Protection contre la foudre et les surtensions pour le système éolien
Avec la prise de conscience croissante du réchauffement climatique et des limites de nos combustibles fossiles, la nécessité de trouver une meilleure source d'énergie renouvelable devient évidente. L'utilisation de l'énergie éolienne est une industrie en croissance rapide. De telles installations sont généralement situées sur un terrain dégagé et surélevé et à ce titre présentent des points de capture attractifs pour les décharges de foudre. Si une alimentation fiable doit être maintenue, il est important que les sources de dommages dus aux surtensions soient atténuées. LSP propose une gamme étendue de dispositifs de protection contre les surtensions adaptés aux courants de foudre directs et partiels.
Protection contre la foudre et les surtensions pour le système éolien
LSP propose une gamme complète de produits de protection contre les surtensions pour les applications d'éoliennes. L'offre de LSP à divers produits de protection montés sur rail DIN et surveillance des surtensions et de la foudre. Alors que nous entrons dans une période de l'histoire où la poussée vers l'énergie et la technologie vertes entraîne continuellement la construction de plus de parcs éoliens et l'expansion des parcs éoliens actuels, les fabricants de turbines et les propriétaires / exploitants de parcs éoliens sont de plus en plus conscients des coûts associés la foudre. Les dommages monétaires que subissent les opérateurs en cas de coup de foudre se présentent sous deux formes, les coûts associés au remplacement des machines en raison de dommages physiques et les coûts associés au fait que le système est hors ligne et ne produit pas d'électricité. Les systèmes électriques de turbine font face aux défis continus du paysage qui les entoure, les éoliennes étant généralement les structures les plus hautes d'une installation. En raison des conditions météorologiques difficiles auxquelles ils seront exposés, combinés aux attentes d'une turbine frappée par la foudre plusieurs fois au cours de sa durée de vie, les coûts de remplacement et de réparation des équipements doivent être pris en compte dans le plan d'affaires de tout exploitant de parc éolien. Les dommages directs et indirects causés par la foudre sont créés par des champs électromagnétiques intenses qui créent des surtensions transitoires. Ces surtensions sont ensuite transmises à travers le système électrique directement aux équipements sensibles à l'intérieur de la turbine elle-même. La surtension se propage à travers le système, produisant des dommages à la fois immédiats et latents aux circuits et aux équipements informatiques. Les composants tels que les générateurs, les transformateurs et les convertisseurs de puissance ainsi que l'électronique de commande, les systèmes de communication et SCADA sont potentiellement endommagés par les surtensions créées par l'éclairage. Des dommages directs et immédiats peuvent être évidents, mais des dommages latents qui surviennent à la suite de plusieurs grèves ou d'une exposition répétée à des surtensions peuvent survenir aux principaux composants d'alimentation d'une éolienne affectée, souvent ces dommages ne sont pas couverts par les garanties du fabricant, et donc le les coûts de réparation et de remplacement incombent aux opérateurs.
Les coûts hors ligne sont un autre facteur majeur qui doit être inclus dans tout plan d'affaires associé à un parc éolien. Ces coûts surviennent lorsqu'une turbine est désactivée et doit être travaillée par une équipe de service, ou avoir des composants remplacés, ce qui implique à la fois des coûts d'achat, de transport et d'installation. Les revenus qui peuvent être perdus en raison d'un seul coup de foudre peuvent être importants, et les dommages latents qui se produisent au fil du temps s'ajoutent à ce total. Le produit de protection des éoliennes de LSP réduit considérablement les coûts associés en étant capable de résister à de multiples surtensions de foudre sans panne, même après plusieurs cas de grève.
