Protezione contro fulmini e sovratensioni per impianti eolici

Con la crescente consapevolezza del riscaldamento globale e dei limiti ai nostri combustibili fossili, la necessità di trovare una migliore fonte di energia rinnovabile sta diventando evidente. L'uso dell'energia eolica è un settore in rapida crescita. Tali installazioni sono generalmente situate su terreno aperto e rialzato e come tali presentano punti di cattura attraenti per scariche di fulmini. Se si desidera mantenere un'alimentazione affidabile, è importante che le fonti di danni da sovratensione siano mitigate. LSP fornisce una vasta gamma di dispositivi di protezione contro le sovratensioni adatti sia alle correnti di fulmine dirette che parziali.

Protezione contro fulmini e sovratensioni per impianti eolici

LSP dispone di una suite completa di prodotti per la protezione dalle sovratensioni disponibili per applicazioni su turbine eoliche. L'offerta da LSP a vari prodotti di protezione montati su guida DIN e monitoraggio di sovratensioni e fulmini. Mentre entriamo in un'epoca nella storia in cui la spinta verso l'energia e la tecnologia verdi sta causando continuamente la costruzione di più parchi eolici e l'espansione degli attuali parchi eolici, sia i produttori di turbine che i proprietari / operatori di parchi eolici sono sempre più consapevoli dei costi associati fulmini. Il danno monetario che gli operatori subiscono quando si verifica un caso di fulmine si presenta in due forme, i costi associati alla sostituzione dei macchinari a causa di danni fisici e i costi associati al fatto che il sistema è offline e non produce energia. I sistemi elettrici delle turbine affrontano le continue sfide del paesaggio che li circonda, con le turbine eoliche che generalmente sono le strutture più alte di un'installazione. A causa delle condizioni meteorologiche avverse a cui saranno esposte, in combinazione con le aspettative che una turbina venga colpita da un fulmine più volte durante la sua durata, i costi di sostituzione e riparazione delle apparecchiature devono essere presi in considerazione nel piano aziendale di qualsiasi operatore di parco eolico. Il danno diretto e indiretto da fulmine è creato da intensi campi elettromagnetici che creano sovratensioni transitorie. Queste sovratensioni vengono quindi trasmesse attraverso il sistema elettrico direttamente alle apparecchiature sensibili all'interno della turbina stessa. L'impulso si propaga attraverso il sistema producendo danni sia immediati che latenti ai circuiti e alle apparecchiature computerizzate. Componenti quali generatori, trasformatori e convertitori di potenza nonché elettronica di controllo, comunicazione e sistemi SCADA sono potenzialmente danneggiati dalle sovratensioni generate dall'illuminazione. I danni diretti e immediati possono essere evidenti, ma un danno latente che si verifica a seguito di più urti o esposizione ripetuta a sovratensioni può verificarsi a componenti chiave di potenza all'interno di una turbina eolica, molte volte questo danno non è coperto dalle garanzie del produttore, e quindi il i costi di riparazione e sostituzione ricadono sugli operatori.

I costi offline sono un altro fattore importante che deve essere calcolato in qualsiasi piano aziendale associato a un parco eolico. Questi costi si verificano quando una turbina viene disattivata e deve essere lavorata da un team di assistenza, o la sostituzione di componenti comporta costi di acquisto, trasporto e installazione. I ricavi che possono essere persi a causa di un singolo fulmine possono essere significativi e il danno latente che si produce nel tempo si aggiunge a quel totale. Il prodotto per la protezione delle turbine eoliche di LSP riduce significativamente i costi associati essendo in grado di resistere a più fulmini senza guasti, anche dopo più istanze di sciopero.

