Protección contra rayos y sobretensiones para sistemas de turbinas eólicas
Con la creciente conciencia del calentamiento global y los límites de nuestros combustibles fósiles, la necesidad de encontrar una mejor fuente de energía renovable se hace evidente. El uso de energía eólica es una industria en rápido crecimiento. Dichas instalaciones generalmente se ubican en terrenos abiertos y elevados y, como tales, presentan atractivos puntos de captura para descargas de rayos. Si se desea mantener un suministro confiable, es importante que se mitiguen las fuentes de daño por sobretensión. LSP ofrece una amplia gama de dispositivos de protección contra sobretensiones adecuados para corrientes de rayo tanto directas como parciales.
Protección contra rayos y sobretensiones para sistemas de turbinas eólicas
LSP tiene un conjunto completo de productos de protección contra sobretensiones disponibles para aplicaciones de turbinas eólicas. La oferta de LSP a varios productos de protección montados en riel DIN y monitoreo de sobretensiones y rayos. A medida que nos adentramos en un momento de la historia en el que el impulso hacia la energía y la tecnología ecológicas está provocando continuamente la construcción de más parques eólicos y la expansión de los parques eólicos actuales, tanto los fabricantes de turbinas como los propietarios / operadores de parques eólicos son cada vez más conscientes de los costes asociados con la caída de rayos. El daño monetario que sufren los operadores cuando hay una instancia de un rayo se presenta en dos formas, los costos asociados con el reemplazo de maquinaria debido a daños físicos y los costos asociados con el sistema fuera de línea y no produciendo energía. Los sistemas eléctricos de turbinas enfrentan los continuos desafíos del paisaje que los rodea, siendo las turbinas eólicas generalmente las estructuras más altas de una instalación. Debido al clima severo al que estarán expuestos, combinado con las expectativas de que una turbina sea alcanzada por un rayo varias veces a lo largo de su vida útil, los costos de reemplazo y reparación de equipos deben tenerse en cuenta en el plan de negocios de cualquier operador de parque eólico. El daño directo e indirecto del rayo es creado por campos electromagnéticos intensos que crean sobretensiones transitorias. Estas sobretensiones luego pasan a través del sistema eléctrico directamente a equipos sensibles dentro de la propia turbina. La sobretensión se propaga a través del sistema produciendo daños tanto inmediatos como latentes a los circuitos y al equipo computarizado. Los componentes como generadores, transformadores y convertidores de potencia, así como la electrónica de control, las comunicaciones y los sistemas SCADA están potencialmente dañados por las sobretensiones provocadas por la iluminación. El daño directo e inmediato puede ser obvio, pero el daño latente que ocurre como resultado de múltiples golpes o la exposición repetida a sobrecargas pueden ocurrir en componentes clave de energía dentro de una turbina eólica afectada, muchas veces este daño no está cubierto por las garantías del fabricante y, por lo tanto, el los costos de reparación y reemplazo recaen sobre los operadores.
Los costos fuera de línea son otro factor importante que debe figurar en cualquier plan de negocios asociado con un parque eólico. Estos costos se producen cuando una turbina se desactiva y debe ser reparada por un equipo de servicio, o se deben reemplazar los componentes, lo que implica costos de compra, transporte e instalación. Los ingresos que se pueden perder debido a un solo rayo pueden ser importantes, y el daño latente que se produce con el tiempo se suma a ese total. El producto de protección de turbinas eólicas de LSP reduce significativamente los costos asociados al ser capaz de soportar múltiples descargas eléctricas sin fallas, incluso después de múltiples casos de impacto.
