllt wesentliche Sicherheitsfunktionen. Seine Errichtung muss deshalb durch eine Elektrofachkraft oder unter Aufsicht einer Elektrofachkraft erfolgen.
Metalle für Erder müssen den in DIN EN 62305-3, Tabelle 7, aufgeführten Werkstoffen entsprechen. Das Verhalten des Metalls hinsichtlich Korrosion im Erdboden muss immer beachtet werden.

Als Werkstoff für den Fundamenterder ist Stahl (Rund- oder Bandstahl) zu verwenden, der sowohl verzinkt als auch unverzinkt sein kann. Rundstahl muss mindestens einen Durchmesser von 10 mm haben, bei Bandstahl müssen die Abmessungen mindestens 30 mm x 3,5 mm betragen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass dieses Material mit mindestens 5 cm Beton zu überdecken ist (Korrosionsschutz). Zudem ist eine Verbindung zwischen Fundamenterder und Haupterdungsschiene (HES) in der WEA herzustellen. Anschlüsse sind korrosionsfest über Erdungsfestpunkte oder Anschlussfahnen aus NIRO (V4A) herzustellen. Ebenso ist ein Ringerder aus NIRO (V4A) im Erdreich zu verlegen.

Maßnahmen des inneren Blitzschutzes

• Erdungs- und Potentialausgleichsmaßnahmen
• räumliche Schirmung und Trennungsabstand
• Leitungsführung und Leitungsschirmung
• Installation von koordinierten Überspannungsschutzgeräten.

Schutz der Leitungen am Übergang von Blitzschutzzone LPZ 0_A auf LPZ 1 und höher

Für den sicheren Betrieb der elektrischen und elektronischen Geräte ist neben der Schirmung gegen feldgebundene Störgrößen auch der Schutz gegen leitungsgebundene Störgrößen an den Schnittstellen der Blitzschutzzonen (LPZ) zu realisieren (Bild 9.23.4 und Bild 9.23.5). Am Übergang LPZ 0_A auf LPZ 1 (klassisch auch als Blitzschutz-Potentialausgleich bezeichnet) müssen Schutzgeräte eingesetzt werden, die in der Lage sind, erhebliche Blitzteilströme zerstörungsfrei abzuleiten.

Diese Schutzgeräte werden als Blitzstrom-Ableiter SPD Typ 1 bezeichnet und mit Stoßströmen der Wellenform 10/350 μs geprüft. Am Übergang LPZ 0_B auf LPZ 1 und höher sind energieschwache Stoßstromimpulse als Folge von außen induzierten Spannungen oder im System selbst erzeugten Überspannungen zu beherrschen. Diese Schutzgeräte werden als Überspannungs-Ableiter SPD Typ 2 bezeichnet und mit Stoßströmen der Wellenform 8/20 μs geprüft.

Nach dem Blitzschutzzonen-Konzept sind an der Schnittstelle zwischen LPZ 0_A und LPZ 1 oder zwischen LPZ 0_A und LPZ 2 ausnahmslos alle von außen kommenden Kabel und Leitungen mit Blitzstrom-Ableitern SPD Typ 1 in den Blitzschutz-Potentialausgleich einzubeziehen. Dies betrifft sowohl Energie- als auch Kommunikationsleitungen. Bei jeder weiteren Zonenschnittstelle innerhalb des zu schützenden Volumens ist ein zusätzlicher örtlicher Potentialausgleich einzurichten, in den alle Kabel und Leitungen, die diese Schnittstelle durchdringen, einbezogen werden müssen. Beim Übergang von LPZ 0_B auf LPZ 1 und beim Übergang von LPZ 1 auf LPZ 2 und bei allen weiteren inneren Zonenübergängen sind Überspannungs-Ableiter SPD Typ 2 und / oder Typ 3 zu installieren. Aufgabe der Überspannungs-Ableiter SPD Typ 2 und Typ 3 ist es, sowohl die Restgröße der vorgelagerten Schutzstufen weiter zu reduzieren als auch die in die WEA induzierten oder dort selbst erzeugten Überspannungen zu begrenzen.

Auswahl von SPDs anhand des Schutzpegels (U_p) und der Störfestigkeit der Betriebsmittel

Zur Beschreibung des geforderten Schutzpegels U_p in einer LPZ ist es erforderlich, die Störfestigkeitspegel der Betriebsmittel innerhalb einer LPZ festzulegen, z. B. für Netzleitungen und Anschlüsse von Betriebsmitteln nach lEC 61000-4-5 und lEC 60664-1, für Telekommunikationsleitungen und Anschlüsse von Betriebsmitteln nach lEC 61000-4-5, ITU-T K.20 und ITU-T K.21 sowie für andere Leitungen und Anschlüsse von Betriebsmitteln nach den vom Hersteller angegebenen Informationen.