Il caso dei sistemi di protezione contro le sovratensioni per trubine eoliche

Il continuo cambiamento delle condizioni climatiche combinato con la crescente dipendenza dai combustibili fossili ha fornito un grande interesse per le risorse energetiche sostenibili e rinnovabili in tutto il mondo. Una delle tecnologie più promettenti nell'energia verde è l'energia eolica, che a parte gli alti costi di avvio sarebbe la scelta di molte nazioni in tutto il mondo. Ad esempio, in Portogallo, l'obiettivo di produzione di energia eolica dal 2006 al 2010 è stato quello di aumentare al 25% la produzione totale di energia eolica, un obiettivo che è stato raggiunto e persino superato negli anni successivi. Mentre i programmi governativi aggressivi che spingono la produzione di energia eolica e solare hanno notevolmente ampliato l'industria eolica, con questo aumento del numero di turbine eoliche si verifica un aumento della probabilità che le turbine vengano colpite da un fulmine. I colpi diretti alle turbine eoliche sono stati riconosciuti come un problema serio e ci sono problemi unici che rendono la protezione contro i fulmini più impegnativa nell'energia eolica che in altri settori.

La costruzione delle turbine eoliche è unica e queste strutture alte per lo più in metallo sono molto suscettibili ai danni causati dai fulmini. Sono anche difficili da proteggere utilizzando le tecnologie di protezione contro le sovratensioni convenzionali che si sacrificano principalmente dopo una singola sovratensione. Le turbine eoliche possono salire più di 150 metri di altezza e si trovano tipicamente su un'altura in aree remote esposte agli elementi, compresi i fulmini. I componenti più esposti di una turbina eolica sono le pale e la navicella, e queste sono generalmente realizzate con materiali compositi che non sono in grado di sopportare un fulmine diretto. Un tipico colpo diretto si verifica generalmente alle pale, creando una situazione in cui la sovratensione viaggia attraverso i componenti della turbina all'interno del mulino e potenzialmente verso tutte le aree della fattoria collegate elettricamente. Le aree tipicamente utilizzate per i parchi eolici presentano cattive condizioni di messa a terra e il moderno parco eolico ha un'elettronica di elaborazione che è incredibilmente sensibile. Tutti questi problemi rendono più difficile la protezione delle turbine eoliche dai danni causati dai fulmini.

All'interno della stessa struttura della turbina eolica, l'elettronica e i cuscinetti sono molto suscettibili ai danni causati dai fulmini. I costi di manutenzione associati alle turbine eoliche sono elevati a causa delle difficoltà nella sostituzione di questi componenti. Portare tecnologie in grado di migliorare le medie statistiche per la sostituzione dei componenti necessari è una fonte di grande discussione nella maggior parte delle sale riunioni e delle agenzie governative coinvolte nella produzione eolica. La natura robusta della linea di prodotti per la protezione contro le sovratensioni è unica tra le tecnologie di protezione contro le sovratensioni perché continua a proteggere l'apparecchiatura anche quando viene attivata e non è necessario sostituirla o ripristinarla dopo un fulmine. Ciò consente ai generatori di energia eolica di rimanere in linea per periodi più lunghi. Eventuali miglioramenti alle medie statistiche degli stati offline e dei tempi in cui le turbine sono inattive per manutenzione porterà alla fine ulteriori costi per il consumatore.

Prevenire i danni ai circuiti a bassa tensione e di controllo è fondamentale, poiché gli studi hanno dimostrato che oltre il 50% dei guasti alle turbine eoliche è causato da guasti di questi tipi di componenti. Sono comuni guasti documentati delle apparecchiature attribuiti a fulmini diretti e indotti e sovratensioni di riflusso che si propagano subito dopo un fulmine. I parafulmini installati sul lato rete elettrica dei sistemi sono messi a terra insieme al lato a bassa tensione al fine di diminuire la resistenza di messa a terra, aumentando la capacità dell'intera catena di resistere a un urto di una singola turbina eolica.

Protezione contro fulmini e sovratensioni per turbine eoliche

Questo articolo descrive l'implementazione di misure di protezione da fulmini e sovratensioni per dispositivi e sistemi elettrici ed elettronici in una turbina eolica.

Le turbine eoliche sono altamente vulnerabili agli effetti dei fulmini diretti a causa della loro vasta superficie e altezza esposte. Poiché il rischio che un fulmine colpisca una turbina eolica aumenta quadraticamente con la sua altezza, si può stimare che una turbina eolica multi-megawatt viene colpita da un fulmine diretto all'incirca ogni dodici mesi.

Il risarcimento per l'immissione in rete deve ammortizzare gli elevati costi di investimento entro pochi anni, il che significa che devono essere evitati i tempi di fermo dovuti a fulmini e danni da sovratensione e i relativi costi di riassociazione. Questo è il motivo per cui sono essenziali misure complete di protezione da fulmini e sovratensioni.

