Bliksem- en overspanningsbeveiliging voor windturbinesysteem

Met het groeiende bewustzijn van de opwarming van de aarde en de beperkingen van onze fossiele brandstoffen, wordt de noodzaak om een betere hernieuwbare energiebron te vinden duidelijk. Het gebruik van windenergie is een sterk groeiende industrie. Een dergelijke installatie bevindt zich veelal op open en verhoogd terrein en vormt als zodanig aantrekkelijke opvangpunten voor bliksemontladingen. Om een betrouwbare toevoer te behouden, is het belangrijk dat bronnen van overspanningsschade worden beperkt. LSP biedt een uitgebreid assortiment overspanningsbeveiligingsmodulen die geschikt zijn voor zowel directe als gedeeltelijke bliksemstromen.

LSP heeft een volledige reeks overspanningsbeveiligingsproducten beschikbaar voor windturbinetoepassingen. Het aanbod van LSP tot verschillende op DIN-rail gemonteerde beveiligingsproducten en overspannings- en bliksembewaking. Nu we een tijd in de geschiedenis ingaan waarin de push naar groene energie en technologie er voortdurend voor zorgt dat er meer windparken worden gebouwd en de huidige windparken worden uitgebreid, zijn zowel turbinefabrikanten als eigenaren / exploitanten van windparken zich steeds meer bewust van de kosten die ermee gepaard gaan. blikseminslagen. De geldschade die operators lijden als er een blikseminslag is, komt in twee vormen voor: de kosten die gepaard gaan met het vervangen van machines als gevolg van fysieke schade en de kosten die gepaard gaan met het offline zijn van het systeem en het niet produceren van stroom. Elektrische systemen voor turbines worden geconfronteerd met de voortdurende uitdagingen van het landschap dat hen omringt, waarbij windturbines over het algemeen de hoogste constructies in een installatie zijn. Vanwege het barre weer waaraan ze zullen worden blootgesteld, in combinatie met de verwachting dat een turbine tijdens zijn levensduur meerdere keren door de bliksem wordt getroffen, moeten de kosten voor vervanging en reparatie van apparatuur worden meegenomen in het bedrijfsplan van elke exploitant van een windmolenpark. De directe en indirecte schade door blikseminslag wordt veroorzaakt door intense elektromagnetische velden die tijdelijke overspanningen veroorzaken. Deze overspanningen worden vervolgens door het elektrische systeem rechtstreeks naar gevoelige apparatuur in de turbine zelf geleid. De piek plant zich voort door het systeem en veroorzaakt zowel onmiddellijke als latente schade aan schakelingen en computergestuurde apparatuur. Componenten zoals generatoren, transformatoren en stroomomzetters, evenals besturingselektronica, communicatie en SCADA-systemen kunnen mogelijk beschadigd raken door door verlichting veroorzaakte pieken. Directe en onmiddellijke schade kan duidelijk zijn, maar latente schade die optreedt als gevolg van meerdere stakingen of herhaalde blootstelling aan pieken kan optreden aan belangrijke vermogenscomponenten binnen een getroffen windturbine, vaak wordt deze schade niet gedekt door de fabrieksgaranties, en dus de kosten voor reparatie en vervanging vallen ten laste van de operators.

Offline kosten zijn een andere belangrijke factor die moet worden meegenomen in elk bedrijfsplan dat verband houdt met een windpark. Deze kosten ontstaan wanneer een turbine is uitgeschakeld en moet worden uitgevoerd door een serviceteam, of wanneer componenten moeten worden vervangen, wat zowel aanschaf-, transport- als installatiekosten met zich meebrengt. De inkomsten die verloren kunnen gaan als gevolg van een enkele blikseminslag kunnen aanzienlijk zijn, en de latente schade die in de loop van de tijd wordt veroorzaakt, draagt bij aan dat totaal. Het beschermingsproduct voor windturbines van LSP verlaagt de bijbehorende kosten aanzienlijk doordat het bestand is tegen meerdere blikseminslagen zonder uitval, zelfs na meerdere inslagen.

