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Windenergieanlagen

Mit neuem Messsystem dem Blitz auf der Spur

| Autor/ Redakteur: Arno Kiefer, Achim Zirkel* / Ines Stotz

Um die Wirtschaftlichkeit von Windenergieanlagen (WEA) weiter zu steigern, müssen die Kosten für den Bau, aber auch für Betrieb und Wartung gesenkt werden. Für die erforderliche detaillierte Analyse von Blitzeinschlägen wurde das Blitzstrom-Messsystem LM-S entwickelt. Der WEA-Anbieter Suzlon testet das Monitoring-System bereits in der Eifel.

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Blitze zählen - das Blitzstrom-Messsystem LM-S von Phoenix Contact erfasst und analysiert Blitzeinschläge in Windenergieanlagen.
Blitze zählen - das Blitzstrom-Messsystem LM-S von Phoenix Contact erfasst und analysiert Blitzeinschläge in Windenergieanlagen.
(Bilder: Phoenix Contact)

Ende 2011 waren weltweit Windenergieanlagen mit einer Leistung von mehr als 230 GW installiert – und jährlich kommen mehr als 40 GW hinzu [1]. Um die Wirtschaftlichkeit der Anlagen zu optimieren, werden immer mehr Betriebszustände und Belastungsparameter überwacht.

Eine erhebliche Belastung stellen Schäden durch Blitzeinschläge dar. Sie verursachen zum einen direkte Schäden, die sofort erkannt werden. Zum anderen machen sich weniger auffällige Schädigungen erst im weiteren Betrieb der Anlage bemerkbar, die dann oft hohe Kosten verursachen. Mit Hilfe eines umfassenden Überspannungsschutz-Konzepts lassen sich elektrische und elektronische Komponenten wirksam schützen [2].

Detaillierte Erfassung von Blitzeinschlägen

Für die mechanische Struktur der Rotorblätter und des Maschinenstrangs gilt dies nur bedingt. Um dort Schäden frühzeitig zu erkennen, bedarf es einer intensiven Untersuchung der Anlagenteile. Üblicherweise erfolgen hier turnusmäßige Inspektionen. Die tatsächliche Belastung der WEA durch Blitzeinschläge wird bei der Einsatzplanung jedoch nicht berücksichtigt.

Mit Hilfe des polarimetrischen Blitzstrom-Messsystems LM-S von Phoenix Contact lassen sich Blitzströme erfassen und aus der Ferne auswerten. Die charakteristischen Kennwerte des Stroms werden dazu ermittelt und mit Datum und Uhrzeit des Blitzeinschlags gespeichert: Ladung und spezifische Energie des Blitzstroms, Blitzstrom-Amplitude, maximale Stromsteilheit.

Durch den Einsatz von bis zu drei Sensoren pro Auswerteeinheit lässt sich auch das Rotorblatt identifizieren, in das der Blitz eingeschlagen ist. Daher wird meist jeweils ein Sensor auf der blitzstromführenden Ableitung innerhalb eines jeden Rotorblatts montiert. Die Auswerteeinheit wird in der Nabe installiert und über Lichtwellenleiter mit den Sensoren verbunden.

Auswertung der Messergebnisse

Um die detailliert erfassten Blitzdaten optimal auszuwerten, spielt der Fernzugriff eine wichtige Rolle. Nur so können die tatsächliche Belastung der Anlage durch Blitzeinschläge bewertet, die erforderliche Wartungsarbeiten rechtzeitig eingeleitet sowie unnötige Inspektionen vermieden werden.

Die Auswerteeinheit besitzt einen Öffner-Kontakt und ist über eine Ethernet-Schnittstelle erreichbar. Der Öffner signalisiert durch einen Impuls jeden Blitzeinschlag. Dieses Signal kann an einen Zähler angeschlossenen oder mit einer Steuerung verbunden werden, um im Falle eines Blitzeinschlags eine Folgeaktion zu initiieren. Über Ethernet sind die blitzstrom-typischen Kennwerte abrufbar, um den Blitzeinschlag zu bewerten. Je nach Charakteristik des Blitzstroms wird dann über eine weitere Inspektion, eine sofortige Reparatur oder sogar eine Abschaltung der Anlage entschieden.

Aber auch die Information, dass kein oder nur ein geringer Blitzeinschlag stattgefunden hat, ist wichtig, um kostenintensive Untersuchungen der Anlage auf Blitzschäden hin zu vermeiden. Dies ist besonders für Offshore-Windparks interessant, denn dort sind Fehleinsätze und Ausfallzeiten ungleich kostspieliger.

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