El caso de los sistemas de protección contra sobretensiones para aerogeneradores
El cambio continuo en las condiciones climáticas combinado con la creciente dependencia de los combustibles fósiles ha generado un gran interés en los recursos energéticos renovables y sostenibles en todo el mundo. Una de las tecnologías más prometedoras en materia de energía verde es la energía eólica, que, a excepción de los altos costos iniciales, sería la elección de muchas naciones en todo el mundo. Por ejemplo, en Portugal, el objetivo de producción de energía eólica de 2006 a 2010 era aumentar al 25% la producción total de energía eólica, objetivo que se logró e incluso superó en años posteriores. Si bien los programas gubernamentales agresivos que impulsan la producción de energía eólica y solar han expandido sustancialmente la industria eólica, con este aumento en el número de turbinas eólicas viene un aumento en la probabilidad de que las turbinas sean alcanzadas por un rayo. Los golpes directos a las turbinas eólicas se han reconocido como un problema grave, y existen problemas únicos que hacen que la protección contra rayos sea más desafiante en la energía eólica que en otras industrias.
La construcción de turbinas eólicas es única, y estas estructuras altas, en su mayoría metálicas, son muy susceptibles a los daños causados por los rayos. También son difíciles de proteger utilizando tecnologías convencionales de protección contra sobretensiones que se sacrifican principalmente después de una sola sobretensión. Las turbinas eólicas pueden elevarse a más de 150 metros de altura y, por lo general, se ubican en terrenos altos en áreas remotas que están expuestas a los elementos, incluidos los rayos. Los componentes más expuestos de una turbina eólica son las palas y la góndola, y generalmente están hechas de materiales compuestos que no pueden soportar un rayo directo. Un golpe directo típico generalmente ocurre en las palas, creando una situación en la que la oleada viaja a través de los componentes de la turbina dentro del molino de viento y potencialmente a todas las áreas conectadas eléctricamente de la granja. Las áreas típicamente utilizadas para parques eólicos presentan malas condiciones de conexión a tierra, y el parque eólico moderno tiene componentes electrónicos de procesamiento que son increíblemente sensibles. Todos estos problemas hacen que la protección de las turbinas eólicas contra daños relacionados con los rayos sea más desafiante.
Dentro de la estructura de la turbina eólica, la electrónica y los cojinetes son muy susceptibles a daños por rayos. Los costos de mantenimiento asociados con las turbinas eólicas son altos debido a las dificultades para reemplazar estos componentes. Llevar tecnologías que puedan mejorar los promedios estadísticos para el reemplazo de componentes necesarios es una fuente de gran discusión en la mayoría de las salas de juntas y agencias gubernamentales involucradas con la producción eólica. La naturaleza robusta de la línea de productos de protección contra sobretensiones es única entre las tecnologías de protección contra sobretensiones porque continúa protegiendo el equipo incluso cuando está activado, y no es necesario reemplazarlo o reiniciarlo después de una sobretensión. Esto permite que los generadores de energía eólica permanezcan en línea durante períodos más largos. Cualquier mejora en los promedios estadísticos de los estados fuera de línea y los tiempos en que las turbinas están inactivas por mantenimiento traerá finalmente costos adicionales para el consumidor.
La prevención de daños en los circuitos de control y de baja tensión es fundamental, ya que los estudios han demostrado que más del 50% de las averías de las turbinas eólicas se deben a averías de este tipo de componentes. Son comunes las averías documentadas del equipo atribuidas a los rayos directos e inducidos y las sobrecargas de reflujo que se propagan justo después de un rayo. Los pararrayos instalados en el lado de la red eléctrica de los sistemas se conectan a tierra junto con el lado de bajo voltaje para disminuir la resistencia de la conexión a tierra, aumentando la capacidad de toda la cadena para resistir un impacto en una sola turbina eólica.
Protección contra rayos y sobretensiones para aerogeneradores
Este artículo describe la implementación de medidas de protección contra rayos y sobretensiones para dispositivos y sistemas eléctricos y electrónicos en una turbina eólica.
Las turbinas eólicas son muy vulnerables a los efectos de los rayos directos debido a su gran superficie expuesta y altura. Dado que el riesgo de que un rayo golpee una turbina eólica aumenta cuadráticamente con su altura, se puede estimar que una turbina eólica de varios megavatios es alcanzada por un rayo directo aproximadamente cada doce meses.