Le cas des systèmes de protection contre les surtensions pour les éoliennes
Le changement continu des conditions climatiques combiné à la dépendance croissante aux combustibles fossiles a suscité un grand intérêt pour les ressources énergétiques durables et renouvelables dans le monde entier. L'une des technologies les plus prometteuses en matière d'énergie verte est l'énergie éolienne, qui, à l'exception des coûts de démarrage élevés, serait le choix de nombreux pays du monde entier. Par exemple, au Portugal, l'objectif de production d'énergie éolienne de 2006 à 2010 était d'augmenter à 25% la production totale d'énergie de l'énergie éolienne, un objectif qui a été atteint et même dépassé les années suivantes. Alors que les programmes gouvernementaux agressifs poussant la production d'énergie éolienne et solaire ont considérablement élargi l'industrie éolienne, cette augmentation du nombre d'éoliennes s'accompagne d'une augmentation de la probabilité que les turbines soient frappées par la foudre. Les impacts directs sur les éoliennes sont désormais reconnus comme un problème grave, et il existe des problèmes uniques qui rendent la protection contre la foudre plus difficile dans l'énergie éolienne que dans d'autres industries.
La construction d'éoliennes est unique et ces hautes structures principalement métalliques sont très sensibles aux dommages causés par la foudre. Ils sont également difficiles à protéger à l'aide des technologies de protection contre les surtensions classiques qui se sacrifient principalement après une seule surtension. Les éoliennes peuvent s'élever à plus de 150 mètres de hauteur et sont généralement situées sur des terrains élevés dans des zones reculées exposées aux éléments, y compris aux coups de foudre. Les composants les plus exposés d'une éolienne sont les pales et la nacelle, généralement constituées de matériaux composites incapables de supporter un coup de foudre direct. Une frappe directe typique se produit généralement sur les pales, créant une situation où la surtension se propage à travers les composants de la turbine dans l'éolienne et potentiellement vers toutes les zones électriquement connectées de la ferme. Les zones généralement utilisées pour les parcs éoliens présentent de mauvaises conditions de mise à la terre, et le parc éolien moderne dispose de l'électronique de traitement qui est incroyablement sensible. Tous ces problèmes rendent la protection des éoliennes contre les dommages causés par la foudre très difficile.
Dans la structure de l'éolienne elle-même, l'électronique et les roulements sont très sensibles aux dommages causés par la foudre. Les coûts de maintenance associés aux éoliennes sont élevés en raison des difficultés de remplacement de ces composants. Apporter des technologies qui peuvent améliorer les moyennes statistiques pour le remplacement nécessaire des composants est une source de grande discussion dans la plupart des salles de conseil et des agences gouvernementales impliquées dans la production éolienne. La nature robuste de la gamme de produits de protection contre les surtensions est unique parmi les technologies de protection contre les surtensions, car elle continue de protéger l'équipement même lorsqu'elle est activée, et il n'est pas nécessaire de les remplacer ou de les réinitialiser après une surtension. Cela permet aux générateurs d'énergie éolienne de rester en ligne pendant de plus longues périodes. Toute amélioration des moyennes statistiques des états hors ligne et des heures d'arrêt des turbines pour maintenance entraînera en fin de compte des coûts supplémentaires pour le consommateur.
Il est essentiel de prévenir les dommages aux circuits basse tension et de contrôle, car des études ont montré que plus de 50% des pannes d'éoliennes sont causées par des pannes de ces types de composants. Les pannes documentées de l'équipement attribuées aux coups de foudre directs et induits et aux surtensions de refoulement qui se propagent juste après un coup de foudre sont courantes. Les parafoudres installés du côté du réseau électrique des systèmes sont mis à la terre avec le côté basse tension afin de réduire la résistance de mise à la terre, augmentant la capacité de toute la chaîne à résister à un coup sur une seule éolienne.
Protection contre la foudre et les surtensions pour les éoliennes
Cet article décrit la mise en œuvre de mesures de protection contre la foudre et les surtensions pour les appareils et systèmes électriques et électroniques dans une éolienne.
Les éoliennes sont très vulnérables aux effets des coups de foudre directs en raison de leur vaste surface exposée et de leur hauteur. Étant donné que le risque que la foudre frappe une éolienne augmente de façon quadratique avec sa hauteur, on peut estimer qu'une éolienne de plusieurs mégawatts est frappée par un coup de foudre direct environ tous les douze mois.
