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Die Erfindung betrifft eine Kabelanordnung sowie ein Kabelsegment sowie für eine großtechnische Anlage, insbesondere für eine Windkraftanlage. Die Erfindung betrifft weiterhin eine derartige Anlage mit einer derartigen Kabelanordnung.
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Unter großtechnischen Anlagen werden vorliegend Anlagen mit einer elektrischen Leistung im Bereich von mehr als 100 Kilowatt (kW), vorzugsweise > 0,5 Megawatt (MW) verstanden. Insbesondere werden hierunter Anlagen mit einer elektrischen Leistung im Megawattbereich, beispielsweise im Bereich von 2 bis 5 MW oder auch darüber verstanden. Speziell betrifft die vorliegende Erfindung das Anwendungsgebiet der Windkraftanlagen zur Stromerzeugung, die für eine Leistung in dem angegebenen Megawatt-Bereich ausgelegt sind.
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Derartige Windkraftanlagen bestehen aus einem Turm, welcher an seinem oberen Ende eine sogenannte drehbare Gondel trägt, an der eine Nabe mit Rotorblättern befestigt ist. Innerhalb der Gondel befindet sich ein Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie. Die erzeugte elektrische Energie wird über eine im Turm verlegte Kabelanordnung nach unten zu einem Fuß des Turms geführt, um die Energie in ein Versorgungsnetz einspeisen zu können. Je nach Anlagentyp wird von den Komponenten in der Gondel Gleichstrom oder Wechselstrom bereitgestellt.
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Der Turm einer Windkraftanlage besteht typischerweise aus mehreren Turmsegmenten, die übereinander angeordnet werden. Ein jeweiliges Turmsegment weist typischerweise eine Höhe von mehreren 10m, oftmals im Bereich von 25 bis 35 m oder auch darüber auf. Um Montagekosten auf der Baustelle einer Windkraftanlage möglichst gering zu halten, wird grundsätzlich angestrebt, den Montageaufwand gering zu halten. Ein Ansatz hierzu besteht darin, die einzelnen Turmsegmente als vorkonfektionierte Module bereitzustellen. In diesem Fall sind die einzelnen Turmsegmente bereits mit Kabelsegmenten versehen. Kabelsegmente zweier benachbarter Turmsegmente müssen dann auf der Baustelle lediglich noch miteinander verbunden werden.
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Heutzutage werden für derartige Kabelsegmente flexible Kabel eingesetzt, um die Montage vor Ort auf der Baustelle zu ermöglichen. Die Flexibilität ist insbesondere auch erforderlich, um die Enden der einzelnen Kabelsegmente nach innen in das Innere eines jeweiligen Turmsegments beim Transport umzubiegen, um Beschädigungen zu vermeiden. Um die gewünschte Flexibilität zu erreichen, weisen die Kabel dabei üblicherweise einen mehrdrähtigen Leiter nach Art eines Litzenleiters auf. Ein jeweiliges Kabel kann dabei einphasig mit nur einem Leiter oder mehrphasig, insbesondere dreiphasig mit mehreren (drei) zueinander isolierten Leitern ausgeführt sein.
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Aufgrund des aktuell hohen Materialpreises für Kupfer werden neben Kupfer-Leitern auch mehrdrähtige Aluminiumleiter eingesetzt. Dabei werden üblicherweise mehrdrähtige Leiter gemäß Klasse 2 nach DIN EN 60228 eingesetzt. Im Hinblick auf die gewünschte hohe Flexibilität ist die Verwendung von fein- und feinstdrähtigen Leitern gemäß Klasse 5 bzw. gemäß Klasse 6 der genannten DIN EN 60228 von Vorteil.
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Bei Aluminium besteht grundsätzlich das Problem der Korrosion der Oberfläche. Dieses Problem wird aufgrund der widrigen Umgebungsbedingungen und Verhältnisse in einem Turm einer Windkraftanlage verstärkt. So sind die Kabel innerhalb eines Turms erheblichen Temperaturschwankungen sowie auch einer hohen Feuchtigkeit ausgesetzt. Die erheblichen Temperaturschwankungen resultieren insbesondere aus der Verlustwärme beim Stromtransport und infolge der unterschiedlichen Lastzustände in Abhängigkeit der aktuellen Windverhältnisse. Die Kabel erreichen im Betrieb bei Volllast durchaus Temperaturen von 80 bis 90°C. Entsprechend kühlen sie bei Windstille auf Umgebungstemperatur ab. Entsprechend heizt sich auch das Innere des Turms auf bzw. kühlt sich ab. Durch das unter Umständen rasche Abkühlen kann dabei die relative Luftfeuchtigkeit deutlich zunehmen und evtl. sogar auskondensieren. Insbesondere führen diese widrigen Umstände dazu, dass eine Oxidhaut, die sich auf dem Aluminiumleiter ausbildet, wieder aufbricht, sodass die Oxidation auch tiefer in den Leiter eindringt. Insbesondere bei der Verwendung von fein- und feinstdrähtigen Leitern kann dies zu erheblichen Problemen bis hin zu einem Totalausfall des Leiters führen.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für eine derartige großtechnische Anlage, insbesondere Windkraftanlage, eine geeignete Kabelanordnung mit zumindest einem aus mehreren Kabelsegmenten zusammengesetzen Kabel zur Verfügung zu stellen, um eine einfache, zügige Montage bei geringen Kosten zu ermöglichen, wobei zugleich die technische Funktionsfähigkeit dauerhaft gewährleistet ist.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Kabelanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Kabelsegment für ein Kabel für eine solche Kabelanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 und durch eine Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 16.
