Fachartikel
Fein drähtiges Aluminiumkabel in Klasse 5 für alle Turm-Arten von Windkraftanlagen
Von der Rotorspitze bis zum Turm-Fuß bietet HELUKABEL alles, was die verschiedensten Windkraftanlagen benötigen: Leistungskabel, Torsionskabel, Lichtwellenleiter, Kabel für Monitoring und Kommunikation, Mittelspannung und Glasfaserkabel für die Infrastruktur sowie die gesamte Peripherie um die elektrische Leitung herum. Mit der neuen Serie „HELUWIND WK Powerline ALU“ hat das Unternehmen seit zwei Jahren nahezu ein Alleinstellungsmerkmal inne, das Windkraftbetreibern zahlreiche Vorteile bietet.
„Die Leistungsverkabelung in einer Windkraftanlage (WKA) hängt von verschiedenen Faktoren ab, welche die Turm-Struktur und der Auftraggeber vorgeben“, sagt Uwe Schenk, Global Segment Manager Wind bei der HELUKABEL GmbH in Hemmingen. Zum einen gibt es verschiedene Turmarten, die sich einteilen in Stahlrohrtürme, Betonrohrtürme, Hybridtürme, Gittermasttürme und Holztürme. Die Hybridtürme bestehen aus Stahlbeton und Stahlelementen und können zurzeit bis zu 140 m hoch gebaut werden. Die Auslegung der Leitungen ist zudem abhängig von der Anlagengröße. Eine Windkraftanlage produziert zwischen 1,0 und 7,6 MW, die von der Gondel nach unten zu bringen sind. Die Leistungsverkabelung kann mit Kupfer oder Aluminium ausgeführt werden. Hier gibt es zwei favorisierende Gruppen am Markt: Die einen bevorzugen das Kupferkabel, weil sie sich auf der sicheren Seite damit glauben. Die anderen setzen auf das Aluminiumkabel, weil sie zudem auf den kaufmännischen Aspekt fokussiert sind. Der Beitrag soll zeigen, warum das Aluminiumkabel in beider Hinsicht den Zuschlag bekommen sollte.
„Wir haben das Vollsortiment, um eine komplette Windkraftanlage individuell auszurüsten“, verspricht Schenk. „Zudem begleiten wir die Ingenieure schon während der Planungsphase. Zusammen mit ihnen ermitteln wir die optimale Leistungsverkabelung, für die es vier verschiedene Arten der Auslegung gibt.“ Das sind die Kupfer-Klasse 2, Kupfer-Klasse 5, Aluminium-Klasse 2 und Aluminium-Klasse 5. Kupfer- als auch Aluminiumkabel der Klasse 2 sind starr und unflexibel. Der Litzenaufbau der Klasse 5 ist die flexible Ausführung. Flexibel ist das Unternehmen auch in der Schnittstellenauslegung, so dass HELUKABEL in der Lage ist, jede Art einer WKA auszustatten.
Kupfer im Loop, Aluminium im Turm
„Jeder Hersteller elektrischer Kabel und Leitungen hat eine eigene Philosophie zur Auswahl des richtigen Isolations- und Leiterwerkstoffes. Es gibt Anbieter, die eine Empfehlung für Aluminium für die Torsionsanwendung im Kabel-Loop der WKA aussprechen. Das entspricht nicht unserer Erfahrung“, so Schenk. Über eine geplante Lebensdauer der WKA von ca. 20 Jahren werden den Leitungen in dieser Applikation bis zu 15.000 Torsionszyklen abverlangt. Dieser Teil der Leistungsverkabelung vom Generator über den frei hängenden Loop bis zur Turm-Innenwand sei richtig Stress für die Leitungen. Daher verwendet der Leitungsspezialist dort ausschließlich den wesentlich belastbareren Kupferleiter der Klasse 5 mit einer speziellen Verseilung der einzelnen Litzen. Als Isolationswerkstoff für die Aderisolation und Mantel werden spezielle hochabriebfeste Materialien eingesetzt. „Nach nunmehr über 6500 km installierten Loop-Leitungen kennen wir die heikelste Stelle der Leistungsverkabelung einer Windkraftanlage und haben diese Anwendung, die ich als Achillesferse betrachte, seit Jahren im Griff“, resümiert der Segmentleiter.