La compensation de rachat doit amortir les coûts d'investissement élevés en quelques années, ce qui signifie que les temps d'arrêt dus à la foudre et aux surtensions et les coûts de réparation associés doivent être évités. C'est pourquoi des mesures complètes de protection contre la foudre et les surtensions sont essentielles.
Lors de la planification d'un système de protection contre la foudre pour les éoliennes, non seulement les éclairs nuage-terre, mais aussi les éclairs terre-nuage, appelés leaders ascendants, doivent être pris en compte pour les objets d'une hauteur de plus de 60 m dans des endroits exposés. . La charge électrique élevée de ces conducteurs ascendants doit être particulièrement prise en compte pour la protection des pales du rotor et le choix des parafoudres appropriés.
Standardisation - Protection contre la foudre et les surtensions pour le système éolien
Le concept de protection doit être basé sur les normes internationales CEI 61400-24, la série de normes CEI 62305 et les directives de la société de classification Germanischer Lloyd.
Mesures de protection
La CEI 61400-24 recommande la sélection de tous les sous-composants du système de protection contre la foudre d'une éolienne en fonction du niveau de protection contre la foudre (LPL) I, à moins qu'une analyse des risques ne démontre qu'une LPL inférieure est suffisante. Une analyse des risques peut également révéler que différents sous-composants ont des LPL différentes. La CEI 61400-24 recommande que le système de protection contre la foudre soit basé sur un concept complet de protection contre la foudre.
La protection contre la foudre et les surtensions pour le système éolien se compose d'un système de protection externe contre la foudre (LPS) et de mesures de protection contre les surtensions (SPM) pour protéger les équipements électriques et électroniques. Pour planifier les mesures de protection, il est conseillé de subdiviser l'éolienne en zones de protection contre la foudre (LPZ).
La protection contre la foudre et les surtensions pour le système éolien protège deux sous-systèmes qui ne peuvent être trouvés que dans les éoliennes, à savoir les pales du rotor et le groupe motopropulseur mécanique.
La CEI 61400-24 décrit en détail comment protéger ces parties spéciales d'une éolienne et comment prouver l'efficacité des mesures de protection contre la foudre.
Selon cette norme, il est conseillé d'effectuer des tests haute tension pour vérifier la capacité de tenue au courant de foudre des systèmes concernés avec la première course et la longue course, si possible, dans une décharge commune.
Les problèmes complexes relatifs à la protection des pales du rotor et des pièces / roulements montés en rotation doivent être examinés en détail et dépendent du fabricant et du type de composant. La norme CEI 61400-24 fournit des informations importantes à cet égard.
Concept de zone de protection contre la foudre
Le concept de zone de protection contre la foudre est une mesure structurante pour créer un environnement CEM défini dans un objet. L'environnement CEM défini est spécifié par l'immunité de l'équipement électrique utilisé. Le concept de zone de protection contre la foudre permet de réduire les interférences conduites et rayonnées aux limites à des valeurs définies. Pour cette raison, l'objet à protéger est subdivisé en zones de protection.
La méthode de la sphère roulante peut être utilisée pour déterminer le LPZ 0A, à savoir les parties d'une éolienne qui peuvent être soumises à des coups de foudre directs, et LPZ 0B, à savoir les parties d'une éolienne qui sont protégées des coups de foudre directs par l'air extérieur. des systèmes de terminaison ou des systèmes de terminaison d'air intégrés dans des parties d'une éolienne (dans la pale du rotor, par exemple).
Selon CEI 61400-24, la méthode de la sphère roulante ne doit pas être utilisée pour les pales de rotor elles-mêmes. Pour cette raison, la conception du système de terminaison d'air doit être testée conformément au chapitre 8.2.3 de la norme CEI 61400-24.
La figure 1 montre une application typique du procédé de la sphère de roulement, tandis que la figure 2 illustre la division possible d'une éolienne en différentes zones de protection contre la foudre. La division en zones de protection contre la foudre dépend de la conception de l'éolienne. Par conséquent, la structure de l'éolienne doit être observée.