Hersteller von elektrischen und elektronischen Baugruppen oder Geräten sollten in der Lage sein, die benötigten Informationen über den Störfestigkeitspegel nach den EMV-Normen zu liefern. Ansonsten sollte der WEA-Hersteller Prüfungen zur Festlegung des Störfestigkeitspegels durchführen. Der festgelegte Störfestigkeitspegel von Bauteilen in einer LPZ definiert unmittelbar den erforderlichen Schutzpegel, der an den LPZ-Grenzen erzielt werden muss. Die Störfestigkeit eines Systems muss, falls zutreffend, mit allen installierten SPDs und mit den zu schützenden Betriebsmitteln nachgewiesen werden.

Schutz der Energietechnik

Der Trafo der WEA kann an unterschiedlichen Orten untergebracht werden (im separaten Schalthaus, im Turmfuß, im Turm, in der Gondel). Bei sehr großen WEAs beispielsweise wird das ungeschirmte 20 kV-Kabel in den Turmfuß auf die Mittelspannungsschaltanlage geführt, bestehend aus einem Vakuum-Leistungsschalter, einem mechanisch verriegelten Sammelschienentrennschalter, einem Abgangserdungsschalter und einem Schutzrelais. Die Mittelspannungskabel verlaufen dann von der Mittelspannungsschaltanlage im Turm der WEA zum Trafo, der sich im Turmfuß oder in der Gondel befinden kann (Bild 9.23.4).

Der Transformator versorgt den Steuerschrank im Turmfuß, den Schaltschrank in der Gondel und das Pitch-System in der Nabe mit Hilfe eines TN-C-Systems (L1, L2, L3, PEN-Leiter). Vom Schaltschrank in der Gondel werden die elektrisch betriebenen Einrichtungen in der Gondel mit einer Wechselspannung von 230/400 V versorgt.

Laut IEC 60364-4-44 (VDE 0100-443) müssen alle in der WEA installierten elektrischen Betriebsmittel eine festgelegte Bemessungs-Stehstoßspannung, entsprechend der Nennspannung der Anlage, aufweisen (s. DIN EN 60664-1 (VDE 0110-1), Anhang F, Tabelle F.1). Daraus ergibt sich, dass die zu installierenden Überspannungs-Ableiter, wiederum entsprechend der Nennspannung der Anlage, mindestens den aufgeführten Schutzpegel aufweisen müssen. Die Überspannungs-Ableiter, die zum Schutz der 400/690 V-Versorgung eingesetzt werden, müssen mindestens einen Schutzpegel von U_p ≤ 2,5 kV und die für die 230/400 V-Versorgung einen Schutzpegel von U_p ≤ 1,5 kV zum Schutz für empfindliche elektrische / elektronische Betriebsmittel besitzen (Bild 9.23.6 und Bild 9.23.7).

Schutzgeräte für die 400/690 V-Versorgung müssen in der Lage sein, Blitzströme der Wellenform 10/350 μs zerstörungsfrei zu führen und müssen einen Schutzpegel von U_p ≤ 2,5 kV sicherstellen (Bild 9.23.8).

Schutz der Trafo-Einspeisung

Der Schutz der MV-Trafoeinspeisung erfolgt durch Mittelspannungsableiter DEHNmid. Diese sind entsprechend dem Mittelspannungsnetz an dessen Netzform und Spannung anzupassen (Bild 9.23.9).

230/400 V-Versorgung

Die Spannungsversorgung des Steuerschranks im Turmfuß, des Schaltschranks in der Gondel und des Pitch-Systems in der Nabe mit einem 230/400 V TN-C-System, sollte mit Überspannungs-Ableitern SPD Typ 2, z. B. DEHNguard M TNC 275 CI FM, geschützt werden (Bild 9.23.6).

Schutz der Flugbefeuerung

Die Flugbefeuerung, die sich auf dem Sensormast in der Blitzschutzzone 0_B (LPZ 0_B) befindet, sollte an den jeweiligen Zonenübergängen (LPZ 0_B → 1, LPZ 1 → 2) ebenfalls mit einem Überspannungs-Ableiter SPD Typ 2 geschützt werden (Tabelle 9.23.1). Je nach eingesetztem System kann hier z. B. auf Komponenten der DEHNguard-Reihe (Niederspannung) und/oder BLITZ­DUCTOR-Familie für Kleinspannung bzw. Signalleitungen zurückgegriffen werden.