La compensación de alimentación debe amortizar los altos costos de inversión en unos pocos años, lo que significa que se debe evitar el tiempo de inactividad como resultado de daños por rayos y sobretensiones y los costos de reparación asociados. Por este motivo, son fundamentales las medidas integrales de protección contra rayos y sobretensiones.
Al planificar un sistema de protección contra rayos para turbinas eólicas, no solo se deben considerar los destellos de nube a tierra, sino también los destellos de tierra a nube, los llamados líderes ascendentes, para objetos con una altura de más de 60 m en ubicaciones expuestas. . La alta carga eléctrica de estos líderes ascendentes debe tenerse especialmente en cuenta para la protección de las palas del rotor y la selección de pararrayos adecuados.
Estandarización: protección contra rayos y sobretensiones para sistemas de turbinas eólicas
El concepto de protección debe basarse en las normas internacionales IEC 61400-24, serie estándar IEC 62305 y las directrices de la sociedad de clasificación Germanischer Lloyd.
Medidas de protección
IEC 61400-24 recomienda la selección de todos los subcomponentes del sistema de protección contra rayos de una turbina eólica de acuerdo con el nivel de protección contra rayos (LPL) I, a menos que un análisis de riesgo demuestre que un LPL más bajo es suficiente. Un análisis de riesgo también puede revelar que diferentes subcomponentes tienen diferentes LPL. IEC 61400-24 recomienda que el sistema de protección contra rayos se base en un concepto integral de protección contra rayos.
La protección contra rayos y sobretensiones para el sistema de turbinas eólicas consta de un sistema externo de protección contra rayos (LPS) y medidas de protección contra sobretensiones (SPM) para proteger los equipos eléctricos y electrónicos. Para planificar las medidas de protección, es aconsejable subdividir el aerogenerador en zonas de protección contra rayos (LPZ).
El sistema de protección contra rayos y sobretensiones para aerogeneradores protege dos subsistemas que solo se pueden encontrar en aerogeneradores, a saber, las palas del rotor y el tren de potencia mecánico.
IEC 61400-24 describe en detalle cómo proteger estas partes especiales de una turbina eólica y cómo probar la efectividad de las medidas de protección contra rayos.
De acuerdo con esta norma, es aconsejable realizar ensayos de alta tensión para verificar la capacidad de soportar la corriente del rayo de los sistemas relevantes con el primer golpe y el largo, si es posible, en una descarga común.
Los complejos problemas con respecto a la protección de las palas del rotor y las piezas / cojinetes montados de forma giratoria deben examinarse en detalle y dependen del fabricante y el tipo de componente. La norma IEC 61400-24 proporciona información importante a este respecto.
Concepto de zona de protección contra rayos
El concepto de zona de protección contra rayos es una medida de estructuración para crear un entorno EMC definido en un objeto. El entorno EMC definido se especifica mediante la inmunidad del equipo eléctrico utilizado. El concepto de zona de protección contra rayos permite reducir la interferencia conducida y radiada en los límites a valores definidos. Por esta razón, el objeto a proteger se subdivide en zonas de protección.
El método de la esfera rodante se puede utilizar para determinar LPZ 0A, es decir, las partes de una turbina eólica que pueden estar sujetas a rayos directos, y LPZ 0B, es decir, las partes de una turbina eólica que están protegidas de rayos directos por aire externo. sistemas de terminación o captación integrados en partes de una turbina eólica (en la pala del rotor, por ejemplo).
Según IEC 61400-24, el método de esfera rodante no debe utilizarse para las palas del rotor. Por esta razón, el diseño del sistema de captación debe probarse de acuerdo con el capítulo 8.2.3 de la norma IEC 61400-24.
La figura 1 muestra una aplicación típica del método de esfera rodante, mientras que la figura 2 ilustra la posible división de una turbina eólica en diferentes zonas de protección contra rayos. La división en zonas de protección contra rayos depende del diseño de la turbina eólica. Por lo tanto, se debe observar la estructura de la turbina eólica.
