Torsion, Abrieb, Extremtemperaturen: Leitungen in Windenergieanlagen müssen vielen widrigen Umständen widerstehen. Für seine Anlagen setzt die W2E Wind to Energy GmbH auf Kabel und Leitungen des Herstellers Helukabel.
: Beim Bau von Windkraftanlagen setzt W2E auf Kabel und Leitungen von Helukabel; Quelle: Karsten Würth
Tagtäglich werden auf der gesamten Welt neue Windkraftanlagen errichtet. Dementsprechend voll sind die Auftragsbücher der W2E Wind to Energy GmbH in Rostock. Einer der langjährig erfahrenen Ingenieure und gleichzeitig Mitgründer des Windkraftanlagenentwicklers ist Dr. Torsten Schütt, Head of Electrical Engineering. Er sagt: »Überall wo es um die Erzeugung von Strom geht, kommen Kabel und Leitungen eine Schlüsselrolle zu. Die von uns geplanten Windkraftanlagen bewegen sich mittlerweile im Bereich von vier Megawatt. Da kommen mehrere tausend Ampere Stromstärke zusammen. Dafür benötigen wir die entsprechende Verkabelung – für den Stromtransport, aber auch für viele weitere Anwendungen.« Dazu gehören etwa Steuer-, Daten- oder Kommunikationsleitungen. In nahezu allen Fällen arbeitet W2E mit dem Hersteller Helukabel als Zulieferer zusammen. Alle Leitungen haben dabei eines gemeinsam, wie Uwe Schenk, Global Segment Manager Wind von Helukabel, anmerkt: »In Windkraftanlagen werden Leitungen richtig gefordert«, sagt er. »Unsere Produkte müssen daher eine große Bandbreite von Anforderungen wie Torsionsfestigkeit oder Umweltbeständigkeit erfüllen. Wir stellen durch aufwändige Testverfahren sicher, dass Sie denen gewachsen sind.« Besonderen Wert legt Helukabel hierbei auf Langlebigkeit. »Windkraftanlagen sind auf eine Laufzeit von mindestens 20 Jahren und mehr ausgelegt«, sagt Torsten Schütt. »In dieser Zeit darf es leitungsseitig zu keinen Ausfällen kommen.«
Problemzone Loop
Uwe Schenk ist Global Segment Manager Wind bei Helukabel
Besonders im Fokus der Kabelexperten steht dabei der sogenannte Kabel-Loop. Dieser stellt sicher, dass sich die Gondel samt Rotorblätter in die von der Windrichtung abhängige, optimale Stellung drehen kann. Durch diesen Vorgang wirken starke Kräfte auf die Leitungen. »Natürlich versuchen wir durch die Konstruktion, die Torsion möglichst gering zu halten«, sagt Schütt. »Es lässt sich allerdings nicht ausschließen, dass sich Leitungen bis zu vier Mal um die eigene Achse verdrehen.« Uwe Schenk von Helukabel ergänzt: »Bei ungeeigneten Kabeln wären Schlaufenbildung, Aderbrüche und Materialabrieb die Folge. Das würde zu Anlagenstillstand und teuren Wartungen führen.« Spezielle Loop-Kabel wie die WK-Serie von Helukabel halten das aus. Als belastbare Kupferleitungen der Klasse 5 und 6 sind sie mit einer speziellen Verseilung der einzelnen Litzen ausgestattet. Als Isolationswerkstoff für die Aderisolation und den Mantel werden spezielle, hochabriebfeste Materialien eingesetzt. So halten die Leitungen mindestens 18.000 Torsionszyklen aus. Das ist deutlich mehr als die maximal 15.000 Zyklen, die eine Windkraftanlage innerhalb ihrer Lebensdauer benötigt. »Um diese Standfestigkeit zu garantieren, steht in unserem Werk Windsbach ein maßstabsgetreuer Testturm«, sagt Schenk. »Der Loop in diesem Gittermast ist exakt so aufgebaut wie in Windkraftanlagen.«
Eine speziell angefertigte Antriebs- und Steuerungstechnik führt verschiedenste Torsionszyklen und Programme in Anlehnung an reale Begebenheiten durch. Die Kabel werden dabei mit der größtmöglichen Torsion von bis zu +/-150 Grad je Meter belastet. Diese Testbedingungen sind bewusst um ein Vielfaches extremer als die Realität und dauern schon mal ganze vier Monate. Uwe Schenk: »Durch unsere Tests haben wir erkannt, dass Torsionsleitungen mit einem verflochtenen C-Schirm nur bedingt tordieren und schon nach rund 1.000 Zyklen Schaden nehmen. Deshalb hat die WK-Serie einen D-Schirm für höchste Standzeiten.« Dabei ist der Kupferschirm als Schirmumlegung und nicht verflochten ausgeführt.
