La importància de la protecció dels aerogeneradors

Hi ha una tendència que sembla no tenir final per a l'aprofitament de l'energia renovable obtinguda d'aerogeneradors, de plantes d'energia solar fotovoltaica, de plantes de biogàs i geotèrmica. Es tracta d'un enorme potencial no només per a la indústria de l'energia, sinó també per als proveïdors i el sector elèctric de tot el món.

A Alemanya, unes 19.000 turbines eòliques proporcionen una potència total de gairebé 21.000 megawatts, que és més del 3% de la potència necessària pel consum del país. Els pronòstics per al futur són positius, segons l'institut de l'energia eòlica alemanya Deutsches Windenergie-Institut (DEWI), aproximadament 4.000 aerogeneradors s'han d'instal·lar a mar obert fins el 2030.

Per tant, una potència nominal d'aproximadament 20.000 megawatts es podria produïr per parcs eòlics marins. La importància de les turbines eòliques és òbvia. Pel que fa a les taxes de creixement d'aquest mercat de l'energia, la fiabilitat i la disponibilitat d'energia també és un aspecte important.

Però cal analitzar els temes següents:

1. Perill resultant d'efectes del llamp
2. Freqüència de caiguda de llamps
3. Normalització (Alemanya)
4. Les mesures de protecció
5. Protecció contra raigs Zones Concept
6. Blindatge de les mesures
7. Sistema de posada a terra

Perill resultant d'efectes del llamp
Un operador d'aquestes instal·lacions no es pot permetre llargs temps de pèrdues de producció. Són necessàries inversions elevades per una turbina de vent la qual s'espera una amortització en pocs anys. Les turbines eòliques són unes instal·lacions elèctriques conjuntament amb l'electrònica integrada, les quals estan concentrades en una àrea molt petita.

Tot el que l'enginyeria elèctrica i electrònica ofereixen, es pot trobar en:

• Armaris elèctrics
• Motors i accionaments,
• Convertidors de freqüència,
• Sistemes de bus amb actuadors i sensors.

Aerogenerador incediat per efecte d'un llamp

A causa de la posició i l'alçada total, les turbines eòliques estan exposades als efectes directes de raigs. El risc de ser interceptats per un raig augmenta quadràticament davant l'alçada de l'estructura.

Freqüència de caiguda de llamps
El nombre anual de llamps que van des del núvol a terra per una determinada regió es coneix com el nivell isoceràunic. A Europa, hi ha una mitjana d'un a tres llamps que van des del núvol a terra per quilòmetre quadrat.

Per al dimensionat de les proteccions d'instal·lacions contra llamps s'ha de considerar que objectes amb una alçada de més de 60 metres estan exposats directament als raigs.

Torre amb protecció contra raigs a la turbina

Normalització
A Alemanya, les directrius de Germanischer Lloyd són la base per al disseny d'aquest concepte de protecció.

L'Associació Alemanya d'Assegurances (GDV) recomana en la seva publicació del 2010 Risikoorientierter Blitz- und Überspannungsschutz (orientada al risc contra llamps i proteccions de sobretensions) que cal implementar, almenys, amb sistemes de protecció classe II per a les turbines de vent, per tal de complir amb els requisits mínims per a la protecció per la caiguda de llamps en aquestes instal·lacions.

Les mesures de protecció
La principal preocupació en aquesta contribució tècnica és la realització de les mesures de protecció contra el llamp i contra sobretensions dels dispositius / sistemes elèctrics i electrònics d'una turbina eòlica.

Els complexos problemes de la protecció de les pales del rotor, les peces giratòries i coixinets requereixen un examen detallat. També són per cada tipus de generador.

Figura 1: Impuls actual DEHN laboratori + SÖHNE

DEHN + SÖHNE ofereixen els següents serveis d'enginyeria i proves de laboratori a corrent d'impuls de 200 kA, per oferir millors solucions per al client individual (Figura 1):

• Proves de connexió a les diferents unitats a protegir. Protecció de la instal·lació elèctrica dels pre-cablejats específics.
• Assaig del corrent del llamp a plena capacitat de càrrega dels rodaments.
• Prova actual a conductors i receptors de les pales del rotor orientada cap avall.

Aquestes proves al laboratori demostren l'eficàcia de les mesures de protecció elegides i contribueixen a l'optimització del sistema global de protecció.

Protecció contra raigs Zones Concept
Aquest concepte és una mesura d'estructuració per a la creació d'un entorn d'EMC definit dins d'una estructura (Figura 2). L'entorn d'EMC definit s'especifica per la immunitat electromagnètica de l'equip elèctric utilitzat.

Figura 2: Zones de protecció del raig aplicat al concepte per a una turbina de vent

En ser una mesura de protecció, el ​​concepte de zones de protecció contra llamps inclou, per tant, una reducció de les interferències conduïdes i radiades en els límits dels valors acordats.

Per aquesta raó, l'objecte a protegir es subdivideix en zones de protecció . Les zones de protecció resultants de l'estructura de la turbina de vent, hauran de considerar l'arquitectura de l'estructura.

És decisiu que els paràmetres de raigs directes que afecten la zona de protecció contra raigs LPZ 0A des de fora es redueixen mitjançant el blindatge de les mesures de manera que cal, la instal·lació de dispositius de protecció contra sobretensions per garantir que els sistemes, equips elèctrics i electrònics situats a l'interior de la turbina eòlica es poden operar sense interferències.

Blindatge de les mesures
La gòndola ha de ser dissenyada com un escut de metall que es tanca en si mateix. Per tant, es pot aconseguir un volum dins de la gòndola amb una alta atenuació de camp electromagnètic en comparació amb l'exterior. Els quadres de control de la gòndola, o a l'edifici de l'operació, també haurien de ser fets de metall (efecte Faraday).

Els cables de connexió han de tenir una protecció metàl·lica conductora exterior. Pel que fa a la supressió d'interferències, els cables blindats són eficaços contra acoblament EMC només si les malles estan connectades amb la compensació de potencial en ambdós costats. Per tant, aquestes malles s'han de posar en contacte amb marcs terminals de contacte per evitar llargues distàncies i minimitzar les cues d'EMC impròpies.

Sistema de posada a terra
Per a la posada a terra d'una turbina de vent, el reforç de la torre sempre ha d'estar integrat. La instal·lació d'un elèctrode de posada a terra en els fonaments a la base de la torre ha d'estar al mateix potencial que l'edifici d'operació, de manera que també ha d'estar a la vista per gestionar el risc de corrosió dels conductors de terra.

La posada a terra de la base de la torre i l'edifici de l'operació (Figura 3) han d'estar connectats per tal d'aconseguir un sistema de posada a terra amb la major superfície possible. La mesura en què les possibles preses de terra de l'anell de control addicional han d'estar disposades al voltant de la base de la torre. Això depèn de si es poden obtenir voltatges molt alts de pas i contacte.

Figura 3: Engranats a la xarxa de preses de terra d'una turbina de vent

Font: Electrical Engineering