Die herkömmliche Bauweise von WKA ist der Stahlturm mit drei bis vier Segmenten. Hier gibt es die Möglichkeit, dass die Leitungen beim Turmbauer vorinstalliert werden. Bei der Montage vor Ort werden die einzelnen Kabel dann über Pressverbindungen, der sogenannten Crimptechnik, miteinander verbunden. Dabei entstehen bis zu 80 Pressverbindungen, die gut gemacht und gut isoliert sein müssen, damit eine dauerhafte Funktion später gewährleistet ist. Eine gesamte Anlage so leitungstechnisch zu verbinden, dauert zwei bis drei Tage und ist sehr aufwendig. Auch dieser Teil der Leistungsverkabelung muss über die gesamte Lebensdauer der WKA funktionieren.
Energietransport in zwei Teilen
„Bedenkt man, dass ein Kraneinsatz bei der Montage von Windkraftanlagen einen Tagessatz von etwa 50.000 Euro kostet, ist die Installationszeit möglichst klein zu halten“, so Schenk. Für Anlagenbauer, die diesen Aufwand auf ein Notwendiges reduzieren möchten, bietet HELUKABEL eine Lösung an, mit der sich die Leitungen nach dem Loop in einem Stück innerhalb von 5 bis 6 h anschlussfertig in den Turm installieren lassen. Möglich ist das mit einer Aluminiumausführung in Klasse 5, der WK ALU Powerline. Sie lässt sich flexibel in die Turmstruktur einziehen und in Leerrohren durch das Fundament legen, um die Verbindung zum externen Transformator herzustellen.
Ein wichtiger Aspekt bei der Materialauswahl ist der Materialmarkt: „Mit Aluminium ist man relativ unabhängig von der Preisentwicklung, während Kupfer eine wesentlich höhere Volatilität hat. Wenn sich Kupferpreise ändern, müssen Endkunden schon mal ihre ganze Kalkulation wieder überdenken. Das brauchen sie bei Aluminium in diesem Umfang nicht“, beschreibt der Segmentleiter einen weiteren Vorteil. Alles in allem könne man beim Einsatz der flexiblen ALU Leistungskabel im Vergleich zu flexiblen Kupferleitern von einer Kostenersparnis von bis zu 40 % für die elektrische Leistungsverkabelung sprechen.
Als wichtigsten Punkt sieht Schenk den elektrotechnischen Part: „Aluminium verzeiht keine Fehler“. Kabel und Anschlusstechnik sollten als System aufeinander abgestimmt und geprüft werden. Der Füllfaktor des Leiters im Kabelschuh bzw. Pressverbinder ist ein wichtiger Aspekt. Nicht zu vernachlässigen sind in der Verbindungstechnik die leichten Vibrationen einer WKA. Daher sei ein rein mechanischer Auszugstest von Kabel und Anschlusstechnik nicht immer ausreichend. Eine verlässliche Aussage könne nur ergänzend durch einen elektrischen Test getroffen werden. Grundsätzlich sollte das Crimpwerkzeug in einem technisch einwandfreien und gewarteten Zustand sein. „Es entspricht nicht unbedingt unserer Philosophie, Leistungskabel zu unterbrechen. Daher bevorzugen wir eine unterbrechungsfreie Installation im Turm bis hin zum Umrichter im Turm-Fuß“, sagt der Segmentleiter. In der Praxis bedeute das eine vorkonfektionierte ALU-Leitung mit AL/CU Pressverbinder zum Loop und ein AL/CU Presskabelschuh zum Umrichter. Ganz im Sinne von plug and play könne so die Leitung in einem Stück durch den Turm bis zum Umrichter installiert werden.
