Diplomarbeit Daniel Swoboda - FH Aachen, Elektrolabor

Fachbereich Elektrotechnik und Automation
Fachrichtung Elektrische Energietechnik
Literaturrecherche zu
Blitzschutzmaßnahmen von Windenergie-Anlagen
unterschiedlicher Leistungsklassen
von
Daniel Swoboda
Die Durchführung dieser Arbeit erfolgte an der
Fachhochschule Aachen, Abteilung Jülich,
Labor für Hochspannungstechnik

Referent: Prof. Dr. Ing. Alexander Kern
Korreferent: Prof. Dr. rer. nat. Boris Neubauer
Jülich, im November 2003
Für die Aufgabenstellung, die Betreuung dieser Diplomarbeit und seine Geduld möchte ich
mich herzlich bei Herrn Prof. Dr. Ing. Alexander Kern bedanken.
Des weiteren bedanke ich mich bei Herrn Prof. Dr. rer. nat. Boris Neubauer, der sich als
Zweit-Prüfer zur Verfügung stellte.
Außerdem bedanke ich mich bei meinen Freunden und Kommilitonen, die mir zu jeder
Zeit mit Rat und Tat zur Seite standen.
Besonders bedanken möchte ich mich bei meiner Familie, die immer für mich da war und
mir auch in schwierigen Zeiten ihre ganze Liebe und Unterstützung gegeben hat.
Diese Arbeit ist von mir selbständig angefertigt
und verfasst. Es sind keine anderen als die
angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt
worden.
_________________________
Unterschrift

Diplomarbeit Daniel Swoboda Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
0 Verwendete Formelzeichen ......................................................6
1 Einleitung...................................................................................7
2 Windenergienutzung.................................................................9
2.1 Meilensteine der Windenergienutzung.................................................................... 9
2.2 Stand der Windenergienutzung (30.06.2002)........................................................ 11
2.2.1 Potentieller Jahresenergieertrag aus Windenergieanlagen ............................... 12
2.2.2 Marktanteile der Anbieter................................................................................. 13
2.3 Standortwahl für Windenergieanlagen.................................................................. 14
2.4 Errichtung von Windenergieanlagen..................................................................... 15
3 Windkraftanlagen ...................................................................17
3.1 Einteilung von Windenergieanlagen ..................................................................... 17
3.1.1 Leistungsklassen............................................................................................... 17
3.1.2 Größenklassen .................................................................................................. 17
3.2 Bauformen von Windkraftanlagen ........................................................................ 18
3.2.1 Rotoren mit vertikaler Drehachse..................................................................... 19
3.2.2 Rotoren mit horizontaler Drehachse................................................................. 20
3.2.2.1 Dreiblattrotor ............................................................................................. 21
3.2.2.2 Zweiblattrotor ............................................................................................ 22
3.2.2.3 Einblattrotor............................................................................................... 22
3.2.2.4 Mehrblattrotoren........................................................................................ 22
3.3 Physikalische Grundlagen der Windenergiewandlung.......................................... 22
3.4 Aufbau von Windkraftanlagen .............................................................................. 24
4 Blitzentladung..........................................................................26
4.1 Die Gewitterentstehung......................................................................................... 26
4.2 Blitztypen .............................................................................................................. 28
4.2.1 Wolke – Erde – Blitz ........................................................................................ 28
4.2.2 Erde – Wolke - Blitz......................................................................................... 30
4.3 Gefährdungspotential des Blitzes.......................................................................... 30
3

Diplomarbeit Daniel Swoboda Inhaltsverzeichnis
5 Blitzschutz................................................................................31
5.1 Begriffe.................................................................................................................. 31
5.1.1 Äußerer Blitzschutz .......................................................................................... 31
5.1.2 Innerer Blitzschutz............................................................................................ 31
5.1.3 Blitzschutzsystem ............................................................................................. 31
5.1.4 Schutzklasse eines Blitzschutzsystems............................................................. 31
5.2 Aufgabe eines Blitzschutzsystems ........................................................................ 32
5.3 Erwägungen für die Einfügung eines Blitzschutzsystems .................................... 32
5.3.1 Blitzdichte......................................................................................................... 32
5.3.2 Einschlagshäufigkeit......................................................................................... 32
5.3.3 Risiko – Management....................................................................................... 34
5.3.3.1 Allgemeines............................................................................................... 34
5.3.3.2 Detailliertes Verfahren .............................................................................. 35
5.3.3.3 Akzeptierbares Schadensrisiko.................................................................. 36
5.3.3.4 Erforderliche Parameter............................................................................. 36
5.3.3.5 Risiko-Komponenten................................................................................. 37
5.3.3.6 Abschätzung der Notwendigkeit von Schutzmaßnahmen......................... 39
5.3.3.7 Auswahl von Schutzmaßnahmen .............................................................. 40
5.3.4 Wahl der Schutzklasse...................................................................................... 43
5.4 Blitzschutzzonenkonzept....................................................................................... 44
5.4.1 Zone 0 ............................................................................................................... 45
5.4.2 Zone 1 ............................................................................................................... 46
5.4.3 Zone 2 ............................................................................................................... 46
5.4.4 Zonengrenzen ................................................................................................... 46
5.4.5 Unterteilung einer Windenergieanlage in Blitzschutzzonen ............................ 47
6 Blitzschutz einer Windkraftanlage ........................................49
6.1 Rotorblätter und der Übergang Rotorblatt/Nabe................................................... 49
6.1.1 Bemessung der Materialien .............................................................................. 51
6.1.2 Blitzschutz von Rotorblättern........................................................................... 53
6.1.3 Übergang Rotorblatt / Nabe.............................................................................. 55
6.2 Lager und Getriebe................................................................................................ 56
6.2.1 Lager................................................................................................................. 56
6.2.2 Getriebe ............................................................................................................ 58
6.3 Elektrische Anlagen .............................................................................................. 59
6.3.1 Maschinenhaus ................................................................................................. 60
6.3.1.1 Windsensoren und Flugbefeuerung........................................................... 61
6.3.2 Generator .......................................................................................................... 61
6.3.3 Stromversorgungssystem.................................................................................. 61
6.4 Steuerungssystem .................................................................................................. 67
6.5 Fernmeldekabel ..................................................................................................... 70
6.6 Erdungsanlage ....................................................................................................... 71
6.7 Blitzschutzmaßnahmen an Windparks am Beispiel Luxemburg .......................... 73
4

Diplomarbeit Daniel Swoboda Inhaltsverzeichnis
7 Abschließende Betrachtung....................................................76
8 Anhang .....................................................................................77
8.1 Glossar................................................................................................................... 77
8.2 Quellen .................................................................................................................. 78
8.2.1 Internetrecherche .............................................................................................. 78
8.2.2 Internet und elektronische Medien ................................................................... 78
8.2.3 Literatur ............................................................................................................ 79
5

Diplomarbeit Daniel Swoboda Verwendete Formelzeichen
0 Verwendete Formelzeichen
Zeichen Benennung Einheit
D Durchmesser m
Ekin,W kinetische Energie des Windes Nm
F Querschnittsfläche m 2
hn Nabenhöhe m
m Masse der Luft kg
v Windgeschwindigkeit m/s
ρ Luftdichte kg/m 3
Rx Risiko-Komponenten
Ra akzeptierbares Schadensrisiko
6

Diplomarbeit Daniel Swoboda Einleitung
1 Einleitung
Der beschleunigte und kontinuierliche Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien ist einer
der wichtigsten Punkte mit dem z.Zt. versucht wird, den begrenzten und zur Neige
gehenden fossilen Energieressourcen zu begegnen.
Die Förderung der Energiegewinnung aus erneuerbaren Energieträgern wird in der
Bundesrepublik Deutschland durch das „Erneuerbare – Energien - Gesetz (EEG)“ gewährleistet.
Als erstes Etappenziel für den Anteil der regenerativen Energien an der gesamten
Energiegewinnung in Deutschland ist eine Verdoppelung des derzeit ca. 5 prozentigen
Anteils bis 2010 angedacht. Über das Jahr 2010 hinaus wird mit einem anteiligen Zuwachs
von 10 % je Dekade gerechnet. Als derzeitiges Endziel wird ein Anteil der erneuerbaren
Energien von etwa 50 % im Jahr 2050 zu Grunde gelegt.
Neben Energieträgern wie Sonne, Wasser, Biogas, Geothermie oder Deponiegas ist die
Nutzung des Windes eine wichtige und für jeden sichtbar die auffälligste Art der
alternativen Energieerzeugung. Waren Windkraftanlagen vor ca. 10 Jahren etwas
Besonderes und optische Highlights in der Landschaft, so findet man diese modernen
Windmühlen inzwischen fast überall in der Republik.
Da es sich bei Windenergieanlagen um Systeme handelt, die auf sehr beengtem Raum mit
umfangreicher elektrischer und elektronischer Technik ausgestattet sind, traten mit der
Ausbreitung dieser Technologie auch die mit ihr zusammenhängenden Probleme zu Tage.
Neben Eiswurf und Schattenschlag sind Blitzschäden die größten Probleme. Während die
beiden Erstgenannten hauptsächlich ein Problem für Anwohner sind, so stellen Schäden
durch Blitzeinschläge, welche bei WEA aufgrund ihrer exponierten Lage und Bauhöhe
nicht allzu selten sind, ein nicht zuletzt auch wirtschaftliches Risiko für Hersteller und
Betreiber von Windkraftanlagen dar. Somit liegt für die Hersteller, neben Weiter- und
Neuentwicklung, das Hauptaugenmerk darauf, ihre Anlagen mit einem geschlossenen
Blitzschutzkonzept auszustatten.
7

Diplomarbeit Daniel Swoboda Einleitung
Diese Diplomarbeit beleuchtet in Form einer Literaturrecherche den aktuellen Stand der
Blitzschutzmaßnahmen an Windenergieanlagen unterschiedlicher Größe. Neben der Feststellung
der Maßnahmen zum Schutz gegen Blitzschäden wird in einer abschließenden
Betrachtung auch auf die Punkte, die einer Verbesserung bedürfen, hingewiesen.
8

Diplomarbeit Daniel Swoboda Windenergienutzung
2 Windenergienutzung
2.1 Meilensteine der Windenergienutzung
„Wenn der Wind der Veränderung weht,
bauen die einen Windmühlen – die anderen Mauern“ [i1]
Die Nutzung der Windenergie hat in den 50er – 70er Jahren bereits ihre ersten Schritte
gemacht. Eine nennenswerte kommerzielle Nutzung in Deutschland wurde jedoch erst
Anfang der 90er Jahre verzeichnet. Spätestens nach dem Unfall im AKW Tschernobyl
wurde die Entwicklung von Windenergieanlagen (WEA) und die Nutzung der
Windenergie massiv voran getrieben. Dennoch handelt es sich keinesfalls um eine neue
Technologie, sondern eher um eine Wiederentdeckung einer der ältesten genutzten
Energieformen.
Die Nutzung des Windes in Form von Segelschiffen lässt sich bis ca. 2000 Jahre v. Chr. in
Ägypten nachweisen. Erste zuverlässige Beweise für den Einsatz von Windmühlen
stammen aus dem „mittleren Osten“ des 7. Jahrhunderts.
Im 16. Jahrhundert galten Holland, Deutschland und Dänemark als die Windnationen ihrer
Zeit. Die verbreitetsten Windmühlen im Mittelalter waren die Bockwindmühlen, Wippmühlen,
Turmwindmühlen (im Mittelmeerraum) und Holländer-Windmühlen. Charakteristisch
für diese Zeit war, dass kein Windmühlen-Typ sich durch einen effektiveren Typ
hat endgültig verdrängen lassen.
Um die Jahrhundertwende (1900) war die große Zeit der vielflügeligen Blechrotoren, der
sogenannten „Western Mills“. Diese Langsamläufer eigneten sich durch ihr hohes Drehmoment
besonders zur Bereitstellung von mechanischer Energie, sprich dem Antrieb von
Kolbenwasserpumpen.
1932 machte Hermann Honnef mit seiner Vision der Stromerzeugung mit Hilfe von Großwindkraftwerken
(Abb. 1) von sich reden. Seine Konstruktion sah mehrere Doppel-Windräder
mit Ringgenerator vor. Rotor und Stator der elektrischen Maschine waren jeweils an
einem der gegenläufigen mehrflügeligen Rotoren angebracht. Mit den geplanten 120 Meter
9

Diplomarbeit Daniel Swoboda Windenergienutzung
für den Generator und 160 Meter Gesamtdurchmesser sowie einer Turmhöhe von ca. 250
Metern, sollte dieses Windkraftwerk mit einer Leistung von 20 MW, selbst für heutige
Maßstäbe, riesige Ausmaße annehmen. Wegen baulicher Probleme, welche in der Größe
des Projektes zu suchen sein dürften, und höchstwahrscheinlich wegen des 2. Weltkrieges
ist dieses Großrad nie über das Planungsstadium hinausgekommen. Honnef war es auch,
der als Erster den Vorschlag machte, Windkraftanlagen „offshore“ aufzustellen. Somit darf
man ihn durchaus zu den Pionieren der Windenergie zählen.
Abb. 1 (links): Entwurf eines Großwindkraftwerks von Hermann Honnef [i2]
Abb. 2 (mitte): StGW-34-Anlage nach Ulrich Hütter [i3]
Abb. 3 (rechts): GROWIAN Windkraftanlage [i4]
1957 wurde die StGW-34-Anlage (Abb. 2) nach den Plänen von Dr. Ulrich Hütter
errichtet. Diese Anlage gilt als Urmodell aller modernen Windenergieanlagen. Nur ein Jahr
später griff Hütter die offshore-Idee von Hermann Honnef mit einer kleinen 10 kW
Maschine auf. Diese Anlage wurde im Golf von Mexiko auf einer Ölplattform installiert.
Mit dem Bau der einst größten Windenergieanlage, genannt GROWIAN (Abb. 3), wurde
1980 am Kaiser-Wilhelm-Koog begonnen. Ende 1982 nahm die Anlage ihren Versuchsbetrieb
auf und sollte u.a. das Wissen über die Dynamik der Rotorblätter, das
Schwingungsverhalten des Gesamtsystems und das Regelungsverhalten in Abhängigkeit
von unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten verbessern. Nach Beendigung des
Versuchsprogramms wurde sie 1987 wieder abgebaut. Die zahlreichen Probleme an
GROWIAN führten 1990 zu der kleineren Anlage WKA-60. Eine der vier auch
10

Diplomarbeit Daniel Swoboda Windenergienutzung
GROWIAN II genannten Anlagen wurde auf Helgoland errichtet. Die Rotorblätter der
WKA-60 hatten allerdings erhebliche Probleme mit Blitzschlägen, was dazu führte, dass
die Versicherungen bereits den dritten Blitzschlagschaden nicht mehr übernahmen.
Am 12. September 1998 wurde Europas größter Windpark in der Gemeinde Holtriem in
der Nähe von Aurich, Ostfriesland, eingeweiht. Die 35 aufgestellten Enercon E66 1,5 MW
Anlagen, die ersten WEA ohne Getriebe, entsprechen einer Gesamtleistung von 52,5 MW.
2.2 Stand der Windenergienutzung (30.06.2002)
In der Bundesrepublik Deutschland sind nach Herstellerangaben 12.257 Windenergieanlagen
mit einer installierten Leistung von 9.837,27 MW in Betrieb. Somit liegt
die durchschnittlich installierte Leistung bei 802,58 kW je WEA. Allein im 1. Halbjahr
2002 wurden 827 WEA mit einer Gesamtleistung von 1.086,71 MW errichtet.
Stand
30.06.2002
[5]
2000
[2]
1.Hj 2001
[3]
2001
[4]
1.Hj 2002
[5]
Gesamte Anzahl WEA 12.257 1.495 674 2.079 827
Gesamte installierte
Leistung, MW
durchschnittlich installierte
Leistung, kW/WEA
Tab. 1: Stand der Windenergienutzung in Deutschland
9.837,27 1.665,26 821,72 2.658,96 1.086,71
802,58 1.113,90 1.219,16 1.278,96 1.314,04
Vergleicht man nun die Entwicklung 2002 mit dem gleichen Zeitraum des Vorjahres, so
erkennt man einen Zuwachs der neu errichteten Anlagen um 22,7 % und einen Anstieg der
Gesamtleistung um sogar 32,4 %. Die durchschnittliche Leistung der neu installierten
WEA verzeichnete einen Anstieg um 7,8 % und betrug 1.314,04 kW. Diese Zuwächse und
der Erfahrungswert, dass ca. 65 % der in einem Jahr installierten Leistung auf das 2. Halbjahr
entfallen, lassen vermuten, dass das absolute Rekordjahr 2001 im Jahr 2002 nochmals
übertroffen wird. Eine Prognose rechnet mit einer installierten Leistung von ca. 11.800
MW, bis Ende 2002.
11

