In der vorliegenden Arbeit werden die Beanspruchungsgrößen Strom und Spannung, die infolge eines direkten Blitzeinschlages in eine Windenergieanlage entstehen, ermittelt und darauf aufbauend der Überspannungsschutz für Windenergieanlagen betrachtet. Dies wird anhand eines Netzwerkmodells in EMTP-ATP untersucht, das eine konkrete Windenergieanlage auf Basis ihrer geometrischen und materialspezifischen Daten komplett abbildet. Das Modell berücksichtigt bei steilen Blitzstoßströmen Wanderwelleneffekte, die höhenabhängige Wellenimpedanz, die frequenzabhängige Dämpfung und die magnetische Kopplung innerhalb der Windenergieanlage. Jede einzelne Komponente Rotorblatt, Gondel, Turm, Erdung der Windenergieanlage im Blitzstromhauptpfad wird jeweils mit einem spezifischen Modell dargestellt und das komplette Netzwerkmodell wird mit energietechnischen Anlagen, Energiekabeln und angeschlossenem NS-/MS-Netz erweitert. Das Netzwerkmodell wird mit Messdaten validiert. Durch transiente Netzwerkberechnungen werden die Blitzstromverteilung und die auftretenden Überspannungen innerhalb der Windenergieanlage bei unterschiedlichen Blitzströmen ohne und mit Überspannungsschutzkonzept ermittelt. Auf Basis der gewonnenen Berechnungsergebnisse werden Anforderungen für ein leistungsfähiges Überspannungsschutzkonzept abgeleitet. Darüber hinaus werden die wichtigsten Anforderungen an Blitzstrommesssysteme für Windenergieanlagen werden außerdem beschrieben. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Blitzstrommesssystem entwickelt und an Windenergieanlagen installiert, mit dem alle Blitzstromverläufe bzw. -komponenten erfasst werden können.
The lightning current distribution and overvoltages within a wind turbine as a result of a direct lightning strike are investigated in the following thesis. Based on this analysis, the overvoltage protection for wind turbines is considered.
The electromagnetic transient simulation program EMTP-ATP is used to develop an adequate network model for the analysis. Relevant components for the lightning current path in wind turbine are rotor blades, nacelle, tower and earth termination system which are all represented with corresponding network models. The models are based on geometric and material-specific data of the wind turbine which consider travelling wave effects, height-dependent surge impedances and magnetic coupling inside the wind turbine. Furthermore, the electrical power system on the MV and LV side is considered. The developed network model is validated by measurement data. The lightning current distribution and overvoltages within the wind turbine are calculated for different lightning currents for both without and with consideration of overvoltage protection devices in the wind turbine. Based on the results of this analysis, requirements for an effective surge protection concept are derived and proposed.
Furthermore, a lightning current measuring system was developed within the scope of this work and installed on wind turbines. The developed lightning current measuring system is capable of recording all lightning current components striking wind turbines. This resulted in a description of the most important requirements that should be considered in the design phase of the measuring system.