Inhaltsverzeichnis
1. Groß aber sensibel
2. Nachrüsten im laufenden Betrieb
3. Auswertung in Lahnau
Air Liquide ist Spezialist im Bereich Gase, Technologien und Services für Industrie und Gesundheit. Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff stehen im Zentrum der Unternehmens-Aktivitäten. Obwohl die Gase aus der Umgebungsluft gewonnen werden, bleibt der technische Aufwand hoch. So betreibt das Unternehmen am Standort Duisburg zwei Luftzerlegungsanlagen. Ein Luftverdichter saugt die Umgebungsluft an, die anschließend verdichtet, gereinigt und bis zum Destillationspunkt der einzelnen Gase heruntergekühlt wird. In einer Trennkolonne fallen diese auf den unterschiedlichen Niveaus aus. In Duisburg werden so pro Tag ca. 3000 t Sauerstoff, 2000 t Stickstoff und 150 t Argon gewonnen.
Groß aber sensibel
Gerade die Anlagenverfügbarkeit bei der Luftverdichtung sorgte in der Vergangenheit für Probleme: Ein zentrales Bauteil, der Motor einer der beiden Luftverdichter, war in fünfzehn Betriebsjahren viermal mit Ständer-Erdschluss ausgefallen. Die Dimensionen dieses Antriebs machen dabei die üblichen Vorsorgemaßnahmen, wie die Aufteilung der Produktion auf mehrere Linien oder das Vorhalten eines Ersatzteils, unmöglich: Der Verdichter LV2 wird aktuell mit einer maximalen Luftmenge von ca. 250,000 Nm3/h betrieben. Der Druck beträgt ausgangsseitig ca. 5 bis 5,5 bar. Der Motor selbst hat 20 MW Wellenleistung bei 10 kV. Der sechspolige Motor treibt die Hauptwelle mit ca. 997 U/min an. Auf dieser befinden sich Ritzel für das Getriebe des vierstufigen Verdichters, der mit Drehzahlen von 13.000 bis 20.000 U/min läuft. Oliver Kötting, bei Air Liquide verantwortlich für den Sektor Electricity Expert Large Industries, Central-West Europe: „Ein Antrieb dieser Größenordnung sollte zwanzig Jahre problemlos laufen. Erst danach sind größere Reparaturen fällig. Dann werden partielle Teilentladungen zum Thema. Unregelmäßigkeiten im Aufbau des Isolationssystems lassen sich nicht vermeiden, nur minimieren. Da reicht eine kleine Unreinheit oder Luftblase. Dort gibt es dann kleine Teilentladungen, die Ozon in der Luftblase erzeugen; ein Oxidationsmittel. Dazu kommt, dass das Material durch den Einschlag erodiert. Nach zwanzig Jahren kann man bei derartigen Maschinen eine Neufertigung der Wicklung erwägen. Am Standort Duisburg verlief dieser Prozess viel schneller. In der Tat fanden sich an der stabförmigen Hauptisolation schadhafte Stellen, die durch Teilentladungen bzw. Durchschläge verursacht waren. Da allein der Ausbau schon mehrere Tage beansprucht, ist so ein Schaden ein Riesenproblem für den Betreiber. Zwar führt ein Ständer-Erdschluss nicht zur Zerstörung des Antriebs. Da das Netz isoliert betrieben wird, sind in dem Augenblick, in dem eine Phase auf Erdpotenzial liegt, die beiden anderen Phasen mit 10 kV zum Sternpunkt belastet. In diesem Fall erfasst ein Schutzgerät die Spannungsunsymmetrie und schaltet beim ersten Durchschlag sofort ab. Zwar lässt sich der Antrieb weiternutzen, aber das belastet die verbleibenden Komponenten. Durch einen weiteren Erdschluss auf einer anderen Phase entsteht dann ein Kurzschluss.