De case voor overspanningsbeveiligingssystemen voor windtrubines

De voortdurende verandering in klimaatomstandigheden in combinatie met de toenemende afhankelijkheid van fossiele brandstoffen heeft geleid tot een grote belangstelling voor duurzame, hernieuwbare energiebronnen wereldwijd. Een van de meest veelbelovende technologieën in groene energie is windenergie, die, afgezien van de hoge opstartkosten, de keuze zou zijn van veel landen over de hele wereld. In Portugal bijvoorbeeld was het doel van de productie van windenergie van 2006 tot 2010 om de totale energieproductie van windenergie te verhogen tot 25%, een doel dat in latere jaren werd bereikt en zelfs overtroffen. Terwijl agressieve overheidsprogramma's die de productie van wind- en zonne-energie stimuleren, de windindustrie aanzienlijk hebben uitgebreid, neemt met deze toename van het aantal windturbines de kans toe dat turbines door bliksem worden getroffen. Directe aanvallen op windturbines worden erkend als een ernstig probleem, en er zijn unieke problemen die bliksembeveiliging uitdagender maken in windenergie dan in andere industrieën.

De constructie van windturbines is uniek en deze hoge, meestal metalen constructies zijn zeer gevoelig voor schade door blikseminslagen. Ze zijn ook moeilijk te beveiligen met conventionele overspanningsbeveiligingstechnologieën, die zich vooral opofferen na een enkele stroomstoot. Windturbines kunnen meer dan 150 meter hoog worden en bevinden zich meestal op hoge grond in afgelegen gebieden die worden blootgesteld aan de elementen, inclusief blikseminslagen. De meest blootgestelde componenten van een windturbine zijn de bladen en de gondel, en deze zijn over het algemeen gemaakt van composietmaterialen die niet bestand zijn tegen een directe blikseminslag. Een typische directe inslag vindt over het algemeen plaats met de bladen, waardoor een situatie ontstaat waarin de golfstroom alle turbinecomponenten binnen de windmolen en mogelijk alle elektrisch verbonden delen van het park doorkruist. De gebieden die doorgaans voor windparken worden gebruikt, hebben slechte aardingscondities en het moderne windpark heeft verwerkingselektronica die ongelooflijk gevoelig is. Al deze problemen maken de bescherming van windturbines tegen bliksemschade het meest uitdagend.

Binnen de structuur van de windturbine zelf zijn de elektronica en lagers erg gevoelig voor bliksemschade. De onderhoudskosten van windturbines zijn hoog vanwege de moeilijkheden bij het vervangen van deze componenten. Het introduceren van technologieën die statistische gemiddelden voor noodzakelijke vervanging van onderdelen kunnen verbeteren, is een bron van veel discussie binnen de meeste directiekamers en overheidsinstanties die betrokken zijn bij windproductie. De robuuste aard van de productlijn voor overspanningsbeveiliging is uniek onder de overspanningsbeveiligingstechnologieën omdat deze de apparatuur blijft beschermen, zelfs wanneer deze is geactiveerd, en er geen vervanging of reset nodig is na een blikseminslag. Hierdoor kunnen windenergie-opwekkers langer online blijven. Elke verbetering van de statistische gemiddelden van offline statussen en tijden dat turbines stilstaan voor onderhoud, zal uiteindelijk leiden tot meer kosten voor de consument.

Het voorkomen van schade aan laagspannings- en regelcircuits is cruciaal, omdat uit onderzoeken is gebleken dat meer dan 50% van de storingen in windturbines wordt veroorzaakt door het uitvallen van dit soort componenten. Gedocumenteerde defecten van apparatuur die worden toegeschreven aan directe en geïnduceerde blikseminslagen en terugstroompieken die zich net na een blikseminslag voortplanten, komen vaak voor. Bliksemafleiders die aan de kant van het elektriciteitsnet van systemen zijn geïnstalleerd, worden samen met de laagspanningskant geaard om de aardingsweerstand te verminderen, waardoor het vermogen van de hele ketting om een aanval op een enkele windturbine te weerstaan, wordt vergroot.

Bliksem- en overspanningsbeveiliging voor windturbines

Dit artikel beschrijft de implementatie van bliksem- en overspanningsbeveiligingsmaatregelen voor elektrische en elektronische apparaten en systemen in een windturbine.

Windturbines zijn zeer kwetsbaar voor de effecten van directe blikseminslagen vanwege hun enorme blootgestelde oppervlak en hoogte. Omdat het risico van blikseminslag op een windturbine kwadratisch toeneemt met de hoogte, kan worden geschat dat een windturbine van meerdere megawatt ongeveer elke twaalf maanden door een directe blikseminslag wordt getroffen.