Sin embargo, es decisivo que los parámetros de rayos inyectados desde el exterior de la turbina eólica en LPZ 0A se reduzcan mediante medidas de blindaje adecuadas y dispositivos de protección contra sobretensiones en todos los límites de zona para que los dispositivos y sistemas eléctricos y electrónicos dentro de la turbina eólica puedan funcionar. sin peligro.
Medidas de blindaje
La carcasa debe diseñarse como un escudo metálico encapsulado. Esto significa que se consigue en la carcasa un volumen con un campo electromagnético considerablemente menor que el campo exterior de la turbina eólica.
De acuerdo con IEC 61400-24, una torre de acero tubular, utilizada principalmente para grandes turbinas eólicas, puede considerarse una jaula de Faraday casi perfecta, más adecuada para blindaje electromagnético. Los cuadros de distribución y control en la carcasa o “góndola” y, en su caso, en el edificio de operación, también deben ser de metal. Los cables de conexión deben tener un blindaje externo capaz de transportar corrientes de rayo.
Los cables apantallados solo son resistentes a las interferencias EMC si las pantallas están conectadas a la conexión equipotencial en ambos extremos. Los blindajes deben contactarse mediante terminales de contacto total (360 °) sin instalar cables de conexión largos incompatibles con CEM en la turbina eólica.
El blindaje magnético y el tendido de cables deben realizarse de acuerdo con la sección 4 de IEC 62305-4. Por esta razón, se deben utilizar las pautas generales para una práctica de instalación compatible con EMC de acuerdo con IEC / TR 61000-5-2.
Las medidas de blindaje incluyen, por ejemplo:
- Instalación de una trenza metálica en góndolas recubiertas de PRFV.
- Torre de metal.
- Armarios metálicos de aparamenta.
- Armarios de control metálicos.
- Cables de conexión apantallados que transportan corrientes de rayo (canal de cables de metal, tubería apantallada o similares).
- Blindaje de cables.
Medidas externas de protección contra rayos
La función del LPS externo es interceptar los rayos directos, incluidos los rayos en la torre de la turbina eólica, y descargar la corriente del rayo desde el punto de impacto hasta el suelo. También se utiliza para distribuir la corriente del rayo en el suelo sin daños térmicos o mecánicos o chispas peligrosas que puedan provocar incendios o explosiones y poner en peligro a las personas.
Los puntos potenciales de impacto de una turbina eólica (excepto las palas del rotor) se pueden determinar mediante el método de la esfera rodante que se muestra en la Fig. 1. Para las turbinas eólicas, es recomendable utilizar la clase LPS I. Por lo tanto, una esfera rodante con Se hace rodar un radio r = 20 m sobre la turbina eólica para determinar los puntos de impacto. Se requieren sistemas de captación donde la esfera contacta con la turbina eólica.
La construcción de la góndola / carcasa debe integrarse en el sistema de protección contra rayos para garantizar que los rayos en la góndola golpeen las partes metálicas naturales capaces de soportar esta carga o un sistema de captación diseñado para este propósito. Las góndolas con revestimiento de PRFV deben estar equipadas con un sistema de captación de aire y conductores de bajada que formen una jaula alrededor de la góndola.
El sistema de captación de aire, incluidos los conductores desnudos en esta jaula, debe ser capaz de resistir los rayos de acuerdo con el nivel de protección contra rayos seleccionado. Los conductores adicionales en la jaula de Faraday deben diseñarse de tal manera que resistan la parte de la corriente del rayo a la que pueden estar sujetos. De acuerdo con IEC 61400-24, los sistemas de captación de aire para proteger el equipo de medición montado fuera de la góndola deben diseñarse de acuerdo con los requisitos generales de IEC 62305-3 y los conductores de bajada deben conectarse a la jaula descrita anteriormente.
Los “componentes naturales” hechos de materiales conductores que se instalan permanentemente en / sobre una turbina eólica y no cambian (por ejemplo, sistema de protección contra rayos de las palas del rotor, cojinetes, mainframes, torre híbrida, etc.) pueden integrarse en el LPS. Si las turbinas eólicas son de construcción metálica, se puede asumir que cumplen los requisitos para un sistema externo de protección contra rayos de clase LPS I según IEC 62305.
