Schutzprüfungen von Windkraftanlagen

SICHER IM AUFWIND

Die Windenergie deckte 2019 fast ein Viertel des gesamten deutschen Strombedarfs. Damit der Aufwind anhält, müssen die auf jahrzehntelange Laufzeiten ausgelegten Windkraftanlagen dauerhaft ausfallsicher funktionieren. Mit professioneller Messtechnik und moderner Prüfsoftware unterstützt Gossen Metrawatt Windparkbetreiber und Prüftechniker bei der normgerechten Prüfung der elektrischen Sicherheit ihrer Anlagen.

Trotz geringen Zubaus konnte die Windenergie 2019 erstmals die Braunkohle in der Stromerzeugung überflügeln

Obwohl an Land vergangenes Jahr lediglich 325 Windkraftanlagen neu in Betrieb genommen wurden, hat die Windenergie mit rund 127 TWh auch 2019 wieder ein Rekordergebnis eingefahren und erstmals selbst die Braunkohle überflügelt. Viele der über 21.000 Onshore errichteten Windkraftanlagen sind allerdings in die Jahre gekommen und könnten mit Auslaufen der auf 20 Betriebsjahre befristeten EEG-Umlage in nächster Zeit vom Netz gehen. Für das Erreichen der Klimaziele setzt die Bundesregierung daher auf einen deutlich verstärkten Offshore-Ausbau. Um auch an Land mehr Leistung zu generieren, werden vermehrt Altanlagen an Ort und Stelle durch neue Windkraftanlagen mit deutlich höherer Nennleistung ersetzt.

Neu errichtete Anlagen verfügen meist über Nennleistungen von mehreren Megawatt und Generatoren, die Wechselstrom im Spannungsbereich von 690 V erzeugen. Dieser Entwicklung muss die Prüftechnik Rechnung tragen, damit gewährleistet ist, dass sich die hohen Investitionen in den Ausbau dieser Technologie auszahlen und die von Versicherern verlangte Zuverlässigkeit während der gesamten Laufzeit erhalten bleibt.

PRÜFTECHNISCHE STANDARDS

Zum Schutz des Prüftechnikers dürfen die Messungen zur elektrischen Sicherheit nur mit Geräten durchgeführt werden, die entsprechend ihrer Messkategorie gemäß IEC 61010-1 für die jeweiligen Anwendungsbereiche geeignet sind. Als sicherstes Prüfgerat seiner Produktklasse erfüllt der PROFITEST PRIME von Gossen Metrawatt die Sicherheits-kriterien für CAT III bis 600 V sowie CAT IV bis 300 V und ist gemäß DIN EN 61557 / VDE 0413 zum Prüfen, Messen und Überwachen von Schutzmaßnahmen im Niederspannungsbereich bis 1000 V AC und DC zugelassen. Der Messumfang beinhaltet in der Standardversion mehr als 50 Funktionen für über 20 verschiedene Prüfaufgaben und reicht von der Schutzleiterprüfung bis 25 A über die RCD-Prüfung, die Schleifenbzw. Netzinnenwiderstandsmessung und die Isolationsüberwachung bis zur Messung von Restspannungen, Ableit- und Berührströmen. Damit deckt das Gerät neben den Anforderungen zur Prüfung der elektrischen Sicherheit von Schaltschränken, Maschinen und Industrieanlagen auch die spezifischen Prüfkriterien bei Photovoltaikund Windkraftanlagen ab.

Offshore bieten sich noch große Potenziale für den weiteren Ausbau der Windenergie (Zahlenangaben nach Fraunhofer ISE)

Für das integrale Prüfdatenmanagement hat Gossen Metrawatt mit IZYTRONIQ eine geräteübergreifende Prüfsoftware mit skalierbarem Funktionsumfang eingeführt. Mit dieser Softwarelösung lässt sich die gesamte elektrische Infrastruktur als digitaler Zwilling abbilden. Sämtliche Messpunkte können in einer einheitlichen Anlagenstruktur bestimmt, bezeichnet und im Prüfprozess Schritt für Schritt abgearbeitet werden.