De terugleververgoeding moet de hoge investeringskosten binnen enkele jaren terugverdiend hebben, waardoor stilstand als gevolg van bliksem- en overspanningsschade en daarmee samenhangende reparatiekosten moet worden vermeden. Daarom zijn uitgebreide bliksem- en overspanningsbeveiligingsmaatregelen essentieel.

Bij het plannen van een bliksembeveiligingssysteem voor windturbines moeten niet alleen wolk-aarde-flitsen, maar ook aarde-naar-wolk-flitsen, zogenaamde opwaartse leiders, worden overwogen voor objecten met een hoogte van meer dan 60 m op blootgestelde locaties . Met de hoge elektrische lading van deze opwaartse leiders moet in het bijzonder rekening worden gehouden bij de bescherming van de rotorbladen en bij het selecteren van geschikte bliksemstroomafleiders.

Standaardisatie - Bliksem- en overspanningsbeveiliging voor windturbinesysteem
Het beschermingsconcept moet gebaseerd zijn op de internationale normen IEC 61400-24, IEC 62305 standaardserie en de richtlijnen van het Germanischer Lloyd classificatiebureau.

Beschermingsmaatregelen
IEC 61400-24 beveelt aan om alle subcomponenten van het bliksembeveiligingssysteem van een windturbine te selecteren op basis van bliksembeveiligingsniveau (LPL) I, tenzij uit een risicoanalyse blijkt dat een lagere LPL voldoende is. Een risicoanalyse kan ook uitwijzen dat verschillende subcomponenten verschillende LPL's hebben. IEC 61400-24 beveelt aan om het bliksembeveiligingssysteem te baseren op een alomvattend bliksembeveiligingsconcept.

Het bliksem- en overspanningsbeveiligingssysteem voor windturbines bestaat uit een extern bliksembeveiligingssysteem (LPS) en overspanningsbeveiligingsmaatregelen (SPM's) om elektrische en elektronische apparatuur te beschermen. Voor het plannen van beschermingsmaatregelen is het raadzaam de windturbine op te splitsen in bliksembeveiligingszones (LPZ's).

Het systeem Bliksem- en overspanningsbeveiliging voor windturbines beschermt twee subsystemen die alleen in windturbines voorkomen, namelijk de rotorbladen en de mechanische aandrijflijn.

IEC 61400-24 beschrijft in detail hoe deze speciale onderdelen van een windturbine beschermd kunnen worden en hoe de effectiviteit van de bliksembeveiligingsmaatregelen kan worden aangetoond.

Volgens deze norm is het raadzaam om hoogspanningstests uit te voeren om de weerstand tegen bliksemstroom van de relevante systemen bij de eerste slag en de lange slag, indien mogelijk, bij een gemeenschappelijke ontlading te verifiëren.

De complexe problemen met betrekking tot de bescherming van de rotorbladen en roteerbaar gemonteerde onderdelen / lagers moeten in detail worden onderzocht en zijn afhankelijk van de fabrikant en het type van de componenten. De norm IEC 61400-24 geeft in dit verband belangrijke informatie.

Bliksembeveiliging zone concept
Het bliksembeveiligingszoneconcept is een structurerende maatregel om een gedefinieerde EMC-omgeving in een object te creëren. De gedefinieerde EMC-omgeving wordt bepaald door de immuniteit van de gebruikte elektrische apparatuur. Het bliksembeveiligingszoneconcept maakt de reductie van geleide en uitgestraalde interferentie aan de grenzen tot gedefinieerde waarden mogelijk. Om deze reden is het te beschermen object onderverdeeld in beschermingszones.

De rolkogelmethode kan worden gebruikt om LPZ 0A te bepalen, namelijk de delen van een windturbine die aan directe blikseminslagen kunnen worden blootgesteld, en LPZ 0B, namelijk de delen van een windturbine die beschermd zijn tegen directe blikseminslag door externe lucht- aansluitingssystemen of luchtafvoersystemen die zijn geïntegreerd in onderdelen van een windturbine (bijvoorbeeld in het rotorblad).

Volgens IEC 61400-24 mag de rolkogelmethode niet worden gebruikt voor rotorbladen zelf. Om deze reden moet het ontwerp van het luchtbeëindigingssysteem worden getest volgens hoofdstuk 8.2.3 van de norm IEC 61400-24.

