• Gossen Metrawatt
  • Camille Bauer

Normkonforme Schutzmaßnahmen-Prüfung von Windenergie-Anlagen

Auch künftig wird die Stromerzeugung aus Windenergie den Löwenanteil zur Energiewende beisteuern. Deshalb kommt der Betriebssicherheit von Windkraft-Anlagen zentrale Bedeutung zu. Professionelle Prüftechnik stellt sicher, dass sich die hohen Investitionen in den Ausbau dieser Technologie auszahlen und die von Versicherern verlangte Zuverlässigkeit während der gesamten Laufzeit erhalten bleibt.

Im Jahr 2017 hat die gesamte Europäische Union erstmals mehr Strom aus Wind, Sonne und Biomasse als aus Stein- und Braunkohle zusammen. Knapp 30,0 Prozent Anteil haben mittlerweile die erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung.

Bruttostromerzeugung in Deutschland 2017 in TWh
Abbildung 1: Bruttostromerzeugung in Deutschland 2017 in TWh; vorläufige Angaben, z.T. geschätzt; ** regenerativer Anteil; Stand: Februar 2018 © AG Energiebilanzen, Quelle BMWi

 

Der Anteil der Erneuerbaren Energien steigt weiter.

Quelle: BMWi (https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Infografiken/Energie/anteil-erneuerbarer-energien-steigt.html), Stand 2018

Mit einer Stromerzeugung von gut 217 Mrd. kWh haben die erneuerbaren Energien 2017 ihren Vorsprung vor den konventionellen Energieträgern weiter ausgebaut. Insgesamt entfielen damit 36 % der Energiegewinnung in Deutschland auf Wind, Sonne, Biomasse, Wasserkraft und andere regenerative Energiequellen, wozu maßgeblich der starke Anstieg der Windstromerzeugung beitrug. On- wie Offshore wurden gut 103 Mrd. kWh1 Windstrom produziert und Windenergieanlagen mit einer Gesamtleistung von über 5.500 Megawatt neu ans Netz angeschlossen. Windparks sind für jahrzehntelange Laufzeiten ausgelegt und müssen ein sicheres Langzeitbetriebsverhalten gewährleisten. Unentdeckte Schäden können gravierende Auswirkungen bis zum Komplettausfall einer Anlage haben, wenn beispielsweise eine defekte Windkraftturbine in der durchschnittlich über 120 m hoch gelegenen Gondel einen Kurzschluss mit Brandfolge auslöst.

Prüftechnische Herausforderungen

Mehr Watt aus WindZusätzliche Herausforderungen für die Anlagenprüfung ergeben sich aufgrund der Zunahme elektrotechnischer Komponenten, die den Betrieb unter Spannungen oberhalb der in weiten Teilen des öffentlichen Versorgungsnetzes herrschenden 400 V erlauben. Geeignete Lösungen mit Frequenzumrichtern und neue, leistungsstärkere Generatoren machen den Umstieg von 400 V AC auf 690 V AC in der Windstromerzeugung insbesondere bei Anlagen mit Nennleistungen ab 600 kW attraktiv. Da die Energieverluste mit höheren Spannungen abnehmen, lassen sich beträchtliche Effizienzsteigerungen bei zugleich sinkenden Kosten für Verkabelung und Betrieb realisieren.
Dieser Entwicklung muss die Prüftechnik mit Geräten Rechnung tragen, die sämtliche erforderlichen Messungen im Niederspannungsbereich zuverlässig und normgerecht bewältigen können. Als bisher marktweit einziger Anbieter hat der Messtechnik-Spezialist Gossen Metrawatt ein Prüfgerät entwickelt, mit dem erstmals sowohl in 690 V AC- als auch in 800 V DC-Netzen geprüft werden kann. Weil sich mit der Standardausführung des PROFITEST PRIME außerdem Spannungen bis 1.000 V AC / 1.000 V DC messen lassen, genügt ein einziges Gerät, um neben Schaltschränken, Maschinen und Industrieanlagen auch die elektrische Sicherheit von Photovoltaik- und Windkraftanlagen zu testen.