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Die im Hinblick auf die Kabelanordnung angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auch auf das Kabelsegment sowie die Anlage und umgekehrt übertragen.
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Die Kabelanordnung weist zumindest ein und vorzugsweise mehrere Kabel auf und ist für eine großtechnische elektrische Anlage ausgelegt. Ein jeweiliges Kabel weist dabei üblicherweise eine Strombelastbarkeit von zumindest 100 Ampere und insbesondere von zumindest 200 oder 300 Ampere, vorzugsweise von zumindest 500 A gemäß der deutschen Norm VDE 0298-4 auf. Speziell ist die Kabelanordnung für eine Windkraftanlage, und zwar zur Verlegung im Turm einer Windkraftanlage zum Transport der von der Windkraftanlage erzeugten elektrischen Energie ausgebildet. Das jeweilige Kabel ist dabei aus mehreren Kabelsegmenten zusammengesetzt, wobei jedes Kabelsegment einen steifen Hauptstrang und einen flexiblen Teilstrang aufweist, die miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Der steife Hauptstrang weist dabei einen stabförmigen Leiter und der flexible Teilstrang einen biegeflexiblen, mehrdrähtigen Leiter auf.
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Unter „steif“ sowie „flexibel“ wird vorliegend allgemein verstanden, dass der Hauptstrang eine deutlich geringere Biegeflexibilität im Vergleich zum Teilstrang aufweist, beispielsweise eine um zumindest den Faktor 10 kleinere Biegeflexibilität. Insbesondere wird die Steifigkeit auf der einen Seite durch die stabförmige Ausgestaltung und die biegeflexible Ausgestaltung des flexiblen Teilstrangs durch die mehrdrähtige Ausgestaltung erzielt.
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Durch den stabförmigen Leiter sowie durch den flexiblen Leiter ist insgesamt ein Segmentleiter des Kabelsegments gebildet. Bei einer einphasigen Anordnung weist ein jeweiliges Kabelsegement eines Kabels vorzugsweise lediglich einen Segmentleiter auf. Bei einer dreiphasigen Anordnung weist ein Kabelsegment eines Kabels drei jeweils von einem Isolationsmantel umgebene Segmentleiter auf, die von einem gemeinsamen Kabelmantel umgeben sind. Vorzugsweise weist ein jeweiliges Kabelsegment lediglich einen einzigen Segmentleiter auf.
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Der stabförmige Leiter des steifen Hauptstrangs sowie der flexible Leiter des flexiblen Teilstrangs sind üblicherweise jeweils noch von einem Isolationsmantel umgeben, der bei der einphasigen Ausgestaltung vorzugsweise den Kabelmantel bildet. Zweckdienlicherweise ist im Querschnitt betrachtet das Kabel daher gebildet aus dem Segmentleiter und dem Kabelmantel. Dieser ist insbesondere lediglich einlagig. Als Isoliermaterial können herkömmliche Isoliermaterialien aus Kunststoff oder auch aus Gummi herangezogen werden. Grundsätzlich kann ein zusätzlicher Kabelmantel vorgesehen sein. Dieser ist jedoch nicht zwingend erforderlich, wenn ein ausreichender Abstand zwischen den einzelnen Kabeln und zu weiteren Komponenten (Gehäuse) sichergestellt ist.
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Unter Hauptstrang wird vorliegend verstanden, dass dieser die Hauptlänge des Kabelsegments bildet, vorzugsweise mehr als 80% und insbesondere mehr als 90% der Kabellänge des Kabelsegments. Insgesamt ist der Hauptstrang also deutlich länger, beispielsweise um zumindest den Faktor 10 länger als das flexible Teilstück.
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Diese Ausgestaltung mit dem sehr langen stabförmigen Leiter und dem nur sehr kurzen flexiblen Leiter beruht dabei auf der Überlegung, dass im Hinblick auf die gewünschte Montagefreundlichkeit es ausreicht, wenn die Flexibilität im Anschlussbereich zwischen den einzelnen Kabelsegmenten und damit zwischen den einzelnen Turmsegmenten gegeben ist. Für diesen flexiblen Leiter kann daher problemlos auch ein teureres Material verwendet werden, insbesondere Kupfer, sodass trotz der mehrdrähtigen Ausgestaltung keine Korrosionsprobleme auftreten. Umgekehrt kann für die Hauptlänge und für den stabförmigen Leiter des Hauptstrangs ein günstigeres Material, insbesondere Aluminium, verwendet werden. Da für den Hauptstrang gerade kein mehrdrähtiger Leiter verwendet wird, sondern ein Stab mit vergleichsweise großem Durchmesser, weist dieser lediglich einen relativ kleinen Oberflächenanteil im Vergleich zu einem feindrähtigen Leiter mit gleicher Strombelastbarkeit auf.