Für jeden Bereich lassen sich Sequenzen festlegen, im Prüfgerät abspeichern und vom Gerätedisplay ablesen, um sicherzugehen, dass keine Messung vergessen wird. Die einzelnen Werte werden automatisch den definierten Messpunkten zugeordnet und für die vollständige Dokumentation der Anlagenprüfung bereitgestellt. Die Prüfsoftware ist auch Kernstück der GMC Instruments Cloud für das cloudbasierte Prüfdatenmanagement. Die Cloud-Vernetzung mit SSLverschlüsseltem Datentransfer sorgt für maximale Verfügbarkeit und ermöglicht den geschützten Mehrfachzugriff berechtigter Mitarbeiter auf alle prüfrelevanten Daten, Anlagenstrukturen und Dokumentationen

Die neue Cloud-Plattform von GMC-Instruments: Direkter Zugriff auf modernste Softwaretools für ein flexibles, umfassendes Prüfdatenmanagement

NORMATIVE ANFORDERUNGEN

Windkraftanlagen gelten laut Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) als abgeschlossene elektrische Betriebsstätten zur Energieerzeugung. Als solche sind sie nach den Vorgaben der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV) regelmäßig auf ihre elektrische Sicherheit zu prüfen. Die Erstprüfung dient dem Nachweis der normkonformen Errichtung sowie der Aufdeckung und Behebung etwaiger Installationsmängel. In Wiederholungsprüfungen wird die Betriebssicherheit mit Blick auf alterungsbedingte Beeinträchtigungen und veränderte Installationen begutachtet. Nach DGUV-Vorschrift 3 sollte der Abstand zwischen zwei Prüfungen bei elektrischen Anlagen und ortsfesten elektrischen Betriebsmitteln, die normalen Beanspruchungen durch Umgebungstemperatur, Staub, Feuchtigkeit und andere Umwelteinflüsse ausgesetzt sind, maximal vier Jahre betragen.

Im Teil 6 des 2005 verabschiedeten Gesetzes über die Elektrizitäts- und Gasversorgung (EnWG, 2005) werden die Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit der Energieversorgung festgelegt. Der § 49 schreibt vor, dass Errichtung und Betrieb von Energieanlagen nach den allgemein anerkannten Regeln der Technik erfolgen müssen, die exemplarisch in den VDE-Bestimmungen zur Erzeugung, Fortleitung und Ableitung von Elektrizität ausgeführt sind. Dazu zählen aus der Normenreihe VDE 0140 der „Schutz gegen elektrischen Schlag“ und die „Wirkung des Stroms auf Menschen und Nutztiere“ sowie aus der Normenreihe VDE 100 die „Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel, Schalt- und Steuergeräte“ sowie von Erdungsanlagen und Schutzleitern und der Schutzvorkehrungen gegen elektrischen Schlag.

Hinzu kommen Prüfungen der Maschinensicherheit nach DIN EN 60204 1 (VDE 0113 1) und der Blitzschutzsysteme gemäß DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3 Beiblatt 3). Den exakten Prüfumfang legt die verantwortliche Elektrofachkraft zum Beispiel anhand einer Gefährdungsbeurteilung gemäß § 3 der Betriebssicherheitsverordnung von 2015 fest.

ZENTRALE MESSVERFAHREN FÜR WINDENERGIEANLAGEN

Am Anfang der Schutzmaßnahmenprüfung steht eine allgemeine Besichtigung der elektrischen Anlage, bei der alle Leitungen nach Art der Verlegung begutachtet und die elektrischen Baugruppen auf ihren festen Halt, korrekten Anschluss, die Kennzeichnung und richtige Dimensionierung kontrolliert werden. Anschließend erfolgen die Prüfungen der Wirksamkeit von Schutzmaßnahmen sowie die Funktionsprüfungen. Zu den zentralen Prüfaufgaben zählen:

1. Die Messung von Spannung und Drehfeld

zum Nachweis der Funktionssicherheit der elektrischen Anlage. Dabei ist sicherzustellen, dass Sicherungen sowie einpolige Steuer- und Schutzeinrichtungen nur am Außenleiter angeschlossen sind und der Anschluss von Kabeln und Leitungen an die elektrischen Betriebsmittel fachgerecht durchgeführt wurde. Falls erforderlich muss auch die Spannungspolarität am Eingang der Anlage vor deren Inbetriebnahme geprüft werden.

