Schwingungs-Abwehr in rauer See

Technik

Offshore - Trafos müssen speziell an die Bedingungen auf See angepasst sein: aggressives Klima, Überspannungen und nicht zuletzt die ständige Bewegung des Meeres.

29. Januar 2010

Voraussichtlich im Jahr 2011 wird der Offshore-Windenergiepark Greater Gabbard seinen Betrieb aufnehmen. Er umfasst 140 Windenergieanlagen mit einer Gesamtleistung von 500MW. Zwei Offshore-Umspannplattformen mit drei 180-MVA- und zwei 90-MVA-Leistungstransformatoren werden ihn an das Stromversorgungsnetz anbinden.

Die Transformatoren formen die zusammengefasste Energie von 33 auf 132kV um. Die Aufteilung auf zwei Plattformen verfolgt den Zweck, die Kabelwege innerhalb des Windparks und damit die Verluste bei der Energieübertragung möglichst klein zu halten.

Greater Gabbard wird mit seinen 500MW aber nur kurze Zeit der größte Windpark der Welt bleiben, denn höchstwahrscheinlich schon ein Jahr später nimmt London Array seinen Betrieb auf: Der vor der Themse-Mündung gebaute Park wird dann der erste in der Gigawatt-Klasse sein und möglicherweise auch der erste, der ohne Subventionen wirtschaftlich elektrische Energie erzeugt.

Dieser 175 Windturbinen umfassende Park wird ebenfalls mit zwei Offshore-Umspannplattformen arbeiten. Je zwei 180-MVA-Transformatoren aus dem Siemens-Werk in Dresden werden die 33kV der Turbinen auf 150kV umspannen.

Denn die hohen Leistungen, die in Offshore-Windparks erzeugt werden, müssen über Einspeisepunkte an der Küste in die Verbraucherzentren transportiert und dort ins Netz gespeist werden. Um diese Aufgabe wirtschaftlich zu erfüllen, verändern Transformatoren auf dem Weg vom Offshore-Generator bis zum Verbraucher mehrmals die elektrische Spannung. Das fängt in der Windkraftanlage an und geht über die Offshore-Umspannwerke, die Ballungszentren bis in die regionalen Verteilnetze. Verteiltransformatoren erzeugen zuletzt die im Ortsnetz übliche Spannung.

Jeder Windpark stellt allerdings spezifische Anforderungen aufgrund sich von Standort zu Standort unterscheidenden Parametern wie geografischer Lage, Spannung, Leistung, Klimabedingungen, Netztopografien und Normbestimmungen. Deshalb sind die Transformatoren für den jeweiligen Einsatzfall projektierte Einzellösungen.

Faktor Wind und Seegang

Bei Offshore-Windenergieanlagen liegen die Anforderungen an die Betriebssicherheit besonders hoch. Wartung oder gar Reparaturen werden schnell teuer, denn die Anlagen liegen meist Dutzende von Kilometern von der Küste entfernt.

Außerdem arbeiten Offshore-Transformatoren unter erschwerten Betriebsbedingungen. Zum Beispiel wird im Netz häufig zu- und abgeschaltet und zur Optimierung des Kosinus ist eine entsprechende Anzahl von Kondensatoren installiert. Daher können entsprechend oft Überspannungen und Spannungseinbrüche auftreten.

Zu den energietechnischen Belastungen kommen hohe Luftfeuchtigkeit, Salz und extreme Temperaturbedingungen. Diese erfordern meerwasserbeständige Werkstoffe, besonders beständige Korrosionsschutzbeschichtungen und die vollständige Kapselung von Baugruppen.

In der höchsten IEC WindklasseI arbeiten Windenergieanlagen in bestimmten Meeresgebieten mit einer durchschnittlichen Windgeschwindigkeit von 10m/s, müssen aber auch 50-Jahres-Extremwerten von 50m/s standhalten. Die ständige Bewegung des Meeres und besonders rauer Seegang sind fähig, Verwindungen und Schwingungen zu verursachen, die sich bei ungünstiger Bauweise sogar durch Resonanz verstärken könnten.

Die Transformatoren sind deshalb besonders stabil gebaut. Um etwa axiale Schubkräfte zu reduzieren legen die Experten beim Design der Wicklungen besonderes Augenmerk auf eine kompakte Auslegung. Der Aktivteil des Transformators wird getrocknet, danach wird zunächst die Einspannkraft der Wicklungen eingestellt und die Verschraubungen am noch 100°C heißen Aktivteil geprüft und gesichert. Um zu verhindern, dass die Isolierteile wieder Feuchtigkeit aus der Luft ziehen, wird der Aktivteil nach dem Einsetzen in den Kessel schnell und unter Vakuum mit Isolieröl gefüllt.