Gesetzliche und normative Vorgaben

Als abgeschlossene elektrische Betriebsstätten müssen Anlagen zur Energieerzeugung laut Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) regelmäßig auf ihre elektrische Sicherheit gemäß den Vorgaben der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV) geprüft werden. Laut DGUV-Vorschrift 3 sollte der Abstand zwischen zwei Prüfungen bei elektrischen Anlagen und ortsfesten elektrischen Betriebsmitteln, die normalen Beanspruchungen durch Umgebungstemperatur, Staub, Feuchtigkeit und vergleichbare Umwelteinflüsse ausgesetzt sind, maximal vier Jahre betragen. Die vom Anlagenbetreiber zu veranlassenden Prüfungen sind unter Leitung und Aufsicht einer Elektrofachkraft durchzuführen, die vor der Inbetriebnahme sowie nach Änderungen und Instandsetzungen den ordnungsgemäßen Zustand der Anlage bescheinigt.
Im Teil 6 des 2005 verabschiedeten Gesetzes über die Elektrizitäts- und Gasversorgung (EnWG, 2005) werden die Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit der Energieversorgung fixiert. 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.

Messtechnische Prüfungen

Die Prüfung der Schutzmaßnahmen beginnt mit einer allgemeinen Besichtigung, bei der alle Leitungen nach Art der Verlegung geprüft 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. Für die sichere Durchführung der Messungen sind nach DIN EN 61557/VDE 0413 zugelassene Messgeräte zum Prüfen, Messen oder Überwachen von Schutzmaßnahmen in Niederspannungsnetzen bis 1.000 V/AC und 1.500 V/DC einzusetzen. Zum Schutz des Prüfers sollten dabei nur solche Geräte Verwendung finden, die entsprechend ihrer Messkategorie gemäß IEC 61010-1 für die jeweiligen Anwendungsbereiche geeignet sind. Im Zuge der Erstprüfung müssen sämtliche Messpunkte erfasst und aufgenommen werden, um eine vollständige Überprüfung der elektrischen Anlage durchzuführen, den Nachweis ihrer normkonformen Errichtung zu erbringen sowie gegebenenfalls vorhandene Installationsmängel festzustellen. Die Wiederholungsprüfungen dienen der Bestätigung des sicheren Zustands der begutachteten Anlage einschließlich vorgenommener Änderungen sowie der Aufdeckung etwaiger Manipulationen. Zu den zentralen Prüfaufgaben zählen:

1. 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 erfolgt ist. Falls erforderlich muss auch die Spannungspolarität am Eingang der Anlage vor deren Inbetriebnahme geprüft werden.

2. Messungen der Durchgängigkeit von Leitern und des Schutzleiters
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 Explosionsgefahr auszuschließen, wird der Widerstand mit einem Strom zwischen mindestens 0,2 A und ungefähr 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. Messung des Isolationswiderstands,
um bei Neuerrichtung oder Übergabe einer elektrischen Anlage deren 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, so wird der Isolationswiderstand dieser Stromkreise oder Stromkreisteile gesondert gemessen. 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 nach der Messung zu entladen (IEC 61010 Teil 1).

4. 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 Prüfgeräts eine tabellarische Übersicht der Kurzschlussstrom-Mindestanzeigewerte zur Ermittlung der Nennströme verschiedener Sicherungen und Schalter abrufen. Bei Spannungsschwankungen im Netz führt der PROFITEST PRIME automatisch mehrere Messungen der Fehlerschleifenimpedanz durch und bildet daraus einen validen Mittelwert.

5. Prüfung der RCD-Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen,
die gemäß DIN VDE 0100-530 „Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 530: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel - Schalt- und Steuergeräte“, 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, F, EV, 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.

Mehr Watt aus Wind

Die Stromerzeugung aus Windkraft trägt entscheidend zum Erfolg der Energiewende bei. Angesichts langer Laufzeiten von Windenergie-Anlagen bedarf es regelmäßiger Schutzprüfungen, um den sicheren Betrieb und die Ausfallsicherheit der Anlagen zu gewährleisten.