Il est cependant décisif que les paramètres de foudre injectés de l'extérieur de l'éolienne dans la LPZ 0A soient réduits par des mesures de blindage appropriées et des dispositifs de protection contre les surtensions à toutes les limites de la zone afin que les dispositifs et systèmes électriques et électroniques à l'intérieur de l'éolienne puissent être utilisés. sans encombre.
Mesures de protection
Le boîtier doit être conçu comme un blindage métallique encapsulé. Cela signifie qu'un volume avec un champ électromagnétique qui est considérablement inférieur au champ extérieur de l'éolienne est obtenu dans le carter.
Conformément à la norme CEI 61400-24, une tour tubulaire en acier, utilisée principalement pour les grandes éoliennes, peut être considérée comme une cage de Faraday presque parfaite, mieux adaptée au blindage électromagnétique. L'appareillage et les armoires de commande dans le boîtier ou «nacelle» et, le cas échéant, dans le bâtiment d'exploitation, doivent également être en métal. Les câbles de connexion doivent comporter un blindage externe capable de transporter des courants de foudre.
Les câbles blindés ne résistent aux interférences CEM que si les blindages sont connectés à la liaison équipotentielle aux deux extrémités. Les blindages doivent être mis en contact au moyen de bornes de contact entièrement (360 °) sans installer de longs câbles de connexion incompatibles CEM sur l'éolienne.
Le blindage magnétique et le routage des câbles doivent être effectués conformément à la section 4 de la CEI 62305-4. Pour cette raison, les directives générales pour une pratique d'installation compatible CEM selon CEI / TR 61000-5-2 doivent être utilisées.
Les mesures de protection comprennent, par exemple:
- Installation d'une tresse métallique sur des nacelles revêtues de PRV.
- Tour en métal.
- Armoires de commutation métalliques.
- Armoires de commande métalliques.
- Câbles de raccordement blindés transportant un courant de foudre (conduit de câbles métalliques, tube blindé ou similaire).
- Blindage des câbles.
Mesures extérieures de protection contre la foudre
La fonction du LPS externe est d'intercepter les coups de foudre directs, y compris les coups de foudre dans la tour de l'éolienne, et de décharger le courant de foudre du point d'impact vers le sol. Il est également utilisé pour distribuer le courant de foudre dans le sol sans dommages thermiques ou mécaniques ni étincelles dangereuses qui peuvent provoquer un incendie ou une explosion et mettre en danger des personnes.
Les points de collision potentiels pour une éolienne (à l'exception des pales du rotor) peuvent être déterminés au moyen de la méthode de la sphère de roulement illustrée à la Fig.1. Pour les éoliennes, il est conseillé d'utiliser la classe LPS I. Par conséquent, une sphère de roulement avec un rayon r = 20 m est roulé sur l'éolienne pour déterminer les points d'impact. Des systèmes de terminaison d'air sont nécessaires là où la sphère entre en contact avec l'éolienne.
La construction de la nacelle / du boîtier doit être intégrée dans le système de protection contre la foudre pour garantir que les coups de foudre dans la nacelle frappent soit des pièces métalliques naturelles capables de supporter cette charge, soit un système de terminaison d'air conçu à cet effet. Les nacelles avec revêtement GRP doivent être équipées d'un système de terminaison d'air et de conducteurs de descente formant une cage autour de la nacelle.
Le système de terminaison d'air comprenant les conducteurs nus dans cette cage doit être capable de résister aux coups de foudre en fonction du niveau de protection contre la foudre sélectionné. Les autres conducteurs de la cage de Faraday doivent être conçus de manière à résister à la part de courant de foudre à laquelle ils peuvent être soumis. Conformément à la norme CEI 61400-24, les systèmes de terminaison d'air pour la protection des équipements de mesure montés à l'extérieur de la nacelle doivent être conçus conformément aux exigences générales de la CEI 62305-3 et les conducteurs de descente doivent être connectés à la cage décrite ci-dessus.