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Insgesamt sind daher durch diese spezielle Ausgestaltung des Kabels folgende Vorteile erzielt:
- – einfache Montage durch den flexiblen Teilstrang,
- – geringe Kosten aufgrund des kostengünstigen Materials des Hauptstrangs,
- – hohe technische Zuverlässigkeit durch die Vermeidung von Korrosionsproblemen infolge der stabförmigen Ausgestaltung des Hauptstrangs;
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Der Hauptstrang weist insgesamt vorzugsweise eine Länge von mehreren 10m, insbesondere von zumindest 15m, vorzugsweise von zumindest 25m oder auch von zumindest 35m auf. Maximal liegt die Länge vorzugsweise bei 40m. Gleichzeitig weist der flexible Teilstrang eine Länge von weniger als 1m und vorzugsweise von weniger als 0,5m auf. Die Gesamtlänge des Kabelsegments ist daher im Wesentlichen durch die Länge des Hauptstrangs bestimmt. Die Gesamtlänge des Kabelsegments entspricht dabei insgesamt einer erforderlichen Verlegelänge innerhalb eines Anlagensegments, speziell eines Turmsegments. Für jedes Turmsegement ist ein eigenes Kabelsegment vorgesehen.
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Der stabförmige Leiter ist weiterhin insbesondere als ein Nicht-Kupferleiter und vorzugsweise als ein Aluminium-Leiter ausgebildet. Unter Nicht-Kupferleiter wird hierbei verstanden, dass das Leitermaterial zumindest zu 90% Nicht-Kupfer ist. in gleicher Weise wird unter Aluminium-Leiter verstanden, dass das Material für den Leiter zu einem Großteil, insbesondere zu mehr als 80%, vorzugsweise um mehr als 90% Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.
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Im Hinblick auf die gewünschte hohe Strombelastbarkeit von zumindest 50 Ampere, vorzugsweise von zumindest 100 Ampere eines jeweiligen Segmentleiters und damit eines jeweiligen stabförmigen Leiters weist dieser vorzugsweise einen Durchmesser ≥ 8mm, vorzugsweise ≥ 15mm, weiter vorzugsweise ≥ 20mm und weiter vorzugsweise ≥ 25mm auf. Der maximale Durchmesser liegt vorzugsweise bei 30mm bis 40mm. Speziell ist der stabförmige Leiter als ein massiver Vollstab ausgebildet.
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Alternativ hierzu ist der stabförmige Leiter als ein Hohlstab ausgebildet. In diesem Fall weist der Hohlstab einen Durchmesser von vorzugsweise > 30mm und weiter vorzugsweise von > 50mm auf. Die Ausbildung als ein Hohlstab beruht dabei auf der Überlegung, dass bei Wechselstrom unter Anderem aufgrund des Skin-Effekts und des Proximity Effekts eine Stromverdrängung erfolgt, und dass daher das Material im Inneren eingespart werden kann. Durch den größeren Durchmesser kann dabei im Vergleich zu einem Vollstab insgesamt eine größere, für den Stromtransport genutzte Querschnittsfläche und damit auch eine höhere Strombelastbarkeit pro stabförmiger Leiter bereitgestellt werden. Bei der Verwendung derartiger Hohlstäbe kann daher die Anzahl der erforderlichen Kabel für den Stromtransport von der Gondel zum Fuß des Turms im Vergleich zu der Ausbildung von Vollstäben reduziert werden.
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Der flexible Leiter ist weiterhin zweckdienlicherweise als ein Kupferleiter ausgebildet. Die einzelnen Drähte sind dabei vorzugsweise jeweils als Kupfer-Einzeldrähte ausgebildet. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, dass auch Mischdrähte, also beispielsweise beschichtete Kupfer-Drähte, verwendet sind oder einzelne Drähte nicht aus Kupfer bestehen. Unter Kupferleiter wird allgemein verstanden, dass der Hauptanteil des Materials des Kupferleiters Kupfer ist, dass also der Anteil des Kupfers > 70% und vorzugsweise > 90% ist. Unter Kupfer wird sowohl reines Kupfer als auch eine Kupferlegierung verstanden. Bevorzugt bestehen die Einzeldrähte aus reinem Kupfer.
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Zweckdienlicherweise weist der flexible Leiter dabei den gleichen Durchmesser wie der stabförmige Leiter auf. Alternativ hierzu besteht auch die Möglichkeit, dass der Kupferleiter einen geringeren Durchmesser aufweist bei gleich großer Strombelastbarkeit wie der stabförmige Leiter.
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Bevorzugt ist der flexible Leiter dabei zumindest ein feindrähtiger Leiter gemäß Klasse 2 nach DIN EN 60228 und weiterhin vorzugsweise als ein feinstdrähtiger Leiter gemäß der Klasse 5 dieser Norm ausgebildet. Diese Ausgestaltung führt zu einer möglichst hohen (Biege-)Flexibilität des flexiblen Teilstrangs, um die gewünschte einfache Montage zu gewährleisten. Aufgrund der Verwendung von Kupfer besteht dabei problemlos auch die Möglichkeit, einen feinstdrähtigen Leiter (Litzenleiter) zu verwenden.
