Fachartikel
Strapazierfähige Torsionskabel und -leitungen für den Loop in der Windkraftanlage
‚Loop‘ nennt sich der Teil der elektrischen Leitungsverlegung in einer Windkraftanlage, der dafür Sorge trägt, dass sich Gondel samt Rotorblätter in die von der Windrichtung abhängige optimale Stellung drehen können, ohne dabei einen Kabelsalat zu verursachen. Diese Windrichtungsnachführung ist damit auch die am meisten gestresste Stelle in einer solchen Anlage, weil sie sehr stark torsionsbeansprucht wird. Der Komplettanbieter von Kabel- und Leitungen für Windkraftanlagen HELUKABEL weiß genau, wie dieser Bereich auszulegen ist.
Für den dritten Sonntag im Juni 2013 und damit einem sehr heißen gab das Internationale Wirtschaftsforum Regenerative Energien (IWR) ein Rekordergebnis bekannt: Der Anteil von Sonne und Wind an der Stromversorgung in Deutschland stieg erstmalig auf 61 %. Im Zeitraum von 14 bis 15 Uhr betrug der bundesweite Strombedarf rund 48.500 MW. Zusammen steuerten Wind- und Solaranlagen 29.600 MW zur Kraftwerksleistung bei, während auf die konventionellen Kraftwerke (Atom, Kohle, Gas, Öl) nur noch eine Leistung von rd. 18.900 MW entfiel. Dieser Wert belegt, welchen enormen Beitrag Erneuerbare Energien zur Stromversorgung leisten können.
Rundum-Sorglos-Pakete
Der Systemanbieter HELUKABEL in Hemmingen bietet individuelle Lösungen für jegliche Anwendungen in Windkraftanlagen (WKA) und ist damit bestens gerüstet für die weltweiten Ziele hinsichtlich Ausbau der Energieerzeugung durch die Nutzung von Windenergie. Das Vollsortiment umfasst u. a. spezielle Leitungen mit erhöhter Öl- und Hitzebeständigkeit für die Gondel, auf bis zu 18.000 Torsionszyklen getestete tordierbare Leitungen für den Loop und flexible Aluminium- sowie Kupferkabel und Lichtwellenleiter für den Turm. Alle Anforderungen hinsichtlich klimatischer Bedingungen von -55° bis +145 °C und Offshore-Anwendungen sowie hohe Brandprüfungen und internationale Approbationen nach UL, CSA, FT4, CE, VDE und WTTC können dabei erfüllt werden.
Torsionskabel im Stress
Den wohl extremsten Anforderungen sind die Loop-Kabel der HELUWIND WK-Serie ausgesetzt. Sie verbinden die Leitungen von der Gondel mit denen im Turm. Bei ihnen spielt die Drehbewegung der Gondel eine große Rolle, denn die WKA werden mit der Nabe in die Windrichtung ausgerichtet. „Dieser Teil der Leistungsverkabelung vom Generator über den frei hängenden Loop bis zur Turm-Innenwand ist richtig Stress für die Leitungen“, sagt Uwe Schenk, Global Segment Manager Wind bei der HELUKABEL. „Während manche Anbieter eine Empfehlung für den Einsatz von Aluminium für die Torsionsanwendung im Kabel-Loop der WKA aussprechen, entspricht das nicht unserer Erfahrung“, so Schenk. Über eine geplante Lebensdauer der WKA von etwa 20 Jahren werden den Leitungen in dieser Applikation bis zu 15.000 Torsionszyklen abverlangt. „Auf vermehrte Anfrage haben wir Aluminiumkabel hinsichtlich der Anforderungen in der Windindustrie auf Torsion getestet. Sie haben nicht standgehalten“, resümiert Schenk, selbst bei positiven Testergebnissen, fehlen uns Langzeit-Erfahrungswerte. Etwa 10.000 Biegezyklen dreht sich die Gondel zum Turm. Dabei wird ein Zyklus gezählt, wenn sich die Gondel einmal nach den Vorgaben der Sensorik in den effektivsten Stand zum Wind gedreht hat. Maximal dreht sie sich dabei 3 ½ Mal nach links beziehungsweise 3 ½ Mal nach rechts. So gibt man der Gondel die Möglichkeit einer Mehrfachdrehung, ohne jedes Mal bei Windrichtungswechsel zum Null-Punkt zurückkehren zu müssen.
Kupfer für den Kabel-Loop
Aufgrund der bei diesem Test gewonnenen Erkenntnisse 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. „Der Kabelloop ist die Achillesferse einer WKA-Installation. Nach nunmehr über 6500 km installierten Loop-Leitungen kennen wir aber diese heikle Stelle und haben sie seit langer Zeit im Griff“, resümiert der Segmentleiter.
Tests unter mehr als realen Bedingungen
Um die Kabel und Leitungen unter realen Bedingungen testen zu können, hat HELUKABEL in Windsbach eigens für diese Aufgabe einen 8,5 m hohen Testturm mit einem Maßstab getreuen Loop errichtet. Die Kabel werden in der Testanlage ständig mit der größtmöglichen Torsion von bis zu ±150 Grad pro Meter belastet. Dabei führt eine speziell angefertigte Antriebs- und Steuerungstechnik verschiedenste Torsionszyklen und Programme in Anlehnung an realen Gegebenheiten der Drehbewegung der Gondel durch. In einer speziell konzipierten Kabelhalterung können bis zu 20 Kabel gleichzeitig montiert und getestet werden. Diese Testbedingungen sind um ein vielfaches extremer als in der Realität und werden ergänzend zu herkömmlichen Methoden durchgeführt. Der Nachweis der Torsion auf einer gesamten Looplänge bestimme im Wesentlichen den kontinuierlichen Entwicklungs- und Verbesserungsprozess der HELUWIND WK-Serie.