Diplomarbeit Daniel Swoboda Windenergienutzung
14.000
12.000
10.000
8.000
6.000
4.000
2.000
0
Stand
30.06.2002
2000
1.Hj 2001
2001
Abb. 4: Stand der Windenergienutzung in Deutschland
1.Hj 2002
Gesamte Anzahl WEA
Gesamte installierte
Leistung, MW
durchschnittlich
installierte Leistung,
kW/WEA
Erstmals wurden 2002 die von den Herstellern gemeldeten, abgebauten WEA statistisch
bei der DEWI erfasst. Demnach wurden 8 Anlagen mit einer Leistung von 3,17 MW
abgebaut und durch neue WEA mit größerer Leistung ersetzt (Repowering) [5].
2.2.1 Potentieller Jahresenergieertrag aus Windenergieanlagen
In Tab. 2 sind die Anteile des potentiellen Jahresenergieertrags aus Windenergie am Nettostromverbrauch
der Bundesländer und Deutschlands bezogen auf das Jahr 2000 aufgeführt.
Dieser Jahresenergieertrag wurde auf der Basis der installierten Leistung zum 30.06.2002
bei einem 100 % Windjahr berechnet.
Es ist ersichtlich, dass die Küstenländer Schleswig-Holstein, Mecklenburg-Vorpommern
und Niedersachsen wegen der windgünstigen Lage naturgemäß Spitzenpositionen in dieser
Statistik einnehmen. Ebenfalls weisen Sachsen-Anhalt und Brandenburg einen nennenswerten
Anteil der Windenergie am Jahresenergieertrag ihres Bundeslandes auf. Nordrhein-
Westfalen steht trotz seiner 1.613 WEA und der installierten 1.159,8 MW Leistung nur an
Position 9 in dieser Erhebung. Dies liegt daran, dass das bevölkerungsstärkste Bundesland
mit seiner großen Industrie einen Nettostromverbrauch hat, der über 10 mal so hoch liegt
wie der des Spitzenreiters Schleswig-Holstein.
12

Diplomarbeit Daniel Swoboda Windenergienutzung
Bundesland
Nettostromverbrauch
2000
GWh
potentieller Jahresenergieertrag
GWh
Anteil am Nettostromverbrauch
%
WEA
installierte
Leistung,
MW
Schleswig-Holstein 13.053 3.425 26,24 2.408 1.632,8
Mecklenburg-Vorpommern 6.039 1.172 19,40 895 714,0
Sachsen-Anhalt 14.234 2.006 14,09 917 968,7
Niedersachsen 47.528 5.412 11,39 3.245 2.724,4
Brandenburg 14.880 1.555 10,45 982 917,4
Sachsen 20.481 803 3,92 541 448,5
Thüringen 10.333 388 3,75 276 246,7
Rheinland-Pfalz 27.753 825 2,97 511 416,0
Nordrhein-Westfalen 135.746 2.366 1,74 1.613 1.159,8
Hessen 34.740 423 1,22 422 285,6
Bremen 5.846 26 0,44 29 17,1
Saarland 7.522 32 0,43 28 19,9
Hamburg 12.972 35 0,27 44 23,8
Baden-Württemberg 56.281 135 0,24 171 140,3
Bayern 69.821 144 0,21 175 123,4
Berlin 14.011 0 0,00 0 0,0
gesamte Bundesrepublik 491.243 18.747 3,82 12.257 9.838,4*
Tab. 2: Anteil des potentiellen Jahresenergieertrages aus WEA am Nettostromverbrauch der
Bundesländer und Deutschlands [5].
* Der Unterschied zu dem Wert der installierten Leistung Deutschlands in Tab. 1 ist
ausschließlich auf Rundungsungenauigekeiten der zur Verfügung stehenden Daten zurück zu
führen.
2.2.2 Marktanteile der Anbieter
seit 1982 1. Hj. 2002
Enercon 30,9% 46,1%
Vestas 15,1% 10,6%
GE Wind Energy 12,8% 14,4%
NEG Micon 11,2% 3,7%
Nordex 10,1% 5,9%
AN Windenergie 9,2% 6,8%
Repower Systems 3,9% 6,2%
DeWind 3,0% 4,4%
Fuhrländer 1,5% 1,5%
Sonstige 2,2% 0,5%
Tab. 3: Anteile der Anbieter an der gesamten installierten Leistung in % [5]
Im 1. Hj. 2002 gab es große Verschiebungen in den Marktanteilen. So konnte Enercon
seine Vormachtstellung weiter ausbauen. Firmen wie Vestas, NEG Micon und Nordex
13

Diplomarbeit Daniel Swoboda Windenergienutzung
mussten teilweise dramatische Verluste verzeichnen. Allerdings muss man anmerken, dass
der Zeitraum eines Halbjahres zu kurz ist, um eine endgültige Aussage über
Marktanteilgewinne oder –verluste zu treffen.
2.3 Standortwahl für Windenergieanlagen
Der wirtschaftliche Betrieb von Windenergieanlagen ist ganz entscheidend von den
örtlichen Windverhältnissen abhängig. Einen groben Anhalt bei der Beurteilung der
Windverhältnisse bieten Windgeschwindigkeitskarten. Die tatsächlichen Windverhältnisse
können jedoch z.T. erheblich von den in den Windkarten angegebenen Werten abweichen.
Für die erwarteten Energieerträge sind die über den tages- und jahreszeitlichen Verlauf
statistisch ermittelten Windgeschwindigkeitswerte und deren Häufigkeitsverteilungen
maßgebend. Ebenso sind der Geländeverlauf (Orographie), die Oberflächenrauhigkeit
(Topographie) und Hindernisse in der Nähe des Standortes zu berücksichtigen, da diese
Einflussfaktoren, wie auch die Luftdichte, Temperatur und Sonneneinstrahlung, den
Verlauf und die Stärke des Windes beeinflussen. Die durch die vorgenannten Einflüsse
verursachten Turbulenzen stellen Anforderungen an die Festigkeit, Konstruktion und
Regelung der Anlagen.
Somit sind im Interesse des Betreibers vor Errichtung der Windkraftanlagen die zu
erwartenden Energieerträge möglichst genau zu prognostizieren, um die Wirtschaftlichkeit
der Anlage abschätzen zu können und Investitionsrisiken zu minimieren. Dazu werden
Standortgutachten und Energieprognosen erstellt, welche auf Messungen bzw. Berechnungen
basieren. Solche Gutachten werden z.B. von der WINDTEST Grevenbroich GmbH
erstellt.
Zur Ermittlung der Windgeschwindigkeiten werden Anemometer verwendet. Obwohl man
die Windgeschwindigkeiten, die z.B. in 10 m Höhe gemessen wurden nach folgender
Beziehung
a
⎛ h n ⎞
v n =
v 10 ⋅ ⎜ ⎟
⎝ 10 m ⎠
14

Diplomarbeit Daniel Swoboda Windenergienutzung
mit dem Exponenten a = 0,16 für Windgeschwindigkeiten ab 4 m/s [10] näherungsweise
auf Nabenhöhe umrechnen kann, werden Anemometer mit Windrichtungsmesseinrichtung
auf Nabenhöhe wegen ihrer Genauigkeit bevorzugt.
Moderne Windmesssysteme ermitteln aus ihren Messungen die mittlere Windgeschwindigkeit
sowie die Häufigkeitsverteilung von Windgeschwindigkeit und Windrichtung. Durch
verschiedene Berechnungsverfahren lassen sich relativ exakte Energieertragsprognosen
erstellen. Die Hauptkomponenten solcher Windmesssysteme sind Windmessmast,
Windgeber und Messcomputer. Für einen vollautomatischen Betrieb sind eine wetterfeste
Ausführung, ein Blitzschutzsystem und eine leistungsfähige Stromversorgung die Grundvoraussetzung.
Eine weitere entscheidende Rolle, neben der Windgeschwindigkeit, spielt die Eignung des
Geländes für die Windenergienutzung. Bei Standorten in Küstengebieten ist die direkte
Wassernähe zu bevorzugen, da schon wenige Kilometer landeinwärts deutlich geringere
Energieerträge zu erwarten sind. Im Binnenland sind exponierte Lagen wie Höhenzüge
oder Hochebenen von Interesse. In jedem Fall ist darauf zu achten, dass die WEA aus den
am häufigsten auftretenden Windrichtungen frei angeströmt werden kann. Dies bedeutet,
dass in unmittelbarer Nähe keine größeren Hindernisse sein sollten.
Aus Kostengründen ist die Entfernung zur Netzanbindung möglichst gering zu halten.
Ebenfalls ist auf die Festigkeit des Baugrundes und bereits vorhandene befestigte Zuwege
zu achten.
Grundsätzlich ist der Nahbereich zu Natur- bzw. Landschaftsschutzgebieten wegen
möglicher Probleme im Genehmigungsverfahren zu meiden.
2.4 Errichtung von Windenergieanlagen
Der Windenergienutzung zur Gewinnung elektrischer Energie kommt im Hinblick auf die
Belange der Luftreinhaltung, des Klimaschutzes und der Ressourcenschonung steigende
Bedeutung zu. Vor allem in der Nähe von Wohngebieten und stark touristisch genutzten
15

Diplomarbeit Daniel Swoboda Windenergienutzung
Gegenden ist die Akzeptanz gegenüber einzelner Windkraftanlagen oder großer Windparks
gesunken. Als Hauptargumente gegen die Nutzung der Windenergie werden folgende
Punkte angeführt:
• Verschandelung der Natur
• Beeinträchtigung der Tierwelt
• Schattenwurf
• Lärmbelästigung
• Sicherheitsaspekte (z.B. Eiswurf)
Ein weiterer, vor allem in letzter Zeit vermehrt angeführter Punkt, ist die Fehlförderung der
Windenergie, also die Bezuschussung von WEA in ungeeigneten Gegenden. Für den Fall,
dass all diese vorgenannten Gründe in hinreichendem Maße ausgeräumt sind, sollte der
Errichtung der Anlage nichts mehr im Wege stehen.
Die Errichtung der Windkraftanlagen wird für das Bundesland Nordrhein-Westfalen durch
die „Grundsätze für Planung und Genehmigung von Windenergieanlagen (Windenergie –
Erlass – WEAErl.-)“ in ihrer aktuellen Fassung vom 03.05.2002 geregelt.
16

Diplomarbeit Daniel Swoboda Windkraftanlagen
3 Windkraftanlagen
3.1 Einteilung von Windenergieanlagen
3.1.1 Leistungsklassen
Seit Beginn der statischen Erhebungen über WEA wurden diese in Leistungsklassen
eingeteilt. 1992 wurde die Unterteilung in drei Leistungsklassen (0-80 kW ; 80,1-200 kW
und über 200 kW) [1] als völlig ausreichend angesehen, obwohl man in der letzten
Kategorie Anlagen der Größe bis 500 kW und über 500 kW zusammengefasst hat.
Aufgrund immer weiterschreitender Entwicklung von Wissenschaft und Technik sowie der
beim Bau von WEA verwendeten Materialien, sind Windkraftanlagen immer größer und
auch leistungsfähiger geworden. Somit musste über die folgenden Jahre die Einteilung der
Leistungsklassen mehrfach angepasst werden.
Eine Unterteilung aller in Deutschland errichteten WEA erfolgt z.Zt. in sieben Leistungsklassen.
Anlagengröße WEA %
5 - 80 kW 746 6,1
80,1 - 130 kW 620 5,1
130,1 - 310 kW 858 7,0
310,1 - 749,9 kW 5.545 45,2
750,0 - 1499,9 kW 1.820 14,8
1500,0 - 3100 kW 2.668 21,8
über 3100 kW 0 0,0
Tab. 4: Einteilung von WEA in unterschiedliche Leistungsklassen [5]
Diese Einteilung der Leistungsklassen dürfte noch einige Zeit bestehen bleiben, da in der
Klasse über 3100 kW noch keine WEA erfasst ist.
3.1.2 Größenklassen
Über die Einteilung in Leistungsklassen hinaus ist man in den letzten Jahren dazu
übergegangen, die modernen Windmühlen ebenfalls in Größenklassen zu unterteilen. Bei
17

Diplomarbeit Daniel Swoboda Windkraftanlagen
der Klassifizierung nach der Größe der WEA richtet man sich nach dem Rotordurchmesser
und der Rotorfläche.
Anlagengröße D / m Fläche / m 2
bis kW
0,0 - 8 0,0 - 50 10
8,1 - 11 50,1 - 100 25
11,1 - 16 100,1 - 200 60
16,1 - 22 200,1 - 400 130
22,1 - 32 400,1 - 800 310
32,1 - 45 800,1 - 1600 750
45,1 - 64 1600,1 - 3200 1.500
64,1 - 90 3200,1 - 6400 3.100
90,1 - 128 6400,1 - 12800 6.400
klein
mittel
groß
Tab. 5: Einteilung der WEA in Größenklassen (Zahlenangaben gerundet) [5]
Die Erfassung der WEA in Größenklassen kann den Aufwand, den eine solche Statistik
macht, im Vergleich zur Leistungsklassenerfassung verringern, da viele Hersteller ihre
Anlagen nach dem Rotordurchmesser benennen (z.B. REpower 48/600, Enercon E66,
Nordex N80, Südwind S70).
3.2 Bauformen von Windkraftanlagen
In der Vergangenheit sind unzählige Vorschläge gemacht worden, wie man die kinetische
Energie des Windes in mechanische Arbeit umwandeln könnte. Dabei sind die ungewöhnlichsten
Bauformen entwickelt worden. Allerdings sind die meisten Anlagen in der
Praxis hinter den Erwartungen ihrer Erfinder zurück geblieben. Das dürfte daran liegen,
dass eine Windkraftanlage keineswegs nur aus dem Rotor besteht, sondern auch die
weiteren Komponenten wie Getriebe, Generator, Regelungssystem und eine Vielzahl von
Hilfsaggregaten und Ausrüstungsgegenständen für die mechanisch – elektrische Energiewandlung
unerlässlich sind.
Windenergiekonverter lassen sich durch die aerodynamische Wirkungsweise oder aber
durch ihre Bauform unterscheiden. Die aerodynamische Einordnung erfolgt danach, ob die
Anlage ihre Leistung allein aus dem Luftwiderstand der bewegten Flächen zieht oder
zusätzlich auch den Auftrieb an entsprechenden Flächen nutzt.
18

Diplomarbeit Daniel Swoboda Windkraftanlagen
Für den Fall, dass WEA rein nach konstruktiven Gesichtspunkten unterschieden werden,
ist das augenscheinlichste Merkmal, die Rotordrehachse, das wichtige Unterscheidungskriterium.
3.2.1 Rotoren mit vertikaler Drehachse
Windmühlen mit vertikaler Drehachse stellen die älteste Bauform dar. In den Anfängen
konnten diese nur als reine Widerstandsläufer ausgeführt werden. Eine der bekanntesten
Bauformen ist der Savonius-Rotor, welcher z.B. als Schalenkreuz zur Windgeschwindigkeitsmessung
zum Einsatz kommt.
Abb. 5: Rotorformen mir vertikaler Drehachse [11]
Erst in neuerer Zeit wurden Bauformen mit vertikaler Drehachse entwickelt, die auch den
aerodynamischen Aufwind ausnutzen konnten. Besonders herauszustellen ist hier eine
1925 vom Franzosen Darrieus entwickelte Form. Beim Darrieus-Rotor drehen sich die
Rotorblätter auf der Mantellinie einer Rotationsfigur um die senkrechte Achse. Aufgrund
der geometrischen Form der Blätter ist deren Herstellung aufwendig.
Die Vorteile der Darrieus-Rotoren liegen in ihrer Windrichtungsunabhängigkeit und der
Möglichkeit, bei einer relativ einfachen Bauart die Komponenten zur Energiewandlung am
19