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Der steife Hauptstrang und der flexible Kabelstrang, insbesondere der stabförmige Leiter und der flexible Leiter sind zweckdienlicherweise allgemein über ein geeignetes Verbindungsstück sowohl mechanisch als auch elektrisch miteinander verbunden. Das Verbindungsstück ist dabei zweckdienlicherweise nach Art eines insbesondere doppelhülsenförmigen Kabelschuhs ausgebildet. Dabei wird der stabförmige Leiter an der einen Seite und der flexible Leiter an der anderen Seite des Kabelschuhs insbesondere durch Verpressen der Hülse eingeklemmt. Aufgrund der stabförmigen Ausgestaltung lässt sich zwischen dem Verbindungsstück und dem stabförmigen Leiter eine hohe, dauerhafte Kontaktsicherheit gewährleisten. Über das Verbindungsstück werden vorzugsweise auch die gesamten an der Verbindungsstelle auftretenden mechanischen Kräfte, insbesondere die Zugebelastungen, übertragen.
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Zur Ausbildung des Kabels, bestehend aus mehreren Kabelsegmenten ist der steife Hauptstrang eines ersten Kabelsegments mit dem flexiblen Kabelstrang eines zweiten Kabelsegments verbunden. Dies erfolgt dabei vorzugsweise wiederum über einen Verbinder, insbesondere Kabelschuh. Über diesen Verbinder sind die beiden Kabelsegmente wiederum sowohl mechanisch als auch elektrisch miteinander verbunden. Zweckdienlicherweise ist dabei sowohl am Ende des steifen Hauptstrangs als auch am Ende des flexiblen Kabelstrangs ein Verbinder angebracht, sodass die Verbindung über die beiden Verbinder, insbesondere Kabelschuhe erfolgen. Die Verbindung erfolgt dabei speziell mithilfe von mechanischen Befestigungsmitteln, beispielsweise durch Verschrauben, Vernieten, etc. oder auch nach Art einer Steckkupplung etc. Insgesamt ist über die Verbinder eine montagefreundliche Verbindung der beiden Kabelsegmente erreicht.
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Zweckdienlicherweise ist der steife Hauptstrang im montierten Zustand bogenförmig, insbesondere mit mehreren Bögen, verlegt. Ein jeweiliger Bogen weist dabei vorzugsweise eine Länge von mehreren Metern auf. Die Auslenkung eines jeweiligen Bogens zu einer Seite hin liegt dabei beispielsweise im Bereich von 5 bis 30mm. Durch diese Ausgestaltung ist ein thermischer Längenausgleich beispielsweise bei hohen Temperaturschwankungen möglich, ohne dass Fixier- und Haltepunkte, an denen der Hauptstrang festgehalten ist, einer übermäßigen mechanischen Belastung ausgesetzt sind.
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Die Kabelanordnung weist vorzugsweise mehrere Kabel auf, wie sie zuvor beschrieben wurden. Die einzelnen Kabel sind dabei in voneinander beabstandeten Kabelhaltern gehalten, insbesondere fest fixiert. Die einzelnen Kabelhalter sind dabei typischerweise mehrere Meter voneinander beabstandet, insbesondere beispielsweise 4 bis 8m. Zwischen den Kabelhaltern verlaufen die jeweiligen Kabel vorzugsweise bogenförmig.
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Innerhalb der Kabelhalter sind gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung die einzelnen Kabel in einem vorgegebenen Verlegemuster angeordnet. Ein jeweiliges Kabel weist dabei einen Leiterdurchmesser bzw. eine Leiterquerschnittsfläche auf. Die Leiterdurchmesser bzw. Leiterquerschnittsflächen der Kabel sind nunmehr vorzugsweise unterschiedlich gewählt, und zwar derart, dass die Impedanz der einzelnen Kabel im Vergleich zu einer Anordnung der Kabel in dem vorgegebenen Verlegemuster mit identischen Leiterdurchmessern bzw. identischen Leiterquerschnittsflächen angeglichen ist.
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Diese Ausgestaltung beruht dabei auf der Überlegung, dass bei einer identischen Ausgestaltung der einzelnen Leiter der Kabel und bei gleichen ohmschen Widerständen die Anordnung der Kabel und ihre wechselseitige Beeinflussung zu unterschiedlichen Impedanzen führt, wodurch also die Strombelastung der einzelnen Leiter im Betrieb unterschiedlich ist. Um die Impedanz der einzelnen Kabel und damit deren Strombelastung im Betrieb anzugleichen ist daher die Anpassung der Leiterquerschnittsfläche vorgesehen. Die Leiterquerschnittsfläche ist dabei insbesondere durch die Leiterquerschnittsfläche des stabförmigen Leiters bestimmt.
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Ein entscheidender Vorteil einer derartigen (einphasigen) Anordnung mit der Impedanzangleichung gegenüber einer (dreiphasigen) Anordnung im dreier-Bündel besteht darin, dass sich die Strombelastbarkeit gemäß VDE 0298-4, Tabelle 4 insgesamt erhöht und zwar beispielsweise um etwa 20%.