Esto requiere que el relámpago sea interceptado de forma segura por el LPS de las palas del rotor para que pueda descargarse al sistema de puesta a tierra a través de componentes naturales como cojinetes, bastidores principales, la torre y / o sistemas de derivación (por ejemplo, descargadores abiertos, escobillas de carbón).
Sistema de captación / conductor de bajada
Como se muestra en la Fig. 1, las palas del rotor; góndolas incluidas superestructuras; el cubo del rotor y la torre de la turbina eólica pueden ser alcanzados por un rayo.
Si pueden interceptar la corriente máxima de impulso de rayo de 200 kA de forma segura y pueden descargarla al sistema de puesta a tierra, pueden utilizarse como "componentes naturales" del sistema de captación del sistema externo de protección contra rayos del aerogenerador.
Los receptores metálicos, que representan puntos definidos de impacto de los rayos, se instalan con frecuencia a lo largo de la pala de PRFV para proteger las palas del rotor contra daños causados por rayos. Un conductor de bajada se dirige desde el receptor hasta la raíz de la pala. En el caso de un rayo, se puede suponer que el rayo golpea la punta de la pala (receptor) y luego se descarga a través del conductor de bajada dentro de la pala al sistema de puesta a tierra a través de la góndola y la torre.
Sistema de puesta a tierra
El sistema de puesta a tierra de una turbina eólica debe realizar varias funciones, como protección personal, protección EMC y protección contra rayos.
Un sistema de puesta a tierra eficaz (ver Fig. 3) es fundamental para distribuir las corrientes de rayo y evitar la destrucción del aerogenerador. Además, el sistema de puesta a tierra debe proteger a las personas y los animales contra descargas eléctricas. En caso de caída de rayo, el sistema de puesta a tierra debe descargar altas corrientes de rayo al suelo y distribuirlas en el suelo sin efectos térmicos y / o electrodinámicos peligrosos.
En general, es importante establecer un sistema de puesta a tierra para una turbina eólica que se utilice para proteger la turbina eólica contra rayos y para conectar a tierra el sistema de suministro de energía.
Nota: Las regulaciones eléctricas de alta tensión como Cenelec HO 637 S1 o las normas nacionales aplicables especifican cómo diseñar un sistema de puesta a tierra para evitar altas tensiones de contacto y escalonadas causadas por cortocircuitos en sistemas de alta o media tensión. Con respecto a la protección de personas, la norma IEC 61400-24 se refiere a IEC // TS 60479-1 e IEC 60479-4.
Disposición de los electrodos de tierra
IEC 62305-3 describe dos tipos básicos de disposiciones de electrodos de tierra para turbinas eólicas:
Tipo A: De acuerdo con el Anexo I de IEC 61400-24, esta disposición no debe usarse para turbinas eólicas, pero puede usarse para anexos (por ejemplo, edificios que contienen equipos de medición o cobertizos de oficinas en conexión con un parque eólico). Los arreglos de electrodos de tierra tipo A consisten en electrodos de tierra horizontales o verticales conectados por al menos dos conductores de bajada en el edificio.
Tipo B: De acuerdo con el Anexo I de IEC 61400-24, esta disposición debe usarse para turbinas eólicas. Consiste en un electrodo de tierra de anillo externo instalado en el suelo o un electrodo de tierra de cimentación. Los electrodos de tierra en anillo y las partes metálicas de la cimentación deben conectarse a la construcción de la torre.
El refuerzo de la cimentación de la torre debe integrarse en el concepto de puesta a tierra de una turbina eólica. El sistema de puesta a tierra de la base de la torre y el edificio de operaciones debe estar conectado por medio de una red mallada de electrodos de tierra para obtener un sistema de puesta a tierra que abarque un área lo más grande posible. Para evitar tensiones escalonadas excesivas como resultado de la caída de un rayo, se deben instalar electrodos de tierra anulares resistentes a la corrosión y de control de potencial (hechos de acero inoxidable) alrededor de la base de la torre para garantizar la protección de las personas (ver Fig. 3).