Diplomarbeit Daniel Swoboda Windkraftanlagen
Boden aufstellen zu können. Die Nachteile dieses Anlagentyps sollten nicht unerwähnt
bleiben. Zu nennen ist da die Unfähigkeit selbständig anzulaufen, wie auch die fehlende
Möglichkeit durch Rotorblattverstellung die Leistungsabgabe bzw. Drehzahl zu regeln.
Darrieus-Rotoren werden bevorzugt mit zwei oder drei Rotorblättern gebaut.
Als Abwandlung gibt es den H-Darrieus-Rotor, welcher auf den Engländer Musgrove
zurück geht. Bei dieser WEA sind gerade Blätter mit variabler Geometrie über
Haltestreben mit der Rotorwelle verbunden, wobei die Rotorfläche und das Drehmoment
mit zunehmender Windgeschwindigkeit verkleinert wird. Somit wird eine grobe Leistungsund
Drehzahlregelung erzielt.
Des weiteren gibt es eine große Anzahl von Vertikalachsen-Rotor-Konzepten, welche
hauptsächlich darauf abzielen, die Konstruktion günstiger zu gestalten.
3.2.2 Rotoren mit horizontaler Drehachse
Windenergieanlagen werden z.Zt. fast ausschließlich in der Ausführung mit horizontaler
Drehachse errichtet. In dieser Konzeption wird hauptsächlich die Propellerbauart verwirklicht.
Zu dieser Bauform zählen die europäischen Windmühlen, die amerikanischen
Windturbinen und die modernen Windenergieanlagen. Die folgenden Vorzüge sind
ausschlaggebend für die Überlegenheit dieser Bauart:
• Möglichkeit der Blatteinstellwinkelregelung, womit die Rotordrehzahl und die
Leistungsabgabe geregelt werden kann,
• Schutz gegen Überdrehzahl und extreme Windgeschwindigkeiten durch Verstellung
der Rotorblätter,
• die Form der Rotorblätter kann aerodynamisch optimal ausgelegt und somit der
Wirkungsgrad der Anlage optimiert werden,
• technologischer Entwicklungsvorsprung durch die konsequente Forschung über die
letzten Jahrzehnte.
20

Diplomarbeit Daniel Swoboda Windkraftanlagen
Die am häufigsten errichteten WEA besitzen ein, zwei oder drei Rotorblätter. Gründe für
den Trend, mit immer weniger Blättern auskommen, zu wollen sind:
• die möglichst hohen Drehzahlen, die den kostenintensiven Aufwand für Getriebe
und Generator verringern,
• die Verringerung der Materialkosten durch weniger Blätter,
• die Realisierung von gelenkigen Blattaufhängungen bei Ein- und Zweiblattrotoren.
Abb. 6: Ausführungsformen von Horizontalachsenanlagen [i5]
Im folgenden werden die unterschiedlichen Ausführungsformen der Horizontalachsenanlagen
mit ihren Eigenarten kurz beleuchtet.
3.2.2.1 Dreiblattrotor
Der Dreiblattrotor (Abb.6: A) ist im Moment die gebräuchlichste Form für Windkraftanlagen,
da er der Rotortyp mit der geringsten Blattzahl ist bei dem die dynamischen
Probleme am einfachsten zu beherrschen sind. Die Rotorblätter sind an einer starren Nabe
befestigt. Dies ist eine kostengünstige, wartungsarme Ausführung ohne Verschleiß.
Allerdings werden alle an den Blättern entstehenden Kräfte an die Blattanschlüsse und die
nachfolgenden Maschinenteile übertragen.
21

Diplomarbeit Daniel Swoboda Windkraftanlagen
3.2.2.2 Zweiblattrotor
Zweiblattrotoren (Abb. 6: B) können mit höheren Drehzahlen als Dreiblattrotoren arbeiten,
was zu geringerem Aufwand für Getriebe und Generator führt. Die Gondel- und Rotormasse
ist geringer als bei vorgenanntem Rotortyp. Durch die Verwendung von Pendelnaben
können die Probleme durch höhere Belastungen verringert werden. Als die hauptsächlich
problematischen Belastungen wurden Gier- und Pendelmomente ausgemacht.
3.2.2.3 Einblattrotor
Der Einblattrotor (Abb. 6: C) zeichnet sich dadurch aus, dass er eine noch höhere Drehzahl
als Zwei- oder Dreiblattrotoren ermöglicht. Durch die massebedingte Unförmigkeit der
Konstruktion müssen die negativen Effekte (Gier- und Pendelmomente) durch eine
entsprechende Gondelaufhängung und Nabenart kompensiert werden.
3.2.2.4 Mehrblattrotoren
Windkraftanlagen mit mehr als drei Rotorblättern haben in der Praxis nur eine Bedeutung
zur Wandlung der Windenergie in mechanische Energie (z.B. Wasserpumpen).
3.3 Physikalische Grundlagen der Windenergiewandlung
Die primäre Komponente einer Windkraftanlage ist ein Energiewandler, der die kinetische
Energie des Windes in mechanische Arbeit umsetzt. Die grundsätzlichen Gesetzmäßigkeiten
für den Vorgang des Entzugs von mechanischer Arbeit aus einem bewegten
Luftstrom wurden von Alfred Betz erkannt.
Die im Wind enthaltene kinetische Energie lässt sich wie folgt berechnen:
1
E kin,
W =
⋅m
⋅ v
2
2
22

Diplomarbeit Daniel Swoboda Windkraftanlagen
Die Nutzung der Windenergie erfordert die Kenntnis über die Leistung des Windes. Sie ist
identisch mit der durch einen Querschnitt fließenden Energiemenge pro Zeit:
P
Wind
1
= ⋅ρ
⋅ v
2
3
⋅F
Die Luftdichte ρ beträgt näherungsweise 1,22 kg/m 3 und nimmt pro 1000 m über NN um
ca. 10% ab. Dies hat selbstverständlich Einfluss auf die Windenergienutzung im Mittelbzw.
Hochgebirge. Die Gleichung zeigt, dass die Leistung mit der Luftdichte, der
Rotorfläche und der Windgeschwindigkeit in der dritten Potenz zusammenhängt. Somit
führt eine Verdoppelung der Windgeschwindigkeit zu einer Steigerung der Leistung um
das 8-fache, wobei in diesem Vergleich eine Veränderung der Luftdichte nicht so stark ins
Gewicht fällt.
Um bewerten zu können, welcher prozentualer Anteil des Leistungsgehaltes des Windes in
nutzbare Energie umgewandelt werden kann, definiert man den Leistungsbeiwert cp. Der
maximale Leistungsbeiwert wird für
1
v2 = ⋅ v
3
1
mit
v1: Anströmgeschwindigkeit
v2: Windgeschwindigkeit hinter dem Konverter
erreicht. Für diesen Fall liegt er bei einem Wert von 0,593 und wird als BETZ’scher
Idealwert bezeichnet. Der BETZ’sche Idealwert stellt einen theoretisch ermittelten Wert
dar.
Das folgende Diagramm (Abb. 7) zeigt den Verlauf des Leistungsbeiwertes in Abhängigkeit
des Verhältnisses von Anströmgeschwindigkeit zur Windgeschwindigkeit hinter der
WEA.
23

Diplomarbeit Daniel Swoboda Windkraftanlagen
Abb. 7: Verlauf des Leistungsbeiwertes über dem Geschwindigkeitsverhältnis vor und hinter dem
Energiewandler [11]
Es ist ersichtlich, dass theoretisch maximal ca. 59% der im Wind zur Verfügung stehenden
Energie in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann. In der Praxis werden heute
Leistungsbeiwerte von unter 50% erreicht.
3.4 Aufbau von Windkraftanlagen
Abb. 8 zeigt den typischen Aufbau von Windkraftanlagen größerer Leistung. Die Trafostation
dient der Anpassung der Generatorspannung von typischerweise 690V an das
Mittelspannungsnetz. Sie ist bei vielen Windenergieanlagen in unmittelbarer Nähe zum
Turmfuß angeordnet. Einige Hersteller ordnen sowohl die Mittelspannungsschaltanlage als
auch die Trafostation mit im Turm an. Der Anschluss auf der Mittelspannungsseite zum
Umspannwerk erfolgt in Windparks durch Erdkabel. Die Verbindung von der Trafostation
zur WEA wird ebenfalls über Erdkabel realisiert. Im Turmfuß befindet sich die
Niederspannungshauptverteilung mit den Hauptschaltungselementen, der Frequenzumrichter
zur Frequenzanpassung des Generators an das 50 Hz-System und die
Steuerungstechnik. In der Topbox bzw. Gondel sind sowohl die Steuerungstechnik für die
Sensorik und Aktorik, die Getriebe- und Generatorüberwachung, als auch Antriebe für die
Windnachführung der Gondel installiert. Weitere Steuerungs- und Antriebstechnik
befinden sich bei „pitch“ gesteuerten WEA in der Rotornabe zur Rotorblatt-Verstellung.
24

Diplomarbeit Daniel Swoboda Windkraftanlagen
Ein großer Teil der E-Technik ist für sicherheitsrelevante Aufgaben zuständig. Bei zu
starkem Wind wird die Anlage aus dem Wind gefahren. Auch bei Netzausfall muss diese
Schutzeinrichtung fehlerfrei funktionieren. Mit den verwendeten mechanischen Bremssystemen
lassen sich die Massen , vor allem die Rotorblätter, nur schwer beherrschen.
Somit kommt der Verfügbarkeit der elektrischen Sicherheitseinrichtung eine besondere
Bedeutung zu. Damit wird der Blitz- und Überspannungsschutz ein wichtiger Bestandteil
der Windkraftanlagen. Einige Hersteller verwenden auch hydraulische Systeme zur
Rotorblatt-Verstellung. Die Kommunikation der Steuerungen untereinander, z.B. Turmfuß
zur Topbox, wird über Bussysteme realisiert, die oftmals in Lichtwellenleiter - Technik
ausgeführt sind.
Abb. 8: Windenergieanlage mit Trafostation [i7]
25

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzentladung
4 Blitzentladung
4.1 Die Gewitterentstehung
Für die Entstehung von Gewittern sind starke Luftbewegungen, die warme Luftmassen mit
ausreichender Feuchtigkeit in hohe Schichten der Atmosphäre transportieren, eine Grundvoraussetzung.
Aufwinde führen zu einem thermisch bedingten Austausch dieser
wärmeren Luftschicht mit der aus größerer Höhe absinkenden kühleren Luft.
Im Fall von Wärmegewittern entstehen Aufwinde durch die Erwärmung bodennaher
Luftschichten bei intensiver Sonneneinstrahlung. Zu Frontgewittern kann es kommen,
wenn sich durch einen Kaltfronteinbruch die kühle unter die warme Luft schiebt und diese
sozusagen nach oben drückt. Ein dritter Gewittertyp ist das orographische Gewitter. In
diesem Fall führen horizontale Luftbewegungen über Bodenerhebungen zu Aufwinden.
In sogenannten Aufwindschläuchen erfolgt das Aufsteigen der Luft meist stoßartig mit
Geschwindigkeiten bis 100 km/h. In Folge des Aufstieges kühlt sich die Luft ab und
erreicht in einer gewissen Höhe bei entsprechender Temperatur einen Zustand, in dem die
Luft mit Wasserdampf gesättigt ist. Weiteres Aufsteigen führt zu Kondensation und der
damit verbundene Entzug des Wasseranteils in der Luft sowie die freiwerdende
Kondensationswärme führen dazu, dass die nun wieder leichtere Luft einen erneuten
Auftrieb erfährt. Dieses weitere Aufsteigen der Luft hat somit die Bildung von
ambossförmigen Quellwolken (Abb. 9) zur Folge.
Abb. 9 (links): Aufbau einer Gewitterzelle [12]
Abb. 10 (rechts): Typische Zelle eines Wärmegewitters [12]
26

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzentladung
Ein Gewitter beinhaltet in der Regel mehrere Gewitterzellen, von denen jede einzelne
ca. 30 Minuten aktiv ist und in dieser Zeit durchschnittlich 2-4 Blitze pro Minute erzeugt.
In ihren einzelnen Stadien, dem Jugendstadium, dem Reifestadium, der aktiven Phase und
dem Abbaustadium, können die Gewitterzellen nebeneinander existieren.
Charakteristisch für solche Gewitterzellen ist eine Höhe von 5-12 km und ein Durchmesser
von 5-10 km. Typisch ist dabei eine Region negativer Ladung im Gebiet mit einer
Temperatur zwischen - 10 °C und - 20 °C. Regionen positiver Ladungen findet man im
oberen bzw. unteren Teil der Wolke.
Hat die elektrische Feldstärke einen kritischen Wert erreicht, werden die räumlich
getrennten Ladungen ausgeglichen. Die zum Auslösen eines Blitzes erforderliche
Feldstärke hängt vom Ionisierungsgrad der Luft ab und liegt zwischen 0,5 und 10 kV/cm.
Die Ausbildung eines Blitzes erfolgt in mehreren Phasen. Pakete negativer Ladungen
bewegen sich stufenweise in Längen von ca. 50 m und einer mittleren Pausenzeit von 50
µs voran. Diese Vorentladungen bilden durch fortschreitende Ionisierung einen leitfähigen
Kanal. Nähert sich dieser ca. 5 cm dicke Leitblitz dem Erdboden, schlägt ihm von dort aus
eine Fangentladung entgegen und leitet den Hauptblitz ein. Im Augenblick der größten
Stromdichte steigt die Temperatur im Blitzkanal auf 20.000 bis 30.000 °C an. Der
Explosionsknall wird als Donner wahrgenommen. Der Durchmesser des Kanals kann von
wenigen cm bis 0,5 m variieren. Auch in der Länge gibt es eine große Schwankungsbreite:
zwischen 1 und 15 km wurden beobachtet. Die Blitzstromstärke liegt zwischen wenigen
kA und über 200 kA.
Die hohen Temperaturen halten noch einige Zeit die thermische Ionisation aufrecht,
wodurch sich Folgeblitze ausbilden können.
Blitzkanäle existieren nicht nur zwischen Wolke und Erde, auch innerhalb von Wolken
bzw. von Wolke zu Wolke können sie sich ausbilden.
27

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzentladung
4.2 Blitztypen
Der erste Schritt zum Entstehen eines Blitzes in der Wolke ist physikalisch noch nicht
geklärt. Man nimmt an, dass bei zunehmender Konzentration der Ladung und damit örtlich
wachsender Feldstärke ein elektrodenloser Durchschlag, ähnlich einer im Labor im
elektrischen Feld von Funkenstrecken erzeugbaren elektrodenlosen Entladung, entsteht.
Solche ersten Durchschlagkanäle werden an den Stellen in den Wolken beginnen, an denen
Raumladungen entgegengesetzter Polaritäten aneinander stoßen. Ein so gebildeter leitender
Kanal wird sich an den Enden durch Erhöhen der Feldstärke und Stoßionisation fortsetzen
und verlängern. Durch ungleichmäßige Raumladungen werden auch seitliche
Verzweigungen eintreten und damit größere Bereiche von Raumladungen einbezogen. Die
zahlreichen Wolkenblitze dürften so den Austausch großer Raumladungen negativer und
positiver Polarität herstellen. Es ist anzunehmen, dass sie ihren Ursprung vornehmlich in
deren Grenzbereich haben.
Abb. 11: Typen von Blitzen zwischen Wolke und Erde [12]
4.2.1 Wolke – Erde – Blitz
Bei Wolke-Erde-Blitzen, die auch Abwärts-Blitze genannt werden, aus positiver
Wolkenladung wird im allgemeinen nur ein Hauptblitz beobachtet. Bei Blitzen aus
negativen Wolkenladungen, welche den überwiegenden Teil der Abwärts-Blitze
ausmachen, treten häufig mehrere solcher Hauptblitze (Folgeblitze) in verschiedenen
kürzeren Abständen auf.
28

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzentladung
Der erste in Stufen vorwachsende Leitblitz verzweigt sich während seines Vorwachsens
häufig und wird erst einige zehn Meter vor dem Boden durch eine dem Leitblitz
entgegenwachsende Fangentladung entgegengesetzter Ladung zum endgültigen Einschlagpunkt
„dirigiert“. Im allgemeinen erreichen diese Zweige, die auch Leitblitze sind,
nicht die Erde und enden in der Luft. Sie enden durch den ersten Hauptblitz. Es kommt
auch vor, dass sie die Erde gleichzeitig erreichen, so dass ein Blitz auch zwei oder sehr
selten auch drei Einschlagstellen haben kann.
Abb. 12: Schematisierte Entwicklung des Leitblitzes und der Fangentladung eines
negativen Wolke-Erde-Blitzes [12]
Der Durchmesser des Blitzkanals dürfte in der Phase des Hauptblitzes einige Zentimeter;
die Koronahülle, die durch den Leitstrahl gebildet wird, zehn Meter und mehr betragen.
Die Temperatur im Augenblick der höchsten Stromdichte wird auf 20.000 bis 30.000°C
steigen, aber dann schnell auf 10.000 bis 15.000°C sinken. Diese Erwärmung erhält noch
einige Zeit eine thermische Ionisation aufrecht, so dass ein Folgeblitz schneller und
gleichmäßiger vorwachsen kann als der erste Leitblitz. Die Anzahl solcher Folgeblitze ist
von Blitz zu Blitz sehr unterschiedlich. Es wurden schon über 30 Folgeblitze gemessen.
29