Nr. in Bild 9.23.4	Zu schützender Bereich		Schutzgerät	Art.-Nr.
	Spannungsversorgung Nabe Signalleitungen Gondel – Nabe		DEHNguard TN 275 FM BLITZDUCTOR XT ML4 BE 24* DPA CL8 EA 4PPOE	952 205 920 324 929 161
	Schutz der Flugbefeuerung		DEHNguard M TN 275 FM	952 205
	Schutz von Signal-, Bus-, Steuerleitungen, Ethernet		BLITZDUCTOR XT ML4 BE 24 * BLITZDUCTOR XT ML2 BE S 24 *	920 324 920 224
	Steuerschrank in der Gondel Spannungsversorgung 230/400 V		DEHNguard M TNC 275 FM DEHNguard M TNC CI 275 FM	952 305 952 309
	Schutz des Generators	Stator	DEHNguard M WE 600 FM	952 307
		Rotor (doppelseitig gespeister Asynchron-Motor)	DEHNguard SE H 1000 VA FM	952 940
	Schutz des Trafos		DEHNmid 9 10 1 L DEHNmid 36 10 1 L	990 003 990 013
	Spannungsversorgung des Steuerschranks im Turmfuß, 230/400 V TN-C System		DEHNguard M TNC 275 FM DEHNguard M TNC CI 275 FM	952 305 952 309
	Haupteinspeisung 400/690 V TN-System		3x DEHNbloc M 1 440 FM	961 145
	Schutz des Umrichters		DEHNguard M WE 600 FM	952 307
	Schutz der Gondelaufbauten		Fangstangen Bandrohrschelle für Fangstangen	103 449 540 105

400/690 V-System

Zum Schutz des Trafo 400/690 V, der Umrichter, Netzfilter und der Messeinrichtung sind koordinierte, einpolige Blitzstrom-Ableiter mit hoher Folgestrombegrenzung für 400/690 V-Systeme, z. B. DEHNbloc M 1 440 FM (Bild 9.23.8), einzusetzen. Am Frequenzumrichter muss darauf geachtet werden, dass die Auslegung auf die max. auftretenden Spannungsspitzen, welche höher als bei reinen Sinusspannungen sind, durchgeführt wird. Der Einsatz von Überspannungs-Ableitern mit einer Nennspannung von 600 V und U_mov = 750 V hat sich hierbei bewährt. Die Ableiter DEHNguard DG M WE 600 FM (Bild 9.23.7) können hierbei sowohl beidseitig am Umrichter (Netz- und Maschinenseite) als auch am Generator eingesetzt werden.

Lediglich bei der Verwendung von doppeltgespeisten Asynchrongeneratoren muss auf der Rotorseite eine Ableiterkombination mit erhöhter Spannungsfestigkeit eingesetzt werden. Hierbei empfiehlt sich die Installation des leistungsfähigen Ableiters DEHNguard SE H 1000 VA FM, welcher für Dauerspannungen bis zu 1000 V und Ableitströmen bis zu 40 kA (8/20 μs) ausgelegt ist. Die intern verwendete Reihenschaltung von Varistor und Gasableiter stellt zudem sicher, dass das SPD bei zeitweiligen Spannungsüberhöhungen bis 2200 V_peak noch nicht anspricht. Trotzdem wird ein sehr niedriger Schutzpegel U_p ≤ 5 kV erreicht (Bild 9.23.10). Auch für größere Spannungspeaks bis zu 3 kV (bei einem Schutzpegel von ≤ 10 kV) gibt es in Form einer 3+1 Neptun-Schaltung, bestehend aus drei DEHNguard und einem Funkenstreckenableiter zur Potentialtrennung, eine passende Lösung.

Überspannungs-Ableiter der Informationstechnik

Überspannungs-Ableiter zum Schutz von elektronischen Einrichtungen in telekommunikations- und signalverarbeitenden Netzwerken vor indirekten und direkten Auswirkungen von Blitz­einschlägen und anderen transienten Überspannungen werden nach IEC 61643-21 und DIN EN 61643-21 (VDE 0845-3-1) beschrieben und nach dem Blitzschutzzonen-Konzept an den Zonengrenzen installiert (Bild 9.23.4, Tabelle 9.23.1).