Maßgebliche Normen und Vorschriften

  • DIN EN 61140 (VDE 0140-1):2016-11, Schutz gegen elektrischen Schlag – gemeinsame Anforderungen für Anlagen und Betriebsmittel
  • DIN IEC/TS 60479-1 (VDE V 0140-479-1):2007-05, Wirkungen des elektrischen Stromes auf Menschen und Nutztiere – Teil 1: Allgemeine Aspekte,
  • DIN VDE 0100-540 (VDE 0100-540):2012-06, Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 5-54: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel - Erdungsanlagen und Schutzleiter
  • DIN VDE 0100-410 (VDE 0100-410):2007-06, Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 4-41: Schutzmaßnahmen – Schutz gegen elektrischen Schlag,
  • DIN VDE 0100-530 (VDE 0100-530): 2011-06 / 2014-10 E, Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 5-53: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel - Schalt- und Steuergeräte,
  • DGUV V3 (BGV A3) "Elektrische Anlagen und Betriebsmittel"
  • DGUV Information 203-007 (BGI 657) - "Windenergieanlagen"
  • DIN VDE 0100-600 (VDE 0100-600): 2017-06, Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 6: Prüfungen
  • DIN VDE 0105-100 (VDE 0105-100): 2015-10, Betrieb von elektrischen Anlagen - Teil 100: Allgemeine Festlegungen
  • DIN EN 50522 (VDE 0101-2): 2011-11, Erdung von Starkstromanlagen mit Nennwechselspannungen über 1 kV
  • DIN EN 60204-1 (VDE 0113-1): Berichtigung 1:2010-05, Sicherheit von Maschinen - Elektrische Ausrüstung von Maschinen - Teil 1: Allgemeine Anforderungen (IEC 60204-1:2005, modifiziert); Deutsche Fassung EN 60204-1:2006, Berichtigung zu DIN EN 60204-1 (VDE 0113-1):2007-06; Deutsche Fassung CENELEC-Cor.: 2010 zu EN 60204-1:2006
  • DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3 Beiblatt 3): 2012-10, Blitzschutz - Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen - Beiblatt 3: Zusätzliche Informationen für die Prüfung und Wartung von Blitzschutzsystemen

Das bieten wir Ihnen:

PROFITEST PRIME: Prüftechnik auf neuestem Stand
PROFITEST PRIMEAls sicherstes Prüfgerat seiner Produktklasse erfüllt der PROFITEST PRIME die Sicherheitskriterien 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 AC 1000 V und DC 1500 V zugelassen.
Erstmals lassen sich auch Schleifenmessungen bei an Frequenzumrichtern zur Regelung elektrischer Maschinen angebrachten allstromsensitiven Fehlerstromschutzschaltern durchführen. Ein weiteres messtechnisches Alleinstellungsmerkmal ist der Pulsbrennbetrieb, mit dem sich zum Beispiel Isolationsschäden in Kabelketten einfach auffinden lassen. Weil allein mit dem PROFITEST PRIME sowohl in 690 V AC- als auch in 800 V DC-Netzen geprüft werden kann und sich außerdem Spannungen bis 1.000 V AC / 1.000 V DC messen lassen, reicht jetzt ein einziges Gerät, um neben Schaltschränken, Maschinen und Industrieanlagen auch die elektrische Sicherheit von Photovoltaik- und Windkraftanlagen sowie Ladestationen für die Elektromobilität zu testen.

Besondere Flexibilität bietet der integrierte Akku, der bei fehlender Stromversorgung ausreichend Energie für bis zu tausend Messungen bereitstellt.

IZYTRONIQ: Prüftechnik in einer neuen Dimension
IZYTRONIQUm Prüfabläufe und Dokumentationspflichten zu vereinfachen, können vom PROFITEST PRIME Messwerte per Push Print über Bluetooth- und USB-Schnittstellen in die Auswerte-Software IZYTRONIQ eingelesen und mit Messresultaten anderer Geräte zusammengefügt werden.

Softwareseitig lassen sich komplette Prüfverzeichnisse von der gesamten Anlage bis zu den einzelnen Messpunkten anlegen, um Prüfsequenzen und Schritte zu definieren, abzuspeichern und revisionssicher zu protokollieren.

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