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzentladung
4.2.2 Erde – Wolke - Blitz
Bei hohen Gebäuden oder Türmen, die heute durchweg mit Blitzableitern ausgestattet sind,
gehen mit zunehmender Höhe Leitblitze von der Spitze zur Wolke aus. Der Leitblitz baut
sich mit kleinem Strom, der ziemlich kontinuierlich fließt und Werte bis zu einigen hundert
Ampere erreichen kann, auf. Es können auch einige stoßartige Impulse von einigen
Kiloampere überlagert sein. Diesem anfänglichen Aufwärtsblitz können weitere Teilblitze
mit von der Wolke ausgehenden Leitblitz im gleichen Kanal folgen.
Je exponierter der Standort der Bauten ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit solcher
von Spitzen ausgehenden Aufwärts-Blitzen. Bei Aufwärts-Blitzen ist der Einschlagsort
durch den von der Erde ausgehenden Leitblitz bestimmt. Ansatzpunkte werden
Blitzableiter, sonstige hohe leitfähige Bauteile, Türme oder auch Windenergieanlagen sein.
Dadurch können solche Objekte während eines Gewitters auch mehrmals von Aufwärts-
Blitzen getroffen werden.
Abwärts-Blitze lassen sich visuell dadurch erkennen, dass ihre Verzweigungen nach unten
zur Erde gerichtet sind. Bei Aufwärts-Blitzen führen diese Verzweigungen nach oben zu
den Wolken.
4.3 Gefährdungspotential des Blitzes
Betrachtet man das Gefährdungspotential des Blitzes isoliert auf WEA so ist festzuhalten,
dass Blitzeinschläge hauptsächlich ein finanzielles Risiko darstellen. Die Schadenssumme
bei einem direkten Einschlag mit einem Blattschaden beträgt in der Regel mehr als
25.000 Euro. Bei indirekten Blitzeinschlägen werden üblicherweise Teile der elektrischen
Steuerung oder der Fernwirktechnik zerstört. Deren Schadenssumme von „nur“ einigen
tausend Euro fällt stärker ins Gewicht, da Schäden durch indirekte Einschläge um ein
Vielfaches häufiger auftreten als die direkten Blitzschäden. Diese Summen im
Zusammenhang mit dem Problem, einen Versicherer zu finden, stellen die Hauptrisiken
des Blitzes dar.
30

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz
5 Blitzschutz
5.1 Begriffe
5.1.1 Äußerer Blitzschutz
Als äußeren Blitzschutz bezeichnet man ein System, bestehend aus Fangeinrichtung, den
Ableitungen und der Erdungsanlage. [6]
5.1.2 Innerer Blitzschutz
Der innere Blitzschutz wird wie folgt definiert: Zusätzliche Maßnahmen zur Verminderung
der Auswirkungen des Blitzstromes innerhalb des zu schützenden Raumes, die über die für
den äußeren Blitzschutz getroffenen hinausgehen. [6]
5.1.3 Blitzschutzsystem
Das gesamte System nach DIN V VDE V 0185-3 (VDE V 0185 Teil 3) für den Schutz
einer baulichen Anlage und ihres Inhalts gegen die Auswirkungen direkter Blitzeinschläge
wird als Blitzschutzsystem bezeichnet. Es besteht sowohl aus dem Äußeren als auch aus
dem inneren Blitzschutz.
In besonderen Fällen kann das Blitzschutzsystem einer Anlage nur aus dem äußeren oder
aus dem inneren Blitzschutz bestehen. [6]
5.1.4 Schutzklasse eines Blitzschutzsystems
Bei der Schutzklasse handelt es sich um einen Satz von Konstruktionsregeln für ein Blitzschutzsystem
nach VDE V 0185 Teil 3 (z.B. Abstände, Maschenweiten, Schutzwinkel,
Leiterquerschnitte), ausgelegt nach dem zughörigen Gefährdungspegel. Die Schutzklasse
wird durch Abschätzung des Schadensrisikos ermittelt, soweit sie nicht durch Vorschriften
festgelegt ist. Ihre Wirksamkeit nimmt von Schutzklasse I zu Schutzklasse IV ab. [6]
31

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz
5.2 Aufgabe eines Blitzschutzsystems
Die Aufgabe eines Blitzschutzsystems ist es, den Blitz definiert mit einer Fangeinrichtung
einzufangen und den Blitzstrom über ein Ableitsystem und eine Erdungsanlage in den
Boden abzuleiten. Im übrigen sind kapazitive, induktive, galvanische oder
strahlungsgebundene Einkopplungen auf ein ungefährliches Maß zu reduzieren.
5.3 Erwägungen für die Einfügung eines Blitzschutzsystems
Ein Blitzschutzsystem für eine Windkraftanlage ist ein nicht unerheblicher Kostenfaktor
bei der Produktion einer solchen Anlage. Aus diesem Grund muss bei der Planung einer
WEA das Risiko eines Blitzeinschlages und die damit verbundenen möglichen Schäden
berücksichtigt werden.
5.3.1 Blitzdichte
Im ersten Schritt der Bewertung ist die örtliche Blitzaktivität abzuschätzen. Statistische
Erhebungen über die lokale Blitzhäufigkeit sind z.B. beim Deutschen Wetterdienst zu
erhalten. Sollten für den angestrebten Standort keine Angaben für die flächenbezogene
Blitzdichte vorliegen, so kann sie mit folgender Gleichung abgeschätzt werden:
N ⋅
5.3.2 Einschlagshäufigkeit
1,
25
g = 0,
04 Td
je km 2 je Jahr
mit
Ng: durchschnittliche jährliche flächenbezogene Blitzdichte je km 2
Td: Anzahl der Gewittertage im Jahr
Unter Verwendung der Blitzdichte lässt sich die durchschnittliche Einschlaghäufigkeit von
direkten Blitzen in Gebäude wie folgt angeben:
32

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz
N
−6
d = N g ⋅ A e ⋅10
je Jahr
mit
Nd: durchschnittliche jährliche Häufigkeit von direkten
Blitzeinschlägen in ein Gebäude
Ae: äquivalente Erfassungsfläche des zu bewertenden Gebäudes
Die äquivalente Erfassungsfläche eines Bauwerks ist definiert als die Fläche, die dieselbe
jährliche Häufigkeit direkter Blitzeinschläge aufweist wie das Bauwerk selbst. Bei einzeln
stehenden Bauwerken entspricht die äquivalente Erfassungsfläche genau der Fläche, die
von einer gedachten Linie vom Erdboden mit der Steigung 1:3 zum höchsten Punkt des
Bauwerks verläuft und das Bauwerk kreisförmig umschließt [9]. Bei Windenergieanlagen
liegt dieser höchste Punkt, der für die äquivalente Erfassungsfläche maßgebend ist, bei
einer Höhe die der Nabenhöhe plus dem Rotorradius entspricht.
Abb. 13: Äquivalente Erfassungsfläche für WEA [9]
33

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz
Eine Abschätzung der zu erwartenden Blitzeinschläge in eine WEA kann mit der
folgenden Formel getroffen werden:
N
5.3.3 Risiko – Management
2 −6
d = N g ⋅9
⋅ π⋅
h ⋅10
je Jahr
mit
h: effektive Höhe der WEA (Nabenhöhe plus Rotorradius)
Im Folgenden wird kurz das Risiko – Management gemäß DIN V VDE V 0185-2 erläutert.
Für alle nicht ausreichend behandelten Punkte (z.B. genaue Definition jedes einzelnen
Kürzels) wird direkt auf diese Norm verwiesen.
5.3.3.1 Allgemeines
Das Objekt, für welches eine Risikoabschätzung vorgenommen wird, ist zunächst nach
dem Blitzschutzzonenkonzept (Kap. 5.4) in Blitzschutzzonen zu unterteilen. Die Blitzschutzzone
wird definiert durch die Festlegung ihrer geometrischen Grenzen, der
relevanten Bedingungen und der Blitzbedrohung. Danach können durch eine Risikoanalyse
die Notwendigkeit des Blitzschutzes und die geeigneten Blitzschutzmaßnahmen bestimmt
werden. Für jede Blitzschutzzone müssen folgende Punkte bestimmt werden:
• die geometrischen Grenzen,
• die relevanten Kenndaten,
• die Blitzbedrohungsdaten,
• alle für diese Blitzschutzzone relevanten Schadensarten.
Die geometrischen Grenzen sind frei definierbar und können anderweitig definierte Zonen
(z.B. explosionsgefährdete Zonen) mit einbeziehen. Des weiteren kann sich der Hersteller
34

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz
bzw. der Betreiber dazu entschließen, nur Bereiche von wirtschaftlichem Interesse zu
schützen [7]. Es ist müßig eine solche Trennung bei WEA treffen, da aufgrund des nur
begrenzt zur Verfügung stehenden Raumes immer Komponenten, die von wirtschaftlichem
Interesse sind, betroffen sein werden.
Die geometrischen Grenzen einer Blitzschutzzone können
• die gesamte bauliche Anlage,
• einen Teil der baulichen Anlage,
• eine interne Installation,
• einen Teil der internen Installation,
• eine Errichtung oder ein System oder
• ein wertvolles Gut in der baulichen Anlage
umfassen.
5.3.3.2 Detailliertes Verfahren
Das Risiko – Management unterscheidet zwei Analyseverfahren. Zum einen das
„vereinfachte Verfahren“, bei dem die gesamte Anlage als eine Blitzschutzzone definiert
wird und zum anderen das für WEA sinnvollere „detaillierte Verfahren“.
Hierbei muss für jede einzelne Blitzschutzzone eine eigene Risikoanalyse durchgeführt
werden. Das Ergebnis liefert einen Satz von Schutzmaßnahmen für jede Blitzschutzzone.
Jeder Satz beschreibt alle Maßnahmen, die zum Schutz der jeweiligen Blitzschutzzone
aufgewendet werden müssen. Abschließend sind gegenseitige Abhängigkeiten der
Schutzmaßnahmen unbedingt zu berücksichtigen.
35

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz
5.3.3.3 Akzeptierbares Schadensrisiko
Repräsentative Werte des Schadenrisikos Ra in den Fällen, in denen Blitzeinschläge
erhebliche Schäden verursachen können zeigt die Tab. 6. Die Werte des akzeptierten
Schadensrisiken Ra für ausschließlich wirtschaftliche Verluste werden vom Hersteller oder
Betreiber der Anlage bzw. dem Errichter der Schutzmaßnahmen definiert. Bei dieser
Festlegung werden streng wirtschaftliche Aspekte zu Grunde gelegt, d.h. mögliche Kosten,
die durch die von Blitzeinschläge verursachten Schäden entstehen sowie die damit
verbundenen Ausfallzeiten, werden gegen die Kosten der Schutzmaßnahmen aufgerechnet.
Tab. 6: Typische Werte für das akzeptierbare Schadensrisiko Ra [7]
5.3.3.4 Erforderliche Parameter
Bei der Abschätzung des Schadenrisikos im Rahmen der Risikoanalyse werden folgende
Daten (Parameter) berücksichtigt:
• Erdblitzdichte für das Gebiet, in dem die Anlage errichtet wird,
• Eigenschaften der baulichen Anlage,
• Art und Eigenschaften des Inhalts,
• Eigenschaften der Umgebung,
• Eigenschaften des Erdbodens um die Anlagen herum,
• Art, Eigenschaften und Länge der Versorgungsleitungen,
• Art der internen Installationen,
36

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz
• Schutzmaßnahmen gegen elektrischen Schock,
• Schutzmaßnahmen gegen physikalische Schäden,
• Schutzmaßnahmen zur Reduzierung der Auswirkung eines Schadens,
• Ausmaß der auftretenden Verluste und ihre Auswirkungen auf die Öffentlichkeit
und die Umgebung,
• Kosten der erwarteten Schäden und
• Kosten der erforderlichen Schutzmaßnahmen.
5.3.3.5 Risiko-Komponenten
Für jede Schadensart (Tab. 6) setzt sich das Schadensrisiko R aus der Summe der
unterschiedlichen Risiko-Komponenten RX zusammen:
R
∑
= X
R
X
Je Risiko-Komponente RX kann wie folgt berechnet werden:
R X
= N ⋅ P ⋅δ
mit
N: Häufigkeit von gefährlichen Ereignissen
P: Schadenswahrscheinlichkeit
δ: Schadensfaktor
Die Risiko-Komponenten hängen werden nachfolgend definiert. Jede der Risiko-
Komponenten ist dabei von der Einschlagstelle abhängig.
37

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz
Direkte Blitzeinschläge in die bauliche Anlage:
• Risiko-Komponente RA als Verlust von Lebewesen durch Berührungs- und
Schrittspannungen in einem Bereich bis zu 3m außen um die bauliche Anlage
herum. In diesem Fall kann das Schadensrisiko innerhalb der baulichen Anlage
vernachlässigt werden. Es können die Schadensarten D1 im Falle von
landwirtschaftlichen Anwesen und D4 mit dem Verlust von Tieren auftreten. [7]
• Risiko-Komponente RB als physikalischer Schaden durch gefährliche Funkenbildung
innerhalb der baulichen Anlage mit der Folge von Feuer und Explosionen.
Damit kann auch die Umgebung gefährdet werden. Alle Schadensarten (D1, D2,
D3, D4) können auftreten. [7]
• Risiko-Komponente RC als Störung von elektrischen oder elektronischen Systemen
durch Überspannungen, die durch galvanische Kopplung oder durch induktive
Kopplung entstehen. Die Schadensarten D2 und D4 sind hier in allen Fällen
relevant, darüber hinaus ggf. auch D1 bei explosionsgefährdeten Anlagen, bei
Krankenhäusern und bei baulichen Anlagen, in denen Störungen an elektrischen
und elektronischen Systemen unmittelbar zur Gefährdung von Menschenleben
führen. [7]
Blitzeinschläge in den Erdboden neben der baulichen Anlage:
• Risiko-Komponente RM als Störung von elektrischen und elektronischen Systemen
durch induzierte Überspannungen, die durch den Blitzstrom in den internen
Installationen induziert werden [7]. Die relevanten Schadensarten sind mit denen
der Risikokomponente RC identisch.
Direkte Blitzeinschläge in eine eingeführte Versorgungsleitung:
• Risiko-Komponente RU als Verlust von Menschenleben durch Berührungs- und
Schrittspannungen, die durch den eingeleiteten Blitzstrom auf der eingeführten
Versorgungsleitung innerhalb der baulichen Anlage entstehen. Die Schadensart D1
kann auftreten. [7]
38

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz
• Risiko-Komponente RV als physikalischer Schaden (Feuer, Explosion durch
gefährliche Funkenbildung zwischen der eingeführten Versorgungsleitung und
metallenen Teilen, insbesondere an der Eintrittsstelle in die bauliche Anlage) durch
den in die bauliche Anlage eingeleiteten Blitzstrom auf der Versorgungsleitung.
Alle Schadensarten (D1, D2, D3, D4) können auftreten. [7]
• Risiko-Komponente RW als Störung von elektrischen und elektronischen Systemen
durch Überspannungen, die längs der eingeführten Versorgungsleitung induziert
und dann in die bauliche Anlage eingeleitet werden [7]. Die relevanten
Schadensarten sind mit denen der Risikokomponente RC identisch.
Blitzeinschläge in den Erdboden neben einer eingeführten Versorgungsleitung:
• Risiko-Komponente RZ als Störung von elektrischen und elektronischen Systemen
durch Überspannungen, die längs der eingeführten Versorgungsleitung induziert
und dann in die bauliche Anlage eingeleitet werden [7]. Für auftretenden
Schadensarten wird auf die Risiko-Komponente RC verwiesen.
5.3.3.6 Abschätzung der Notwendigkeit von Schutzmaßnahmen
Schutzmaßnahmen müssen installiert werden, wenn sie durch nationale Vorschriften
gefordert werden. Soweit diese Vorschriften keine besonderen Spezifikationen der
Blitzschutzmaßnahmen enthalten, wird nach VDE V 0185 Teil 3 ein Blitzschutzsystem der
Schutzklasse III empfohlen.
In anderen Fällen sollte die Notwendigkeit von Blitzschutzmaßnahmen durch eine
detaillierte Risikoanalyse bestimmt werden. Für jedes Schadensrisiko, welches in einer
Blitzschutzzone auftreten kann, müssen im Rahmen dieser Risikoanalyse für die (noch)
nicht geschützte Blitzschutzzone die folgenden Schritte durchgeführt werden:
39

