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Kurzschlussschutz auf hoher See

Bild 1. Die Anbindung der WEA und der Seekabel über drei Leistungsschalter sorgt für hohe Sicherheit und Verfügbarkeit, da hier durch ein entsprechendes Schutzkonzept eine Ortung des Seekabelfehlers eindeutig möglich ist

Bild 2. Die gasisolierte Mittelspannungsschalt-anlage ZX1.2 eignet sich für Offshore-Windenergieanlagen

Bild 3. Schematischer Schnitt durch eine ZX1.2-Mittelspannungsschalt-anlage

Mehr Wind, mehr Strom – und keine genervten Nachbarn: Die Energieversorger treibt es zunehmend aufs offene Meer. Dort errichten sie Offshore-Windparks, die künftig einen beträchtlichen Teil des heimischen Strombedarfs decken sollen. Mittelspannungsschaltanlagen sorgen dafür, dass es bei einem Kurzschluss nicht zum Schlimmsten kommt.

Das Leben auf hoher See ist rau. Das bekommen die Techniker und Installateure von Offshore-Windparks oft genug zu spüren. Will man aber – wie es die Bundesregierung plant – das Potenzial für Windenergie auf dem Meer erschließen, müssen Mensch und Technik dauerhaft und sicher den Naturgewalten trotzen. Schließlich sollen in gut 20 Jahren mehr als drei Dutzend Offshore-Windparks in der Nord- und Ostsee eine elektrische Leistung von bis zu 25 GW in das deutsche Stromnetz speisen, so die Deutsche Energie-Agentur. Das würde ausreichen, um heute bundesweit einen Großteil der Haushalte mit Elektrizität zu versorgen.

Schaltanlagen als wichtiges Bindeglied
Eine wichtige Funktion in den Offshore-Windparks kommt den Mittelspannungsschaltanlagen zu. Sie sitzen an der Schnittstelle zwischen der Windenergieanlage (WEA) und dem 33-kV-Seekabel, das die WEA untereinander sowie mit dem zentralen Umspannwerk verbindet. Dieses wiederum bündelt den Strom und leitet ihn über ein Hochspannungskabel ans Land weiter.
Die zentrale Funktion der Mittelspannungsschaltanlage ist es, die Strom führenden Teile dieser Spannungsebene sicher miteinander zu verbinden sowie Personal und Technik in den Türmen und auf der Plattform im Fehlerfall zu schützen. Auslöser eines Kurzschlusses kann beispielsweise ein Defekt in einem Seekabel sein, was nicht selten vorkommt. Schließlich müssen für einen Offshore-Windpark, deren Türme rund 800 m auseinander stehen, bis zu 100 km Seekabel verlegt werden. Dementsprechend ist es nicht verwunderlich, dass Kabelfehler für Windparkbetreiber zu den häufigsten Ursachen zählen, weswegen WEA abzuschalten sind.
Ein Kurzschluss kann jedoch die elektrischen Anlagen einer WEA zerstören oder Kabel durchschlagen lassen. Schaltet die Mittelspannungsschaltanlage nicht schnell genug, drohen deutlich komplexere Folgeschäden und eine erschwerte Wiederinbetriebnahme. Daher ist es wichtig, die teure Infrastruktur mit den Anlagen zu schützen. Schließlich beläuft sich die Investitionssumme für einen kompletten Windpark, bestehend aus 80 Türmen mit einer typischen Leistung von jeweils 5 MW, normalerweise auf viele hundert Millionen €, so der Bundesverband Windenergie. Davon entfallen nach Schätzungen von Experten etwa ein Drittel auf die Verkabelung und Elektrotechnik.

Simple Lösungen bergen Risiko
Steht nur eine dieser Windenergieanlagen still, verliert der Betreiber abhängig vom Wind bis zu 18 000 € pro Tag, weil er seinen Strom nicht ins Netz speisen kann. Da meist aber nicht nur eine WEA an einem Seekabelstrang hängt, sondern oft bis zu acht, summiert sich der Verlust bei schlechter Auslegung der Windparkelektrik in diesem Fall schnell auf mehr als 100 000 € pro Tag. Die Spezialisten von ABB raten ihren Kunden daher, nicht an der falschen Stelle zu sparen.
Beispielsweise geht ein Windparkbetreiber ein großes Risiko ein, wenn er seine Türme ausschließlich über einfache Lasttrennschalter betreibt, weil diese keine Kurzschlussströme abschalten können. Das kann erst der Leistungsschalter auf der zentralen Umrichterplattform am Anfang des Strangs. Sind die Verbindungen zwischen den einzelnen WEA lediglich durch einfache Lasttrennschalter geschützt, wären bei einem Störfall gleich alle acht Türme vom Netz – das bedeutet Maximalverlust!
In der Leitstelle, die den Windpark überwacht, muss das Bedienpersonal mithilfe von Softwaresystemen das beschädigte Teilstück selektieren und anschließend die entsprechenden Lasttrennschalter ausschalten. Erst danach können die unbeschädigten Teilstücke des Strangs mit den WEA wieder durch einschalten des Leistungsschalters auf der zentralen Umrichterplattform in Betrieb gehen. Das kostet Zeit und Geld.