„Bei herkömmliche Methoden werden die Probanden von ein bis zwei Metern eingespannt und tordiert sowie das Eigengewicht des Loops simuliert, so dass die Leitungen überhaupt keine Chance haben, etwas anderes zu machen als sich in vorgegebenen Strukturen zu bewegen. Das ist für uns nicht ausreichend. Uns interessiert vielmehr, was auf der kompletten Länge der Leitung passiert“, gibt der Segmentleiter zu bedenken. Hierbei entstehe eine spezielle Dynamik, bei der die Leitungen oben mehr wie unten drehen, teils sogar viel mehr als die 150 Grad pro Meter. „Nach dem maximalen Torsionsgrad wird die Länge des Kabel-Loops ausgelegt“, so Schenk und beschreibt eine weitere Erkenntnis: „Durch diese Tests haben wir erkannt, dass Torsionsleitungen mit einem verflochtenen Schirm, dem sogenannten C-Schirm, nur sehr bedingt tordieren können, erste Schäden treten bereits nach 1000 Torsionszyklen auf. Daher haben wir die WK Serie mit einem D-Schirm für hohe Standzeiten ausgestattet.“
Grundsätzlich werden am Testturm 15.000 bis 18.000 Biegezyklen – übrigens auch von LWL-Leitungen – getestet. Die Loopleitungen in einer WKA werden in zwanzig Jahren zwischen 8000 und 12.000 Mal tordiert. Auch mit diesen Werten nehmen die Windsbacher eine Alleinstellung ein: „Die meisten Mitbewerber testen nur auf 10.000 Mal. Solch ein Test dauert bis zu vier Monate und wird dann wiederholt. Unabhängig von der kundenspezifischen Auslegung macht diese Absicherung durchaus Sinn und bietet dem Kunden eine hundertprozentige Funktionssicherheit“, sagt der Segmentleiter.
Robuste Kabelausführung
Torsionskabel müssen sich verdrehen und wieder öffnen können, ohne dass sie dabei beschädigt werden. Daher sind sie entsprechend ihrer Beanspruchung anders aufgebaut wie beispielsweise Leitungen für Energieführungsketten. Ein spezieller Kupferleiter mit optimierten Verseilschlaglängen der einzelnen Litzen kommt zum Einsatz, auch die einzelnen Adern sind ebenfalls hinsichtlich der Torsion entsprechend optimiert. Spezielle Compounds sorgen für die Minimierung des Abriebs, der hier durch die große Masse an Leitungen besonders hoch ist. Das Mantelmaterial der WK Serie ist besonders resistent dagegen. Wichtig ist es, eine gleitende Oberfläche zu erhalten, um ein Radieren und Kleben der Oberflächen zu vermeiden. „Bei uns kommen als Isolationswerkstoff spezielle PVC und Polyurethane zum Einsatz, die wir unter anderem an unserem Meißener Standort entwickeln.
Zahlreiche Zulassungen für weltweiten Einsatz
„Ganz wichtig sind die zahlreichen Approbationen unseres Produktportfolios nach UL, CSA, FT4, CE, VDE, TC und WTTC“, so Schenk. Dadurch habe der Planer die Möglichkeit, unabhängig vom Projektstandort HELUKABEL Produkte einsetzen zu können – egal in welchem Erdteil das Kabel Einsatz findet, bei minus 40 °C im Norden oder bei plus 50 °C in der Wüste. Selbst im Offshore-Bereich unter Einfluss von Salzwasser und Salznebel ist die WK Serie auf alle weltlichen Gegebenheiten ausgelegt. Die aufgeführte Performance in Kombination mit UL, CSA und Halogenfreiheit ist nahezu ein Alleinstellungsmerkmal der WK 135 und WK 137.
„Sehr eigen ist übrigens der amerikanische Markt“, bemerkt Schenk. Spezielle UL Installations- und Brandschutz-Vorschriften nach NEC Normen, die Konformität nach NFPA 79, selbst die Verlegung der Leitungen auf Kabelpritschen ist durch die TC (Traycontrol) als auch WTTC (Wind Turbine Tray Control) sowie die im Prozess befindliche UL6141/UL6142 geregelt. Besondere Beachtung erfordern die nicht geschützte, offene Verlegung der Kabel ER (expose run) als auch die mechanischen Eigenschaften „cold impact“ und „cold bending“. Diese Produkte fertigen wir nach neustem Standard bereits in den USA. Die Verfügbarkeit wird durch unsere Niederlassung in Elgin, IL sichergestellt. Von unserem Logistikzentrum in Hemmingen aus bedienen wir den europäischen Markt.
Die Autorin Angela Scheufler ist freie Journalistin und Geschäftsführerin der Presse Service Büro GbR, Neunkirchen a. B.
Bilder:
(Bild oben): Die neue Serie HELUWIND WK Powerline ALU HELUKABEL eignet sich sowohl als Leistungskabel als auch als Torsionskabel.
Der 8,5 m hohe Testturm in Windsbach wurde mit einem Maßstab getreuen Loop ausgestattet.
In der speziell konzipierten Kabelhalterung lassen sich bis zu 20 Kabel gleichzeitig montieren und testen.
Auf bis zu 18.000 Torsionszyklen werden die tordierbaren Leitungen für den Loop im Testturm getestet.
Blick in den Prüfraum für Kabelmessungen bei HELUKABEL
Download: Text Bilder
Kontakt:
HELUKABEL GmbH
Dieselstraße8-12
71282 Hemmingen
Tel.: 07150/9209 339, Fax: 07150/9209 5339
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