Electrodos de tierra de cimentación
Los electrodos de tierra de cimentación tienen sentido técnico y económico y son, por ejemplo, requeridos en las Condiciones de Conexión Técnica Alemanas (TAB) de las empresas de suministro de energía. Los electrodos de tierra de cimentación forman parte de la instalación eléctrica y cumplen funciones de seguridad esenciales. Por esta razón, deben ser instalados por personas cualificadas eléctricamente o bajo la supervisión de una persona cualificada eléctricamente.
Los metales utilizados para los electrodos de tierra deben cumplir con los materiales enumerados en la Tabla 7 de IEC 62305-3. Siempre se debe observar el comportamiento de corrosión del metal en el suelo. Los electrodos de tierra de cimentación deben estar hechos de acero galvanizado o no galvanizado (acero redondo o en tiras). El acero redondo debe tener un diámetro mínimo de 10 mm. Las bandas de acero deben tener unas dimensiones mínimas de 30 x 3,5 mm. Tenga en cuenta que este material debe cubrirse con al menos 5 cm de hormigón (protección contra la corrosión). El electrodo de tierra de cimentación debe conectarse con la barra de conexión equipotencial principal en la turbina eólica. Las conexiones resistentes a la corrosión deben establecerse a través de puntos de puesta a tierra fijos de orejetas terminales de acero inoxidable. Además, se debe instalar en el suelo un electrodo de tierra anular de acero inoxidable.
Protección en la transición de LPZ 0A a LPZ 1
Para garantizar el funcionamiento seguro de los dispositivos eléctricos y electrónicos, los límites de las LPZ deben estar blindados contra la interferencia radiada y protegidos contra la interferencia conducida (consulte las Figuras 2 y 4). Los dispositivos de protección contra sobretensiones capaces de descargar altas corrientes de rayo sin destrucción deben instalarse en la transición de LPZ 0A a LPZ 1 (también denominada "conexión equipotencial de rayos"). Estos dispositivos de protección contra sobretensiones se denominan descargadores de corrientes de rayo de clase I y se prueban mediante corrientes de impulso de forma de onda de 10/350 μs. En la transición de LPZ 0B a LPZ 1 y LPZ 1 y superiores, solo se deben hacer frente a las corrientes de impulso de baja energía causadas por voltajes inducidos fuera del sistema o sobretensiones generadas en el sistema. Estos dispositivos de protección contra sobretensiones se denominan descargadores de sobretensiones de clase II y se prueban mediante corrientes de impulso de forma de onda de 8/20 μs.
De acuerdo con el concepto de zona de protección contra rayos, todos los cables y líneas entrantes deben integrarse en la conexión equipotencial de rayos sin excepción por medio de descargadores de corriente de tipo I en el límite de LPZ 0A a LPZ 1 o de LPZ 0A a LPZ 2.
Otra conexión equipotencial local, en la que todos los cables y líneas que entran en este límite deben estar integrados, debe instalarse para cada límite de zona adicional dentro del volumen a proteger.
Los descargadores de sobretensiones de tipo 2 deben instalarse en la transición de LPZ 0B a LPZ 1 y de LPZ 1 a LPZ 2, mientras que los descargadores de sobretensiones de clase III deben instalarse en la transición de LPZ 2 a LPZ 3. La función de las clases II y III Los descargadores de sobretensiones tienen como objetivo reducir la interferencia residual de las etapas de protección aguas arriba y limitar las sobretensiones inducidas o generadas dentro de la turbina eólica.
