Suchen

Netzqualitätsüberwachung Elektrische Antriebe mit Netzanalysatoren schützen

| Autor / Redakteur: Martin Witzsch* / Sariana Kunze

Oberschwingungen oder Transienten können empfindliche elektronische Geräte stören oder auch zerstören. Auch große Antriebe sind durch diese Phänomene gefährdet. Um eine hohe Anlagenverfügbarkeit zu gewährleisten, setzt Air Liquide bei ihren 20 MW-Antrieben auf Netzqualitätsüberwachung.

Firmen zum Thema

Der Luftverdichter der Duisburger Anlage von Air Liquide. Unter dem Portalkran ist der (rechteckige) 20 MW-Antrieb zu sehen.
Der Luftverdichter der Duisburger Anlage von Air Liquide. Unter dem Portalkran ist der (rechteckige) 20 MW-Antrieb zu sehen.
(Bild: Martin Witzsch)

Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff stehen bei dem Unternehmen Air Liquide seit der Gründung im Jahr 1902 im Mittelpunkt. Der Weltmarktführer gewinnt die Gase aus der Umgebungsluft. Am Standort Duisburg betreibt Air Liquide deshalb zwei Luftzerlegungsanlagen. Ein Luftverdichter saugt die Umgebungsluft an, die anschließend verdichtet, gereinigt und bis zum Destillationspunkt der einzelnen Gase heruntergekühlt wird. In Duisburg werden so pro Tag ca. 3.000 t Sauerstoff, 2.000 t Stickstoff und 150 t Argon gewonnen. Den Sauerstoff liefert Air Liquide per Pipeline an ein unmittelbar benachbartes Stahlwerk mit zwei Hochöfen.

Oliver Kötting, bei Air Liquide verantwortlich für den Sektor „Electricity Expert Large Industries, Central-West Europe“, beschreibt die Situation: „Wir haben mit dem Stahlwerk einen Großkunden direkt vor dem Werkstor. Steht unsere Produktion, ist die Stahlherstellung gefährdet. Unser Hauptaugenmerk gilt deshalb der Verfügbarkeit der Anlage.“ Gerade die Anlagenverfügbarkeit machte jedoch Probleme: Ein zentrales Bauteil, der Motor, einer der beiden Luftverdichter, war in 15 Betriebsjahren viermal mit Ständer-Erdschluss ausgefallen.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 11 Bildern

Die Dimensionen dieses Antriebs machen dabei die üblichen Vorsorgemaßnahmen, wie die Aufteilung der Produktion auf mehrere Linien oder das Vorhalten eines Ersatzteils, unmöglich: Der Verdichter LV2 wird aktuell mit einer maximalen Luftmenge von ca. 250,000 Nm3/h betrieben. Der Druck beträgt ausgangsseitig ca. 5 ... 5,5 bar. Der Motor selbst hat folgende Eckdaten: 20 MW Wellenleistung, 10 kV Anschlussspannung. Einschließlich des Wasserkühlers bringt es dieser Bolide auf ein Betriebsgewicht von 45 t. Der sechspolige Motor treibt die Hauptwelle mit ca. 997 UpM an. Auf dieser befinden sich Ritzel für das Getriebe des vierstufigen Verdichters, der mit Drehzahlen von 13.000 bis 20.000 UpM läuft.

Netzqualität überwachen: Der Fehlerquelle auf der Spur

„Bei Hochspannungsmaschinen sind die partiellen Teilentladungen ein Thema. Unregelmäßigkeiten im Aufbau des Isolationssystems lassen sich nicht vermeiden, nur minimieren. Da reicht eine kleine Unreinheit oder Luftblase. Dort gibt es dann kleine Teilentladungen, die Ozon in der Luftblase erzeugen, ein Oxidationsmittel. Dazu kommt, dass das Material durch den Einschlag erodiert. Typischerweise hält ein Wicklungssystem 20 Jahre durch. Am Standort Duisburg verlief der Prozess jedoch viel schneller“, beschreibt Kötting.

In der Tat fanden sich an der stabförmigen Hauptisolation schadhafte Stellen, die durch Teilentladungen bzw. Durchschläge verursacht waren. Da allein der Ausbau schon mehrere Tage beansprucht, ist so ein Schaden ein Problem für den Betreiber. Ein einzelner Ständer-Erdschluss führt jedoch noch nicht zur Zerstörung des Antriebs. Da das Netz isoliert betrieben wird, sind in dem Augenblick, in dem eine Phase auf Erdpotenzial liegt, die beiden anderen Phasen mit 10 kV zum Sternpunkt belastet. In diesem Fall erfasst ein Schutzgerät die Spannungssymmetrie und schaltet beim ersten Durchschlag sofort ab. Theoretisch lässt sich der Antrieb trotzdem weiternutzen, bis Zeit für die Fehlersuche zur Verfügung steht. Aber das belastet die verbleibenden Komponenten entsprechend und birgt Risiken. Oliver Kötting erzählt: „In der Vergangenheit hatten wir nach dem ersten Erdschluss einen weiteren auf einer anderen Phase und damit einen Kurzschluss.“

Die Suche nach der Fehlerquelle ist kompliziert. Es stellt sich die Frage: Lag ein Fertigungsfehler vor oder war die Netzqualität das Problem? Eine erste Untersuchung ergab, dass es im Motor keine mechanischen Bewegungen der Wicklungen usw. gab. Auch verborgene Hot Spots aufgrund einer gestörten Lüftung waren nicht zu finden. „Ein Ständer-Erdschluss kann auch auf Probleme mit dem Netz hinweisen, z. B. auf Oberschwingungen. Im 10 kV-Netz muss die Isolation Phase – Erde unter normalen Umständen 5,8 kV aushalten. Wenn sich Oberschwingungen aufsummieren, hat man jedoch dauerhaft 8 kV oder 10 kV. Das bedeutet mehr Teilentladungen und somit viel mehr Stress für die Isolation“, stellt Kötting klar. Ein Ansatzpunkt für die hausinterne Root-Cause-Analyse war deshalb, die Netzqualität zu überwachen. „Nicht sinusförmige Effekte gibt es sowohl bei der Spannung als auch beim Strom, etwa durch Schaltnetzteile. Wir beobachten beides, derzeit jedoch mit dem Schwerpunkt Spannung“, sagt Kötting.

(ID:45047601)