Große Reibungspunkte
Dr. Torsten Schütt, Head of Electrical Engineering, ist Mitgründer des Windkraftanlagenentwicklers W2E
Das zweite große Thema im Loop ist neben der Torsion der Abrieb. Durch Vibrationen und die enge Anordnung der Kabel reiben sie permanent aneinander. Dabei lösen sich kontinuierlich kleine Partikel, was die Wandstärke des Außenmantels reduziert. Nach einigen tausend Zyklen ginge so der dringend benötigte mechanische Schutz verloren, Aderisolation und Kupferlitze würden freigelegt. W2E und Helukabel setzen daher auf abriebfeste Isoliermaterialien wie Polyurethane (PUR) oder vergleichbare Thermoplastische Elastomere (TPE). »In der Tribologie der Werkstoffe für Kabel und Leitungen erzielen bereits hochwertige PVC-Isolationswerkstoffe sehr gute Ergebnisse«, sagt Schenk. »Wir haben aber mit PUR und TPE wesentlich bessere Langzeiterfahrungen gemacht.« Neben der Materialwahl ist auch die Veredelung von besonderer Wichtigkeit. Die Oberfläche des Außenmantels muss ädhäsionsarm sein, um ein Gleiten der Leitungen aneinander zu gewährleisten.
Eine Frage des Materials
Die Materialwahl ist auch ausschlaggebend für viele weitere Anforderungen, die die Leitungen erfüllen müssen. Denn Windkraftanlagen stehen oft in Gebieten mit extremen und sehr wechselhaften Temperaturen. Die speziellen Kunststoffe von Windkraftanlagen-Leitungen kommen deshalb mit -55 bis +145 Grad Celsius zurecht – und auch wenn sich das Material temperaturbedingt oft ausdehnt oder zusammenzieht, wird es nicht spröde. Genauso resistent sind die Leitungen gegenüber den vielen verschiedenen Ölen der Windindustrie. Die WK-Serie ist sogar über das herkömmliche Prüfprozedere nach VDE oder UL (Oil res. I, Oil res. II) hinaus zertifiziert. »Gerade in Europa kommt bei diesen Tests eine weitere Schwierigkeit hinzu«, sagt Schütt. »Viele unserer Kunden verlangen, dass die Werkstoffe ohne Halogenanteil auskommen.« Der Grund hierfür liegt im Brandschutz beziehungsweise den Folgen, die ein Brand haben könnte. Verbrennen Halogene, entsteht in Verbindung mit Feuchtigkeit toxische und korrosive Säure.
Nicht zuletzt spielt die elektromagnetische Verträglichkeit in der Praxis eine Rolle. Der zusätzliche D-Schirm sorgt dafür, dass sich die Leitungen nicht gegenseitig elektromagnetisch beeinflussen. Vorteilhaft ist, dass Leitungen zur Spannungsversorgung und solche für sensorische Daten auf gleichen Leitungswegen unmittelbar nebeneinander verlegt werden können. Schirmungen sind auch am Potenzialausgleich beteiligt und verhindern Schäden bei Überspannungen durch Blitzeinschläge oder Schalthandlungen. Blitze schlagen häufig in den Rotorblättern ein und müssen dann über Rezeptoren, die definierte Einschlagpunkte vorgeben, von der Nabe über den Turm zur Erde abgeleitet werden.
Internationale Richtlinien
Neben der Technik bestimmt ein weiteres Thema die Arbeit von W2E – die Vielzahl der international verschiedenen Richtlinien wie UL oder CSA. »Windkraftanlagen für die gesamte Welt zu entwickeln, kann gerade durch die unterschiedlichen Normen eine herausfordernde Aufgabe sein«, bestätigt Schütt. Ein Beispiel: Nach der seit Mai 2016 gültigen UL 6141 müssen im nordamerikanischen Raum alle zugänglichen Kabel in Kanälen verlegt werden. Wo dies nicht sinnvoll oder möglich ist, dürfen zukünftig für die offene Verlegung nur noch sogenannte Tray-Kabel verwendet werden. Schütt: »Um den Aufwand für uns möglichst gering zu halten, sind wir darauf bedacht, möglichst wenige verschiedene Leitungen zu kaufen, die aber für viele Länder zertifiziert sind.« Das sehen auch die Experten von Helukabel so: »Wir zertifizieren möglichst wenig Leitungen für möglichst viele Richtlinien«, sagt Schenk. »So liefern wir die WK-Serie für W2E gleich auf mehrere Kontinente.« Dieser Ansatz lohnt sich: Mittlerweile liefen bei Helukabel schon mehrere tausend Kilometer des Torsionskabels von der Rolle.