Selección de SPD según el nivel de protección de voltaje (Up) y la inmunidad del equipo
Para describir el Up en una LPZ, se deben definir los niveles de inmunidad del equipo dentro de una LPZ, por ejemplo, para líneas eléctricas y conexiones de equipos de acuerdo con IEC 61000-4-5 e IEC 60664-1; para líneas de telecomunicaciones y conexiones de equipos según IEC 61000-4-5, ITU-T K.20 y ITU-T K.21, y para otras líneas y conexiones de equipos de acuerdo con las instrucciones del fabricante.
Los fabricantes de componentes eléctricos y electrónicos deben poder proporcionar la información requerida sobre el nivel de inmunidad de acuerdo con las normas EMC. De lo contrario, el fabricante de la turbina eólica debe realizar pruebas para determinar el nivel de inmunidad. El nivel de inmunidad definido de los componentes en una LPZ define directamente el nivel de protección de voltaje requerido para los límites de la LPZ. La inmunidad de un sistema debe probarse, en su caso, con todos los SPD instalados y el equipo a proteger.
Protección de la fuente de alimentación
El transformador de una turbina eólica se puede instalar en diferentes ubicaciones (en una estación de distribución separada, en la base de la torre, en la torre, en la góndola). En el caso de grandes aerogeneradores, por ejemplo, el cable de 20 kV sin blindaje en la base de la torre se encamina a las instalaciones de aparamenta de media tensión que constan de interruptor automático de vacío, seccionador selector bloqueado mecánicamente, seccionador de tierra de salida y relé de protección.
Los cables de MT se conducen desde la instalación de aparamenta de MT en la torre del aerogenerador hasta el transformador situado en la góndola. El transformador alimenta el armario de distribución en la base de la torre, el armario de distribución en la góndola y el sistema de paso en el hub mediante un sistema TN-C (L1; L2; L3; conductor PEN; 3PhY; 3 W + G). El armario de distribución de la góndola suministra al equipo eléctrico una tensión alterna de 230/400 V.
Según IEC 60364-4-44, todos los equipos eléctricos instalados en una turbina eólica deben tener una tensión nominal soportada al impulso específica de acuerdo con la tensión nominal de la turbina eólica. Esto significa que los descargadores de sobretensión que se van a instalar deben tener al menos el nivel de protección de voltaje especificado dependiendo del voltaje nominal del sistema. Los descargadores de sobretensión utilizados para proteger sistemas de alimentación de 400/690 V deben tener un nivel de protección de voltaje mínimo Up ≤2,5 kV, mientras que los descargadores de sobretensiones utilizados para proteger sistemas de suministro de energía de 230/400 V deben tener un nivel de protección de voltaje Up ≤1,5 kV para garantizar la protección de equipos eléctricos / electrónicos sensibles. Para cumplir con este requisito, se deben instalar dispositivos de protección contra sobretensiones para sistemas de alimentación de 400/690 V que sean capaces de conducir corrientes de rayo de forma de onda de 10/350 μs sin destrucción y garantizar un nivel de protección de voltaje Up ≤2,5 kV.
Sistemas de alimentación de 230/400 V
La alimentación de tensión del armario de distribución en la base de la torre, del armario de distribución en la góndola y del sistema de paso en el hub mediante un sistema TN-C 230/400 V (3PhY, 3W + G) debe estar protegido por clase II pararrayos como SLP40-275 / 3S.
Protección de la luz de advertencia de la aeronave
La luz de advertencia de la aeronave en el mástil del sensor en LPZ 0B debe protegerse mediante un descargador de sobretensiones de clase II en las transiciones de zona relevantes (LPZ 0B → 1, LPZ 1 → 2) (Tabla 1).
Sistemas de alimentación de 400/690 V Para proteger el transformador de 400/690 V se deben instalar descargadores de corriente de rayo unipolares coordinados con una alta limitación de corriente de seguimiento para sistemas de alimentación de 40/750 V como SLP3-400 / 690S , inversores, filtros de red y equipos de medida.