Des «composants naturels» constitués de matériaux conducteurs installés en permanence dans / sur une éolienne et qui restent inchangés (ex: système de protection contre la foudre des pales de rotor, roulements, châssis, tour hybride, etc.) peuvent être intégrés dans le LPS. Si les éoliennes sont de construction métallique, on peut supposer qu'elles satisfont aux exigences d'un système de protection externe contre la foudre de classe LPS I selon CEI 62305.
Cela nécessite que le coup de foudre soit intercepté en toute sécurité par le LPS des pales du rotor afin qu'il puisse être déchargé vers le système de mise à la terre via des composants naturels tels que les roulements, les châssis principaux, la tour et / ou les systèmes de dérivation (par exemple, éclateurs ouverts, balais de charbon).
Système de terminaison d'air / conducteur de descente
Comme le montre la figure 1, les pales du rotor; nacelle comprenant des superstructures; le moyeu du rotor et la tour de l'éolienne peuvent être frappés par la foudre.
S'ils peuvent intercepter en toute sécurité le courant d'impulsion de foudre maximal de 200 kA et le décharger vers le système de mise à la terre, ils peuvent être utilisés comme «composants naturels» du système de terminaison d'air du système de protection contre la foudre externe de l'éolienne.
Des récepteurs métalliques, qui représentent des points d'impact définis pour les coups de foudre, sont fréquemment installés le long de la pale en PRV pour protéger les pales du rotor contre les dommages dus à la foudre. Un conducteur descendant est acheminé du récepteur vers le pied de lame. En cas de coup de foudre, on peut supposer que le coup de foudre frappe le bout de la pale (récepteur) et est ensuite déchargé via le conducteur de descente à l'intérieur de la pale vers le système de mise à la terre via la nacelle et la tour.
Système de terminaison de terre
Le système de mise à la terre d'une éolienne doit remplir plusieurs fonctions telles que la protection individuelle, la protection CEM et la protection contre la foudre.
Un système de mise à la terre efficace (voir Fig. 3) est essentiel pour distribuer les courants de foudre et pour empêcher la destruction de l'éolienne. De plus, le système de mise à la terre doit protéger les humains et les animaux contre les chocs électriques. En cas de coup de foudre, le système de mise à la terre doit décharger des courants de foudre élevés vers le sol et les répartir dans le sol sans effets thermiques et / ou électrodynamiques dangereux.
En général, il est important d'établir un système de mise à la terre pour une éolienne qui est utilisé pour protéger l'éolienne contre la foudre et pour mettre à la terre le système d'alimentation électrique.
Remarque: Les réglementations sur la haute tension électrique telles que Cenelec HO 637 S1 ou les normes nationales applicables spécifient comment concevoir un système de mise à la terre pour éviter les tensions de contact et de pas élevées causées par des courts-circuits dans les systèmes haute ou moyenne tension. En ce qui concerne la protection des personnes, la norme CEI 61400-24 fait référence à CEI // TS 60479-1 et CEI 60479-4.
Disposition des électrodes de terre
La CEI 62305-3 décrit deux types de base de disposition des électrodes de terre pour les éoliennes:
Type A: selon l'annexe I de la CEI 61400-24, cet agencement ne doit pas être utilisé pour les éoliennes, mais il peut être utilisé pour les annexes (par exemple, les bâtiments contenant des équipements de mesure ou les hangars de bureaux en relation avec un parc éolien). Les agencements d'électrodes de terre de type A se composent d'électrodes de terre horizontales ou verticales reliées par au moins deux conducteurs de descente sur le bâtiment.
Type B: selon l'annexe I de la CEI 61400-24, cette disposition doit être utilisée pour les éoliennes. Il se compose soit d'une électrode de terre annulaire externe installée dans le sol, soit d'une électrode de terre de fondation. Les électrodes de terre annulaires et les pièces métalliques de la fondation doivent être connectées à la construction de la tour.
