Concerns with Faults to Ground in Wind and Solar Power Plants Implanted in Tropical Areas – The Influence of Underground Cables on the Methods of Neutral Grounding

In den warmen, sonnenverwöhnten Breiten, in denen die Wind- und Solarparks der Welt rasant expandieren, stehen Ingenieure vor einem stillen, aber hartnäckigen Problem, das unter der Erde verborgen liegt. Diese Kraftwerke verlassen sich auf riesige Netze von Kabeln, die unter der Erde verlegt sind, um Elektrizität von einzelnen Turbinen oder Solarmodulen zu einem zentralen Sammelpunkt zu transportieren. Während das Verlegen von Kabeln sie vor Stürmen schützt und die Landschaft frei hält, verändert es die elektrische Natur des Systems in einer Weise, wie es oberirdische Leitungen nicht tun. Erdkabel wirken wie ein riesiger, unsichtbarer Schwamm für elektrische Ladung, der eine beträchtliche Menge an Energie zwischen dem metallischen Leiter und der Erde speichert. Wenn ein Fehler auftritt – etwa wenn ein Draht versehentlich die Erde berührt – schießt diese gespeicherte Energie heraus und erzeugt einen Stromfluss, der sich sehr anders verhält, als es Ingenieure erwarten würden, die auf herkömmliche Freileitungen geschult sind. Wenn die Schutzsysteme – das sind im Wesentlichen die Leistungsschalter und Sensoren, die darauf ausgelegt sind, den Strom bei einem Unglück abzuschalten – nicht für diesen verborgenen Stoß angepasst sind, können sie im Bedarfsfall nicht reagieren oder, schlimmer noch, unnötig auslösen und eine eigentlich funktionierende Anlage abschalten.

Ein Forschungsteam aus Brasilien und Deutschland machte sich daran, dieses Rätsel zu lösen, indem es reale Ausfälle in Wind- und Solarparks in tropischen Regionen untersuchte. Sie konzentrierten sich auf eine kritische Entscheidung, die während der Planung dieser Anlagen getroffen wird: wie der Mittelpunkt des Haupttransformators mit der Erde verbunden wird. Diese Verbindung, bekannt als Erdung, bestimmt, wie das System mit einem einzelnen Draht umgeht, der die Erde berührt. Die Forscher analysierten drei spezifische, reale Vorfälle, bei denen die Schutzsysteme fehlfunktionierten, wobei sie detaillierte Aufzeichnungen von Spannung und Strom verwendeten, um genau zu verstehen, was schiefgelaufen war. Ihre Untersuchung ergab, dass die Kombination aus langen Erdkabeln und der Wahl der Erdungsmethode ein empfindliches Gleichgewicht schafft, das leicht gestört werden kann. In einigen Fällen ist das System so sensibel, dass ein Fehler auf einer Leitung dazu führt, dass eine gesunde Nachbarleitung abgeschaltet wird. In anderen Fällen führt die Wechselwirkung zwischen der gespeicherten Energie des Kabels und der Erdungsausrüstung zu elektrischen Vibrationen, die die Sensoren verwirren und dazu führen, dass sie eine echte Gefahr ignorieren.

Die Studie hebt hervor, dass die gängigste Lösung, bei der der Mittelpunkt des Transformators direkt mit der Erde verbunden wird, für diese langen Erdkabel oft zu riskant ist, da sie den Fehlerstrom gefährlich hoch werden lässt, was potenziell die metallischen Schutzschilde um die Kabel zum Schmelzen bringen kann. Stattdessen wählen Ingenieure meist eine von zwei Alternativen: Entweder setzen sie einen Widerstand ein, um den Stromfluss zur Erde zu verlangsamen, oder sie verwenden einen speziellen Typ von Transformator, den sogenannten Dreieck-Stern-Transformator (Zig-Zag-Transformator), um einen Pfad für den Strom zu schaffen. Die Forscher fanden heraus, dass der Widerstand im Allgemeinen die zuverlässigere Wahl ist, aber nur verwendet werden kann, wenn der Transformator einen zugänglichen Mittelpunkt besitzt. Wenn dieser Punkt verborgen ist, wird der Zig-Zag-Transformator zur einzigen Option, doch dieser bringt seine eigenen Herausforderungen mit sich.