Quando si pianifica un sistema di protezione contro i fulmini per turbine eoliche, non solo i flash da nuvola a terra, ma anche i flash da terra a nuvola, i cosiddetti leader verso l'alto, devono essere considerati per oggetti con un'altezza di oltre 60 m in luoghi esposti . L'elevata carica elettrica di questi condotti ascendenti deve essere particolarmente tenuta in considerazione per la protezione delle pale del rotore e la scelta di opportuni scaricatori di corrente da fulmine.

Standardizzazione-Protezione da fulmini e sovratensioni per impianti eolici
Il concetto di protezione dovrebbe essere basato sugli standard internazionali IEC 61400-24, sulle serie di standard IEC 62305 e sulle linee guida della società di classificazione Germanischer Lloyd.

Misure di protezione
La norma IEC 61400-24 raccomanda la selezione di tutti i sottocomponenti del sistema di protezione contro i fulmini di una turbina eolica in base al livello di protezione contro i fulmini (LPL) I, a meno che un'analisi dei rischi dimostri che un LPL inferiore è sufficiente. Un'analisi del rischio può anche rivelare che diversi sottocomponenti hanno LPL differenti. La norma IEC 61400-24 raccomanda che il sistema di protezione contro i fulmini sia basato su un concetto completo di protezione contro i fulmini.

La protezione da fulmini e sovratensioni per il sistema di turbine eoliche consiste in un sistema di protezione contro i fulmini esterno (LPS) e misure di protezione contro le sovratensioni (SPM) per proteggere le apparecchiature elettriche ed elettroniche. Per pianificare le misure di protezione, si consiglia di suddividere l'aerogeneratore in zone di protezione contro i fulmini (LPZ).

La protezione contro i fulmini e le sovratensioni per il sistema di turbine eoliche protegge due sottosistemi che possono essere trovati solo nelle turbine eoliche, ovvero le pale del rotore e l'apparato propulsore meccanico.

La norma IEC 61400-24 descrive in dettaglio come proteggere queste parti speciali di una turbina eolica e come provare l'efficacia delle misure di protezione contro i fulmini.

Secondo questa norma, si consiglia di effettuare prove in alta tensione per verificare la tenuta alla corrente di fulmine dei relativi sistemi con la prima corsa e la corsa lunga, se possibile, in una scarica comune.

I complessi problemi relativi alla protezione delle pale del rotore e delle parti / cuscinetti montati in modo rotante devono essere esaminati in dettaglio e dipendono dal produttore e dal tipo di componente. Lo standard IEC 61400-24 fornisce informazioni importanti a questo riguardo.

Concetto di zona di protezione contro i fulmini
Il concetto di zona di protezione contro i fulmini è una misura strutturante per creare un ambiente EMC definito in un oggetto. L'ambiente EMC definito è specificato dall'immunità delle apparecchiature elettriche utilizzate. Il concetto di zona di protezione contro i fulmini consente la riduzione dell'interferenza condotta e irradiata ai confini a valori definiti. Per questo motivo l'oggetto da proteggere è suddiviso in zone di protezione.

Il metodo della sfera rotante può essere utilizzato per determinare LPZ 0A, vale a dire le parti di una turbina eolica che possono essere soggette a fulmini diretti, e LPZ 0B, vale a dire le parti di una turbina eolica che sono protette dai fulmini diretti dall'aria esterna sistemi di terminazione o sistemi di captazione dell'aria integrati in parti di una turbina eolica (nella pala del rotore, per esempio).

Secondo la norma IEC 61400-24, il metodo della sfera rotante non deve essere utilizzato per le stesse pale del rotore. Per questo motivo, il progetto del sistema di captazione deve essere testato secondo il capitolo 8.2.3 dello standard IEC 61400-24.

La Fig. 1 mostra una tipica applicazione del metodo delle sfere rotanti, mentre la Fig. 2 illustra la possibile divisione di una turbina eolica in diverse zone di protezione contro i fulmini. La suddivisione in zone di protezione contro i fulmini dipende dal design della turbina eolica. Pertanto, la struttura della turbina eolica dovrebbe essere osservata.

