Важность защиты ветровых турбин
Существует неослабевающая тенденция использования регенеративной энергии, получаемой от ветровых турбин, солнечных, фотогальванических и биогазовых установок или геотермальной теплоты. Это огромный рыночный потенциал не только для энергетической отрасли, но и для поставщиков и электрической торговли и для всего мира.
Защита от молнии и перенапряжения ветровых турбин с несколькими мегаваттами (на фото: инкапсулированный неисчерпающий искровой промежуток через DEHN)
В Германии тем временем около 19 000 ветровых турбин обеспечивают полную мощность почти 21 000 мегаватт, что составляет более трех процентов необходимой мощности. Прогнозы на будущее оказываются положительными. По данным Немецкого института ветроэнергетики (Deutsches Windenergie-Institut, DEWI), около 2000 ветровых турбин предполагается установить на открытых морях до 2030 года.
Таким образом, номинальная мощность ок. 20 000 мегаватт могут быть произведены морскими ветровыми электростанциями. Важность ветровых турбин очевидна. Рассматривая темпы роста этого рынка электроэнергии, надежная доступность энергии также является важным аспектом.
Рассматриваются следующие темы:
- Опасность, вызванная эффектами молнии
- Частота ударов молнии
- Стандартизация (Германия)
- Защитные меры
- Концепция зон молниезащиты
- Защитные меры
- Система заземления
Опасность, вызванная эффектами молнии
Оператор этих установок не может позволить себе время простоя. Наоборот, высокие капитальные вложения в ветряную турбину амортизируются в течение нескольких лет. Ветровые турбины - это комплексные электрические и электронные установки, сконцентрированные на очень небольшой площади.
Все, что предлагает электротехника и электроника, можно найти: распределительные шкафы, двигатели и приводы, частотные преобразователи, шинные системы с приводами и датчиками.
Огонь в небе - Молниеносная вспышка искры буйволиновского хребта
Само собой разумеется, что всплески могут нанести значительный урон. Благодаря открытому положению и общей высоте ветровые турбины подвергаются воздействию прямых молний. Риск попадания молнии возрастает квадратично по сравнению с высотой структуры.
Ветряные турбины Multimegawatt с лопастями достигают общей высоты до 150 м и поэтому особенно подвержены опасности. Требуется комплексная защита от молнии и перенапряжений.
Вернуться к индексу ↑
Частота ударов молнии
Годовое число вспышек молнии от облаков к земле для определенного региона обусловлено хорошо известным изокерауническим уровнем. В Европе среднее число от одной до трех облачных вспышек на км и год относится к береговым районам и низким горным хребтам.
Для определения размеров грозозащитных установок следует учитывать, что в случае объектов с высотой более 60 м и которые подвергаются воздействию молнии, также могут возникать вспышки «земля-облако», так называемые восходящие вспышки, рядом с облаком на землю. Это приводит к большим значениям, указанным в приведенной выше формуле.
Защита от ветра / турбины
Кроме того, вспышки от земли до облака, начиная с объектов с высокой экспозицией, несут высокие заряды тока молнии, которые имеют особое значение для мер защиты на лопатках ротора и для проектирования разрядников молниевого тока.
Вернуться к индексу ↑
Стандартизация
В Германии руководство Germanischer Lloyd является основой для разработки концепции защиты.
Германская ассоциация страхования (GDV) рекомендует в своей публикации VdS 2010 «Risikoorientierter Blitz- und Überspannungsschutz» (ориентированная на риск молния и защита от перенапряжений) внедрять по меньшей мере системы молниезащиты класса II для ветровых турбин в целях удовлетворения минимальных требований для защиты эти установки.
Вернуться к индексу ↑
Защитные меры
Основной интерес в этом техническом вкладе заключается в реализации мер молниезащиты и мер защиты от перенапряжений для электрических и электронных устройств / систем ветряных турбин.
Комплексные проблемы защиты лопастей ротора и поворотных деталей и подшипников требуют детального изучения. Они также специфичны для производителей и специфичны для конкретного типа.
Рисунок 1 - Лаборатория импульсного тока DEHN + SÖHNE - Макс. импульсный ток молнии 200 кА, волновая форма 10/350 мкс
DEHN + SÖHNE предлагает следующую техническую и испытательную службу в лаборатории импульсного тока компании для предоставления лучших решений для отдельного клиента (рисунок 1):
- Тестирование подключенных к конкретному пользователю модулей для защиты электроустановки
- Тестирование несущей способности молниеотводов подшипников
- Испытание тока молнии на понижающих проводниках и рецепторах лопастей ротора
Эти тесты в лаборатории подтверждают эффективность выбранных мер защиты и способствуют оптимизации «защитного пакета».
Вернуться к индексу ↑
Концепция зон молниезащиты
Концепция зон молниезащиты представляет собой структурирующую меру для создания определенной среды EMC внутри структуры (рисунок 2). Определенная среда ЭМС определяется электромагнитной неприкосновенностью используемого электрооборудования.
Рисунок 2 - Концепция зон молниезащиты для ветровой турбины
Будучи мерой защиты, концепция зон молниезащиты включает в себя, следовательно, сокращение проводимых и излучаемых помех на границах до согласованных значений.
По этой причине подлежащий защите объект подразделяется на защитные зоны. Защитные зоны являются следствием структуры ветряной турбины и должны учитывать архитектуру конструкции.