Ableiter, die aus mehreren Stufen bestehen, müssen frei von Blind-Spots ausgelegt werden, d. h., es ist sicherzustellen, dass die verschiedenen Schutzstufen zueinander koordiniert sind. Andernfalls werden Schutzstufen nur teilweise ansprechen und zu Fehlern im Schutzgerät führen. Häufig erfolgt die Einspeisung informationstechnischer Leitungen in die WEA und die Verbindung der Steuerschränke vom Turmfuß zur Gondel durch Glasfaserkabel. Die Verkabelung der Aktoren und Sensoren von den Steuerschränken aus erfolgt hingegen mittels geschirmter Kupferleitungen. Die Glasfaserkabel brauchen nicht mit Überspannungs-Ableitern beschaltet werden, da eine Beeinträchtigung durch eine elektromagnetische Umgebung nicht auftreten kann, es sei denn, das Glasfaserkabel hat eine metallene Umhüllung, die dann direkt oder über Überspannungsschutzgeräte in den Potentialausgleich einbezogen werden muss.

Im Allgemeinen sind folgende geschirmte Signalleitungen zu beschalten, die Aktoren und Sensoren mit den Steuerschränken verbinden:

• Signalleitungen der Wetterstation und Flugbefeuerung auf dem Sensormast
• Signalleitungen, die zwischen der Gondel und dem Pitch-system in der Nabe verlaufen
• Signalleitungen für das Pitchsystem
• Signalleitungen zum Umrichter
• Signalleitungen zum Feuerlöschsystem.

Signalleitungen der Wetterstation

Die Signalleitungen (4 – 20 mA-Schnittstellen), die von den Sensoren der Wetterstation in den Schaltschrank führen, kommen aus der LPZ 0_B , laufen in die LPZ 2 und können mit dem Kombi-Ableiter BLITZDUCTOR XT ML4 BE 24 oder dem Kombi-Ableiter BLITZDUCTOR XT ML2 BE S 24 geschützt werden (Bild 9.23.11). Diese Ableiter sind platzsparende Kombi-Ableiter mit LifeCheck zum Schutz von 4 und 2 Einzeladern mit gemeinsamem Bezugspotential sowie unsymmetrischen Schnittstellen und wahlweise direkter oder indirekter Schirm­erdung.

Die Schirmerdung erfolgt mittels Schirmanschlussklemmen mit nachsetzendem Federelement für die dauerhafte und niederimpedante Schirmkontaktierung der geschützten und ungeschützten Seite des Ableiters.
Wenn die Windmesseinrichtungen (Anemometer) mit einer Heizung ausgestattet werden, kann der BLITZDUCTOR BVT ALD 36 als Schutzelement hierfür eingesetzt werden. Der BVT ALD ist ein energetisch koordinierter Kombi-Ableiter zum Schutz von erdfreien DC-Versorgungen für die Hutschienenmontage (Bild 9.23.11).

Signalleitungen für das Pitchsystem

Erfolgt der Informationsaustausch zwischen Gondel und Pitchsystem über 100 MB-Ethernet-Datenleitungen, kann der universelle Überspannungs-Ableiter DEHNpatch DPA M CLE RJ45B 48 genutzt werden. Dieser ist einsetzbar für Industrial Ethernet und ähnliche Anwendungen in strukturierten Verkabelungen nach Klasse E bis 250 MHz für alle Datendienste bis 48 V DC zum Schutz von 4 Adernpaaren (Bild 9.23.12).
Einsetzbar für den Schutz der 100 MB Ethernet-Datenleitungen ist auch der Ableiter DEHNpatch DPA M CAT6 RJ45S48. Bei diesem Schutzgerät handelt es sich um ein anschlussfertiges Standard-Patchkabel mit integriertem Überspannungs-Ableiter.

Die Beschaltung der Signalleitungen für das Pitchsystem ist abhängig von den eingesetzten Sensoren, die je nach Hersteller unterschiedliche Parameter aufweisen können. Werden z. B. Sensoren verwendet, die mit 24 V DC oder kleineren Spannungen versorgt werden, so kann zum Schutz dieser Signalleitungen der Überspannungs-Ableiter BLITZDUCTOR BXT ML4 BE 24 verwendet werden. Er ist einsetzbar nach dem Blitzschutzzonen-Konzept an den Schnittstellen LPZ 0_A auf LPZ 2 und höher. Die Beschaltung sollte beidseitig erfolgen, im Pitchsystem sowie im Controller.

Condition Monitoring

Das Thema Anlagenverfügbarkeit bei WEA wird, speziell bei Offshore-Anlagen, immer bedeutender. Wichtig dabei ist die Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) der Blitzstrom- und Überspannungs-Ableiter auf Vorbelastung.
Durch den gezielten Einsatz von Condition Monitoring können die Serviceeinsätze gezielt geplant und somit Kosten eingespart werden.