È tuttavia decisivo che i parametri dei fulmini iniettati dall'esterno della turbina eolica in LPZ 0A siano ridotti da adeguate misure di schermatura e dispositivi di protezione contro le sovratensioni a tutti i confini delle zone in modo che i dispositivi elettrici ed elettronici e i sistemi all'interno della turbina eolica possano essere azionati sicuro.

Misure di protezione
L'involucro deve essere progettato come uno schermo metallico incapsulato. Ciò significa che nell'involucro si ottiene un volume con un campo elettromagnetico notevolmente inferiore al campo esterno alla turbina eolica.

In conformità alla norma IEC 61400-24, una torre tubolare in acciaio, utilizzata prevalentemente per turbine eoliche di grandi dimensioni, può essere considerata una gabbia di Faraday pressoché perfetta, più adatta per la schermatura elettromagnetica. Anche i quadri e gli armadi di comando nell'involucro o "navicella" e, se presenti, nell'edificio di esercizio, devono essere in metallo. I cavi di collegamento devono essere dotati di uno schermo esterno in grado di trasportare correnti di fulmine.

I cavi schermati sono resistenti alle interferenze EMC solo se gli schermi sono collegati al collegamento equipotenziale su entrambe le estremità. Gli schermi devono essere messi a contatto mediante terminali di contatto completamente (360 °) senza installare cavi di collegamento lunghi incompatibili EMC sull'aerogeneratore.

La schermatura magnetica e il percorso dei cavi devono essere eseguiti secondo la sezione 4 della norma IEC 62305-4. Per questo motivo, è necessario utilizzare le linee guida generali per una pratica di installazione compatibile con EMC secondo IEC / TR 61000-5-2.

Le misure di schermatura includono, ad esempio:

• Installazione di una treccia metallica su gondole rivestite in GRP.
• Torre di metallo.
• Armadi elettrici in metallo.
• Armadi elettrici in metallo.
• Cavi di collegamento schermati che trasportano corrente di fulmine (canalina metallica, tubo schermato o simili).
• Schermatura dei cavi.

Misure di protezione contro i fulmini esterne
La funzione dell'LPS esterno è quella di intercettare i fulmini diretti inclusi i fulmini nella torre della turbina eolica e di scaricare la corrente del fulmine dal punto di impatto al suolo. Viene anche utilizzato per distribuire la corrente di fulmine nel terreno senza danni termici o meccanici o scintille pericolose che possono causare incendi o esplosioni e mettere in pericolo le persone.

I potenziali punti di impatto di una turbina eolica (eccetto le pale del rotore) possono essere determinati mediante il metodo della sfera rotolante mostrato in Fig. 1. Per le turbine eoliche, è consigliabile utilizzare la classe LPS I. Pertanto, una sfera rotolante con un raggio r = 20 m viene fatto rotolare sull'aerogeneratore per determinare i punti di impatto. I sistemi di captazione dell'aria sono necessari dove la sfera entra in contatto con la turbina eolica.

La costruzione della navicella / involucro dovrebbe essere integrata nel sistema di protezione contro i fulmini per garantire che i fulmini nella navicella colpiscano parti metalliche naturali in grado di sopportare questo carico o un sistema di captazione dell'aria progettato a tale scopo. Le navicelle con rivestimento in vetroresina devono essere dotate di un sistema di captazione dell'aria e di conduttori di discesa che formano una gabbia attorno alla navicella.

Il sistema di captazione dell'aria, compresi i conduttori nudi in questa gabbia, dovrebbe essere in grado di resistere ai fulmini in base al livello di protezione dai fulmini selezionato. Ulteriori conduttori nella gabbia di Faraday dovrebbero essere progettati in modo tale da resistere alla quota di corrente di fulmine a cui possono essere soggetti. In conformità con la norma IEC 61400-24, i sistemi di captazione dell'aria per la protezione delle apparecchiature di misurazione montate all'esterno della navicella devono essere progettati in conformità con i requisiti generali della norma IEC 62305-3 e i conduttori inferiori devono essere collegati alla gabbia sopra descritta.