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Zweckdienlicherweise wird dabei ein Satz unterschiedlicher Kabel mit unterschiedlichen Leiterquerschnittsflächen bereitgestellt, vorzugsweise mit einer mittleren Leiterquerschnittsfläche und mit einer gegenüber der mittleren Leiterquerschnittsfläche vergrößerten bzw. verkleinerten Querschnittsfläche. Bei der Verwendung eines massiven Vollstabs unterscheiden sich die Durchmesser dabei vorzugsweise um +/– 2% bis 5%, bezogen auf einen mittleren Durchmesser.
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Bei der Bereitstellung von Wechselstrom wird dieser üblicherweise als Drehstrom von der Gondel in Richtung zum Boden transportiert. Ein jeweiliges Kabel ist dabei jeweils als ein Phasenleiter ausgebildet. Die Anzahl der Kabel ist in diesem Fall typischerweise ein Vielfaches der üblicherweise drei Phasenleiter. Zweckdienlicherweise werden zumindest 9 oder auch zumindest 18 Kabel in einem jeweiligen Kabelhalter angeordnet.
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Im Hinblick auf das vorgegebene Verlegemuster wird vorzugsweise in einem ersten Schritt entweder rechnerisch oder experimentell mit zunächst identischen Kabeln (gleiche Leiterquerschnittsflächen) eine möglichst optimierte Anordnung im Hinblick auf die Impedanzen ermittelt. Ausgehend von dieser optimierten Grundanordnung (= vorgegebenes Verlegemuster) wird dann durch die Anpassung der Leiterquerschnittsflächen die Impedanz der einzelnen Kabel weiter aneinander angepasst.
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Gemäß einer ersten Variante sind die verschiedenen Kabel insgesamt einzelweise und vorzugsweise gleichmäßig verteilt angeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind jeweils mehrere Kabel, insbesondere drei Kabel, zu einem Kabelstrang zusammengefasst, wobei ein jeweiliges Kabel des Kabelstrangs einen Phasenleiter bildet. Über den Kabelstrang sind daher dann insgesamt die drei Phasen des Drehstroms zusammengefasst. Bei dieser Anordnung ist eine weitere Anpassung der Impedanzen vorzugsweise nicht erforderlich.
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In zweckdienlicher Weiterbildung ist bei dieser Ausführungsvariante mit dem Dreier-Kabelstrang vorgesehen, dass am Ende eines jeden Kabelsegments die zum Kabelstrang zusammengefassten Kabel wieder vereinzelt und beispielsweise entsprechend der jeweiligen Phase gruppiert in einem Endhalter gehalten sind. Durch diese Maßnahme wird eine einfache Montage und ein einfacher Anschluss des jeweiligen Kabelsegments an ein nachfolgendes Kabelsegment erreicht.
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Insgesamt ist diese Kabelanordnung zweckdienlicherweise für die Übertragung einer elektrischen Leistung von mehreren Megawatt ausgebildet, insbesondere im Bereich von 2 MW bis 5 MW und beispielsweise bis zu 10 MW. Alternativ oder ergänzend ist ein jeweiliges (Einzel-)Kabel für eine Strombelastbarkeit von einigen 100 Ampere, vorzugsweise von mehr als 500 A und beispielsweise bis zu 1.500 A ausgebildet. Die gesamte Kabelanordnung ist dabei typischerweise für eine Strombelastbarkeit von mehreren 1.000 A, vorzugsweise von mehr als 2.000 A und weiter vorzugsweise von mehr als 5.000 A ausgebildet. Ergänzend oder alternativ weist die Kabelanordnung dabei zumindest 9 Kabel, vorzugsweise zumindest 15 Kabel oder auch mehr, beispielsweise bis zu 30 Kabel, auf. Bei der Ausgestaltung des stabförmigen Leiters als Hohlstab werden vorzugsweise im Vergleich zu der Verwendung von Vollstäben eine geringere Anzahl von Kabeln eingesetzt. Zweckdienlicherweise wird dabei pro Phase jeweils nur ein Kabel oder vorzugsweise maximal zwei Kabel eingesetzt.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung weiterhin gelöst durch eine Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 16. Bei der Anlage handelt es sich insbesondere um eine Windkraftanlage. Die Verwendung des zuvor beschriebenen Kabels bzw. der Kabelanordnung ist jedoch nicht zwingend auf Windkraftanlagen beschränkt. Es kann allgemein bei derartigen großtechnischen elektrischen Anlagen eingesetzt werden, bei denen insbesondere vorgefertigte Anlagenteile, in denen die Kabel verlegt sind, miteinander verbunden werden.