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz
• Identifikation der Risiko-Komponenten Rx, die das Schadensrisiko bestimmen,
• Berechnung der identifizierten Risiko-Komponenten Rx,
• Berechnung des gesamten Schadensrisikos R
• Festlegung des akzeptierbaren Schadensrisikos Ra,
• Vergleich des Schadensrisikos R mit dem akzeptierbaren Schadensrisiko Ra.
Sofern bei dem Vergleich der Schadensrisiken
R ≤ R a
gilt, sind weitere Schutzmaßnahmen nicht erforderlich. Sollte allerdings
R > R a
sein, so müssen zusätzliche Schutzmaßnahmen durchgeführt werden, um das
Schadensrisiko auf ein akzeptablen Maß zu reduzieren. Dies gilt für alle Schadensrisiken,
denen die Blitzschutzzonen ausgesetzt sind.
5.3.3.7 Auswahl von Schutzmaßnahmen
Das in der VDE V 0185 Teil 2 empfohlene Verfahren zur Auswahl der Schutzmaßnahmen
für die einzelnen Schadensarten zeigt das folgende Flussdiagramm (Abb. 14). Dabei
handelt es sich um einen wiederkehrenden Prozess, der helfen soll, den optimalen Schutz
zu den geringst möglichen Kosten zu finden.
Solange R > Ra ist, sind weitergehende Schutzmaßnahmen, sofern man nicht fahrlässig
handeln will, zwingend notwendig.
40

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz
Abb. 14: Flussdiagramm für die Auswahl von Schutzmaßnahmen [7]
41

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz
Nach Festlegung eines geeigneten Schutzgrades I bis IV, mit dem die primäre
Blitzbedrohung definiert wird, können die Schutzmaßnahmen ausgewählt werden.
Schutzmaßnahmen, die das Risiko Rd direkter Blitzeinschläge vermindern:
• geeignetes Blitzschutzsystem nach DIN V VDE V 0185-3 (Schutzklassen I bis IV)
• blitzstromtragfähiger, gitterförmiger räumlicher Schirm um die Blitzschutzzone 1
nach DIN V VDE V 0185-4 (VDE V 0185 Teil 4)
• andere Schutzmaßnahmen zur Verminderung der Risiko-Komponenten RA, RB, RC.
Schutzmaßnahmen, die insbesondere das Risiko Ri durch indirekte Blitzeinschläge
vermindern:
• Überspannungsschutzgeräte an den Eintrittsstellen von eingeführten Versorgungsleitungen
in jede Blitzschutzzone oder an Geräteeingängen zu Reduktion von
leitungsgebundenen Störungen, wie sie durch Blitzeinschläge in oder neben
Versorgungsleitungen (Risiko-Komponenten RU, RV, RW, RZ) sowie durch Blitzeinschläge
direkt in die bauliche Anlage (Risiko-Komponente RC) entstehen,
• gitterförmige räumliche Schirmung oder Schutzmaßnahmen bei der internen
Leitungs-Führung und -Schirmung zur Reduktion von leitungsgebundenen
Störungen, wie sie durch Induktionswirkung auch innerhalb einer Blitzschutzzone
entstehen (Risiko-Komponente RM),
• andere Schutzmaßnahmen zur Verminderung der Risiko-Komponenten RM, RU,
RV, RW, RZ
Für jede Schadensart gibt es einen Satz von Schutzmaßnahmen, für die einzeln oder
kombiniert die Bedingung R ≤ Ra erfüllt sind. Diese geeigneten Schutzmaßnahmen sollten
sinnvollerweise von Beginn an durch Planer, Betreiber und Hersteller berücksichtigt
werden. Auf der Basis dieses Ergebnisses ist dann das Blitzschutzsystem auszuwählen.
42

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz
5.3.4 Wahl der Schutzklasse
Blitzschutzanlagen werden gemäß VDE V 0185 Teil 3 in vier Schutzgrade eingeteilt. Die
folgenden Tabellen (Tab. 7 und Tab. 8) geben Aufschluss über die Schutzgrade, deren
Wirksamkeit sowie der Höchstwerte von Blitzparametern zu den jeweiligen Schutzgraden.
Tab. 7: Zuordnung der maximalen Blitzkennwerte zu den Gefährdungspegeln/Schutzklassen [8]
Je höher der Schutzgrad einer BSA ist, desto wirksamer ist sie. Dies bedeutet, dass der
Aufwand zur Realisierung ansteigt, je besser der Blitzschutz sich darstellt. Es werden
größere Leiterquerschnitte sowie größere Erdungsanlagen benötigt. Des weiteren ist der
Abstand der Blitzauffangpunkte zu verkleinern.
43

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz
Tab. 8: Beziehung zwischen Gefährdungspegel/Schutzklasse, Radius der Blitzkugel, minimalem
Scheitelwert des Blitzstroms und Einfangwahrscheinlichkeit [8]
Nach Forderungen des „Germanischen Lloyd“ ist eine Windenergieanlage mit einer
Nabenhöhe < 60m in die Schutzklasse III eingruppiert. Anlagen mit einer Nabenhöhe >
60m sind mit einem Blitzschutzsystem der Schutzklasse II auszustatten [i6] [i7] [15].
Selbstverständlich ist eine Einstufung in eine höhere Schutzklasse möglich.
5.4 Blitzschutzzonenkonzept
Das Blitzschutzzonenkonzept unterteilt die WEA in unterschiedliche Bedrohungsbereiche.
Mit ansteigender Zonenzahl nehmen die Bedrohungsparameter ab. Die Zonen sind so zu
wählen, dass die Bedrohungsparameter der Zone die Störfestigkeit der eingesetzten Geräte
nicht überschreiten.
Die Blitzschutzmaßnahmen an einer Windenergieanlage sollten auf der Basis eines EMVorientierten
Blitzschutzzonenkonzeptes ausgeführt werden. Dies bedeutet, dass nach
Festlegung der Schutzklasse die Gesamtanlage einzuteilen ist. Hieraus ergeben sich dann
die Anforderungen für die einzelnen Bereiche. Eine Schutzzone hat die Aufgabe,
leitungsgebundene Störgrößen und Felder auf festgelegte Grenzwerte zu reduzieren. Die
Schutzzonen ergeben sich durch den Aufbau der WEA und sollen den natürlichen Aufbau
der Struktur berücksichtigen. Entscheidend ist, dass die von außen auf eine Schutzzone
einwirkenden Blitzparameter durch Schirmungsmaßnahmen und den Einbau von
Überspannungsschutzgeräten soweit reduziert werden, dass die innerhalb der Schutzzone
44

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz
befindlichen elektrischen und elektronischen Systeme und Geräte störungsfrei betrieben
werden können.
Die Grenzwerte für Strom, Spannung und elektromagnetisches Feld der jeweiligen
Schutzzonen richten sich nach den in der Windkraftanlage installierten Komponenten. Sie
entscheiden darüber, wie stark Störeinflüsse gedämpft werden müssen. Somit macht es
wenig Sinn, Grenzwerte für die einzelnen Blitzschutzzonen zu definieren.
5.4.1 Zone 0
Die Blitzschutzzone 0 lässt sich in zwei Blitzschutzzonen (BSZ) unterteilen.
Die BSZ 0A gilt für Bereiche, in der Gegenstände direkten Blitzeinschlägen ausgesetzt sind
und deshalb den vollen Blitzstrom zu führen haben.
Die BSZ 0B gilt für Bereiche, in der Gegenstände keinen direkten Blitzeinschlägen
ausgesetzt sind, in denen jedoch das ungedämpfte elektromagnetische Feld auftritt.
Die Grenze zwischen BSZ 0A und 0B wird mit Hilfe des Blitzkugel – Verfahrens festgelegt,
wie es Abb. 15 darstellt.
Abb. 15: Anwendung des Blitzkugel – Verfahrens an einer WEA [9]
45

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz
5.4.2 Zone 1
Die BSZ 1 gilt für Bereiche , in denen Gegenstände keinen direkten Blitzeinschlägen
ausgesetzt sind und in der die Ströme an allen leitenden Teilen innerhalb dieser Zone im
Vergleich mit den Zonen 0A und 0B reduziert sind. In dieser Zone kann auch das
elektronische Feld gedämpft sein, abhängig von den Schirmungsmaßnahmen.
5.4.3 Zone 2
Zur BSZ 2 gehören Einrichtungen innerhalb der Blitzschutzzone 1, wenn ergänzende
Abschirmmaßnahmen zur weiteren Reduzierung der Störpegel vorgenommen werden. Dies
sind z.B. Systeme, welche innerhalb der BSZ 1 in Schaltschränken installiert sind.
Noch empfindlichere Systeme können innerhalb der BSZ 3 untergebracht werden. Für
diese Ausrüstungen, welche sich innerhalb der BSZ 2 befinden, sind weitergehende
Abschirmmaßnahmen zur Reduzierung der Störpegel zu treffen.
5.4.4 Zonengrenzen
An jeder Zonengrenze muss sichergestellt sein, dass Kabel und Leitungen, die Grenzen
überqueren, keine größeren Anteile des Blitzstroms oder der transienten Spannungen in
Schutzzonen mit einer höheren Ordnungszahl übertragen. Dies wird durch einen gut
ausgeführten Potentialausgleich und Abschirmungen sowie durch Überspannungsschutz
der Kabel und Leitungen an den Zonengrenzen erreicht. Ziel ist es dabei, die Werte von
Strom und Spannung so weit zu verringern, wie es für die Ausbauten, die in der
Schutzzone mit höherer Ordnungszahl untergebracht sind, erforderlich ist.
Die Anzahl notwendiger Bauteile für den Schutz gegen Überspannungen kann und sollte
durch entsprechende Unterteilung in Schutzzonen, geeignete Verlegung der Kabel,
Verwendung von abgeschirmten Kabeln und durch Verwendung von Lichtwellenleitern für
die Übertragung von Signalen und Daten verringert werden. Überspannungs-
46

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz
schutzeinrichtungen können relativ teuer und groß sein, und diese Tatsache allein zeigt,
dass Ihr Einsatz beschränkt bleiben sollte. Außerdem können derartige Einrichtungen auch
durch Umgebungseinflüsse, denen sie ausgesetzt sind, sowie durch Alterung ausfallen. [9]
5.4.5 Unterteilung einer Windenergieanlage in Blitzschutzzonen
In diesem Kapitel wird in einem Beispiel eine Einteilung in Blitzschutzzonen
vorgenommen. Dieses Beispiel wird anhand der WEA „protec MD“ der Firma Fuhrländer
durchgeführt.
Abb. 16: Übersicht der Windkraftanlage „protec MD“ mit eingetragenen Blitzschutzzonen. [15]
47

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz
In der folgenden Auflistung sind die wichtigsten Elemente der „protec MD“ und die
entsprechende Zuordnung der Blitzschutzzonen zusammengefasst.
Element (Gerät) Blitzschutzzone
Asynchrongenerator, doppelt gespeist BSZ 0B
(s. Maschinenhaus)
Blitzstromableitung über redundant ausgeführte Schleifringe
mit Kohlebürsten und parallelen Funkenstrecken
BSZ 0B
(s. Maschinenhaus)
Energiekabel im Turm BSZ 1
Getriebe BSZ 0B
(s. Maschinenhaus)
Hydraulik BSZ 0B
Leitungen, in Welle verlegt BSZ 1
Maschinenhaus BSZ 0B
Maschinenträger BSZ 0B
Nabe BSZ 0B
Nabenbox BSZ 1
Rezeptoren BSZ 0A
(s. Rotorblatt)
Rotorblatt BSZ 0A
Rotorwelle BSZ 0B
(s. Maschinenhaus)
Sensorikkabel, geschirmt BSZ 1
TopBox BSZ 1
Turm, außen BSZ 0A
Turm, innen BSZ 1
Umrichter BSZ 2
Wettermast BSZ 0A
Tab. 9: Elemente der „protec MD“ und Zuordnung der Blitzschutzzonen
48

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
6 Blitzschutz einer Windkraftanlage
Für den Blitzschutz einer WEA ist es entscheidend, dass ein Blitzschlag über eine
durchgängige Verbindung von der Rotorblattspitze oder der Gondeloberseite bis in das
Fundament abgeleitet wird. Im Folgenden sollen nun Aufbau und Beschädigungsmechanismen
der Einzelkomponenten kurz, sowie die verwirklichten Blitzschutzmaßnahmen
genauer betrachtet werden.
6.1 Rotorblätter und der Übergang Rotorblatt/Nabe
Die Rotorblätter von Windkraftanlagen sind aus Verbundwerkstoffen gefertigte Hohlraumkonstruktionen.
Um das Gewicht der Blätter so gering wie möglich zu halten werden
vorrangig Materialien wie glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), karbonfaserverstärkte
Kunststoffe (CFK) oder glasfaserverstärkte Epoxidharze verwendet.
Rotorblätter werden je nach Regelungs- und Bremsprinzip in den unterschiedlichsten
Bauformen gefertigt. Die gängigsten Modelle werden nun kurz beschrieben.
Rotorblätter nach Bauform A (Abb. 17 A) besitzen eine Klappe oder Querruder am
äußeren Ende ihrer Vorderkante. Diese Klappe wird als Bremse benutzt, da sie bei
Betätigung für einen Strömungsabriss sorgt. Die häufigsten Blitzeinschläge werden an den
Klappenscharnieren aus Stahl verzeichnet.
Blätter, die nach Typ B (Abb. 17 B) gefertigt sind, verwenden Tip-Bremsen, welche von
einer Feder gehalten werden und bei zu hoher Drehzahl aufgrund der Zentrifugalkräfte
ausgelöst werden. Blitze schlagen vornehmlich im Bereich von wenigen Zentimetern um
die Blattspitze oder den Seiten der Tip-Bremse ein.
Die Bauformen A und B werden überwiegend in kleineren oder älteren Anlagen eingesetzt.
Schäden treten bei Typ A auf, weil die Betätigungsseile aus Stahl den Blitzstrom nur
unzureichend ableiten können. Bei Typ B Blättern liegt die größte Gefahr darin, dass sich
49

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
von der inneren Seite der Tip-Welle ein Lichtbogen im Blattinneren ausbildet, und somit
zur völligen Zerstörung führt.
Abb. 17: Bauformen von Rotorblättern [9]
Die Bauarten C und D repräsentieren moderne Rotorblätter. Blätter mit einer Tip-Bremse,
die von einem Stahldraht ausgelöst werden (Abb. 17 C), werden wie auch die Blätter der
Bauform B hauptsächlich innerhalb weniger 10 cm von der Blattspitze entfernt oder den
Seiten der Tip-Bremse vom Blitz getroffen. Schäden am Hauptblatt treten dann auf, wenn
der Stahldraht den Blitzstrom nicht führen kann.
Rotorblätter der Bauform D (Abb. 17 D) sind vollständig aus nichtleitenden Werkstoffen
gefertigt. An diesen Blättern können Blitze über die gesamte Blattfläche einschlagen.
Dennoch werden auch hier die meisten Einschläge in einem kleinen Bereich um die
Blattspitze herum beobachtet.
Obwohl man zu Beginn davon ausgegangen ist, dass Blitze Blätter aus nicht leitenden
Materialien nicht beschädigen würden, hat die Praxis das Gegenteil gezeigt.
Blitzeinschläge und gravierende Beschädigungen treten recht häufig auf. Blitzentladungen
an solchen Materialien können u.a. dadurch erklärt werden, dass Verschmutzungen und
Wasser (an Offshore - Anlagen auch Salzwasser) diese Blätter leitfähiger machen, was bis
hin zu fast metallischen Eigenschaften führen kann. Des weiteren ist anzumerken, dass
Rotorblätter größten Teils aus Verbundwerkstoffen, welche keine Isolatoren sind, gefertigt
werden. Die Leitfähigkeit von z.B. karbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) hängt stark
von der Ausrichtung der Fasern ab. Obwohl Kohlefasern elektrisch leitend sind , haben
50