Nell'LPS possono essere integrati “componenti naturali” costituiti da materiali conduttivi installati in / su una turbina eolica e che rimangono inalterati (es. Sistema di protezione contro i fulmini delle pale del rotore, cuscinetti, mainframe, torre ibrida, ecc.). Se le turbine eoliche hanno una struttura metallica, si può presumere che soddisfino i requisiti per un sistema di protezione contro i fulmini esterno di classe LPS I secondo IEC 62305.

Ciò richiede che il fulmine sia intercettato in modo sicuro dall'LPS delle pale del rotore in modo che possa essere scaricato al sistema di messa a terra tramite componenti naturali come cuscinetti, mainframe, torre e / o sistemi di bypass (ad es. spazzole di carbone).

Sistema di captazione / conduttore di discesa
Come mostrato in Fig. 1, le pale del rotore; navicella comprese le sovrastrutture; il mozzo del rotore e la torre della turbina eolica possono essere colpiti da un fulmine.
Se sono in grado di intercettare la massima corrente impulsiva di fulmine di 200 kA in sicurezza e di scaricarla all'impianto di terra, possono essere utilizzati come “componenti naturali” del sistema di captazione del sistema di protezione antifulmine esterno dell'aerogeneratore.

Recettori metallici, che rappresentano punti di impatto definiti per i fulmini, sono spesso installati lungo le pale in vetroresina per proteggere le pale del rotore dai danni causati dai fulmini. Un conduttore verso il basso viene instradato dal recettore alla radice della lama. In caso di fulmine, si può presumere che il fulmine colpisca la punta della pala (recettore) e venga quindi scaricato attraverso il conduttore di discesa all'interno della pala al sistema di terminazione tramite la navicella e la torre.

Sistema di terminazione di terra
Il sistema di messa a terra di una turbina eolica deve svolgere diverse funzioni come protezione personale, protezione EMC e protezione dai fulmini.

Un efficace sistema di messa a terra (vedi Fig. 3) è essenziale per distribuire le correnti di fulmine e per evitare che l'aerogeneratore venga distrutto. Inoltre, il sistema di messa a terra deve proteggere l'uomo e gli animali dalle scosse elettriche. In caso di fulminazione l'impianto di terra deve scaricare a terra elevate correnti di fulmine e distribuirle nel terreno senza pericolosi effetti termici e / o elettrodinamici.

In generale, è importante stabilire un sistema di messa a terra per una turbina eolica che viene utilizzato per proteggere la turbina eolica dai fulmini e per mettere a terra il sistema di alimentazione.

Nota: le normative sull'alta tensione elettrica come Cenelec HO 637 S1 o gli standard nazionali applicabili specificano come progettare un sistema di terminazione di terra per prevenire tensioni di contatto e di gradino elevate causate da cortocircuiti in sistemi ad alta o media tensione. Per quanto riguarda la protezione delle persone, la norma IEC 61400-24 fa riferimento a IEC // TS 60479-1 e IEC 60479-4.

Disposizione degli elettrodi di terra

La norma IEC 62305-3 descrive due tipi fondamentali di disposizione degli elettrodi di terra per le turbine eoliche:

Tipo A: Secondo l'Allegato I della IEC 61400-24, questa disposizione non deve essere utilizzata per le turbine eoliche, ma può essere utilizzata per gli allegati (ad esempio, edifici contenenti apparecchiature di misurazione o capannoni per uffici collegati a un parco eolico). Le disposizioni degli elettrodi di terra di tipo A sono costituite da elettrodi di terra orizzontali o verticali collegati da almeno due conduttori di terra sull'edificio.

Tipo B: secondo l'allegato I della norma IEC 61400-24, questa disposizione deve essere utilizzata per le turbine eoliche. È costituito da un dispersore ad anello esterno installato nel terreno o da un dispersore di fondazione. Gli elettrodi di terra ad anello e le parti metalliche nella fondazione devono essere collegati alla costruzione della torre.

Il rinforzo della fondazione della torre dovrebbe essere integrato nel concetto di messa a terra di una turbina eolica. Il sistema di messa a terra della base della torre e l'edificio di esercizio dovrebbero essere collegati mediante una rete a maglie di elettrodi di terra per ottenere un sistema di messa a terra che si estenda su un'area quanto più ampia possibile. Per evitare tensioni di gradino eccessive a seguito di un fulmine, è necessario installare attorno alla base della torre elettrodi di terra ad anello resistenti alla corrosione e di controllo del potenziale (realizzati in acciaio inossidabile) per garantire la protezione delle persone (vedere Fig.3).