Spezielle Crimptechnik sichert Leitfähigkeit
Eine Standard Crimp- oder Schraubtechnik sei bei einem feindrähtigen Aufbau der ALU Powerline aufgrund der höheren oxidierenden Oberfläche des Leiters nicht zu empfehlen. Mit herkömmlichen Crimpverfahren waren die elektrischen Werte bei großen Querschnitten relativ hoch und nicht ausreichend. Dadurch erwärmte sich der Kabelschuh unter Last zu sehr. Durch die höhere Temperatur am Leiter erhöht sich auch die Temperatur der Isolationswerkstoffe. Diese höhere Beanspruchung beschleunigt den Alterungsprozess der Leitung, da die Kontaktierung von Aluminium die größte Aufmerksamkeit verlangt.
Um diese Problematik zu umgehen, hat HELUKABEL für die ALU Powerline zusammen mit Partnerunternehmen mit der speziellen Crimptechnik C8 eine eigene Anschlusstechnik entwickelt: Diese Crimpkontur bringt das Aluminium zum Fließen, reißt somit die Oberfläche des Leiters mechanisch auf und macht sie leitfähig. Die Kontur dringt sehr tief in das Litzenbündel ein und ermöglicht damit die optimale Kontaktierung aller Litzen auch im Bündel-Kern. Optional hat das Unternehmen eine Schraubtechnik mit Abreißschrauben geprüft. „Prozesssicherheit ist uns ausgesprochen wichtig. Um diese sicher zu stellen, haben wir die Anschlusstechnik nach der IEC – DIN EN 61238-1 Klasse A vom TÜV Dortmund testen und zertifizieren lassen“, ergänzt Schenk. „Übrigens bieten wir auch einen weltweiten Leihservice für die Crimptechnik an, was am Markt sehr gut angenommen wird“.
Halogenfrei und für den amerikanische, kanadischen Raum
Der Segmentleiter hebt bei diesem all-inklusive-Portfolio auch das Angebot an halogenfreien Leitungen, den hohen Temperaturbereich und die zahlreichen Zertifizierungen für die weltweite Einsatzfähigkeit hervor: „Wir haben die verschiedensten Isolationswerkstoffe, darunter auch halogenfreie Ausführungen. Außerdem erfüllen wir alle Anforderungen hinsichtlich der klimatischen Bedingungen von -55° bis +145 °C sowie internationale Approbationen nach UL, CSA, FT4, CE, VDE, TC und WTTC.“ Die Kombination aus UL, CSA und Halogenfreiheit ist nahezu ein Alleinstellungsmerkmal der WK 135 und WK 137.
Man brauche das zwar relativ selten, aber es gibt Anwendungen besonders im amerikanischen Raum, wo der Brandschutz eine sehr hohe Rolle spielt. Dabei scheiden sich die Geister in Europa und auf dem amerikanischen Kontinent: Während die USA und Kanada einen hohen Wert darauf legen, dass überhaupt erst kein Brand entsteht, möchten es die Europäer eher sauber haben, wenn es brennt. Nachteil für die Amerikaner: Wenn es mal brennt, dann werden die schädlichen Bestandteile der Halogene wie Fluor, Chlor, Brom und Jod frei. In Verbindung mit Feuchtigkeit entsteht Blausäure, die ein Bauwerk kontaminiert. Mittlerweile fragt dieser Markt daher auch schon hin und wieder mal nach Halogenfreiheit, Tendenz steigend.
Bilder:
(Bild oben): Die neue Serie HELUWIND WK Powerline ALU beschert HELUKABEL seit zwei Jahrennahezu ein Alleinstellungsmerkmal.
Das halogenfreie feindrähtige Aluminiumkabel HELUWIND WK Powerline ALU eignet sich für alle Arten von Windkraftanlagen
Vom Leistungskabel über Glasfaserkabel für die Infrastruktur: HELUKABEL bietet das individuelle Vollsortiment für Windkraftanlagen.
Die Leitungskabel in einer Windkraftanlage können durchgängig oder segmentiert verlegt werden.
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