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
CFK-Werkstoffe, bei denen die verschiedenen Lagen der Faser fest in einer Matrix
verbunden sind, eine etwa 1000-fach geringere Leitfähigkeit als Aluminium. Zu den
typischen Schäden an den Einschlagspunkten sind Delaminierungen und Verbrennungen
der Oberfläche des Verbundwerkstoffes, sowie Erwärmung oder das Schmelzen von
metallischen Bauteilen, die sich in der Nähe des Einschlagspunktes befinden. Die stärksten
Beschädigungen werden durch Lichtbögen im Rotorblattinneren oder zwischen den
Schichten des Verbundwerkstoffes verursacht. Durch Feuchtigkeit begünstigte Lichtbögen
haben fast immer die Zerstörung des Blattes zur Folge, wobei zu beachten ist, dass bei
Bauart B und C sich die Zerstörung meist auf die Tip-Bremse beschränkt, während
Rotorblätter der Bauart D in solchen Fällen komplett zerstört werden.
6.1.1 Bemessung der Materialien
Die im Ableitersystem verarbeiteten Materialien sind so zu dimensionieren, dass sie die
elektrischen, thermischen und elektrodynamischen Beanspruchungen, die durch den
Blitzstrom hervorgerufen werden, ohne Schaden überstehen. Eine Übersicht der gängigsten
Werkstoffe und der Mindestabmessungen für Auffangeinrichtung und Ableitung gibt die
Tabelle 10.
Tab. 10: Mindestabmessungen von Werkstoffen für Blitzschutzanlagen [9]
51

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
Es wird darüber hinausgehend empfohlen, besonders beanspruchte Bauteile, wie z.B. die
Stahlseile für Tip-Bremsen, noch massiver auszuführen. Dies ist dadurch begründet, dass
sich die mechanische Belastbarkeit bei Erwärmung auf hohe Temperaturen verringert. Die
Erwärmung von Leitern durch das Führen eines Blitzstroms kann mit der folgenden
Gleichung berechnet werden:
( W / R)
1 ⎧ ⎡ ⋅α
⋅ρ
⎤ ⎫ 0
θ − θ0
= ⋅⎨exp⎢
⎥ −1
2
⎬
α ⎩ ⎣ q ⋅ γ ⋅c
W ⎦ ⎭
mit
θ-θ0 : Erwärmung des Leiters in K,
α : Temperaturkoeffizient des Widerstandes in 1/K,
W/R : Spezifische Energie des Stromimpulses in J/Ω,
ρ0 : Spezifischer Widerstand des Leiters bei
Umgebungstemperatur in Ωm
q : Querschnittfläche des Leiters in m 2
γ : Werkstoffdichte in kg/m 3
cW : Wärmekapazität in J/kg·K
Ummittelbar nach einer Blitzentladung über den Draht muss er eine ausreichende
Festigkeit besitzen, damit seine Funktionalität weiter gewährleistet ist. In Tab. 11 sind die
Eingangswerte für diese Gleichung mit gebräuchlichen Werkstoffen angegeben und die
Tab. 12 zeigt die Temperaturerhöhung für unterschiedliche Leiterwerkstoffe. Es sei noch
einmal daran erinnert, dass für mechanisch stark belastete Drähte der Schmelzpunkt nicht
erreicht werden muss, um einen Ausfall zu verursachen.
52

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
Tab. 11: Physikalische Eigenschaften üblicher Werkstoffe für den Einsatz in Blitzschutzanlagen [9]
Tab. 12: Temperaturanstieg in K von unterschiedlichen Leitern in Abhängigkeit von (W/R) [9]
6.1.2 Blitzschutz von Rotorblättern
Die Aufgabe des Blitzschutzes an den Rotorblättern ist es, den Blitzstrom sicher, ohne die
Bildung von Lichtbögen, von dem Punkt des Blitzeinschlages zur Nabe zu führen. Eine
andere Möglichkeit, bei der der Blitzstrom vom Rotorblatt auf das Gondelgehäuse geleitet
wird, ist im weiteren Text ebenfalls beschrieben.
Die wohl geläufigste Methode des Blitzschutzes ist die, bei der der Blitzstrom im Inneren
des Rotors geführt wird. Diese Technik ist eine weit verbreite Art, d.h. das sie sowohl bei
Blättern mit Tip-Bremse als auch bei vollständig aus Verbundwerkstoffen gefertigten
Rotorblättern angewandt wird. In dem Fall der Blätter mit Tip-Bremse wird der Blitzstrom
über sogenannte Rezeptoren in den Blattspitzen, die mit den „Tip-Seilen“ verbunden sind,
ins Blattinnere geleitet. Von dort aus wird er über die ausreichen dimensionierten Seile zur
53

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
Blattspitzensteuerung bis zur Blattwurzel geführt. Somit erfüllen die Tip-Seile gleich zwei
Aufgaben. Zum Einen dienen sie zur Steuerung der Tip-Bremse, und zum Anderen sind sie
ein unverzichtbares Element des inneren Ableitsystems. Bei den Rotorblättern von
„pitch“ - gesteuerten Anlagen, also der Bauart D, wird üblicherweise ein Vollmetallrezeptor
an der Blattspitze angebracht. Dieser lenkt einen möglichen Blitzeinschlag in das
Ableitersystem im inneren des Flügels. Für Rotorblätter mit einer Länge bis 20 Meter wird
diese Maßnahme als ausreichend angesehen. Bei längeren Flügeln besteht die Gefahr, dass
Blitze nicht nur in die Spitze, sondern auch direkt in das Blatt einschlagen. Somit werden
solche Blätter über die gesamten Flächen verteilt mit Rezeptoren ausgestattet. Diese in der
Regel aus Aluminium gefertigten Rezeptoren werden über hauptsächlich aus Kupfer
bestehende isolierte Kabel mit der Nabe verbunden, von der aus die Energie des Blitzes
weiter bis zur Erde geleitet wird. Die Firma NOI benutzt bei den von ihnen gefertigten
Rotorblättern 70 mm dicke isolierte Kupferkabel.
Ein weiteres häufig angewendetes Verfahren ist das, bei dem ein Aluminiumgeflecht direkt
unter der Oberfläche einlaminiert wird. Das Aluminiumgeflecht wird aus Gründen des
Gewichts dem Kupfergeflecht vorgezogen. Dieses einlaminierte Geflecht erstreckt sich
über das gesamte Blatt bis hin zur Blattwurzel.
Wie bereits erwähnt gibt es ein System, bei dem der Blitzstrom nicht über die Nabe geführt
wird. Die Firma ENERCON betreibt ein Blitzschutzsystem, welches zum Teil auch
bauartbedingt den Blitzstrom an Verschleißteilen vorbei führt. In diesem Fall ist die
Rotorblattspitze als Aluminiumformteil ausgeführt. Entlang der Vorder- und Hinterkante
des Rotorblattes ist unmittelbar unter der Oberfläche je ein Aluminium-Profil
eingearbeitet. Diese Profile verbinden das Aluformteil an der Blattspitze mit einem Aluminiumring,
der in der Nähe des Blattflansches um die Blattwurzel gelegt ist. Der Ring
befindet sich in ausreichendem Abstand zu den leitenden Teilen im Blattanschlussbereich,
so dass die Isolation vom Blatt selbst übernommen wird. Da die Blitzableitung bereits an
der Blattwurzel erfolgt und nicht über Nabe und Rotorlagerung, bleiben die Rotorlager vor
evtl. Folgeschäden verschont. Die Überleitung erfolgt über Funkenstrecken, die wiederum
den Blitzstrom direkt in den stehenden Teil der Anlage übertragen. Die Fangstangen
54

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
befinden sich auf der Rotorverkleidung (jeweils einem der drei Blätter zugeordnet) sowie
auf dem hinteren Teil der Gondelverkleidung. Die Ableitung des Blitzes erfolgt von dort
über die Statortragarme, Achszapfen, Maschinenträger und Turm ins Fundament der
Anlage. Mit Hilfe dieser Anordnung wird ein Blitzeinschlag unabhängig von der
momentanen Stellung des Rotors, sowie unabhängig vom momentanen Rotorblattwinkel
zur tragenden Struktur übergeleitet. [16]
6.1.3 Übergang Rotorblatt / Nabe
Das Ableitungssystem der Rotorblätter wird üblicherweise an der Blattwurzel mit dem
Blattmontageflansch oder der Nabe verbunden. Eine Ausnahme ist das Ableitsystem der
Firma ENERCON (Kap. 6.1.2).
Bei WEA mit „pitch“ Steuerung ist die zur Zeit gängigste Methode, den Blitzstrom über
die einzelnen Blattlager abzuleiten. Hierbei sind die von den Fangeinrichtungen
kommenden Kabel leitend über den Innenring der Blattlager mit der Nabe verbunden. Es
gibt ebenfalls die Möglichkeit den Blitzstrom über eine Art Potentialausgleich, der die
Lager überbrückt, abzuleiten. In diesem Fall wird der Strom häufig über Schleifkontakte
mit parallelen Funkenstrecken abgeleitet. Diese Methode findet auch bei dem Übergang
Nabe/Maschinenhaus seine Anwendung.
Bei Rotorblätter der Bauart C wird die Tip-Bremse mittels eines Hydrauliksystems
betätigt. Da bei dieser Art der Rotorblätter das „Seil“ zur Betätigung der Tip-Bremse
ebenfalls Bestandteil des Ableitsystems ist, das hydraulische System besonders gefährdet,
und ist in Folge dessen zu schützen. Hierfür werden üblicherweise flexible
Potentialausgleichbänder genutzt, welche über eine ausreichende Länge verfügen, um die
Bewegungen des Kolbens nicht zu beinträchtigen.
55

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
6.2 Lager und Getriebe
Grundsätzlich ist anzumerken, das sich durch einige der nachfolgend beschriebenen
Maßnahmen in Folge eines Blitzes oder Störfalles, hohe Spannungen zwischen einem
elektrisch isolierten Triebstrang und der Grundplatte der Gondel aufbauen können. Dies
kann zu einer Gefährdung des Personals Führen kann.
Aus Gründen der Arbeitssicherheit sollten sich während eines Gewitters jedoch keine
Personen in einer WEA aufhalten. Alle weiteren Schutzmaßnahmen und Verhaltensweisen
zum Thema „Arbeiten unter Spannung“ werden in der VDE 0105 Teil 100 und der
BGV A2 „Elektrische Anlagen und Betriebsmittel“ (alte UVV VBG 4) beschrieben.
6.2.1 Lager
Es ist bekannt, dass Ströme Beschädigungen an Lagern hervorrufen können. Ein Grossteil
der Erfahrungswerte über Schäden durch Gleich- oder Wechselströme stammt aus dem
Maschinenbaubereich. Hierbei ist anzuführen, dass Stromdichten von weniger als 2 A/mm 2
bereits zu Beschädigungen an Lagern innerhalb weniger tausend Betriebsstunden führen
[9].
Bei den zeitlich kürzeren Blitzströmen liegt das Gefährdungspotential in den Lichtbögen,
die sich Lagerlaufflächen und Wälzkörper ausbilden können. Die durch die Lichtbögen
geführte Energie kann starken Lochfraß hervorrufen. Dies führt zu einer nicht
unerheblichen Verkürzung der Lebenszeit der Lager. Des weiteren sind Lager eine Hauptkomponenten
von Windkraftanlagen und deren Beschädigungen können zu hohen Kosten
durch die Instandhaltungsmaßnahmen und Ausfallzeiten führen.
Es wird dennoch, zumindest für „pitch“ - gesteuerte Anlagen bei denen die Blattlager Teil
des Ableitsystems sind, die These vertreten, dass es sich um ein akzeptables Risiko
handelt. Da es für das Bremssystem in der Regel genügt, wenn schon alleine ein Blatt aus
dem Wind gedreht wird, werden die Lager nur bei offensichtlichen Beschädigungen,
welche sich durch Fehlfunktionen der Blattwinkelsteuerung bemerkbar machen,
56

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
gewechselt [15]. Diese Vorgehensweise wird unter anderem durch Laboruntersuchungen
gestützt, in denen Beschädigungen durch Blitzströme nur an rotierenden Lagern
nachgewiesen werden konnten. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Blitzstrom genau zum
Zeitpunkt der Blattverstellung über ein Lager geführt werden muss, ist vernachlässigbar
gering.
Die Grundproblematik des Blitzschutzes an den Hauptwellenlagern, Generatorlagern aber
auch an den Getrieben ist es einen gesunden Kompromiss zwischen der Schmierung der
Lager (Verminderung der Reibung) und einem guten metallischen Kontakt, welcher für die
Führung des Blitzstromes notwendig ist, zu finden.
Der Schutz der Rotor- oder Hauptwellenlager wird üblicherweise durch alternative
Strompfade gewährleistet, um damit den Anteil des Blitzstroms, der über das Lager fließt,
so weit wie möglich zu reduzieren. Hierbei wird der Blitzstrom über Schleifringkontakte
mit parallelen Funkestrecken auf den Maschinenträger geleitet. Die Schleifkontakte
werden in der Form von Kohlebürsten realisiert. Der Grund für eine Kombination aus
Schleifringen und Funkenstrecke ist, dass die Schleifringe eine galvanische Verbindung
zwischen den beiden Kontaktbereichen darstellen und die auf wenige Millimeter
eingestellte Funkenstrecke erst dann zur Zündung kommt, wenn die Spannung zu groß
wird. Da große Lager zum Teil sehr geringe Impedanzen besitzen sind zu den
Blitzschutzmaßnahmen, bestehend aus Schleifringen und Funkenstrecke, einige zusätzliche
Maßnahmen vorzunehmen um die Impedanz der Lager zu erhöhen. Dies kann z.B. durch
den Einbau zusätzlicher hochohmiger oder isolierender Schichten erfolgen. In Abb. 18
wird gezeigt, wie ein Strompfad vom vorderen Ende der langsam drehenden Welle zur
Grundpatte der Gondel hergestellt werden kann, während gleichzeitig isolierende
Schichten in sämtliche Strompfade zwischen Lager , Getriebe und schnell laufender Welle
und der Grundplatte der Gondel eingebaut wurden [9].
57

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
Abb. 18: Alternativer Strompfad zur Reduzierung des Blitzstroms [9]
Alle elektrischen Betriebsmittel am Triebstrang müssen gegen Überspannungen, welche
sich zwischen Triebstrang und Grundplatte der Gondel aufbauen können, geschützt
werden.
6.2.2 Getriebe
Es konnten bis heute keine Getriebeschäden explizit auf die Folgen eines Blitzeinschlages
zurück geführt werden. Dennoch sind des öfteren Überlegungen angestellt worden, in den
Antriebsstrang eine isolierende Kupplung einzubauen. Des weiteren lässt sich auch hier die
Firma Enercon anführen, die durch ihre getriebelosen Windkraftanlagen Schäden an
diesem Bauteil nicht zu befürchten haben. Ansonsten sind als Blitzschutz die selben
isolierenden Maßnahmen in die Tat umgesetzt, wie sie bereits im vorhergehenden
Kapitel 6.2.1 beschrieben sind.
58

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
6.3 Elektrische Anlagen
Jede WEA kann in vier unterschiedliche Abschnitte mit elektrische Betriebsmitteln
eingeteilt werden. Die Abschnitte sind:
• Generator,
• Niederspannungsschaltgeräte- und Leistungsaufbereitung,
• Transformator und
• Mittelspannungsschaltgeräte.
In Abhängigkeit von der Anlagengröße können für bestimmte WEA-Gruppen die beiden
Letzten Abschnitte zusammenfallen. Bei Windenergieanlagen mit einer installierten
Leistung von ≥ 250 kW besitzt normalerweise jede WEA ihren eigenen Transformator. [9]
Abb. 19: Prinzipschaltbild der elektrischen Betriebsmittel einer netzgekoppelten WEA [9]
59