Elettrodi di terra di fondazione

Gli elettrodi di terra di fondazione hanno un significato tecnico ed economico e sono, ad esempio, richiesti nelle condizioni tecniche di collegamento tedesche (TAB) delle società di fornitura di energia. Gli elettrodi di terra di fondazione fanno parte dell'installazione elettrica e svolgono funzioni di sicurezza essenziali. Per questo motivo, devono essere installati da elettrotecnici o sotto la supervisione di elettrotecnici.

I metalli utilizzati per gli elettrodi di terra devono essere conformi ai materiali elencati nella Tabella 7 della IEC 62305-3. Il comportamento alla corrosione del metallo nel terreno deve essere sempre rispettato. Gli elettrodi di terra di fondazione devono essere realizzati in acciaio zincato o non zincato (tondo o nastro d'acciaio). L'acciaio tondo deve avere un diametro minimo di 10 mm. Il nastro d'acciaio deve avere dimensioni minime di 30 x 3,5 mm. Si noti che questo materiale deve essere coperto con almeno 5 cm di cemento (protezione dalla corrosione). L'elettrodo di terra di fondazione deve essere collegato alla barra equipotenziale principale nella turbina eolica. I collegamenti resistenti alla corrosione devono essere stabiliti tramite punti di messa a terra fissi di capicorda in acciaio inossidabile. Inoltre, è necessario installare nel terreno un dispersore ad anello in acciaio inossidabile.

Protezione al passaggio da LPZ 0A a LPZ 1

Per garantire un funzionamento sicuro dei dispositivi elettrici ed elettronici, i confini delle LPZ devono essere schermati dalle interferenze irradiate e protette dalle interferenze condotte (vedere Fig. 2 e 4). Nel passaggio da LPZ 0A a LPZ 1 devono essere installati dispositivi di protezione contro le sovratensioni in grado di scaricare elevate correnti di fulmine senza distruzione (denominato anche "collegamento equipotenziale antifulmine"). Questi dispositivi di protezione contro le sovratensioni sono denominati scaricatori di corrente da fulmine di classe I e vengono testati mediante correnti impulsive con forma d'onda di 10/350 μs. Al passaggio da LPZ 0B a LPZ 1 e LPZ 1 e superiori devono essere affrontate solo correnti impulsive a bassa energia causate da tensioni indotte all'esterno del sistema o sovratensioni generate nel sistema. Questi dispositivi di protezione contro le sovratensioni sono denominati scaricatori di sovratensione di classe II e vengono testati mediante correnti impulsive con forma d'onda di 8/20 μs.

Secondo il concetto di zona di protezione contro i fulmini, tutti i cavi e le linee in ingresso devono essere integrati nel collegamento equipotenziale da fulmini senza eccezioni mediante scaricatori di corrente da fulmine di classe I al confine da LPZ 0A a LPZ 1 o da LPZ 0A a LPZ 2.

Un altro collegamento equipotenziale locale, in cui devono essere integrati tutti i cavi e le linee che entrano in questo confine, deve essere installato per ogni ulteriore confine di zona all'interno del volume da proteggere.

Gli scaricatori di sovratensione di tipo 2 devono essere installati al passaggio da LPZ 0B a LPZ 1 e da LPZ 1 a LPZ 2, mentre gli scaricatori di sovratensione di classe III devono essere installati al passaggio da LPZ 2 a LPZ 3. Funzione di classe II e classe III gli scaricatori di sovratensione servono a ridurre l'interferenza residua degli stadi di protezione a monte e a limitare le sovratensioni indotte o generate all'interno dell'aerogeneratore.

Selezione degli SPD in base al livello di protezione della tensione (Up) e all'immunità dell'apparecchiatura

Per descrivere l'Up in una LPZ, è necessario definire i livelli di immunità dell'apparecchiatura all'interno di una LPZ, ad esempio per linee di alimentazione e collegamenti di apparecchiature secondo IEC 61000-4-5 e IEC 60664-1; per linee di telecomunicazione e collegamenti di apparecchiature secondo IEC 61000-4-5, ITU-T K.20 e ITU-T K.21, e per altre linee e collegamenti di apparecchiature secondo le istruzioni del produttore.