2. Messungen der Durchgängigkeit von Leitern

durch Widerstandsprüfungen bei Schutzleitern, Schutzpotenzialausgleichsleitern und gegebenenfalls Körpern, um die Einhaltung der Abschaltbedingungen und das automatische Abschalten der Stromversorgung nachzuweisen. Die Widerstandsmessung jedes Schutzleitersystems wird zwischen der PE-Klemme und allen relevanten Punkten vorgenommen, die Teil jedes Schutzleitersystems sind. Weil die bei der Prüfung verwendete Stromstärke ausreichend klein sein sollte, um Brand- oder Explosionsgefahren auszuschließen, wird der Widerstand mit einem Strom zwischen mindestens 0,2 A und 10 A gemessen. Der Nachweis gilt als erbracht, wenn das Messgerät einen hinsichtlich Länge, Querschnitt und Material des relevanten Schutzleiters geeigneten Wert liefert. Ein höchstzulässiger Widerstandswert ist nicht vorgegeben, doch sollten die gemessenen Werte nicht höher ausfallen als der der Leitungslänge entsprechende Leiterwiderstand zuzüglich der üblichen Übergangswiderstände. Als Richt- und Erfahrungswerte können Widerstände < 1,0 Ω für das Schutzleitersystem und < 0,1 Ω für Potenzialausgleichsleiter dienen. Mit dem PROFITEST PRIME lassen sich die Messungen mit unterschiedlichen Prüfströmen ausführen. Außerdem sind 4-Leiter-Messungen bei Kabellängen bis 70 m für Kabelquerschnitte von 2 x 0,5 mm2 mit 200 mA bei automatischer Umpolung möglich.

3. Die Messung des Isolationswiderstands

um bei Neuerrichtung oder Übergabe einer elektrischen Anlage ihren ordnungsgemäßen Zustand sowie die Erfüllung der zugesagten Leistung nachzuweisen. Ein guter Isolationswiderstand ist ein Garant für eine sichere, effiziente und verlustfreie elektrische Anlage und zugleich eine wirkungsvolle Brandschutzmaßnahme. Die Isolationsmessung erfolgt im spannungslosen Zustand und wird in der Regel am Einspeisepunkt der Anlage vorgenommen. Ist der Messwert kleiner als der vorgegebene Wert, kann die Anlage in einzelne Stromkreisgruppen aufgeteilt werden, um den Isolationswiderstand jeder Gruppe zu messen. Wenn Stromkreise oder Teile von Stromkreisen durch Unterspannungs- Schutzeinrichtungen abgeschaltet werden, die alle aktiven Leiter unterbrechen, wird der Isolationswiderstand dieser Stromkreise oder Stromkreisteile gesondert ermittelt. Bei der Prüfung darf der mit 500 V Gleichspannung zwischen den Leitern des Hauptstromkreises und dem Schutzleitersystem gemessene Isolationswiderstand nicht weniger als 1 MΩ betragen. Für bestimmte Teile der elektrischen Ausrüstung – wie Sammelschienen, Schleifleitungssysteme oder Schleifringkörper – ist ein niedrigerer Wert erlaubt, der jedoch nicht kleiner als 50 kΩ ausfallen darf. Wenn Überspannungsschutzeinrichtungen oder elektrische Betriebsmittel die Prüfung beeinflussen oder bei der Prüfung beschädigt werden können, müssen diese Betriebsmittel abgetrennt werden. Kapazitive Verbraucher sind gemäß IEC 61010 Teil 1 nach der Messung zu entladen.