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
6.3.1 Maschinenhaus
Auf der Strecke von der Rotornabe zum Turmfuß liegt in großer Höhe das Maschinenhaus.
Hier enden in einem Steuerschaltschrank viele wichtige Signalleitungen, beispielsweise
von der Windfahne und dem Anemometer, die sich auf dem Maschinenhaus befinden. Die
Signaleingänge der Steuerung werden mit Überspannungsschutzgeräten im Schaltschrank
geschützt. Weitere wichtige Signale sind die des Generators und des Getriebes, z. B. die
Wicklungstemperatur und der Öldruck. Die Spannungsversorgung mit 230/400 V erhält
das Maschinenhaus von der Niederspannungshauptverteilung im Turmfuß. Über
Azimutantriebe wird das Maschinenhaus immer optimal in den Wind gedreht. Daher hat
das Steuerungssystem eine komplexe Kontroll- und Regelaufgabe. Es ist für jeden
Hersteller von enormer Wichtigkeit, dass ein Systemausfall durch Überspannung
wirkungsvoll verhindert wird. Die Überspannungsschutzgeräte auf der Spannungsversorgungs-
und der Signalseite gehören daher zum umfassenden Schutzkonzept.
Abb. 20: Schaltschrank im Maschinenhaus einer WEA von GE Wind Energy [13]
60

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
6.3.1.1 Windsensoren und Flugbefeuerung
Auf dem Maschinenhaus (Gondel) sind leeseitig Windfahne, Anemometer sowie die
Flugbefeuerung angebracht. Diese werden gegen direkte Blitzeinschläge durch eine
Fangeinrichtung geschützt, welche gemäß DIN V VDE V 0185-3 konzipiert ist.
6.3.2 Generator
Bisher wurden, wie auch am Getriebe, am Generator einer Windkraftanlage keine Schäden
festgestellt, die eindeutig auf Blitzeinschläge zurück zu führen sind. Dennoch wird der
Generator in der Regel durch eine isolierende Kupplung mit dem Getriebe verbunden und
durch eine stabile Gummilagerung zum Boden des Maschinenhauses entkoppelt. Es ist
darauf hinzuweisen, dass diese Maßnahmen hauptsächlich getroffen werden, um die
Übertragung von Maschinengeräuschen zu verringern.
6.3.3 Stromversorgungssystem
In der Niederspannungshauptverteilung im Turmfuß der WEA befinden sich der
Leistungsabgang zur Transformatorstation sowie der Frequenzumrichter. Er dient der
Frequenzanpassung an das 50-Hz-Stromversorgungssystem. Das Stromversorgungssystem
zwischen Generator und Trafostation wird als 400/690 V TN- oder 690 V IT System
ausgeführt. Bei zunehmend größeren Leistungen der Windenergieanlagen sind auch höhere
Systemspannungen zu erwarten um die Baugröße der Generatoren zu begrenzen. Zur Zeit
existieren keine Blitzstromableiter, die speziell für die o. g. Systemspannungen entwickelt
wurden. Überspannungsschutzgeräte jedoch, die im üblichen 230/400 V-System
Verwendung finden und eine Ableiter - Bemessungsspannung von Uc = 440 V besitzen,
können unter Berücksichtigung entsprechender Einbaubedingungen auch in 400 /690 V-
Systemen verwendet werden.
Die nachfolgend vorgestellte technische Lösung der Firma „Phoenix Contact GmbH & Co.
KG“ ist bereits in einer Vielzahl von Windenergieanlagen eingesetzt worden. Über
61

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
Ausfälle elektrischer Systeme von Windenergieanlagen die diesem Konzept mit
Blitzstrom- und Überspannungsableitern beschaltet wurden ist bisher nichts bekannt
[i6][i7].
In Abb. 21 ist für den Übergang von Blitzschutzzone 0 zu Zone 1 in der
Niederspannungshauptverteilung der Windenergieanlage der typische Installationsort der
Blitzstromableiter im 400/690 V-System skizziert. Je nach Anlagengegebenheiten und
Erfordernissen werden die Blitzstromableiter vor oder nach dem Hauptschalter installiert.
Der Vorteil der Installation vor dem Hauptschalter liegt darin, dass auch bei geöffnetem
Schalter der Blitzstrompotentialausgleich gewährleistet ist.
Abb. 21: Typischer Aufbau der Schaltschränke im Turmfuß [i7]
Blitzstromableiter haben die Eigenschaft, aufgrund ihrer Funktionsweise einen
impedanzbehafteten Kurzschluss nach dem Ansprechen im Stromversorgungssystem zu
verursachen. Dieser wird aber von leistungsfähigen Blitzstromableitern selbst wieder
unterbrochen. Damit wird eine hohe Verfügbarkeit erreicht, weil vorgeschaltete
Sicherungsorgane nicht ansprechen. Bei WEA der derzeitigen typischen Leistungsklassen
von 600 kW bis 2,5 MW sind am dargestellten Installationsort Kurzschlussströme von
62

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
ca. 8 kA bis 30 kA zu erwarten. Es stehen dem Anwender Blitzstromableiter mit einem
Blitzstromableitvermögen von 50kA (10/350)µs und einem Uc = 440 V zur Verfügung.
Diese Ableiter sind zusätzlich in der Lage, einen prospektiven Kurzschlussstrom /
Netzfolgestrom von 50 kA 50/60Hz zu beherrschen, d. h. sicher abzuschalten.
Vorsicherungen der Größenordnung 160A= bis max. 250A= lösen nicht aus.
Abb. 22: Blitzparameter [i6]
Die für das 230/400 V-System festgelegten Einbaubedingungen haben im 400/690 V-
System nur noch eingeschränkt Gültigkeit. Die Luft- und Kriechstrecken sind der
Betriebsspannung von 690 V anzupassen. Das lässt sich durch einen zusätzlichen Abstand
zwischen den Überspannungs-Schutzgeräten erreichen. Idealerweise lassen sich hier zwei
Endhalter mit der Baubreite je 9,5 mm zwischen den Überspannungs-Schutzgeräten
einsetzen. Somit können Standard-Verdrahtungsbrücken z.B. MPB 18/... zur PE/PA-
Brückung am Ableiterfußpunkt verwendet werden. Da der „Germanische Lloyd“ die
Forderung stellt, WEA mit Nabenhöhen > 60 m in die Blitzschutzklasse II (150 kA/75 kA,
(10/350)µs) einzugruppieren und auch die VDE 0127 Teil 24 diese Werte fordert, sind
Blitzstromableiter auf die maximale Blitzstrombedrohungsgröße von 75 kA der
Windenergieanlage auszulegen. Im TN-C-System mit den drei Phasen besteht somit die
Anforderung, dass das Summen – Blitzstromableitvermögen der Ableiter mindestens
75kA(10/350µs) betragen muss. Bei einer symmetrischen Stromaufteilung muss jeder
Ableiter 25kA (10/350)µs tragen.
63

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
Die Blitzstromableiter sind bei einer Systemspannung von 690 V in ein Isolationsgehäuse
oder auf eine PVC-Unterlage zu installieren. Die Tragschiene, auf der die
Blitzstromableiter montiert werden, darf nicht geerdet sein. Damit wird verhindert, dass
sich ein ungewollter Überschlag beim Ableiten eines Stoßstromes von den
Ausblasöffnungen der Blitzstromableiter zum geerdeten Montageblech ereignet. Abb. 23
zeigt mögliche Applikationen für die Haupteinspeisung und für den Generatorschutz.
Abb. 23: Applikationen für Ableiter im 690V – System [i7]
In Abb. 24 ist die Installation des Blitzstromableiters FLT PLUS in der Niederspannungshauptverteilung
des Windenergieanlagen-Herstellers NORDEX gezeigt. Da sich
bei Spannungen von 690 V das Ausblasverhalten der Blitzstromableiter stark ändert,
müssen sie in ein Isolationsgehäuse oder auf einer PVC-Montageplatte installiert werden.
64

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
Abb. 24: Schaltschrank des Anlagenherstellers Fa. NORDEX mit FLT-PLUS für 690V Anwendungen.
Die Ableiter sind in einer PVC U-Schale installiert. [i7]
Besteht die Aufgabe, auf der 690 V-Seite Komponenten der Leistungselektronik
(Frequenzumrichter, Thyristorstarter) mit geringerer Spannungsfestigkeit gegen
Blitzteilströme und transiente Überspannung zu schützen, werden getriggerte
Funkenstrecken mit parallel geschalteten Varistorableitern eingesetzt. Die Koordination
der Ableiter erfolgt dann nach dem AEC-Prinzip (Active Energy Control) wie in Abb. 25
dargestellt.
Abb. 25: Schaltung AEC [i6]
UAF : Ansprechspannung der Funkenstrecke
UVar Opt : Varistorenspannung für optimale Arbeitsweise
UTrigg : Zündspannung der Funkenstrecke
65

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
Hierbei wird die Triggerspannung der Funkenstrecke auf die optimale
Energieabsorbtionsfähigkeit des nachgeschalteten Varistors ausgelegt. Eine Entkopplung
über Leitungslängen oder Spulen ist dabei nicht mehr erforderlich. Bei Verwendung von
Funkenstrecken, die eine Zündspannung von 1,5 kV haben, und Varistorableitern mit einer
Nennspannung von 400 V werden Restspannungen von ca. 1.200 V erreicht. Die
Aufbauzeichnung zeigt Abb. 26.
Abb. 26: FLT-PLUS CTRL in direkter Parallelschaltung mit Varistorableitern nach dem
AEC Prinzip [i7]
Dieses Konzept erlaubt es, Überspannungs-Schutzgeräte mit einer Bemessungsspannung
von 440V, die für das 230/400 V-System entwickelt wurden, unter Berücksichtigung von
speziellen Einbaubedingungen auch an höheren Systemspannungen einzusetzen. Zum
Einhalten der Luft- und Kriechstrecken sind die Überspannungs-Schutzgeräte auf Abstand
zueinander zu installieren. [i6] [i7]
66

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
6.4 Steuerungssystem
Die Anlagensteuerung fragt die Sensorik der Anlagenkomponenten sowie die meteorologischen
Daten (Windrichtung und Windgeschwindigkeit) ab. Während des Betriebs
werden sämtliche Sensoren der Anlagenkomponenten abgefragt. Aus diesen Messwerten
errechnet die Steuerung die Notwendigen Parameter für den Betrieb der WEA. Bei Bedarf
werden dann die der Situation angemessenen Maßnahmen eingeleitet. Die Anlage kann
sowohl automatisch als auch durch manuellen Eingriff gesteuert werden. Ein solcher
manueller Eingriff wird normalerweise nur vorgenommen, wenn die Anlage „geparkt“,
d.h. aus dem Wind gefahren werden soll.
Das Steuerungssystem bedingt ein ausgedehntes Kabelsystem in Rotor, Gondel und Turm
der WEA. Aufgrund der Tatsache, dass Signalstromkreise nur Spannungen von einigen
zehn Volt überstehen sind für diese Stromkreise besondere Maßnahmen zum Schutz vor
Überspannungen zu treffen.
Üblicherweise ist die Elektronik der Anlage galvanisch getrennt aufgebaut und befindet
sich in Schaltschränken im Turmfuß, der Gondel und der Nabe. Alle Datenein- und
-ausgänge sind über Optokoppler bzw. über Relais entkoppelt. Die Ausführung einer
Kommunikation über Lichtwellenleiter hat den Vorteil, dass die Drähte kein Metall
enthalten und somit die an beiden Enden befindlichen Baugruppen gegen Überspannungen
schützt. Auch wenn die Lichtwellenleitertechnik für diesen Fall ideal ist und auch
zunehmend Anwendung findet, so werden weiterhin auch metallische Leiter verwendet, in
die sich Spannungen einkoppeln können.
Um durch z.B. Blitzeinschläge verursachte Spannungsunterschiede zwischen sich auf
unterschiedlichen Ebenen befindliche Schaltschränke weitest möglich zu minimieren, ist
für einen guten Potentialausgleich zwischen allen metallischen Ebenen zu sorgen.
67

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
Abb. 27: Zwei Steuerschränke, die auf unterschiedlichen metallischen Ebenen angeordnet sind [9]
Überspannungsschutzeinrichtungen (SPD) sind Bauteile oder Schaltungen, die dazu dienen
durch Blitzeinwirkung, Schalthandlungen oder anderweitig verursachte transiente
Überspannungen auf ein akzeptables Maß zu begrenzen. Sie sind notwendig, wenn trotz
Schirmung, Potentialausgleich und richtiger Leitungsführung die eingekoppelten
Spannungen höher sein können als die für die Steuerungs- und Messsystemen erlaubten
Spannungen. Die Reduzierung der Spannung auf akzeptable Werte wird dadurch erreicht,
dass die SPD oberhalb einer bestimmten Spannung ihre Impedanz verändert. Die
Spannung bei der sich die Impedanz ändert, sollte hoch genug sein, um einen sicheren
Normalbetrieb des nachgeschalteten Stromkreises zu gewährleisten, jedoch klein genug,
um ein Überscheiten der Isolationsdurchbruchspannung oder den Ausfall des Steuer-,
Regel- oder Messstromkreises zu vermeiden.
Grundsätzlich ist darauf zu achten, dass eine SPD die Eingangssignale der zu schützenden
Bauteile nicht verändert. Die korrekte Auswahl der Überspannungsschutzeinrichtung ist in
Abhängigkeit von der Art des zu schützenden Stromkreises oder Betriebsmittels zu treffen.
Die folgenden Abbildungen zeigen mögliche Überspannungsschutzschaltungen für
Signalstromkreise. Beide Beispiele sind sowohl als fertige Baugruppen wie auch als
einzelne Bauelemente erhältlich.
68

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
Abb. 28: Schaltung eines Schutzbausteins für erdpotentialfreie Stromkreise [17]
Abb. 29: Beispiel einer Kombinations-SPD [9]
Abb. 29 zeigt eine Kombination von SPD zum Abblocken und Umlenken von Stoßspannungen.
Eine Funkenstrecke kann, im Verhältnis zu ihrer Größe, große
Energiemengen umlenken, jedoch können trotzdem noch schädliche transiente
Spannungen im Bereich von mehreren hundert Volt den Schutz passieren. Ein MOV kann
trotz schnellen Wirkens noch genügend transiente Stoßgrößen zur Beschädigung von
empfindlichen Elektronikbaugruppen passieren lassen. Ein sehr schnell ansprechender
Schutz kann mit Zehner-Dioden erreicht werden. Diese auch als Lawinendurchbruchdioden
(ABD) bekannten Dioden können jedoch nur geringe Energiemengen umlenken.
Für die Koordinierung der Funktion dieser Bauelemente und um sicherzustellen, dass das
jeweilige maximale Energieverteilungsvermögen nicht überschritten wird, sind zusätzliche
Impedanzen erforderlich. In vielen Fällen können geeignete Abstände die Widerstände und
Induktivitäten für diese Impedanz liefern. In Baugruppen von Mehrfachschutzsystemen
sind aufgrund der kurzen Verbindungswege zwischen den Bauelementen Widerstände und
Induktivitäten eingefügt, wobei darauf zu achten ist, dass die Induktivitäten nicht in den
Sättigungsbereich gelangen können. [9]
69

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
Ist die Wahl für die richtige SPD getroffen, so wird ausdrücklich empfohlen, jede SPD in
das Blitzschutzzonen-Konzept (siehe Kap. 5.4) der WEA zu integrieren. Die SPD oder
Überspannungsableiter sollten an den Zonengrenzen angeordnet sein und mit möglichst
kurzen Leitungen angeschlossen sein.
6.5 Fernmeldekabel
Alle Signaldaten werden üblicherweise auf einem PC visualisiert. Der Großteil dieser
Daten wird üblicherweise über eine Modemverbindung sowohl an den Anlagenbetreiber,
wie auch dem für die WEA zuständigen Serviceteam übertragen. Deshalb gehört zur
vollständigen Betrachtung eines Blitzschutzkonzeptes auch die Fernmeldezuleitung.
In VDE 0228 Teil 1 und 2 werden folgende Schutzmassnahmen für Fernmeldekabel
beschrieben, für den Fall dass Erdungsspannungen höher als 1200V zu erwarten sind:
• Isolierte Einführung des Metallmantels in die Mittelspannungsanlage und Erdung
des Mantels am anderen Kabelende außerhalb des Spannungstrichters. An dem
Kabelende, an welchem der Mantel nicht geerdet ist, sind Maßnahmen gegen den
Abgriff einer zu hohen Berührungsspannung zu treffen.
• Der Metallmantel bleibt vollständig gegen Erde isoliert (schwebendes Potential)
oder es werden Fernmeldekabel ohne Metallmantel verwendet. Auch hier sind
gegebenenfalls Maßnahmen gegen zu hohe Berührungsspannung, z. B. Schutzisolierung
der gesamten Kabeleinführung, zu treffen.
Da überwiegend geschirmte Fernmeldekabel verwendet werden, insbesondere im Netz der
Deutschen Telekom, stellt der Schirm einen Leiter des Potentialausgleichs zwischen WEA
und dem nächsten Verteiler dar. Aus diesem Grund ist für eine gute Verbindung des
Kabelschirmes zu den Erdungsschienen der Endpunkte zu sorgen, wie auch für eine gute
leitende Verbindung an eventuellen Verbindungsstellen (Muffen) zu sorgen.
70