I produttori di componenti elettrici ed elettronici dovrebbero essere in grado di fornire le informazioni richieste sul livello di immunità secondo gli standard EMC. In caso contrario, il produttore della turbina eolica dovrebbe eseguire test per determinare il livello di immunità. Il livello di immunità definito dei componenti in una LPZ definisce direttamente il livello di protezione della tensione richiesto per i limiti della LPZ. L'immunità di un sistema deve essere dimostrata, ove applicabile, con tutti gli SPD installati e le apparecchiature da proteggere.

Protezione dell'alimentazione

Il trasformatore di una turbina eolica può essere installato in luoghi diversi (in una stazione di distribuzione separata, nella base della torre, nella torre, nella navicella). In caso di turbine eoliche di grandi dimensioni, ad esempio, il cavo non schermato da 20 kV nella base della torre viene instradato verso le installazioni del quadro di media tensione costituite da interruttore sottovuoto, sezionatore selettore a blocco meccanico, sezionatore di terra in uscita e relè di protezione.

I cavi MT sono instradati dall'installazione del quadro MT nella torre dell'aerogeneratore al trasformatore situato nella navicella. Il trasformatore alimenta l'armadio elettrico nella base della torre, l'armadio elettrico nella navicella e il sistema a passo nel mozzo tramite un sistema TN-C (L1; L2; L3; conduttore PEN; 3PhY; 3 W + G). L'armadio elettrico della navicella alimenta l'apparecchiatura elettrica con una tensione CA di 230/400 V.

Secondo la norma IEC 60364-4-44, tutte le apparecchiature elettriche installate in una turbina eolica devono avere una tensione nominale di tenuta all'impulso specifica in base alla tensione nominale della turbina eolica. Ciò significa che gli scaricatori di sovratensione da installare devono avere almeno il livello di protezione della tensione specificato a seconda della tensione nominale del sistema. Gli scaricatori di sovratensioni utilizzati per proteggere i sistemi di alimentazione a 400/690 V devono avere un livello di protezione di tensione minimo Up ≤2,5 kV, mentre gli scaricatori di sovratensione utilizzati per proteggere i sistemi di alimentazione a 230/400 V devono avere un livello di protezione di tensione Up ≤1,5 kV per garantire la protezione di apparecchiature elettriche / elettroniche sensibili. Per soddisfare questo requisito, è necessario installare dispositivi di protezione contro le sovratensioni per sistemi di alimentazione 400/690 V in grado di condurre correnti di fulmine di forma d'onda 10/350 μs senza distruzione e garantire un livello di protezione della tensione Up ≤2,5 kV.

Sistemi di alimentazione 230/400 V.

La tensione di alimentazione dell'armadio elettrico nella base della torre, dell'armadio elettrico nella navicella e del sistema a passo nel mozzo mediante un sistema TN-C 230/400 V (3PhY, 3W + G) devono essere protetti dalla classe II scaricatori di sovratensioni come SLP40-275 / 3S.

Protezione della spia del velivolo

La spia di avvertimento dell'aereo sull'albero del sensore in LPZ 0B deve essere protetta mediante uno scaricatore di sovratensione di classe II alle relative transizioni di zona (LPZ 0B → 1, LPZ 1 → 2) (Tabella 1).

Sistemi di alimentazione 400 / 690V Per i sistemi di alimentazione 400/690 V come SLP40-750 / 3S, devono essere installati scaricatori di corrente di fulmine unipolari coordinati con un'elevata limitazione della corrente di inseguimento per i sistemi di alimentazione 400/690 V come SLPXNUMX-XNUMX / XNUMXS, per proteggere il trasformatore XNUMX/XNUMX V , inverter, filtri di rete e apparecchiature di misurazione.