4. Die Messung des Netzinnen- und Schleifenwiderstands

mit Prüfgeräten, die nach IEC 61557-3 zur Messung der Fehlerschleifenimpedanz geeignet sind. Vor Durchführung dieser Messung ist eine elektrische Durchgangsprüfung erforderlich und bei der Beurteilung der Messwerte ein Gesamtfehler von ± 30 % zu berücksichtigen. Mit dem PROFITEST PRIME können Messungen bis 690 V mit hohem Prüfstrom sowohl des Netzinnerwiderstandes Z L-N als auch des Schleifenwiderstandes Z L-PE ohne Auslösung der RCD-Typen A, F und B erfolgen. Diese Messverfahren dienen der Berechnung des Kurzschlussstromes zur Kontrolle der Abschaltung einer Überstrom- Schutzeinrichtung. Damit eine Überstrom-Schutzeinrichtung rechtzeitig auslöst, muss der Kurzschlussstrom IK größer als der Auslösestrom Ia sein. Nach der automatischen Berechnung des Kurzschlussstroms und der einzuhaltenden Grenzwerte kann der Prüfer über die Hilfe-Taste des PROFITEST PRIME eine tabellarische Übersicht der Kurzschlussstrom- Mindestanzeigewerte zur Ermittlung der Nennströme verschiedener Sicherungen und Schalter abrufen. Bei Spannungsschwankungen im Netz führt das Prüfgerät automatisch mehrere Messungen der Fehlerschleifenimpedanz durch und bildet daraus einen validen Mittelwert.

Als marktweit einziges Prüfgerät ist der PROFITEST PRIME von Gossen Metrawatt für Schutzmaßnahmenprüfungen in 690 V AC- und 800 V DC-Netzen ausgelegt

5. Die Prüfung der RCD-Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen

die gemäß DIN VDE 0100-530, Abschnitt 531 zum Schutz vor elektrischem Schlag, zur Abschaltung der Stromversorgung und zum Brandschutz zu installieren sind. Bei elektrischen Anlagen mit elektronischen Betriebsmitteln, die glatte Fehlerströme erwarten lassen, ist ein RCD vom Typ B oder B+ zum Schutz durch automatische Abschaltung zulässig. Die Prüfung der Fehlerstrom-Schutzeinrichtung RCD der Typen A, AC, A-EV, F, F-EV, B, B+, B-MI wird mittels Auslösestrom und Auslösezeit durchgeführt. Der Nachweis des Auslösestroms erfolgt mit ansteigendem Fehlerstrom, der zwischen 50% und 100% von IΔN liegen muss (meist bei ca. 70%). Durch Erzeugen eines Fehlerstromes hinter der Fehlerstrom-Schutzeinrichtung wird festgestellt, ob die Fehlerstrom-Schutzeinrichtung spätestens bei Erreichen ihres Nennfehlerstromes auslöst und die für die Anlage vereinbarte Grenze der dauernd zulässigen Berührungsspannung UL nicht überschritten wird.



Für Windkraft-Anlagen sind regelmäßige Schutzmaßnahmen-Prüfungen der elektrischen Sicherheit vorgeschrieben

Fazit

Mit dem PROFITEST PRIME und einer skalierbaren Software zum integralen Prüfdatenmanagement bietet Gossen Metrawatt die prüftechnischen Werkzeuge für die professionelle, normgerechte Schutzmaßnahmenprüfung der elektrischen Sicherheit. So reicht ein einziges Messgerät, um neben Schaltschränken, Maschinen und Industrieanlagen auch die elektrische Sicherheit von Photovoltaik- und Windkraftanlagen zu testen. Der große Funktionsumfang und die geräteübergreifende Messdatenverwaltung vereinfachen die Durchführung und Dokumentation komplexer Prüfungen und tragen so zur ausfall- und zukunftssicheren Stromerzeugung bei.

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