Nach dem letzten Schaden wurde ein einzelner Isolations-Stab als Ursache ausgemacht. Eine erste Untersuchung ergab, dass es im Motor keine mechanischen Bewegungen der Wicklungen usw. gab. Auch verborgene Hot-Spots aufgrund einer gestörten Lüftung waren nicht zu finden. Oliver Kötting: „Ein Ständer-Erdschluss kann auch auf Probleme mit dem Netz hinweisen, z. B. auf Oberschwingungen. Im 10-kV-Netz muss die Isolation Phase gegen Erde unter normalen Umständen 5,8 kV aushalten. Wenn sich Oberschwingungen aufsummieren, hat man jedoch dauerhaft 8 oder 10 kV. Das bedeutet mehr Teilentladungen und somit viel mehr Stress für die Isolation.“ Ein Ansatzpunkt für die hausinterne Root-Cause-Analyse war deshalb, die Netzqualität zu überwachen. Oliver Kötting erläutert: „Nicht sinusförmige Effekte gibt es sowohl bei der Spannung als auch beim Strom, wir beobachten beides, aufgrund möglicher Überschläge derzeit jedoch mit dem Schwerpunkt Spannung.“
Nachrüsten im laufenden Betrieb
Zu einer funktionierenden Netzqualitätsüberwachung gehören die Auswahl der Messpunkte, des Equipments, der Messgrößen und -Intervalle, vor allem aber die Interpretation der Daten. Deshalb entschied sich Air Liquide für einen Spezialisten: die Janitza electronics GmbH. Sie unterstützte nicht nur bei der Installation sondern übernimmt auch die kontinuierliche Auswertung. Zum Einsatz kommt nun ein UMG-511-Klasse-A-Spannungsqualitätsanalysator, der besonders für die Überwachung der Spannungsqualität gemäß gültiger Normen wie der EN 50160 geeignet ist und sämtliche Spannungsqualitätsparameter erfasst. Ausschlaggebend für die Auswahl des UMG 511 war die gerichtsfeste Klasse-A-Messung. Bei Janitza hat man auch darauf hingewiesen, dass der Netzbetreiber gemäß der zulässigen EN-Norm während 5 % der Zeit die Grenzwerte überschreiten darf. Das heißt, dass es immer wieder zu Störungen kommen kann, die die Maschine schädigen.
Deshalb wurde mit den Messungen in der Eingangszelle der 10-kV-Anlage begonnen. Dort besteht über 4000:1-Wandler der beste Zugriff auf Spannungen und Ströme der Eingangszelle. Die Parametrierung des Messgeräts kann grundsätzlich im eingebauten Zustand erfolgen. Mit der Software GridVis lässt sich das Gerät nicht nur parametrieren; mit ihr lässt sich auch die gesamte Kommunikation einrichten. Die Daten sollten an einen Server übertragen werden. Dies übernimmt ein EasyGateway EG400, ein Mobilfunk-Modem und Gateway von Janitza. Will man die Netzqualität als mögliche Schadensursache beurteilen, ist der Vergleich mit anderen Netzen hilfreich. Oliver Kötting: „Wir erhielten für unsere Zwecke die Erlaubnis, in einem vergleichbaren 10-kV-Netz in Gelsenkirchen ebenfalls ein UMG 511 nebst Funkmodem zu installieren. Die Messwerte dienen als Referenz für Duisburg.“
Auswertung in Lahnau
Air Liquide betreibt in Düsseldorf einen Server, auf dem die Messdaten gespeichert und ausgewertet werden. Das UMG 511 speichert dazu alle für die EN 50160 maßgeblichen Mittelwerte normgerecht. Die Software GridVis auf dem Server liest das Gerät stündlich aus. Aus den Daten generiert die Software wöchentlich Power-Quality-Reports und sendet diese automatisch an Oliver Kötting und den Janitza-Support. Bei Auffälligkeiten setzt sich der Support mit Air Liquide in Verbindung und bietet weiterführende Hilfen. ge
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