Fig. 1 toont een typische toepassing van de rolkogelmethode, terwijl Fig. 2 de mogelijke opdeling van een windturbine in verschillende bliksembeveiligingszones illustreert. De indeling in bliksembeveiligingszones is afhankelijk van het ontwerp van de windturbine. Daarom moet de structuur van de windturbine in acht worden genomen.

Doorslaggevend is echter dat de bliksemparameters die van buiten de windturbine in LPZ 0A worden geïnjecteerd, worden verminderd door geschikte afschermingsmaatregelen en overspanningsbeveiligingen aan alle zonegrenzen, zodat de elektrische en elektronische apparaten en systemen binnen de windturbine kunnen worden bediend. veilig.

Afschermende maatregelen
De behuizing moet worden ontworpen als een ingekapselde metalen afscherming. Dit betekent dat in de behuizing een volume met een elektromagnetisch veld wordt bereikt dat aanzienlijk lager is dan het veld buiten de windturbine.

In overeenstemming met IEC 61400-24 kan een stalen buismast, voornamelijk gebruikt voor grote windturbines, worden beschouwd als een bijna perfecte kooi van Faraday, het best geschikt voor elektromagnetische afscherming. De schakelkasten en schakelkasten in de behuizing of "gondel" en, indien aanwezig, in het operatiegebouw, dienen eveneens van metaal te zijn. De aansluitkabels moeten een externe afscherming hebben die bliksemstromen kan dragen.

Afgeschermde kabels zijn alleen bestand tegen EMC-interferentie als de afschermingen aan beide uiteinden op de potentiaalvereffening zijn aangesloten. De afschermingen moeten worden gecontacteerd door middel van volledig (360 °) contactklemmen zonder EMC-incompatibele lange verbindingskabels op de windturbine te installeren.

Magnetische afscherming en kabelgeleiding moeten worden uitgevoerd in overeenstemming met sectie 4 van IEC 62305-4. Om deze reden moeten de algemene richtlijnen voor een EMC-compatibele installatiepraktijk volgens IEC / TR 61000-5-2 worden gebruikt.

Afschermingsmaatregelen zijn bijvoorbeeld:

Installatie van een metalen vlechtwerk op met GFK gecoate gondels.
Metalen toren.
Metalen schakelkasten.
Metalen schakelkasten.
Bliksemstroomvoerende afgeschermde verbindingskabels (metalen kabelgoot, afgeschermde buis of iets dergelijks).
Kabelafscherming.

Externe maatregelen ter bescherming tegen blikseminslag
De functie van de externe LPS is om directe blikseminslagen, inclusief blikseminslagen, in de toren van de windturbine op te vangen en om de bliksemstroom van het punt van inslag naar de grond af te voeren. Het wordt ook gebruikt om de bliksemstroom in de grond te verdelen zonder thermische of mechanische schade of gevaarlijke vonken die brand of explosie kunnen veroorzaken en mensen in gevaar kunnen brengen.

De potentiële aanvalspunten voor een windturbine (uitgezonderd de rotorbladen) kunnen worden bepaald door middel van de rolbolmethode zoals weergegeven in figuur 1. Voor windturbines is het aan te raden om klasse LPS I te gebruiken. een straal r = 20 m wordt over de windturbine gerold om de inslagpunten te bepalen. Luchtafsluitsystemen zijn vereist waar de bol in contact komt met de windturbine.

De constructie van de gondel / omhulling moet worden geïntegreerd in het bliksembeveiligingssysteem om ervoor te zorgen dat blikseminslagen in de gondel natuurlijke metalen onderdelen treffen die deze belasting kunnen weerstaan, of een luchtafvoersysteem dat voor dit doel is ontworpen. Gondels met GVK-coating moeten worden voorzien van een luchtafsluitsysteem en neergaande geleiders die een kooi rond de gondel vormen.

Het luchtbeëindigingssysteem inclusief de blootliggende geleiders in deze kooi moet bestand zijn tegen blikseminslagen volgens het geselecteerde bliksembeveiligingsniveau. Verdere geleiders in de kooi van Faraday moeten zo worden ontworpen dat ze bestand zijn tegen het aandeel van de bliksemstroom waaraan ze kunnen worden blootgesteld. In overeenstemming met IEC 61400-24, moeten luchtafsluitsystemen voor het beschermen van meetapparatuur die buiten de gondel is gemonteerd, worden ontworpen in overeenstemming met de algemene vereisten van IEC 62305-3 en moeten neerwaartse geleiders worden aangesloten op de hierboven beschreven kooi.