Protección de las líneas del generador
Teniendo en cuenta las tolerancias de alto voltaje, se deben instalar descargadores de sobretensión de clase II para voltajes nominales de hasta 1000 V para proteger el devanado del rotor del generador y la línea de alimentación del inversor. Se utiliza un descargador adicional basado en descarga de chispas con una tensión de resistencia nominal a frecuencia industrial UN / AC = 2,2 kV (50 Hz) para el aislamiento de potencial y para evitar que los descargadores basados en varistores funcionen prematuramente debido a las fluctuaciones de voltaje que pueden ocurrir. durante el funcionamiento del inversor. En cada lado del estator del generador se instala un descargador de sobretensiones modular tripolar clase II con una tensión nominal aumentada del varistor para sistemas de 690 V.
Los descargadores de sobretensiones modulares tripolares clase II del tipo SLP40-750 / 3S están diseñados específicamente para turbinas eólicas. Tienen una tensión nominal del varistor Umov de 750 V AC, considerando las fluctuaciones de tensión que pueden producirse durante el funcionamiento.
Descargadores de sobretensiones para sistemas informáticos
Los descargadores de sobretensión para proteger equipos electrónicos en redes de telecomunicaciones y señalización contra los efectos directos e indirectos de descargas de rayos y otras sobretensiones transitorias se describen en IEC 61643-21 y se instalan en los límites de zona de conformidad con el concepto de zona de protección contra rayos.
Los descargadores de varias etapas deben diseñarse sin puntos ciegos. Debe asegurarse que las diferentes etapas de protección estén coordinadas entre sí, de lo contrario no se activarán todas las etapas de protección, provocando fallas en el dispositivo de protección contra sobretensiones.
En la mayoría de los casos, los cables de fibra de vidrio se utilizan para enrutar líneas de TI en una turbina eólica y para conectar los gabinetes de control desde la base de la torre hasta la góndola. El cableado entre los actuadores y sensores y los armarios de control se realiza mediante cables de cobre blindados. Dado que se excluyen las interferencias de un entorno electromagnético, los cables de fibra de vidrio no tienen que estar protegidos por descargadores de sobretensión a menos que el cable de fibra de vidrio tenga una cubierta metálica que deba integrarse directamente en la conexión equipotencial o mediante dispositivos de protección contra sobretensiones.
En general, las siguientes líneas de señal apantalladas que conectan los actuadores y sensores con los armarios de control deben estar protegidas por dispositivos de protección contra sobretensiones:
- Líneas de señal de la estación meteorológica en el mástil del sensor.
- Líneas de señal enrutadas entre la góndola y el sistema de cabeceo en el buje.
- Líneas de señal para el sistema de tono.
Líneas de señalización de la estación meteorológica
Las líneas de señal (interfaces 4 - 20 mA) entre los sensores de la estación meteorológica y el armario de distribución se enrutan de LPZ 0B a LPZ 2 y pueden protegerse mediante FLD2-24. Estos descargadores combinados que ahorran espacio protegen dos o cuatro líneas individuales con potencial de referencia común, así como interfaces desequilibradas y están disponibles con puesta a tierra de pantalla directa o indirecta. Para la puesta a tierra del apantallamiento se utilizan dos terminales de resorte flexibles para el contacto permanente del blindaje de baja impedancia con el lado protegido y desprotegido del descargador.
Ensayos de laboratorio según IEC 61400-24
IEC 61400-24 describe dos métodos básicos para realizar pruebas de inmunidad a nivel de sistema para turbinas eólicas:
- Durante las pruebas de corriente de impulso en condiciones de funcionamiento, se inyectan corrientes de impulso o corrientes de rayo parciales en las líneas individuales de un sistema de control mientras hay tensión de alimentación. Al hacerlo, el equipo a proteger, incluidos todos los SPD, se somete a una prueba de corriente de impulso.
- El segundo método de prueba simula los efectos electromagnéticos de los impulsos electromagnéticos del rayo (LEMP). La corriente total del rayo se inyecta en la estructura que descarga la corriente del rayo y se analiza el comportamiento del sistema eléctrico mediante la simulación del cableado en condiciones de funcionamiento de la forma más realista posible. La pendiente de la corriente del rayo es un parámetro de prueba decisivo.