Protezione delle linee del generatore

Considerando le tolleranze dell'alta tensione, è necessario installare scaricatori di sovratensione di classe II per tensioni nominali fino a 1000 V per proteggere l'avvolgimento del rotore del generatore e la linea di alimentazione dell'inverter. Un ulteriore scaricatore basato su spinterometro con una tensione di tenuta a frequenza di rete nominale UN / AC = 2,2 kV (50 Hz) viene utilizzato per l'isolamento del potenziale e per impedire agli scaricatori a varistore di funzionare prematuramente a causa delle fluttuazioni di tensione che possono verificarsi durante il funzionamento dell'inverter. Su ogni lato dello statore del generatore è installato uno scaricatore di sovratensione modulare tripolare di classe II con una tensione nominale aumentata del varistore per sistemi a 690 V.

Gli scaricatori di sovratensione modulari tripolari di classe II del tipo SLP40-750 / 3S sono progettati specificamente per le turbine eoliche. Hanno una tensione nominale del varistore Umov di 750 V AC, considerando le fluttuazioni di tensione che possono verificarsi durante il funzionamento.

Scaricatori di sovratensioni per sistemi IT

Gli scaricatori di sovratensioni per la protezione delle apparecchiature elettroniche nelle reti di telecomunicazione e segnalazione contro gli effetti diretti e indiretti di fulmini e altre sovratensioni transitorie sono descritti nella norma IEC 61643-21 e sono installati ai confini delle zone in conformità con il concetto di zona di protezione dai fulmini.

Gli scaricatori multistadio devono essere progettati senza punti ciechi. È necessario assicurarsi che i diversi stadi di protezione siano coordinati tra loro, altrimenti non tutti gli stadi di protezione verranno attivati, provocando guasti al dispositivo di protezione da sovratensioni.

Nella maggior parte dei casi, i cavi in ​​fibra di vetro vengono utilizzati per instradare le linee IT in una turbina eolica e per collegare gli armadi di controllo dalla base della torre alla navicella. Il cablaggio tra gli attuatori e sensori e gli armadi di controllo è realizzato mediante cavi in ​​rame schermati. Essendo esclusa l'interferenza di un ambiente elettromagnetico, i cavi in ​​fibra di vetro non devono essere protetti da scaricatori di sovratensione a meno che il cavo in fibra di vetro non abbia una guaina metallica che deve essere integrata direttamente nel collegamento equipotenziale o tramite dispositivi di protezione contro le sovratensioni.

In generale, le seguenti linee di segnale schermate che collegano gli attuatori e i sensori con i quadri elettrici devono essere protette da dispositivi di protezione contro le sovratensioni:

• Linee di segnale della stazione meteorologica sull'asta del sensore.
• Linee di segnale instradate tra la navicella e il sistema del passo nel mozzo.
• Linee di segnale per il sistema del passo.

Linee di segnale della stazione meteorologica

Le linee di segnale (interfacce 4-20 mA) tra i sensori della stazione meteorologica e l'armadio del quadro sono instradate da LPZ 0B a LPZ 2 e possono essere protette mediante FLD2-24. Questi scaricatori combinati salvaspazio proteggono due o quattro linee singole con potenziale di riferimento comune e interfacce sbilanciate e sono disponibili con messa a terra schermata diretta o indiretta. Per la messa a terra dello schermo vengono utilizzati due terminali a molla flessibili per il contatto permanente della schermatura a bassa impedenza con il lato protetto e non protetto dello scaricatore.

Test di laboratorio secondo IEC 61400-24

La norma IEC 61400-24 descrive due metodi di base per eseguire i test di immunità a livello di sistema per le turbine eoliche:

• Durante le prove di corrente impulsiva in condizioni di funzionamento, correnti impulsive o correnti parziali di fulmine vengono iniettate nelle singole linee di un sistema di controllo in presenza della tensione di alimentazione. In tal modo, l'apparecchiatura da proteggere, compresi tutti gli SPD, viene sottoposta a una prova di corrente impulsiva.
• Il secondo metodo di prova simula gli effetti elettromagnetici degli impulsi elettromagnetici dei fulmini (LEMP). La piena corrente di fulmine viene iniettata nella struttura che scarica la corrente di fulmine e si analizza il comportamento dell'impianto elettrico simulando il più realisticamente possibile il cablaggio in condizioni di esercizio. La pendenza della corrente di fulmine è un parametro di prova decisivo.