"Natuurlijke componenten" gemaakt van geleidende materialen die permanent in / op een windturbine zijn geïnstalleerd en ongewijzigd blijven (bijv. Bliksembeveiligingssysteem van de rotorbladen, lagers, mainframes, hybride toren, enz.) Kunnen in het LPS worden geïntegreerd. Als windturbines een metalen constructie hebben, mag worden aangenomen dat ze voldoen aan de eisen voor een extern bliksembeveiligingssysteem van klasse LPS I volgens IEC 62305.

Dit vereist dat de blikseminslag veilig wordt onderschept door de LPS van de rotorbladen, zodat deze via natuurlijke componenten zoals lagers, mainframes, de toren en / of bypass-systemen (bijv. Open vonkbruggen, koolborstels).

Luchtafsluitsysteem / neerwaartse geleider
Zoals getoond in Fig. 1, de rotorbladen; gondel inclusief bovenbouw; de rotornaaf en de toren van de windturbine kunnen door bliksem worden getroffen.
Als ze de maximale bliksemimpulsstroom van 200 kA veilig kunnen onderscheppen en deze kunnen afvoeren naar het aardafsluitsysteem, kunnen ze worden gebruikt als 'natuurlijke componenten' van het luchtafvoersysteem van het externe bliksembeveiligingssysteem van de windturbine.

Metalen receptoren, die gedefinieerde inslagpunten voor blikseminslagen vertegenwoordigen, worden vaak langs het GVK-blad geïnstalleerd om de rotorbladen te beschermen tegen schade door blikseminslag. Een neerwaartse geleider wordt van de receptor naar de bladwortel geleid. In het geval van een blikseminslag kan worden aangenomen dat de blikseminslag de bladpunt (receptor) raakt en vervolgens via de neerwaartse geleider in het blad via de gondel en de toren naar het aardaansluitsysteem wordt ontladen.

Aardingsbeëindigingssysteem
Het aardingssysteem van een windturbine moet verschillende functies vervullen, zoals persoonlijke bescherming, EMC-bescherming en bliksembeveiliging.

Een effectief aardingssysteem (zie afb. 3) is essentieel om bliksemstromen te verdelen en te voorkomen dat de windturbine vernield wordt. Bovendien moet het aardingssysteem mensen en dieren beschermen tegen elektrische schokken. In het geval van een blikseminslag moet het aardaansluitsysteem hoge bliksemstromen naar de grond afvoeren en deze in de grond verdelen zonder gevaarlijke thermische en / of elektrodynamische effecten.

In het algemeen is het belangrijk om voor een windturbine een aardaansluitsysteem op te zetten dat wordt gebruikt om de windturbine te beschermen tegen blikseminslagen en om het voedingssysteem te aarden.

Opmerking: elektrische hoogspanningsvoorschriften zoals Cenelec HO 637 S1 of toepasselijke nationale normen specificeren hoe een aardingsafsluitsysteem moet worden ontworpen om hoge aanrakings- en stapspanningen te voorkomen die worden veroorzaakt door kortsluiting in hoog- of middenspanningssystemen. Met betrekking tot de bescherming van personen verwijst de norm IEC 61400-24 naar IEC // TS 60479-1 en IEC 60479-4.

Opstelling van aardelektroden

IEC 62305-3 beschrijft twee basistypen aardelektrodenopstellingen voor windturbines:

Type A: Volgens bijlage I van IEC 61400-24 mag deze opstelling niet worden gebruikt voor windturbines, maar kan deze worden gebruikt voor bijgebouwen (bijvoorbeeld gebouwen met meetapparatuur of kantoorloodsen in verband met een windpark). Type A aardelektrodenopstellingen bestaan uit horizontale of verticale aardelektroden die zijn verbonden door ten minste twee neerwaartse geleiders op het gebouw.

Type B: Volgens bijlage I van IEC 61400-24 moet deze opstelling worden gebruikt voor windturbines. Het bestaat uit een externe ringaarde-elektrode die in de grond is geïnstalleerd of een funderings-aardelektrode. Ringaarde-elektroden en metalen onderdelen in de fundering moeten worden aangesloten op de torenconstructie.