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
Abb. 30: Varianten der Kabelschirmkontaktierung [18]
6.6 Erdungsanlage
Um die aus einer WEA fließenden Blitzströme in der Erde zu verteilen, ist es notwendig,
ein geeignetes Erdungssystems zur Begrenzung von Überspannungen vorzusehen, die für
Menschen oder und Betriebsmittel gefährlich sein könnten. Dies ist mit einer
Erdungsanlage mit niedriger Impedanz erreichbar. Jede WEA muss mit einer eigenen
Erdungsanlage ausgerüstet sein, selbst wenn diese an eine größere Erdungsanlage eines
Windparks angeschlossen ist. [9]
Für Windkraftanlagen der MW-Klasse (als Beispiel dient wieder die bereits bekannte
protec MD) bieten sich besonders Stahltürme bzw. Stahlbetontürme an, die auf einem
vorbereiteten Fundament befestigt werden. Das Fundament verfügt über einen
Fundamenterder, der nach DIN V VDE V 0185-3 konzipiert ist. Die Erdungsanlage der
sollte zeitgleich mit den Fundamentarbeiten ausgeführt werden. Vom Fundamenterder
werden mindestens drei Verbindungen zum Fußflansch des Turmes vorgesehen (Abb. 31).
Diese Verbindungen sind über den Umfang der verteilt und mit dem Fußflansch leitend
verbunden. Jedes Windrad besitzt am Fuß seine eigene Trafostation.
71

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
Aus diesem Grund ist die Erdungsanlage der Übergabe-/ Unterstation an die
Erdungsanlage der WEA angeschlossen. Falls der Erdungswiederstand der gesamten
Erdungsanlage einen Wert von 10Ω überschreitet, wird die Erdungsanlage durch
zusätzliche Tiefenerder ergänzt, die an den Anschlussfahnen der Ringerder angeschlossen
werden. Durch diese ergeben sich folgende Vorteile:
• Personenschutz
Durch den Ringerder wird die Schritt – und Berührungsspannung für Personen
reduziert, die sich bei Blitzeinschlag in der Nähe des Turmfundaments befinden
• Betriebssicherheit
Der Tiefenerder gewährleistet einen stabilen und niedrigen Widerstand zum fernen
Erder für die gesamte Erdungsanlage.
Abb. 31: Erdungsanlage der „protec MD“ [15]
72

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
6.7 Blitzschutzmaßnahmen an Windparks am Beispiel Luxemburg
In Luxemburg sind zur Zeit mehrere Windparks verschiedener Größenordnungen
(Maschinenleistungen von 600 bis 1800 kW) in Betrieb. Die Windparks selbst bestehen
meist aus 2 bis 10 Windkraftanlagen. Jedes Windrad besitzt am Fuß seine eigene
Trafostation. Die Entfernung zwischen Windkraftanlage und Trafostation liegt in einem
Bereich bis ca. 20m. Die Erdungsbedingungen sind bisher auf 2 verschiedenen
Meinungsebenen ausgeführt worden.
Da gibt es zum einen den Fall der getrennten Erder. Stationserde und Fundamenterde der
Windkraftanlage sind nicht miteinander verbunden. Das Erdpotential des Windrades wird
jedoch durch den PEN-Leiter der 690V-Speisung des Transformators in die Station
eingeführt. Bei Blitzeinschlägen in die Windkraftanlage kommt es je nach Höhe der
Blitzstehstoßspannung irgendwann zu einem Überschlag in der NS-Verteilung vom PEN-
Potential auf das Gehäuse des Verteilers, welches auf dem Potential der Stationserde liegt.
(10cm Distanz reichten bisher nicht aus! [14] )
Abb. 32: Erdungssystem einer Windenergieanlage [14]
73

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
Als Lösungsansatz wurde wie folgt verfahren: Einbau von Überspannungsableitern gemäß
Abb. 32, wobei zu bemerken wäre, dass es momentan keine Blitzstromableiter für
Spannungen von 690V gibt (siehe Kap. 6.3.1.1). Dies konnte durch einen aufwendigeren
Installationsaufwand (größerer Abstand zur Montageplatte sowie zwischen den einzelnen
Ableitern) behoben werden.
Nach mehreren Ausfällen verschiedener Anlagen infolge Blitzeinschlägen mit
anschließenden Überschlägen im Stationsbereich (Fernmeldekabel, Steuerung, etc. ) auf
Grund der getrennten Potentiale wurde alles auf ein gemeinsames Potential
zusammengelegt. Ausfälle der Anlagen durch Blitzeinschläge und anschließendem
Fehlerfall wurden somit auf ein Minimum reduziert. Bei den auf der 20kV-Netzseite
verlegten Kabeln handelt es sich um Einzelleiter (185 oder 240 mm 2 ) mit einer
Kupferschirmung von 25 mm 2 . Wegen der Netzüberwachung auf Leitungsfehler sind diese
Schirmungen in jeder Station (also beidseitig) mit dem Stationspotential (Stationserde)
verbunden. Bei den Anlagen mit gemeinsamem Erder für Station und Windkraftanlage
wird sich demzufolge ein Teil des Blitzstromes über die Schirmung abbauen und kann zu
Durchschlägen in der PE-Umhüllung des Mittelspannungskabels führen, besonders wenn
diese Umhüllung bei der Verlegung eventuell beschädigt wurde. Feuchtigkeit wird somit in
die Kabelumhüllung eindringen und zu einer wahrscheinlich schnelleren Alterung des
Kabels führen. Je nach Häufigkeit der Blitzeinschläge könnte nach einigen Jahren bereits
aus besagten Gründen ein Leitungsfehler auftreten. Um dieses zu vermeiden, wurden bei
der Ausführung der Anlagen mit gemeinsamen Erdern die einzelnen Windkraftanlagen
eines Windparks mittels eines blanken Cu-Seils 35 mm 2 zusätzlich untereinander
verbunden. Diese Verbindungen führen zusätzlich zu einer weiteren Verbesserung des
Erdwiderstandswertes und zu einer Reduzierung der Spannungseinkopplungen auf
Fernmelde- und Steuerkabel. Somit müsste auch sichergestellt sein, dass lediglich geringe
Ableitströme über die Schirmung der Mittelspannungskabel fließen.
74

Diplomarbeit Daniel Swoboda Blitzschutz einer Windkraftanlage
Es hat sich gezeigt, dass das Zusammenlegen sämtlicher leitender Elemente
(Stahlkonstruktion des Windrads, Fundamenterder und Stationserder) zu einem
gemeinsamen Potential als die betriebssichere Variante darstellt.
Somit besteht die Grundbasis für einen effizienten Blitzschutz in der Ausführung einer
vorschriftsmäßigen Erdungsanlage bezüglich der gesamten Anlage. [14]
75

Diplomarbeit Daniel Swoboda Abschließende Betrachtung
7 Abschließende Betrachtung
Ursprünglich sollte diese Diplomarbeit den derzeitigen Stand der Blitzschutzmaßnahmen
an Windkraftanlagen unterschiedlicher Leistungsklassen darstellen. Im Verlauf der
Recherchen konzentrierte sich diese Arbeit jedoch zunehmend auf die Maßnahmen zum
Blitzschutz bei Anlagen von etwa 100 kW bis zu denen der MW-Klasse.
Die Gründe hierfür liegen bei den Herstellern kleiner bzw. kleinster Windenergieanlagen.
Vielfach wird die Meinung vertreten, dass ihre Anlagen klein genug und sich ein
Blitzschutzsystem aufgrund der geringen Einschlagwahrscheinlichkeit nicht lohnt. Im
Allgemeinen wird der Kosten – Nutzen – Faktor häufig als Begründung für ein fehlendes
Blitzschutzsystem angeführt. Des weiteren wurde in einem Fall etwas scherzhaft darauf
hingewiesen, dass eine Versicherung, sofern eine gefunden wird, durchaus als
Blitzschutzsystem anzusehen sei.
Nichts desto trotz wird bei einem Großteil der Hersteller kleinerer Anlagen mit
horizontaler Drehachse darauf geachtet, dass zumindest eine durchgängige leitende
Verbindung von der Spitze der Rotorblätter bis zum Fundamenterder besteht.
Bei größeren Anlagen hat sich gezeigt, dass die Vorgaben der Normen VDE 0127 Teil 24,
sowie VDE V 0185 Teil 1 bis Teil 4 weitest gehend umgesetzt sind. Dennoch wird zur
Zeit an der Entwicklung von Blitzstromableitern, die für die Systemspannungen
(400/690 V TN- oder 690 V IT-System) speziell entwickelt sind, gearbeitet.
Die Entwicklung der Blitzschutzsysteme schreitet wie auch die Entwicklung der WEA
stetig voran. Dennoch lässt sich festhalten, dass zumindest die großen Anlagen durch recht
ausgereifte Blitzschutzsysteme geschützt sind.
76

Diplomarbeit Daniel Swoboda Anhang
8 Anhang
8.1 Glossar
ABD : Lawinendurchbruchdioden (Avalanche Breakdown Diode)
Auffangwirksamkeit : Fähigkeit zum Auffangen eines Blitzes
Bemessungswirksamkeit
:
Fähigkeit zum Führen des Blitzstroms
BGV : Berufsgenossenschaftliche Vorschift
Blatteinstellwinkelregelung
:
BSA : Blitzschutzanlage
Verstellung der Rotorblätter um ihre Längsachse
DEWI : Deutsches Windenergie-Institut GmbH
Ebertstr. 96 ; 26382 Wilhelmshaven
Growian : Kunstwort, zusammengesetzt aus den Abkürzungen für Große
Windenergie–Anlage ; Versuchs – Windenergieanlage
von 1980 – 1987
Häufigkeitsverteilung : Angabe, welche der einzelnen interessierenden Windgeschwindigkeiten
mit wieviel Prozent bzw. Stunden im Jahr
vorkommt
Leeläufer : Der Rotor dreht auf der windabgewandten Seite, also „hinter“
dem Turm (z.B. GROWIAN)
Luvläufer : Der Rotor dreht in Windrichtung gesehen „vor“ dem Turm
MOV : Metalloxidvaristor
prospektiver
Kurzschlussstrom :
Der eingeschwungene Strom der in einem bestimmten
Stromkreis unter angegebenen Bedingungen dauernd fließen
würde, wenn der LS-Schalter durch eine vernachlässigbare
Impedanz ersetz ist
SPD : Überspannungsschutzeinrichtung
WEA : Windenergieanlage
77

Diplomarbeit Daniel Swoboda Anhang
8.2 Quellen
8.2.1 Internetrecherche
Die Internetrecherche wurde mit Hilfe der folgenden Suchmaschinen durchgeführt:
• google (www.google.de),
• metacrawler (www.metacrawler.de),
• Fireball (www.fireball.de) und
• AltaVista (www.altavista.com).
8.2.2 Internet und elektronische Medien
[i1] Dipl.-Ing. Heiner Dörner;
http://www.ifb.uni-stuttgart.de/~doerner/windenergie1.html
[i2] http://www.lrz-muenchen.de/~matthias_heymann/forschung_hey.html
[i3] http://www.ifb.uni-stuttgart.de/~doerner/windenergie2.html
[i4] http://www.rwe.com/en/one_group/chonicle/chronicle_six/chronicle_six.jsb?bhcp=1
[i5] http://www.bupnet.de/now/Wind/Doc221.html
[i6] http://www3.phoenixcontact.com/de/download/ueberspannungsschutz/download/
WKA3.pdf
J Schimanski, B. Fritzemeier, M. Wetter; Phoenix Contact GmbH & Co. KG,
Blomberg, Germany; K. Scheibe; University of applied sciences, Kiel ,Gemany:
Anforderungen an Blitzstromableiter in 400/690 V – Systeme von
Windenergieanlagen
[i7] http://www3.phoenixcontact.com/de/branchen/energie/loesungen/
vortrag_kiel_v3a4.pdf
Dipl.-Ing. Bernd Fritzemeier, Dipl.-Ing. Joachim Schimanski, Dr. Ing. Martin Wetter;
Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg: Blitz- und Überspannungsschutz an
Windenergieanlagen unter besonderer Berücksichtigung der Anforderungen an
Blitzstromableiter für 400/690 V - Systeme
78

Diplomarbeit Daniel Swoboda Anhang
8.2.3 Literatur
[1] Keuper, Armin; Molly, Jens Peter; Stückemann, Christiane; DEWI: Windenergienutzung
in der Bundesrepublik Deutschland - Stand 30.06.1992 - ;
DEWI Magazin Nr. 1
[2] Rehfeldt, Knud; Stand, Christian; DEWI: Windenergienutzung in der Bundesrepublik
Deutschland - Stand 31.12.2000 - ; DEWI Magazin Nr. 18, Februar 2001
[3] Carsten Ender; DEWI: Windenergienutzung in der Bundesrepublik Deutschland
- Stand 30.06.2001 - ; DEWI Magazin Nr. 19, August 2001
[4] Carsten Ender; DEWI: Windenergienutzung in der Bundesrepublik Deutschland
- Stand 31.12.2001 - ; DEWI Magazin Nr. 20, Februar 2002
[5] Carsten Ender; DEWI: Windenergienutzung in der Bundesrepublik Deutschland
- Stand 30.06.2002 - ; DEWI Magazin Nr. 21, August 2002
[6] DIN V VDE V 0185-1 (VDE V 0185 Teil 1): Blitzschutz;
Teil 1: Allgemeine Grundsätze
[7] DIN V VDE V 0185-2 (VDE V 0185 Teil 2): Blitzschutz;
Teil 2: Risiko – Management:
Abschätzung des Schadensrisikos für bauliche Anlagen
[8] DIN V VDE V 0185-3 (VDE V 0185 Teil 3): Blitzschutz;
Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen
[9] DIN IEC 88/117/CD: 1999, (VDE 0127 Teil 24): Windenergieanlagen;
Teil 24: Blitzschutz für Windenergieanlagen
[10] Heier, Siegfried; Nutzung der Windenergie, ein Informationspaket;
Hrsg. Fachinformationszentrum Karlsruhe, Gesellschaft für Wissenschaftlich-
Technische Information mbH. [BINE, Bürger-Information Neue Energietechniken,
Nachwachsende Rohstoffe, Umwelt]. – 3. völlig überarb. Aufl. -
Verl. TÜV Rheinland GmbH, Köln 1995. ISBN 3-8249-0242-7
[11] Hau, Erich; Windkraftanlagen: Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit
Springer – Verlag Berlin Heidelberg 1988, ISBN 3-540-50065-0
[12] Hasse, Peter; Wiesinger, Johannes: Handbuch für Blitzschutz und Erdung
– 4. bearb. Aufl. -
1993 Richard Pflaum Verlag GmbH & Co. KG, München ; ISBN 3-7905-0657-5
1993 VDE-Verlag Berlin/Offenbach ; ISBN 3-8007-1882-0
79

Diplomarbeit Daniel Swoboda Anhang
[13] Dipl. Ing. Bernd Fritzemeier; Phoenix Contakt GmbH & Co. KG, Blomberg:
Überspannungsschutzkonzept für Windenergieanlagen;
ew Jg. 101(2002), Heft 20
[14] persönliche Korrespondenz mit Herrn Thierry Weyrich; CEGEDEL S.A.,
rue Thonas Edison 2, 2089 Luxemburg, Luxembourg
[15] Fa. Fuhrländer: Windenergieanlage protec MD; Beschreibung Blitzschutz – Auszug
[16] Fa. ENERCON: ENERCON E-66 / 1500 kW; Kurzbeschreibung; August 1996
[17] Schimanski, Joachim; Überspannungsschutz: Theorie und Praxis;
1996 Hüthig GmbH, Heidelberg; ISBN 3-7785-2335-X
[18] Jens Pelser; Diplomarbeit: Verbesserung des Blitzschutz-Konzepts für auf hohen
Windmeß-Masten montierten Schalenstern-Anemometern; FH Aachen Abt. Jülich,
FB Elektrotechnik und Automation; März 2001
80