Wellenerdung für Windenergieanlagen

Die Strompfade führen in der Regel durch die Generator- oder Getriebelager. Die Entladung durch diese beweglichen Teile verursacht kumulative Schäden durch Elektroerosion. Die entstandenen Schäden werden als Riffelbildung oder auch als Waschbretteffekt bezeichnet (Bild 1). Die Folge kann ein Generatorausfall sein. Die meisten Generatoren haben Hybrid- oder isolierte Lager, die widerstandsfähig gegenüber elektrischen Schäden durch Kreisströme sind.

Gekoppelte Bauelemente wie Getriebe und Tachometer sind jedoch gefährdet (Bild 2). Windgeneratoren sind daher zusätzlich mit einer Rotorerdung ausgestattet, die das Risiko für diese Bauelemente verringern soll. Generatoren, die durch Frequenzumrichter geregelt sind, verwenden meist Kohlebürsten zur Erdung der Welle, Ausführungen mit Permanentmagnet nutzen teilweise auch Rollen auf der Bremsscheibe. Beide Methoden bieten einen niederohmigen Pfad für Niederfrequenz- und Gleichstrom. Diese ansonsten schädlichen Ströme fließen damit durch die Kohlebürsten oder Rollen, ohne weiteren Schaden zu hinterlassen.

Gefahr durch hochfrequente Ströme

Die Wellenspannung enthält jedoch neben den niedrigen auch hohe Frequenzen, und Kohlebürsten und Rollen haben eine hohe Impedanz (Widerstand) gegenüber hochfrequenten Strömen. Daher besteht auch mit einer Kohlebürste oder Rolle immer noch die Gefahr, dass das System elektrisch beschädigt wird. Windenergieanlagen benötigen also zusätzlich eine Wellenerdung mit geringer Impedanz für hohe Frequenzen. Die technische Lösung für diese Anforderung sind Wellenerdungsringe, die von Aegis entwickelt wurden.

Die Ringe der PRO-Serie von Aegis umschließen die Welle mit Hunderttausenden von leitfähigen Mikrofasern (Bild 3). Diese Fasern besitzen in der Summe eine große Oberfläche, was ihnen eine niedrige Impedanz für hochfrequente Ströme verleiht. Mit Hybridlagern zur Blockierung von Kreisströmen, einer Rolle oder Kohlebürste zur Übertragung von Gleich- und Niederfrequenzstrom und einem Wellenerdungsring für hohe Frequenzen ist das System vollständig gegen elektrische Lagerschäde geschützt.

Messungen auf Windkraftanlage

Electro Static Technology, der Hersteller der Aegis-Wellenerdungsringe, führte auf einer Windkraftanlage für einen Generatorhersteller Messungen durch. Gemessen wurde auf einer 140 m hohen Anlage mit 135 m Rotorblattdurchmesser mit einem permanenterregten Generator mit Frequenzumrichterregelung. Der Generator verfügt über Rollen auf der Bremsscheibe für die Niederfrequenz-Erdung und über eine Wellenerdung in Art eines »Geigenbogens« für hochfrequente Spannungen.

Ohne jegliche Wellenerdung wies die hochfrequente Wellenspannung einen zu hohen Betrag von U_ss= 20 V (Spitze/Spitze) auf. Mit dem »Geigenbogen« konnte die Spannung auf etwas mehr als 4 V gesenkt werden. Unter 5 V befindet man sich auf einem sicheren Niveau für die Wellenspannung. Jedoch zeigte der »Geigenbogen« einen starken Verschleiß, da diese Bauelemente mit Federkraft gegen die rotierende Welle gedrückt werden.

Wellenspannung auf sicheres Niveau senken

Nach Montage des PRO-Rings konnte die Wellenspannung auf ein sicheres Niveau von weniger als einem Volt gesenkt werden
(Bild 4). Hinzu kommt, dass die Fasern des Aegis-Segments nicht unter Spannung stehen. Sie berühren den Schleifring nur leicht und sind dadurch langlebiger als andere Erdungssysteme. Mit dieser Lebensdauer und der niedrigen Impedanz bei hohen Frequenzen stellen die Aegis-Segmente und Wellenerdungsringe ein effektives Erdungssystem für hochfrequente Wellenspannungen in Windenergieanlagen dar.