De versterking van de torenfundatie moet worden geïntegreerd in het aardingsconcept van een windturbine. Het aardaansluitingssysteem van de torenbasis en het operatiegebouw moeten worden verbonden door middel van een vermaasd netwerk van aardelektroden om een aardaansluitsysteem te verkrijgen dat zich over een zo groot mogelijk oppervlak uitstrekt. Om buitensporige stapspanningen als gevolg van blikseminslag te voorkomen, moeten potentieel controlerende en corrosiebestendige ringaardelektroden (gemaakt van roestvrij staal) rond de torenvoet worden geïnstalleerd om de bescherming van personen te garanderen (zie afb. 3).

Funderingsaarde-elektroden

Funderingsaardelektroden zijn technisch en economisch zinvol en zijn bijvoorbeeld verplicht in de Duitse Technische Aansluitingsvoorwaarden (TAB) van energiebedrijven. Funderingsaardelektroden maken deel uit van de elektrische installatie en vervullen essentiële veiligheidsfuncties. Om deze reden moeten ze worden geïnstalleerd door elektrisch geschoolde personen of onder toezicht van een elektricien.

Metalen die voor aardelektroden worden gebruikt, moeten voldoen aan de materialen die worden vermeld in tabel 7 van IEC 62305-3. Het corrosiegedrag van metaal in de grond moet altijd in acht worden genomen. Funderingsaardelektroden moeten van gegalvaniseerd of niet-gegalvaniseerd staal (rond- of stripstaal) zijn gemaakt. Rondstaal moet een minimale diameter hebben van 10 mm. Bandstaal moet een minimale afmeting hebben van 30 x 3,5 mm. Merk op dat dit materiaal bedekt moet zijn met minimaal 5 cm beton (bescherming tegen corrosie). De funderingsaardelektrode moet worden verbonden met de hoofdpotentiaalvereffeningsbalk in de windturbine. Corrosiebestendige verbindingen moeten via vaste aardingspunten van aansluitklemmen van roestvrij staal tot stand worden gebracht. Bovendien moet een ringaarde-elektrode van roestvrij staal in de grond worden geïnstalleerd.

Bescherming bij de overgang van LPZ 0A naar LPZ 1

Om een veilige werking van elektrische en elektronische apparaten te garanderen, moeten de grenzen van de LPZ's worden afgeschermd tegen uitgestraalde interferentie en beschermd tegen geleide interferentie (zie afb. 2 en 4). Bij de overgang van LPZ 0A naar LPZ 1 moeten overspanningsbeveiligingsinrichtingen worden geïnstalleerd die hoge bliksemstromen kunnen afvoeren zonder vernietiging (ook wel "bliksem-potentiaalvereffening" genoemd). Deze overspanningsbeveiligingsmodulen worden klasse I bliksemstroomafleiders genoemd en worden getest door middel van impulsstromen met een golfvorm van 10/350 μs. Bij de overgang van LPZ 0B naar LPZ 1 en LPZ 1 en hoger mogen alleen energiezuinige impulsstromen worden opgevangen die worden veroorzaakt door spanningen die buiten het systeem worden geïnduceerd of pieken die in het systeem worden gegenereerd. Deze overspanningsbeveiligingsmodulen worden klasse II-overspanningsafleiders genoemd en worden getest door middel van impulsstromen met een golfvorm van 8/20 μs.

Volgens het bliksembeveiligingszoneconcept moeten alle inkomende kabels en leidingen zonder uitzondering in de bliksem-potentiaalvereffening worden geïntegreerd door middel van bliksemstroomafleiders klasse I op de grens van LPZ 0A naar LPZ 1 of van LPZ 0A naar LPZ 2.

Een andere lokale potentiaalvereffening, waarin alle kabels en leidingen die deze grens binnenkomen, moeten worden geïntegreerd, moet voor elke verdere zonegrens binnen het te beschermen volume worden geïnstalleerd.

Bij de overgang van LPZ 2B naar LPZ 0 en van LPZ 1 naar LPZ 1 moeten type 2 overspanningsafleiders worden geïnstalleerd, terwijl overspanningsafleiders van klasse III bij de overgang van LPZ 2 naar LPZ 3 moeten worden geïnstalleerd. De functie van klasse II en klasse III Overspanningsafleiders zijn bedoeld om de resterende interferentie van de stroomopwaartse beschermingstrappen te verminderen en de pieken die worden geïnduceerd of gegenereerd in de windturbine te beperken.

