Der Einsatz von IT-Systemen in Windenergieanlagen - Welche Vorteile ungeerdete Netze (IT-Systeme) bringen

Eine entscheidende Rolle spielt dabei die elektrische Sicherheit. Ein unerkannter Isolationsfehler ist oftmals gleichbedeutend mit unerwartetem Anlagenstillstand oder erhöhter Brandgefahr. Daneben können aber auch sicherheitskritische Systeme zur Anlagensteuerung ausfallen, was zu Schäden an der Anlage oder zu einer Gefährdung des Wartungspersonals führen kann. Außerdem verursachen ungeplante Serviceeinsätze großen Zeit- und Kostenaufwand.

Um eine hohe Ausfallsicherheit zu gewährleisten, kommt der Wahl der richtigen Netzform gerade bei Windenergieanlagen eine besondere Rolle zu. Die ungeeerdete Stromversorgung, das IT-System, unterscheidet sich vom geerdeten Netz, dem TN- oder TT-System, hauptsächlich durch eine leitende Verbindung zwischen dem Sternpunkt des Transformators, der das System versorgt, und Erde. Beim geerdeten System ist sie vorhanden, beim ungeerdeten System wird sie weggelassen. Alternativ zum Versorgungstransformator kann ein IT-System auch durch eine Stromquelle hergestellt werden, beispielsweise eine Batterie in einer USV-Anlage. Im ungeerdeten System ist die allpolige Absicherung aller aktiven Leiter erforderlich. Gleiches gilt für den N-Leiter, soweit vorhanden. Da auch im Einphasensystem keiner der beiden Leiter geerdet wird, erhält man statt der klassischen ‚Phase und Null‘ zwei unter Spannung stehende Leiter.

Die häufigsten Ursachen für Isolationsfehler bzw. daraus resultierenden Fehlerströmen sind bei Windenergieanlagen mechanische Beschädigungen der Leitung sowie eindringende Feuchtigkeit oder Schmutz. Auch Getriebe- oder Hydrauliköle können in den Leitungssätzen zu Isolationsfehlern führen. Bei geerdeten Versorgungsnetzen (TN-System) führt dies zum Auslösen der entsprechenden Schutzorgane, sobald der Fehlerstrom den kritischen Wert überschreitet (Bild 1).

In geerdeten Systemen verursachen vagabundierende Ströme oft Probleme. Dies sind Ströme, die nicht über die L-, N- und PE-Leiter fließen, sondern sich andere Wege suchen. Sie verursachen Korrosion und Lochfraß bei Rohrleitungen, Blitzschutzanlagen, Kugellagern, Fundamentalerdern und sonstigen leitfähigen Teilen. Sie können zur Zerstörung von Schirmen von Signalkabeln bis hin zum Brand führen und es können dadurch Störmagnetfelder auftreten, die zu Problemen mit EDV- und Kommunikationsanlagen führen. Da im ungeerdeten System der Rückpfad zum Sternpunkt des Trafos nicht geschlossen wird, können sich vagabundierende Ströme hier nicht ausbreiten.

In vielen Industriebetrieben fällt die Wahl der Netzform häufig auf das TN-System, da für das IT-System trotz größerer Sicherheit und Stabilität höhere Investitionskosten für den benötigten Transformator anfallen. Bei Windenergieanlagen im Megawatt-Bereich steht jedoch die für das IT-System benötigte Trennung bereits in Form eines Mittelspannungstransformators vor der Tür. Eine Ausführung als ungeerdetes Netz (IT-System) mit einer geeigneten Überwachung in Form eines Isolationsüberwachungsgerätes bietet sich hier geradezu an. Einerseits kommt es zu keinen zusätzlichen Investitionskosten und andererseits führt ein erster Isolationsfehler nicht zum Ausfall der Anlage. Es fließt nur ein kleiner Fehlerstrom, der von der Größe der Ableitkapazitäten abhängig ist (Bild 2).

Bild 2: Fehler im IT-Netz

Dadurch werden keine Prozesse unterbrochen, sodass die Wind-energieanlage kontrolliert weiter betrieben werden kann. Der Fehler in der Anlage wird im Rahmen einer geplanten Wartung zu einem späteren Zeitpunkt beseitigt, ohne unvorhergesehenen Stillstand und die damit verbundenen Ausfallkosten.