Le renforcement de la fondation de la tour doit être intégré dans le concept de mise à la terre d'une éolienne. Le système de mise à la terre de la base de la tour et le bâtiment d'exploitation doivent être connectés au moyen d'un réseau maillé d'électrodes de terre pour obtenir un système de mise à la terre s'étendant sur une superficie aussi grande que possible. Pour éviter des tensions de pas excessives à la suite d'un coup de foudre, des électrodes de mise à la terre annulaires de contrôle de potentiel et résistantes à la corrosion (en acier inoxydable) doivent être installées autour de la base de la tour pour assurer la protection des personnes (voir Fig.3).
Électrodes de terre de fondation
Les électrodes de terre de fondation ont un sens technique et économique et sont, par exemple, exigées dans les conditions de connexion techniques allemandes (TAB) des entreprises d'alimentation électrique. Les électrodes de terre de fondation font partie de l'installation électrique et remplissent des fonctions de sécurité essentielles. Pour cette raison, ils doivent être installés par des électriciens ou sous la supervision d'un électricien.
Les métaux utilisés pour les électrodes de terre doivent être conformes aux matériaux énumérés dans le tableau 7 de la CEI 62305-3. Le comportement à la corrosion du métal dans le sol doit toujours être respecté. Les électrodes de terre de fondation doivent être en acier galvanisé ou non galvanisé (rond ou feuillard). L'acier rond doit avoir un diamètre minimum de 10 mm. Les bandes d'acier doivent avoir des dimensions minimales de 30 x 3,5 mm. Notez que ce matériau doit être recouvert d'au moins 5 cm de béton (protection anticorrosion). L'électrode de terre de fondation doit être connectée à la barre de liaison équipotentielle principale de l'éolienne. Les connexions résistantes à la corrosion doivent être établies via des points de mise à la terre fixes de cosses de borne en acier inoxydable. De plus, une électrode de terre annulaire en acier inoxydable doit être installée dans le sol.
Protection lors du passage de LPZ 0A à LPZ 1
Pour assurer un fonctionnement sûr des appareils électriques et électroniques, les limites des LPZ doivent être blindées contre les interférences rayonnées et protégées contre les interférences conduites (voir Fig. 2 et 4). Des parafoudres capables de décharger des courants de foudre élevés sans destruction doivent être installés à la transition de LPZ 0A à LPZ 1 (également appelée «liaison équipotentielle de foudre»). Ces parafoudres sont appelés parafoudres de classe I et sont testés au moyen de courants d'impulsion de forme d'onde 10/350 μs. Lors de la transition de LPZ 0B à LPZ 1 et LPZ 1 et plus, seuls les courants d'impulsion de faible énergie provoqués par des tensions induites à l'extérieur du système ou des surtensions générées dans le système doivent être traités. Ces dispositifs de protection contre les surtensions sont appelés parafoudres de classe II et sont testés au moyen de courants d'impulsion de forme d'onde 8/20 μs.
Selon le concept de zone de protection contre la foudre, tous les câbles et lignes entrants doivent être intégrés dans la liaison équipotentielle de foudre sans exception au moyen de parafoudres de classe I à la limite de LPZ 0A à LPZ 1 ou de LPZ 0A à LPZ 2.
Une autre liaison équipotentielle locale, dans laquelle tous les câbles et lignes entrant dans cette limite doivent être intégrés, doit être installée pour chaque autre limite de zone à l'intérieur du volume à protéger.
Les parafoudres de type 2 doivent être installés à la transition de LPZ 0B à LPZ 1 et de LPZ 1 à LPZ 2, tandis que les parafoudres de classe III doivent être installés à la transition de LPZ 2 à LPZ 3. La fonction des classes II et III Les parafoudres ont pour but de réduire les interférences résiduelles des étages de protection amont et de limiter les surtensions induites ou générées au sein de l'éolienne.