SPD's selecteren op basis van spanningsbeveiligingsniveau (Up) en apparatuurimmuniteit

Om de Up in een LPZ te beschrijven, moeten de immuniteitsniveaus van de apparatuur binnen een LPZ worden gedefinieerd, bijvoorbeeld voor hoogspanningslijnen en aansluitingen van apparatuur volgens IEC 61000-4-5 en IEC 60664-1; voor telecommunicatielijnen en aansluitingen van apparatuur volgens IEC 61000-4-5, ITU-T K.20 en ITU-T K.21, en voor andere lijnen en aansluitingen van apparatuur volgens de instructies van de fabrikant.

Fabrikanten van elektrische en elektronische componenten moeten de vereiste informatie kunnen verstrekken over het immuniteitsniveau volgens de EMC-normen. Anders moet de fabrikant van de windturbine tests uitvoeren om het immuniteitsniveau te bepalen. Het gedefinieerde immuniteitsniveau van componenten in een LPZ definieert direct het vereiste spanningsbeveiligingsniveau voor de LPZ-grenzen. De immuniteit van een systeem moet, waar van toepassing, worden bewezen met alle SPD's geïnstalleerd en de apparatuur die moet worden beschermd.

Voeding bescherming

De transformator van een windturbine kan op verschillende locaties worden geïnstalleerd (in een apart verdeelstation, in de torenvoet, in de toren, in de gondel). Bij grote windturbines wordt bijvoorbeeld de niet-afgeschermde 20 kV-kabel in de torenbasis naar de middenspanningsschakelinstallaties geleid, bestaande uit een vacuümschakelaar, mechanisch vergrendelde keuzeschakelaarscheidingsschakelaar, uitgaande aardingsschakelaar en beveiligingsrelais.

De MV-kabels worden vanaf de MV-schakelinstallatie in de toren van de windturbine naar de transformator in de gondel geleid. De transformator voedt de schakelkast in de torenvoet, de schakelkast in de gondel en het pitchsysteem in de hub door middel van een TN-C-systeem (L1; L2; L3; PEN-geleider; 3PhY; 3 W + G). De schakelkast in de gondel voorziet de elektrische apparatuur van een wisselspanning van 230/400 V.

Volgens IEC 60364-4-44 moet alle elektrische apparatuur die in een windturbine is geïnstalleerd een specifieke nominale impulsbestendigheidsspanning hebben in overeenstemming met de nominale spanning van de windturbine. Dit betekent dat de te installeren overspanningsafleiders minimaal het gespecificeerde spanningsbeveiligingsniveau moeten hebben, afhankelijk van de nominale spanning van het systeem. Overspanningsafleiders die worden gebruikt om 400/690 V-voedingssystemen te beschermen, moeten een minimaal spanningsbeveiligingsniveau Up ≤2,5 kV hebben, terwijl overspanningsafleiders die worden gebruikt om 230/400 V-voedingssystemen te beschermen een spanningsbeveiligingsniveau Up ≤1,5 moeten hebben kV om de bescherming van gevoelige elektrische / elektronische apparatuur te waarborgen. Om aan deze eis te voldoen, moeten overspanningsbeveiligingsmodulen voor 400/690 V-voedingssystemen worden geïnstalleerd die bliksemstromen met een golfvorm van 10/350 μs kunnen geleiden zonder vernietiging en die een spanningsbeveiligingsniveau Up ≤2,5 kV garanderen.

Voedingssystemen 230/400 V.

De spanningstoevoer van de schakelkast in de torenbasis, de schakelkast in de gondel en het pitchsysteem in de hub door middel van een 230/400 V TN-C systeem (3PhY, 3W + G) moet worden beschermd door klasse II overspanningsafleiders zoals SLP40-275 / 3S.

Bescherming van het waarschuwingslampje van het vliegtuig

Het vliegtuigwaarschuwingslicht op de sensormast in LPZ 0B moet worden beschermd door middel van een klasse II overspanningsafleider bij de relevante zoneovergangen (LPZ 0B → 1, LPZ 1 → 2) (tabel 1).

400 / 690V-voedingssystemen Gecoördineerde eenpolige bliksemstroomafleiders met een hoge volgstroombegrenzing voor 400/690 V-voedingssystemen zoals SLP40-750 / 3S, moeten worden geïnstalleerd om de 400/690 V-transformator te beschermen , omvormers, netfilters en meetapparatuur.