Решающим является то, что прямые параметры молнии, влияющие на молниезащитную зону LPZ 0 A снаружи, уменьшаются за счет экранирующих мер и установки устройств защиты от перенапряжений, гарантируя, что электрические и электронные системы и устройства, расположенные внутри ветряной турбины, могут работать без помех.
Вернуться к индексу ↑
Защитные меры
Гондола должна быть спроектирована как металлический экран, который закрыт сам по себе. Таким образом, объем может быть получен внутри гондолы со значительно ослабленным электромагнитным полем по сравнению с наружным. Распределительные шкафы и шкафы управления в гондоле и, если они имеются, в рабочем здании также должны быть выполнены из металла.
Соединительные кабели должны иметь внешний проводящий экран. Что касается подавления помех, экранированные кабели эффективны против связи ЭМС, только если экраны соединены с эквипотенциальным соединением с обеих сторон. Щиты должны контактировать с окружающими контактными клеммами, чтобы избежать длинных и неправильных «косичек» ЭМС.
Вернуться к индексу ↑
Система заземления
Для заземления ветряной турбины необходимо всегда интегрировать арматуру башни. Установка заземляющего электрода фундамента в основании башни и, если она существует, в фундаменте рабочего здания, также должна быть предпочтительной с учетом риска коррозии заземляющих проводников.
Заземление основания башни и эксплуатационного здания (рис. 3) должно быть соединено промежуточным заземлением, чтобы получить систему заземления с наибольшей возможной поверхностью. Степень, в которой дополнительные потенциальные управляющие кольцевые заземляющие электроды должны быть расположены вокруг основания башни, зависит от того, может ли быть уменьшено слишком высокое шаговое и контактное напряжение, чтобы защитить оператора в случае удара молнии.
Рисунок 3 - Промежуточная сеть земных электродов ветровой турбины
Защитная цепь для проводников на границе зоны молниезащиты LPZ 0 A до LPZ 1 и выше Помимо защиты от излучаемых источников помех необходимо обеспечить защиту от проводимых источников помех на границах зон молниезащиты для надежной работы электрических и электронных устройств.
На границе зоны молниезащиты LPZ 0 A до LPZ 1 (обычно также называемой уравниванием потенциалов молнии) должны использоваться SPD, которые способны разряжать значительные частичные молниевые токи без повреждения оборудования. Эти СПД называются разрядниками тока молнии (СПД типа 1) и испытаны импульсными токами, волновая форма 10/350 мкс.
На границе LPZ 0 B до LPZ 1 и LPZ 1 и выше должны контролироваться только импульсы с малой энергией, которые возникают из-за напряжений, вызванных извне, или от всплесков, генерируемых в самой системе.
Эти защитные устройства называются устройствами защиты от перенапряжений (SPDs Type 2) и испытаны с импульсными токами, волновая форма 8/20 мкс.
Устройства защиты от перенапряжений следует выбирать в соответствии с рабочими характеристиками электрических и электронных систем. После разрядки устройства защиты от перенапряжений, которые должны использоваться в системе электропитания, должны быть способны безопасно гасить последующие токи, идущие от сети. Помимо мощности импульсного тока, это второй важный аспект дизайна.
На рисунке 4 показан разрядник молнии с инкапсулированным искровым промежутком.
Рисунок 4 - Применение защитного разрядника молниевого тока DEHNbloc Maxi для систем TN-C 400/690 В
Рисунок 5 - Ограничитель перенапряжений DEHNguard
Этот разрядник молнии может быть установлен между оголенными частями системы в защищаемой установке без учета минимальных расстояний. Защитное устройство DEHNbloc используется, например, для линий низкого напряжения, поступающих от ветровой турбины.
Ограничители перенапряжений (рис. 5) рассчитаны на нагрузку по мере их возникновения в случае индуктивных муфт и операций переключения. В рамках координации энергии они должны быть подключены ниже разрядников тока молнии. Они включают в себя варистор оксида металла с контролируемым температурным контролем.
В отличие от устройств защиты от перенапряжений для систем электропитания, особое внимание должно быть уделено совместимости системы и эксплуатационных характеристик линии измерения и управления или передачи данных при установке SPD в системах обработки данных. Эти защитные устройства соединены последовательно с линиями обработки данных и должны иметь возможность снизить уровень помех ниже иммунитета защищаемого оборудования.
Рассматривая одну телефонную линию в концепции зон молниезащиты, частичный ток молнии на этом проводнике можно считать покрытым 5%. Для системы защиты от молнии класса III / IV это будет представлять собой частичный ток молнии 5 кА, волновой вид 10/350 мкс.
Рисунок 6 - Применение молниеотвода BLITZDUCTOR XT и разрядника
Рисунок 6 - показывает одобренное многоцелевое устройство BLITZDUCTOR XT, BCT MOD BE как ток молнии и разрядник. Это защитное устройство может использоваться для защиты оборудования в зонах молниезащиты EMC I и выше. BLITZDUCTOR XT спроектирован как четырехполюсная сеть и ограничивает как помехи в общем режиме, так и дифференциальные помехи.
Его можно фиксировать непосредственно в ходе использования клеммных колодок или вместо этих терминалов на опорных рельсах. Его специальная конструкция позволяет экономить пространство.
Вернуться к индексу ↑
Ссылка: DEHN - Руководство по защите от молнии