Sélection des SPD en fonction du niveau de protection de tension (Up) et de l'immunité de l'équipement
Pour décrire le Up dans une LPZ, les niveaux d'immunité de l'équipement dans une LPZ doivent être définis, par exemple pour les lignes électriques et les connexions d'équipements selon CEI 61000-4-5 et CEI 60664-1; pour les lignes de télécommunication et les connexions d'équipements selon CEI 61000-4-5, UIT-T K.20 et UIT-T K.21, et pour les autres lignes et connexions d'équipements selon les instructions du fabricant.
Les fabricants de composants électriques et électroniques doivent être en mesure de fournir les informations requises sur le niveau d'immunité conformément aux normes CEM. Sinon, le fabricant d'éoliennes doit effectuer des tests pour déterminer le niveau d'immunité. Le niveau d'immunité défini des composants dans une LPZ définit directement le niveau de protection de tension requis pour les limites de la LPZ. L'immunité d'un système doit être prouvée, le cas échéant, avec tous les SPD installés et l'équipement à protéger.
Protection de l'alimentation
Le transformateur d'une éolienne peut être installé à différents endroits (dans un poste de distribution séparé, dans la base de la tour, dans la tour, dans la nacelle). Dans le cas de grandes éoliennes, par exemple, le câble non blindé de 20 kV dans la base de la tour est acheminé vers les installations d'appareillage moyenne tension comprenant un disjoncteur à vide, un interrupteur-sectionneur à verrouillage mécanique, un sectionneur de terre sortant et un relais de protection.
Les câbles MT sont acheminés depuis l'installation de l'appareillage MT dans la tour de l'éolienne jusqu'au transformateur situé dans la nacelle. Le transformateur alimente l'armoire de commande dans la base de la tour, l'armoire de distribution dans la nacelle et le système de pas dans le moyeu au moyen d'un système TN-C (L1; L2; L3; conducteur PEN; 3PhY; 3 W + G). L'armoire électrique de la nacelle alimente le matériel électrique avec une tension alternative de 230/400 V.
Selon la norme CEI 60364-4-44, tout équipement électrique installé dans une éolienne doit avoir une tension assignée de tenue aux chocs spécifique en fonction de la tension nominale de l'éolienne. Cela signifie que les parafoudres à installer doivent avoir au moins le niveau de protection de tension spécifié en fonction de la tension nominale du système. Les parafoudres utilisés pour protéger les systèmes d'alimentation 400/690 V doivent avoir un niveau de protection de tension minimum Up ≤2,5 kV, tandis que les parafoudres utilisés pour protéger les systèmes d'alimentation 230/400 V doivent avoir un niveau de protection de tension Up ≤1,5 kV pour assurer la protection des équipements électriques / électroniques sensibles. Pour répondre à cette exigence, des parafoudres pour systèmes d'alimentation 400/690 V capables de conduire des courants de foudre de forme d'onde 10/350 μs sans destruction et assurant un niveau de protection de tension Up ≤2,5 kV doivent être installés.
Systèmes d'alimentation 230/400 V
L'alimentation en tension de l'armoire de commande dans la base de la tour, de l'armoire de distribution dans la nacelle et du système de pas dans le moyeu au moyen d'un système TN-C 230/400 V (3PhY, 3W + G) doit être protégée par la classe II parafoudres tels que SLP40-275 / 3S.
Protection du voyant d'avertissement de l'avion
Le témoin d'avertissement de l'aéronef sur le mât du capteur dans le LPZ 0B doit être protégé au moyen d'un parafoudre de classe II aux transitions de zone concernées (LPZ 0B → 1, LPZ 1 → 2) (Tableau 1).
Systèmes d'alimentation 400 / 690V Des parafoudres unipolaires coordonnés avec une limitation de courant de suivi élevée pour les systèmes d'alimentation 400/690 V tels que SLP40-750 / 3S, doivent être installés pour protéger le transformateur 400/690 V , onduleurs, filtres réseau et équipements de mesure.