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Bei der Anlage ist das Kabel entlang eines Anlagenteils verlegt, welches aus mehreren Anlagensegmenten besteht. Im Falle einer Windkraftanlage sind dies – wie zuvor erwähnt – insbesondere Turmsegmente. Zweckdienlicherweise erstreckt sich dabei ein jeweiliges Kabelsegment lediglich über die Länge eines jeweiligen Anlagensegments, also Turmsegment. Die Kabelsegmente benachbarter Anlagensegmente sind dabei miteinander verbunden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen teilweise in stark vereinfachten Darstellungen:
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1 eine Seitendarstellung einer Windkraftanlage,
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2 eine Schnittansicht durch ein Kabelsegment,
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3 eine ausschnittsweise Darstellung im Verbindungsbereich zweier Kabelsegmente,
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4A eine Querschnittsdarstellung eines stabförmigen Leiters, welcher als Vollstab ausgebildet ist,
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4B eine Querschnittsdarstellung eines flexiblen Leiters, welcher als ein feinstdrähtiger Leiter ausgebildet ist,
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4C eine Querschnittsdarstellung eines stabförmigen Leiters, welcher als Hohlstab ausgebildet ist,
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5 eine Querschnittsansicht einer Kabelanordnung mit Aufsicht auf einen Kabelhalter mit mehreren Kabelsträngen, bei denen jeweils drei Phasenleiter bündelweise angeordnet sind,
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6 eine Querschnittsansicht einer Kabelanordnung mit Aufsicht auf einen Kabelhalter bei einer einzelweisen, insbesondere schachbrettartigen Anordnung der einzelnen Kabel in einem vorgegebenen Verlegemuster mit unterschiedlichen Leiterdurchmessern sowie
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7 eine Seiten-Schnittansicht eines Turmsegments der in 1 dargestellten Windkraftanlage als vormontierte Baueinheit mit bereits vormontierter Kabelanordnung.
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In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Gemäß 1 weist eine Windkraftanlage 2 einen Turm 4 auf, an dessen oberem Ende drehbar eine sogenannte Gondel 6 angeordnet ist. An dieser ist frontseitig eine Rotornabe 8 mit Rotorblättern 10 angeordnet. Innerhalb der Gondel 6 ist typischerweise zumindest ein Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie angeordnet. Der Turm 4 ist aus mehreren Turmsegmenten 12 aufgebaut, im Ausführungsbeispiel aus vier Turmsegmenten 12. Diese sind übereinander angeordnet.
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Innerhalb des Turms 4 ist eine Kabelanordnung 14 angeordnet, die die von der Windkraftanlage 2 erzeugte elektrische Energie von der Gondel 6 zum Fuß des Turms, also zur Bodenseite der Windkraftanlage 2 transportiert.
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Die Kabelanordnung 14 umfasst typischerweise mehrere Kabel 16, welche von der Gondel 6 bis zum Fuß des Turms verlaufen. Ein jeweiliges Kabel 16 ist dabei zusammengesetzt aus einzelnen Kabelsegmenten 18, die sich jeweils über ein jeweiliges Turmsegment 12 erstrecken und im Verbindungsbereich zweier Turmsegmente 12 selbst miteinander sowohl elektrisch als auch mechanisch verbunden sind.
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Ein derartiges Kabelsegment 18 ist in 2 in einer Schnittdarstellung dargestellt. Das Kabelsegment 18 weist einen steifen Hauptstrang 20 sowie einen flexiblen Teilstrang 22 auf. Diese beiden Stränge 20, 22 sind mit einem Verbindungsstück, welches im Ausführungsbeispiel als ein doppelhülsenförmiger Kabelschuh 24 ausgebildet ist, miteinander verbunden. Der steife Hauptstrang 20 weist dabei einen stabförmigen Leiter 26, insbesondere Aluminiumleiter auf. Der stabförmige Leiter 26 ist dabei vorzugsweise als ein Vollstab ausgebildet. Demgegenüber weist der flexible Teilstrang 22 einen mehrdrähtigen Leiter 28, insbesondere einen fein- oder feinstdrähtigen Kupferleiter auf. An den gegenüberliegenden Endseiten des Kabelsegments 18, d.h. an einem jeweiligen Ende des steifen Hauptstrangs 20 bzw. des flexiblen Teilstrangs 22, ist jeweils ein Verbinder 30 angeschlagen. Dieser ist wiederum vorzugsweise nach Art eines Kabelschuhs ausgebildet. Zwischen dem Kabelschuh 24 und einem jeweiligen Verbinder 30 ist der jeweilige Leiter 26, 28 von einem Kabelmantel 32 umgeben. Im Bereich der Verbinder 30 sowie des Kabelschuhs 24 sind die Stränge 20, 22 abisoliert, also vom Kabelmantel 32 befreit. Bei den Verbindern 30 sowie dem Kabelschuh 24 handelt es sich um Metallteile, vorzugsweise aus Aluminium oder aus Kupfer. Das Metall ist üblicherweise zusätzlich noch mit einer Beschichtung versehen.
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Das Kabelsegment 18 weist eine Gesamtlänge l, der Hauptstrang eine Länge l1 und der flexible Teilstrang 22 eine Länge l2 auf. Die Gesamtlänge l beträgt dabei typischerweise mehrere 10m, insbesondere beispielsweise 20m bis 30m. Der Hauptstrang 20 nimmt dabei den größten Teil dieser Gesamtlänge l ein und weist beispielsweise eine Länge l1 von zumindest 95% der Gesamtlänge l auf. Demgegenüber ist die Länge l2 des flexiblen Teilstrangs 22 vergleichsweise kurz und beträgt vorzugsweise lediglich etwa 0,5 bis 1m. Der flexible Teilstrang 22 kann auch als Anschlussteilstück bezeichnet werden. Der stabförmige Leiter 26 und der mehrdrähtige Leiter 28 bilden zusammen mit dem Kabelschuh 24 quasi einen Segmentleiter des Kabelsegments 18. Das Kabelsegment 18 weist dabei vorzugsweise lediglich einen einzigen Segmentleiter auf.