In einem der untersuchten Fälle trat ein Fehler an einem bestimmten Kabel auf, aber das Schutzsystem für dieses Kabel löste nicht aus. Stattdessen wurde das System eines völlig gesunden Kabels in der Nähe abgeschaltet. Die Aufzeichnungen zeigten, dass die in den Kabeln des gesamten Kraftwerks gespeicherte elektrische Ladung auf den Fehler zuströmte und einen Strom erzeugte, der stark genug war, um den falschen Leistungsschalter auszulösen. In einem anderen Fall wurde ein Zig-Zag-Transformator verwendet, und der Fehler erzeugte eine chaotische Mischung aus elektrischen Wellen, die auch verborgene Frequenzen enthielten. Diese Frequenzen verwirrten die Sicherheitssensoren, die darauf programmiert waren, ähnliche Muster bei normalen Anlaufstößen zu ignorieren, was dazu führte, dass das System den Fehler als harmlos einstufte und die Stromzufuhr nicht unterbrach. Dieser Fehler ermöglichte es dem Defekt fortzuschwelen, bis schließlich ein Backup-System eingriff, jedoch erst, nachdem die Spannung bereits instabil geworden war.

Die Forscher entdeckten auch, dass die Art und Weise, wie sich das System nach der Behebung eines Fehlers erholt, stark von der Erdungsmethode abhängt. Wenn ein Zig-Zag-Transformator verwendet wird, kann die plötzliche Freisetzung der gespeicherten Energie in den Kabeln dazu führen, dass die Spannung wild ansteigt und verzerrt wird – ein Phänomen, das als Ferroresonanz bekannt ist. Dieser Anstieg kann Höhen erreichen, die teure Ausrüstung wie Überspannungsableiter beschädigen können. Im Gegensatz dazu pendelt sich die Spannung bei Verwendung eines Widerstands nach dem Fehler wieder glatt und vorhersehbar ein. Um diese Ergebnisse zu bestätigen, erstellte das Team ein digitales Modell des Kraftwerks und simulierte die Fehler. Die Computersimulationen stimmten perfekt mit den realen Aufzeichnungen überein und zeigten, dass der Widerstand die Ströme und Spannungen konsistent innerhalb sicherer Grenzen hielt, während der Zig-Zag-Transformator oft zu unvorhersehbaren Spannungsspitzen und Stromauslöschungen führte, die den Fehler schwer detektierbar machten.

Die letztendliche Schlussfolgerung lautet, dass es keine einzelne, perfekte Lösung gibt, die für jedes Kraftwerk funktioniert, aber die Wahl der Erdungsmethode ist der entscheidende Faktor dafür, ob das Schutzsystem korrekt arbeitet. Der Widerstand ist die bevorzugte Methode, da er eine stabile Umgebung für die Schutzgeräte bietet, aber er erfordert einen speziellen Typ von Transformator. Wenn dies nicht möglich ist, kann der Zig-Zag-Transformator verwendet werden, dieser erfordert jedoch eine wesentlich sorgfältigere Abstimmung der Sicherheitssensoren, um die durch elektrische Harmonische und Spannungsspitzen verursachte Verwirrung zu vermeiden. Die Forscher betonen, dass Ingenieure sich, da diese Erdkabel in modernen Projekten für erneuerbare Energien so verbreitet sind, nicht mehr auf alte Faustregeln verlassen können. Stattdessen müssen sie fortschrittliche Computertools nutzen, um die spezifischen Bedingungen ihres Standorts zu simulieren und sicherzustellen, dass die Schutzeinstellungen auf das einzigartige Verhalten der Kabel unter der Erde abgestimmt sind. Diese sorgfältige Vorbereitung ist der einzige Weg, um sicherzustellen, dass das System bei einem Fehler exakt wie vorgesehen reagiert, das Licht anlässt und die Ausrüstung schützt.