DEHN bietet bei den Ableitern BLITZDUCTOR XT für informationstechnische Systeme den integrierten LifeCheck – ein einfaches und ideales System zur Überwachung der Ableiter – um Vorbelastungen frühzeitig zu erkennen und den Austausch dieser Ableiter im nächsten Serviceintervall miteinzuplanen. LifeCheck überwacht ständig, durch das berührungslose Auslesen per RFID, potentialfrei den ordnungsgemäßen Zustand des Ableiters. Gleich einem Frühwarnsystem erkennt LifeCheck eine drohende elektrische oder thermische Überlastung der Schutzkomponenten. Stationär installiert, unterstützt eine Condition Monitoring-Einheit die zustandsorientierte Wartung von 10 Ableitern vom Typ BLITZDUCTOR XT. Zwei Systeme stehen zur Auswahl:

1. DRC MCM XT (Bild 9.23.12) – Multiple Condition Monitoring System, ein kompaktes Tragschienengerät zur zustands­orientierten Überwachung:

• Zustandsorientierte Überwachung von Ableitern mit LifeCheck
• Kaskadierbar überwacht das System bis zu 150 Ableiter (600 Signaladern) permanent
• Minimaler Verdrahtungsaufwand
• Fernsignalisierung über RS485 oder FM-Kontakte
  (1 Öffner- und 1 Schließer-Kontakt).

2. DRC SCM XT – Single Condition Monitoring Einheit. Dieses Gerät ist ideal geeignet für kleinere Anlagen mit maximal zehn Ableitern:

• Zustandsorientierte Überwachung von Ableitern mit LifeCheck
• Überwacht bis zu 10 Ableiter (40 Signaladern) permanent
• Minimaler Verdrahtungsaufwand
• Fernsignalisierung über FM-Kontakt (1 Öffner-Kontakt).

Analog zum Condition Monitoring der BLITZDUCTOR XT-Reihe lassen sich alle Ableitersysteme der Reihen DEHNguard bzw. DEHNblock mit dem Namenszusatz „FM“ optional durch einen potentialfreien Kontakt auf Funktion überwachen. Bei DEHNguard-Ableitern mit dem Namenszusatz „LI“ (Lifetime Indication) weist die gelbe optische Anzeige neben grün (voll funktionsfähig) und rot (defekt) auf ein Erreichen des Endes der Lebenszeit hin. Bei Erreichen dieser gelben Signalisierung hat das Modul ca. 80 % seiner Lebenszeit verbraucht. Neben der optischen Anzeige am Modul wird dieses Signal zum Tausch des Ableiters im nächsten Serviceintervall auch über den Fernmeldekontakt an den Turbinencontroller übermittelt.

Laborprüfungen nach DIN EN 61400-24

Die DIN EN 61400-24 beschreibt für WEA zwei grundlegende Prüfverfahren zur Störfestigkeitsprüfung auf Systemebene:

• Bei Stoßstromtests unter Betriebsbedingungen werden in die einzelnen Leitungen eines Steuerungssystems bei anliegender Netzspannung Impulsströme oder Blitzteilströme eingekoppelt. Dabei werden die zu schützenden Betriebsmittel inklusive aller SPDs einer Stoßstromprüfung unterzogen.
• Die zweite Prüfprozedur beschreibt ein Verfahren zur Nachbildung der elektromagnetischen Auswirkungen des LEMP. Dabei wird der volle Blitzstrom in die Struktur eingekoppelt, die den Blitzstrom ableitet und das Verhalten des elektrischen Systems mit einer möglichst realen Nachbildung der Verkabelung unter Betriebsbedingungen untersucht. Der entscheidende Prüfparameter ist die Blitzstromsteilheit.

Herstellern von Windenergieanlagen bietet DEHN Engineering und Prüfleistungen (Bild 9.23.13) an, zum Beispiel:

• Blitzstromtests an Lagern und Getrieben des mechanischen Antriebstranges
• Hochstromtests an den Rezeptoren und Ableitungen von Rotorblättern
• Störfestigkeitsprüfungen auf Systemebene von wichtigen Steuersystemen, wie beispielsweise von Pitch-Systemen, Windsensoren oder der Flugbefeuerung
• Test kundenspezifischer Anschlusseinheiten.

Solche Systemtests sollten entsprechend DIN EN 61400-24 für wichtige Steuersysteme durchgeführt werden.