Die Wirksamkeit der Kühlung ist eine wichtige Voraussetzung für die Betriebssicherheit während der meist jahrzehntelangen Einsatzdauer der Transformatoren. Kühlkanäle in den Wicklungen sorgen für schnellen Abtransport der Wärme. Die Kühlung des Isolieröls übernimmt ein mehrstufiger Kühlkreislauf.

Allein die Wärme der Wicklungen bildet den Motor für die thermische Konvektion, welche diese zu den außen am Transformator montierten Kühlradiatoren befördert. Neben dieser Onan-Kühlung sind die Transformatoren mit Lüftern ausgestattet (Onaf), um auch bei hoher Leistungsbeanspruchung die Hitze sicher abzuführen.

Für Offshore-Einsätze bietet Siemens hermetisch geschlossene und mit Kühl- und Isolierflüssigkeit FR3 gefüllte Transformatoren an. Dieser natürliche Ester hat einen hohen Flammpunkt und einen großen Temperatur-Einsatzbereich. Außerdem ist er biologisch abbaubar und somit umweltschonend.

Unter Strom im Prüffeld

Das Werk in Dresden produziert vor allem Transformatoren für Leistungen zwischen 40 und 280MVA und bildet unter anderem das Konzern-Kompetenzzentrum für Offshore-Mittelspannungstransformatoren.

Der Anwender erachtet bei Transformatoren eine Betriebsdauer von 30 Jahren nahezu als selbstverständlich. Dies stellt hohe Anforderungen an jeden einzelnen Schritt des Herstellprozesses von der Projektierung bis zur Montage am Einsatzort. Vor Auslieferung zum Einsatzort unterzieht das Herstellerwerk jeden einzelnen Transformator einer definierten und umfassenden Qualitätsüberprüfung, welche die Erfüllung aller Normvorgaben nachweist.

Dabei muss jeder einzelne Transformator im speziell ausgerüsteten Prüffeld des Werkes eine Reihe von Tests bestehen. Zu diesen gehören zum Beispiel Spannungs-, Blitzstoßspannungs- und Erwärmungsprüfungen, aber auch die Messung des Geräuschpegels oder der Oberschwingungen.

»Platz ist ein teures Gut«

Ulrich Voss - , Leiter Vertrieb und Projekte Leistungstransformatoren bei Siemens über besondere Anforderungen an Offshore-Trafos.

Interview

es: Welche Eigenschaften unterscheiden Offshore-Transformatoren von jenen für normale Einsätze?

Die Aufgabe, Spannungen zu transformieren ist natürlich die gleiche, jedoch sind auf offener See die Anforderungen an die Betriebssicherheit noch einmal höher. Dies wird in der elektrischen und mechanischen Auslegung berücksichtigt. Die Anschlusstechnik ist gekapselt. Ebenso muss der Korrosionsschutz höchsten Anforderungen genügen.

es: Für welche Leistungsbereiche baut Siemens in Dresden Offshore-Transformatoren?

Wir bauen Offshore-Transformatoren weltweit in unseren verschiedenen Werken für die gesamte Transportkette: Öl- und Gießharz-Verteiltransformatoren für den Transport von der Windmühle zur Offshore-Plattform. Leistungstransformatoren für den Transport von der Plattform zur Einspeisestelle an der Küste, sowie für die Transformation an Land zum Transport bis hin zum Verbraucher.

es: Die Transformatoren müssen fürjeden Einsatzfall speziell ausgelegt werden. Sind die Bedingungen für die Netzanbindung so unterschiedlich oder hat dieses noch andere Gründe?

Die Gründe sind vielfältig. Neben den Anforderungen des Netzes ist die geografische Lage der Plattform zu berücksichtigen, spezifische Umgebungsbedingungen, Temperaturen. Abhängig von der Größe des Windparks und von der Leistung der Mühlen sowie der Philosophie des Windpark-Betreibers wird die Transformator-Leistung definiert. Und natürlich ist eine kompakte Bauweise gefordert, denn Platz ist auf einer Plattform ein teures Gut.

Erschienen in Ausgabe: 01/2010