Protection des lignes génératrices
Compte tenu des tolérances de haute tension, des parafoudres de classe II pour des tensions nominales jusqu'à 1000 V doivent être installés pour protéger l'enroulement du rotor du générateur et la ligne d'alimentation de l'onduleur. Un parafoudre supplémentaire à éclateur avec une tension de tenue à fréquence industrielle nominale UN / AC = 2,2 kV (50 Hz) est utilisé pour l'isolation du potentiel et pour empêcher les parafoudres à varistance de fonctionner prématurément en raison des fluctuations de tension qui peuvent se produire. pendant le fonctionnement de l'onduleur. Un parafoudre modulaire tripolaire de classe II avec une tension nominale augmentée de la varistance pour les systèmes 690 V est installé de chaque côté du stator du générateur.
Les parafoudres modulaires tripolaires de classe II de type SLP40-750 / 3S sont spécialement conçus pour les éoliennes. Ils ont une tension nominale de la varistance Umov de 750 V AC, compte tenu des fluctuations de tension qui peuvent se produire pendant le fonctionnement.
Parafoudres pour systèmes informatiques
Les parafoudres destinés à protéger les équipements électroniques des réseaux de télécommunication et de signalisation contre les effets indirects et directs des coups de foudre et autres surtensions transitoires sont décrits dans la CEI 61643-21 et sont installés aux limites des zones conformément au concept de zone de protection contre la foudre.
Les parafoudres à plusieurs étages doivent être conçus sans angles morts. Il faut s'assurer que les différents niveaux de protection sont coordonnés les uns avec les autres, sinon tous les étages de protection ne seront pas activés, provoquant des défauts dans le parafoudre.
Dans la majorité des cas, les câbles en fibre de verre sont utilisés pour acheminer les lignes informatiques dans une éolienne et pour connecter les armoires de commande de la base de la tour à la nacelle. Le câblage entre les actionneurs et capteurs et les armoires de commande est réalisé par des câbles en cuivre blindés. Les interférences dues à un environnement électromagnétique étant exclues, les câbles en fibre de verre ne doivent pas être protégés par des parafoudres à moins que le câble en fibre de verre ne possède une gaine métallique qui doit être intégrée directement dans la liaison équipotentielle ou au moyen de parafoudres.
En général, les lignes de signaux blindées suivantes reliant les actionneurs et les capteurs aux armoires de commande doivent être protégées par des parafoudres:
- Lignes de signal de la station météo sur le mât du capteur.
- Lignes de signal acheminées entre la nacelle et le système de pas dans le moyeu.
- Lignes de signal pour le système de hauteur.
Lignes de signal de la station météo
Les lignes de signaux (interfaces 4 - 20 mA) entre les capteurs de la station météorologique et l'armoire électrique sont acheminées de LPZ 0B à LPZ 2 et peuvent être protégées au moyen du FLD2-24. Ces parafoudres combinés peu encombrants protègent deux ou quatre lignes simples avec un potentiel de référence commun ainsi que des interfaces déséquilibrées et sont disponibles avec mise à la terre directe ou indirecte du blindage. Deux bornes à ressort flexibles pour un contact de blindage permanent à faible impédance avec le côté protégé et non protégé du parafoudre sont utilisées pour la mise à la terre du blindage.
Essais de laboratoire selon CEI 61400-24
La CEI 61400-24 décrit deux méthodes de base pour effectuer des tests d'immunité au niveau du système pour les éoliennes:
- Lors des tests de courant d'impulsion dans les conditions de fonctionnement, des courants d'impulsion ou des courants de foudre partiels sont injectés dans les lignes individuelles d'un système de commande alors que la tension d'alimentation est présente. Ce faisant, l'équipement à protéger, y compris tous les parafoudres, est soumis à un test de courant impulsionnel.
- La deuxième méthode de test simule les effets électromagnétiques des impulsions électromagnétiques de foudre (LEMP). Le courant de foudre complet est injecté dans la structure qui décharge le courant de foudre et le comportement du système électrique est analysé en simulant le câblage dans des conditions de fonctionnement de la manière la plus réaliste possible. La pente du courant de foudre est un paramètre de test décisif.