Bescherming van de generatorleidingen

Gezien de hoge spanningstoleranties moeten overspanningsafleiders van klasse II voor nominale spanningen tot 1000 V worden geïnstalleerd om de rotorwikkeling van de generator en de voedingslijn van de omvormer te beschermen. Een extra op vonkbrug gebaseerde afleider met een nominale voedingsfrequentie die bestand is tegen spanning UN / AC = 2,2 kV (50 Hz) wordt gebruikt voor potentiaalisolatie en om te voorkomen dat de op varistor gebaseerde afleiders voortijdig werken als gevolg van spanningsschommelingen die kunnen optreden tijdens de werking van de omvormer. Aan weerszijden van de stator van de generator is een modulaire driepolige overspanningsafleider van klasse II met een verhoogde nominale spanning van de varistor voor 690 V-systemen geïnstalleerd.

Modulaire driepolige klasse II overspanningsafleiders van het type SLP40-750 / 3S zijn speciaal ontworpen voor windturbines. Ze hebben een nominale spanning van de varistor Umov van 750 V AC, rekening houdend met spanningsschommelingen die tijdens bedrijf kunnen optreden.

Overspanningsafleiders voor IT-systemen

Overspanningsafleiders voor het beschermen van elektronische apparatuur in telecommunicatie- en signaleringsnetwerken tegen de indirecte en directe effecten van blikseminslagen en andere tijdelijke overspanningen worden beschreven in IEC 61643-21 en worden geïnstalleerd aan de zonegrenzen in overeenstemming met het bliksembeveiligingszoneconcept.

Meertraps-afleiders moeten worden ontworpen zonder blinde vlekken. Er moet voor worden gezorgd dat de verschillende beveiligingstrappen op elkaar zijn afgestemd, anders worden niet alle beveiligingstrappen geactiveerd, waardoor storingen in de overspanningsbeveiliging ontstaan.

In de meeste gevallen worden glasvezelkabels gebruikt om IT-lijnen in een windturbine te leiden en om de schakelkasten van de torenbasis naar de gondel te verbinden. De bekabeling tussen de actuatoren en sensoren en de schakelkasten wordt gerealiseerd door afgeschermde koperen kabels. Omdat interferentie door een elektromagnetische omgeving is uitgesloten, hoeven de glasvezelkabels niet te worden beschermd door overspanningsafleiders, tenzij de glasvezelkabel een metalen mantel heeft die rechtstreeks in de potentiaalvereffening moet worden geïntegreerd of door middel van overspanningsbeveiligingen.

In het algemeen moeten de volgende afgeschermde signaallijnen die de actoren en sensoren met de schakelkasten verbinden, worden beschermd door overspanningsbeveiligingen:

Signaallijnen van het weerstation op de sensormast.
Signaallijnen tussen de gondel en het toonhoogtesysteem in de hub.
Signaallijnen voor het toonhoogtesysteem.

Signaallijnen van het weerstation

De signaallijnen (4 - 20 mA-interfaces) tussen de sensoren van het weerstation en de schakelkast worden van LPZ 0B naar LPZ 2 geleid en kunnen met FLD2-24 worden beveiligd. Deze ruimtebesparende gecombineerde afleiders beschermen twee of vier enkele lijnen met gemeenschappelijk referentiepotentiaal en ongebalanceerde interfaces en zijn verkrijgbaar met directe of indirecte afschermingsaarding. Twee flexibele veerklemmen voor permanent laagohmig schermcontact met de beschermde en onbeschermde zijde van de afleider worden gebruikt voor schermaarding.

Laboratoriumtests volgens IEC 61400-24

IEC 61400-24 beschrijft twee basismethoden voor het uitvoeren van immuniteitstests op systeemniveau voor windturbines:

Bij impulsstroomtests onder bedrijfsomstandigheden worden bij aanwezige voedingsspanning impulsstromen of gedeeltelijke bliksemstromen in de afzonderlijke leidingen van een regelsysteem geïnjecteerd. Daarbij wordt de te beveiligen apparatuur inclusief alle SPD's aan een impulsstroomtest onderworpen.
De tweede testmethode simuleert de elektromagnetische effecten van de elektromagnetische bliksemimpulsen (LEMP's). De volledige bliksemstroom wordt in de constructie geïnjecteerd die de bliksemstroom ontlaadt en het gedrag van het elektrische systeem wordt geanalyseerd door de bekabeling onder bedrijfsomstandigheden zo realistisch mogelijk te simuleren. De steilheid van de bliksemstroom is een doorslaggevende testparameter.