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Bei der Montage wird jeweils der Verbinder 30 am Ende des stabförmigen Leiters 26 eines ersten Kabelsegments 18 mit dem Verbinder 30 am Ende des flexiblen Teilstrangs 22 eines zweiten Kabelsegments 18 verbunden. Mehrere derartige miteinander verbundene Kabelsegmente 18 bilden dann das gesamte Kabel 16. Die beiden Verbinder 20 werden dabei beispielsweise mittels einer Schraube 34 miteinander verbunden. Durch den flexiblen Teilstrang 22 ist insgesamt eine möglichst einfache Montage und Anschlussmöglichkeit zwischen aufeinander folgenden Kabelsegmenten 18 gegeben.
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4A zeigt einen Querschnitt des stabförmigen Leiters 26, welcher in diesem Ausführungsbeispiel als massiver Vollstab ausgebildet ist. Der stabförmige Leiter 26 weist dabei einen Durchmesser d1 auf, welcher typischerweise größer als 8mm ist.
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Die 4B zeigt eine Querschnittsdarstellung des mehrdrähtigen Leiters 28. Dieser weist einen Durchmesser d2 auf, welcher vorzugsweise identisch zu dem Durchmesser d1 des stabförmigen Leiters 26 ist. Der mehrdrähtige Leiter 28 weist eine Vielzahl von Einzeldrähten 36 auf. Bei dem mehrdrähtigen Leiter 28 handelt es sich beispielsweise um einen Bündelleiter oder um einen Litzenleiter, bei dem die einzelnen Einzeldrähte 36 miteinander verseilt bzw. verlitzt sind.
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Bei den Einzeldrähten 36 handelt es sich vorzugsweise um blanke Kupfer-Drähte. Die Anzahl hängt dabei von dem Durchmesser d1 und der jeweiligen Klasse (Klasse 2 (feindrähtig); Klasse 5 (feinstdrähtig)) ab. Im Falle einer feindrähtigen Ausgestaltung gemäß Klasse 2 und einem Durchmesser d1 von beispielsweise 15mm typischerweise mehrere hundert Einzeldrähte 36 beispielsweise über 900 Einzeldrähte 36 angeordnet. Bei einer feinstdrähtigen Ausgestaltung ist die Anzahl entsprechend höher.
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4C zeigt wiederum einen Querschnitt des stabförmigen Leiters 26, welcher in dieser Ausführungsvariante als Hohlstab ausgebildet ist. Dieser weist einen Durchmesser d3 auf, welcher typischerweise größer als 30mm ist.
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Die einzelnen Kabel 16 sind jeweils in Kabelhaltern 38 fixiert. Sie sind dabei insbesondere ortsfest fixiert. In den 5 und 6 sind zwei unterschiedliche Ausführungsvarianten dargestellt.
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Gemäß der Ausgestaltung nach 5 weist der Kabelhalter 38 mehrere, im Ausführungsbeispiel sechs Aufnahmen 40 auf, in denen jeweils ein Dreier-Bündel an Kabeln 16 aufgenommen und fixiert ist. Das Dreier-Bündel bildet dabei jeweils einen Kabelstrang 42. Innerhalb eines jeweiligen Kabelstrangs 42 bilden die drei Kabel 16 jeweils einen Phasenleiter P1, P2, P3. Die einzelnen Kabelstränge 42 sind dabei zueinander gleichmäßig beabstandet und liegen auf einem gemeinsamen Kreis. Die einzelnen Kabel 16 verlaufen insbesondere parallel, also unverdrillt zueinander.
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Im Unterschied hierzu nimmt der in 6 dargestellte Kabelhalter 38 die einzelnen Kabel 16 sowie Phasenleiter P1, P2, P3 einzelweise auf. Die Kabel 16 sind dabei nach Art eines Schachbrettmusters angeordnet. Während aufgrund der speziellen bündelweisen Anordnung gemäß 5 die Impedanzen der einzelnen Kabel 16 in etwa gleich sind, können sie bei der Anordnung gemäß der 6 variieren. Um eine Anpassung der Impedanzen der einzelnen Kabel 16 zu erzielen, ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel weiterhin vorgesehen, dass die einzelnen Leiterquerschnitte und damit Leiterdurchmesser der Kabel 16 zueinander unterschiedlich sind. Unter Leiterdurchmesser eines jeweiligen Kabels 16 wird vorliegend insbesondere der Durchmesser d1 des stabförmigen Leiters 26 verstanden. Der Durchmesser d1 des stabförmigen Leiters 16 der einzelnen Kabelsegmente 18 eines Kabels 16 ist dabei vorzugsweise jeweils identisch. Wie zu erkennen ist, sind ausgehend von einem mittleren Durchmesser d1 noch zwei weitere Durchmesser d1– sowie d1+ vorgesehen. Ausgehend von dem mittleren Durchmesser d1 weisen diese jeweils einen um 2% bis 5% verkleinerten bzw. vergrößerten Durchmesser und damit um eine entsprechend verkleinerte bzw. vergrößerte Leiterquerschnittsfläche auf.
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Das in 6 dargestellte Verlegemuster nach Art einer schachbrettförmigen Anordnung ist im Hinblick auf die Verbindung zweier Kabelsegmente 18 von Vorteil.