Eine hohe Leistungsbilanz von Windenergieanlagen ist nur dann gewährleistet, wenn die Anlagenverfügbarkeit hoch ist und eine eventuelle Isolationsfehlersuche auf zeit- und kostensparende Weise erfolgen kann. Diesem Aspekt kann mit der DC-seitigen Netzform IT-System Rechnung getragen werden. Die Sekundärseite des Wechselrichters speist in einen Transformator ein, durch den die spannungsmäßige Anpassung an das Mittelspannungsnetz erfolgt. Da so kein aktiver Leiter mit Erde verbunden ist, sind die Voraussetzungen für ein ungeerdetes Netz (IT-System) gegeben. Im Fall eines Isolationsfehlers oder Erd- oder Körperschlusses kann kein Kurzschlussstrom fließen, die vorgeschaltete Sicherung spricht nicht an und der Anlagenbetrieb wird nicht unterbrochen. Die Grundforderungen – kein Ausfall bei einem ersten Fehler und eine höhere Betriebs- und Brandsicherheit – wird mit der Schutzmaßnahme IT-System und einer Isolationsüberwachung erfüllt.

Um frühzeitig Isolationsverschlechterungen in IT-Systemen zu erkennen, wird ein Isolationsüberwachungsgerät installiert. Dieses prüft den Isolationswiderstand vom Generator der Windenergieanlage bis zum Transformator und entspricht den Anforderungen der IEC 61557-8. Das IT-System eignet sich besonders für den Einsatz mit Umrichtern, denn im IT-System kann es auch bei einem satten Isolationsfehler im Zwischenkreis von großen Umrichtern durch DC-Ströme und die damit verbundenen Sättigungseffekte in Eisenkernen nicht zur Zerstörung der induktiven Elemente von speisenden Generatoren und Transformatoren kommen.

Die Geräte müssen für die Verwendung in Windenergieanlagen geeignet sein. Hierbei ist auf die Spannungshöhe, den natürlichen Isolationswiderstand der Anlage und die Spannungsform (AC, DC oder gemischte Netze) zu achten, ebenso auf die Höhe der Ableitkapazitäten, die sich aus dem Aufbau des Gesamtsystems ergibt. Durch die permanente Überwachung des Isolationswiderstandes kann frühzeitig ein Trend erkannt und die Anlagenwartung geplant werden. Dabei können die Wartungsintervalle optimal angepasst werden (Bild 3).

Ein weiterer Vorteil des IT-Systems ist die Überwachung der Anlage zu Zeiten, in denen kein Wind weht. Tritt in dieser Zeit ein Isolationsfehler auf, so wird dieser über das Isolationsüberwachungsgerät gemeldet. Bei geerdeten Netzen führt dies dann beim Wiedereinschalten zu einem Kurzschluss und die Sicherungen sprechen an, während beim Einsatz eines IT-Systems eine Meldung erfolgt, die Anlage aber weiter betrieben werden kann. Die ermittelten  Messdaten aus der Windenergieanlage können über Busverbindungen gesammelt und über ein Gateway an eine zentrale Leitwarte gemeldet werden. Damit ist eine effiziente Verwaltung der Anlagen möglich (Bild 4).

Bild 4: Prinzipieller Aufbau einer Windenergieanlage

Fazit

Das IT-System weist gegenüber geerdeten Systemen viele Vorteile auf und eignet sich nicht nur für die hohen Anforderungen im Operationsraum oder in einem Atomkraftwerk, sondern praktisch überall dort, wo eine hohe Ausfallsicherheit gefordert wird. In vielen Fällen wird es heute gar nicht in Betracht gezogen, obwohl es die bessere Wahl wäre.

Bender bietet weltweit bewährte, praxiserprobte und zuverlässige Geräte und ganzheitliche Lösungen an, um mögliche elektrische Gefährdungen frühzeitig zu erkennen. Die Sicherheit von Personen und Anlagen wird damit gewährleistet, da kritische Betriebs- und Anlagenzustände rechtzeitig erkannt und gemeldet werden können. Durch präventives Eingreifen kann eine hohe Anlagenverfügbarkeit sichergestellt werden, was die Ausfallrisiken und Betriebsunterbrechungen auf ein Minimum reduziert.

Isolationsüberwachungsgeräte von Bender bieten viele wirtschaftliche und technische Vorteile, die dem Betreiber zugute kommen. Manchmal werden die Kosten eines Isolationsüberwachungsgeräts als Argument gegen ein IT-System angeführt, jedoch ist das Gegenteil der Fall: Angesichts der oben aufgeführten Vorteile und der damit verbundenen wirtschaftlichen Auswirkungen lohnt sich der Einsatz im kommerziellen Bereich immer.