Leistungsschalter sorgen für Sicherheit
ABB rät daher zur sogenannten Drei-Schalter-Lösung mit Leistungsschaltern (Bild 1). In dieser Konstellation befindet sich ein Mittelspannungsleistungsschalter an jedem Teilstück des Seekabels, das die WEA miteinander verbindet – vorn und hinten. Sie schützen bei einem Kabelfehler die angeschlossenen Windenergieanlagen. Würde beispielsweise eine Störung zwischen den Türmen sechs und sieben auftreten, könnten die ersten sechs Türme aber noch Strom liefern. Der Betreiber müsste also nur auf den Strom verzichten, der von den Türmen ab dem Kurzschluss erzeugt wird. Das begrenzt den Schaden. Zugleich weiß der Techniker sofort, an welchem Teilstück des Seekabels der Kurzschluss aufgetreten ist. Nämlich dort, wo sich – von der Umrichterstation aus gesehen – die erste WEA abgeschaltet hat. Das beschleunigt die Wiederinbetriebnahme und minimiert den Verlust.
Zudem sollte jedes Feld mit einem Differenzialschutz ausgestattet werden. Dieser meldet den benachbarten Schaltanlagen, welcher Strom zu erwarten ist. Erfasst diese einen Wert, der vom Sollwert abweicht, ist das ein Zeichen für einen Kabelfehler und beide Leistungsschalter schalten umgehend ab.

Bewährte Technik
In den Windenergieanlagen auf See setzt ABB vornehmlich maßgeschneiderte Offshore-Varianten der gasisolierten Mittelspannungsschaltanlage aus der ZX-Baureihe ein (Bild 2). Die Lösungen für den Einsatz in WEA wurden und werden gemeinsam mit den Windenergieanlagenherstellern erarbeitet. Eine WEA-Schaltanlage besteht aus einer definierten Anzahl von Feldern, die bereits im Werk zu einer Anlage zusammengebaut wird. Das reduziert den Montageaufwand vor Ort. Außerdem sind unter anderem alle Datenleitungen bereits vorhanden.
ZX-Anlagen sind für Bemessungsbetriebsströme bis 2,5 kA und Kurzschlussausschaltströme bis 40 kA sowie bis 36 kV ausgelegt. Felder der Baureihe ZX1.2 (bis 31,5 kA) arbeiten bereits heute in der Hälfte aller WEA des ersten deutschen Offshore-Windparks Alpha Ventus, der knapp 50 km nordnordwestlich der Insel Borkum in der Nordsee liegt. Seit der Inbetriebnahme vor knapp zwei Jahren laufen die Anlagen störungsfrei.

Schutz vor Umwelteinflüssen
Ein wichtiger Aspekt auf hoher See ist der Schutz vor der salzhaltigen Luft, die Metalle angreift. Dementsprechend sorgen die WEA-Hersteller für die entsprechenden Innenraumbedingungen in den Türmen.
Zusätzlich schützt das besondere Design der Mittelspannungsschaltanlage vor Umwelteinflüssen (Bild 3). Die Schaltkontakte befinden sich im Vakuum. Die Schaltkammer liegt gekapselt im Gießharz. Sie umgibt ein hermetisch verschweißtes Metallgehäuse mit den Kabelanschlussbuchsen. Das Gehäuse ist genauso mit Schwefelhexafluorid (SF6) gefüllt wie der separate Sammelschienenraum mit dem Dreistellungsschalter. Ein leichter Überdruck sorgt dafür, dass weder Staub noch feuchte Luft eindringen können. Wie die WEA ist auch das Mittelspannungsschaltfeld für einen störungsfreien Betrieb von mehr als 20 Jahren ausgelegt.
Die Anlagen der ZX-Familie sind zuverlässig und leisten weltweit bereits in mehr als 70 Ländern unter anderem auf Ölplattformen, Schiffen, Flughäfen, in unterschiedlichen Industrieanwendungen und bei Energieversorgern sowie Stadtwerken ihren Dienst.

Reparatur vor Austausch
Bei seinen Mittelspannungsschaltanlagen setzt ABB konsequent auf ein modulares Konzept, das auf der Philosophie basiert: „Reparatur vor Austausch“. Im Schadensfall oder wenn ein Teil aufgrund von Verschleiß ausgetauscht werden muss, kann ein Team sämtliche Komponenten ausbauen und sie an Ort und Stelle schnell sowie preisgünstig ersetzen. Um das defekte Schaltfeld auszutauschen, muss also nicht erst ein geeignetes Transportschiff vom Festland kommen. Eine weitere Spezialität der ZX1.2-Baureihe sind die Buchsen bis zur Größe 4. Dort lassen sich Kabel mit einer Querschnittsfläche bis 1 600 mm 2 anschließen. Üblich sind heute Querschnitte bis 630 mm 2. Mit dickeren Kabeln ist es jedoch möglich wesentlich höhere Ströme zu übertragen oder mehr WEA an ein und demselben Strang zu betreiben.
Die Leistungen der Windenergieanlagen steigen kontinuierlich. Die größte kommerzielle Anlage der Welt, die Enercon E-126 von Enercon, bringt es heute bereits auf 7,5 MW. Der Anlagenhersteller will nach eigener Aussage in den kommenden Jahren sogar eine Turbine in supraleitender Technik entwickeln, die 10 MW bis 15 MW liefern soll.

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Autor: Dipl.-Ing. (FH) Andreas Reimüller ist Leiter Produktmanagement GIS im Unternehmensbereich Energietechnik der ABB AG in Ratingen.

Dirk Steffen arbeitet im Produktmarketing Schaltanlagen Deutschland im Unternehmensbereich Energietechnik der ABB AG in Mannheim