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Von daher ist bei einer bündelweisen Anordnung mit den Kabelsträngen 42 vorzugsweise vorgesehen, dass jeweils die letzten Kabelhalter 38 als spezielle Endhalter 44 ausgebildet sind (vgl. hierzu auch 7), bei denen die gebündelten Kabelstränge 42 wieder vereinzelt sind.
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7 zeigt in vereinfachter Darstellung ein Turmsegment 12, welches bereits mit einem Segment der Kabelanordnung 14 vormontiert ist und in dieser Form beispielsweise an den Aufstellort der Windkraftanlage 2 verbracht wird.
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Wie hieraus zu erkennen ist, sind im Inneren des Turmsegments 12 mehrere Kabelhalter 38 angeordnet. Diese sind zueinander typischerweise um mehrere Meter beabstandet. Die Kabelhalter 38 sind allgemein scheiben- oder plattenförmig ausgebildet. Ein jeweiliges Kabelsegment 18 wird also an den einzelnen Kabelhaltern 38 jeweils gehalten und fixiert. Wie aus 7 zu entnehmen ist, ist das jeweilige Kabelsegment 18 zwischen den einzelnen Kabelhaltern 38 unter Ausbildung von Bögen 46 geführt. Diese Bögen 46 ermöglichen einen Längenausgleich bei unterschiedlichen Temperaturen.
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In der 7 ist weiterhin die Länge l1 des steifen Hauptstrangs 20 eingezeichnet. Wie gut zu erkennen ist, entspricht diese Länge l1 weitestgehend einer erforderlichen Verlegelänge l3 innerhalb des Turmsegments 12. Die beiden gegenüberliegenden Endhalter 44 sind jeweils nahe am Ende des Turmsegments 12 angeordnet. Das eine durch den flexiblen Teilstrang 22 gebildete Ende des Kabelsegments 18, im Ausführungsbeispiels der 7 auf der rechten Bildhälfte dargestellt, ist für den Transport umgebogen und liegt damit geschützt im Inneren des Turmsegments 12 ein. Bei der Montage vor Ort wird lediglich der flexible Teilstrang 22 mit dem steifen Hauptstrang 20 des nachfolgenden Turmsegments 12 verbunden, wie insbesondere im Zusammenhang mit der 3 bereits erläutert wurde.
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Zur Ausbildung des Kabelsegments 18 wird insbesondere derart vorgegangen, dass auf einer Trommel der Hauptstrang 20 quasi als Meter- oder Endlosware bereitgestellt wird. Bei Bedarf werden Hauptstränge 20 mit unterschiedlichen Durchmessern d1, d1–, d1+ der Segmentleiter bereitgestellt. Parallel wird auch der flexible Teilstrang 22 als Trommelware bereitgestellt. Von diesen Trommeln wird die gewünschte Länge des Hauptstrangs 20 sowie des flexiblen Teilstrangs 22 abgelängt, die Enden werden jeweils abisoliert und anschließend werden die beiden Stränge 20, 22 mittels des Kabelschuhs 24 miteinander verbunden. Endseitig werden die Verbinder 30 angeschlagen. Diese Vorkonfektionierung des Kabelsegments erfolgt beispielsweise beim Kabelhersteller oder auch beim Anlagenbauer für den Turm der Windkraftanlage 2.
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Anschließend werden die einzelnen Kabelsegmente 18 mittels der Kabelhalter 38 zur Ausbildung einer Segment-Kabelanordnung in einem jeweiligen Turmsegment 12 angeordnet und befestigt, wie in der 7 dargestellt ist. Das derart vorbereitete Turmsegment 12 wird anschließend an den Aufstellort der Windkraftanlage verbracht. Dort werden schließlich mehrere der derart vorgefertigten Turmsegmente 12 miteinander verbunden. Die einzelnen Kabelsegmente 14 werden dann baustellenseitig über die Verbinder 30 miteinander verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Windkraftanlage
- 4
- Turm
- 6
- Gondel
- 8
- Rotornabe
- 10
- Rotorblätter
- 12
- Turmsegment
- 14
- Kabelanordnung
- 16
- Kabel
- 18
- Kabelsegment
- 20
- steifer Hauptstrang
- 22
- flexibler Teilstrang
- 24
- Kabelschuh
- 26
- stabförmiger Leiter
- 28
- mehrdrähtiger Leiter
- 30
- Verbinder
- 32
- Kabelmantel
- 34
- Schraube
- 36
- Einzeldrähte
- 38
- Kabelhalter
- 40
- Aufnahme
- 42
- Kabelstrang
- 44
- Endhalter
- 46
- Bogen
- d1
- Durchmesser stabförmiger Leiter
- d2
- Durchmesser mehrdrähtiger Leiter
- d3
- Durchmesser stabförmige Leiter (Hohlstab)
- l
- Gesamtlänge des Kabelsegments
- l1
- Länge des Hauptstrangs
- l2
- Länge des flexiblen Teilstrangs
- l3
- Verlegelänge
- P1, P2, P3
- Phasenleiter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 60228 [0006]
- Norm VDE 0298-4 [0011]
- DIN EN 60228 [0024]
- VDE 0298-4 [0031]
