Több megawattos szélturbinák villám- és túlfeszültség védelme

• 
• 

Részletek

2009. április 09. csütörtök, 00:00

 

Megfigyelhető, hogy a megújuló energiák, mint a szélenergia, a napenergia, a biomassza, ill. a geotermikus energia felhasználási trendje továbbra sem csökken. Ez világszerte óriási piaci lehetőség nemcsak az energiaipar, hanem az energiaipar beszállítói és a villamos kereskedelem számára is.

 

Németországban megközelítőleg 19 ezer szélturbina, mintegy 21 ezer MW teljesítménnyel dolgozik a villamos hálózatba, és már több mint 3%-át fedi le a német villamosenergia- fogyasztásnak.

A jövőre vonatkozó további előrejelzések is pozitívak. A Német Szélenergia Intézet (Deutsches Windenergie-Institut, DEWI) azt várja, hogy 2030-ra mintegy 4000 szélturbina lesz a nyílt tengeren. Ily módon megközelítőleg 20 000 MW névleges teljesítményt képes előállítani a parti szélfarm. A szélturbinák fontossága így nyilvánvaló. Ennek az energiapiacnak növekvő részesedését látva az energia megbízható rendelkezésre állása szintén fontos szempont.

 

Villámcsapás okozta veszélyeztetés

Ezen létesítmények üzemeltetője nem engedhet meg üzemszünetet, leállást. Ellenkezőleg, a szélturbinák nagy költségráfordításának néhány éven belül meg kell térülnie.

A szélturbinák nagyon kis területre koncentrált, összetett villamos és elektronikai létesítmények. Minden megtalálható bennük, amit az erősáramú energetika és elektronika ajánl: kapcsolószekrények, motorok, hajtások, frekvenciaátalakítók, buszrendszerek aktorokkal és szenzorokkal. Mondani sem kell, hogy a túlfeszültségek ezekben jelentős károkat okozhatnak. Az ismertetett tények és kiemelkedő magasságuk miatt a szélturbinák közvetlen villámcsapás hatásának vannak kitéve. A villám becsapódásának kockázata az építmény magasságával négyzetesen nő. A MW nagyságú szélturbinák lapátjai elérhetik a 150 m magasságot, és ennek következtében különösen veszélynek vannak kitéve. Teljes körű villámés túlfeszültségvédelmük kívánatos.

 

A villámcsapások várható gyakorisága

Egy bizonyos területen a felhő–föld villámcsapás évenkénti száma meghatározható a jól ismert villámcsapási statisztikából. Európában a tengerpartra és a dombvidékekre 1 és 3 közé esik a felhő–föld villámcsapások egy km2-re eső évenkénti átlagos száma.

A villámvédelmi berendezések méretezésénél figyelembe kell venni, hogy ezek az objektumok 60 méternél magasabbak. Így olyan közvetlen villámcsapások érhetik a szélturbinákat, ahol a felhő–föld villámcsapás mellett felléphet a föld–felhő kisülés is, a felfelé haladó villám. Az elmondottak miatt tehát nagyobb értékekre számíthatunk, mint amilyeneket a statisztikából kapunk. Továbbá a föld–felhő villám a kiemelkedő objektumokról felfelé indul, és a villámáram nagy töltésmennyiséget hordoz, amely különös jelentőséggel bír a rotorlapátok védelmi módszerét és a villámáram-levezető tervezését illetően.

 

Szabványosítás

A német Lloyd útmutatásai képezik a védelmi koncepció kialakításának az alapját. A Német Biztosítási Társaság (German Insurance Association GDV) a VdS 2010 „Kockázatelemzésen alapuló villám- és túlfeszültség-védelem” (Risk oriented lightening and surge protection) kiadványában szélturbinák esetében megköveteli a legalább II. osztályú villámvédelmi rendszer alkalmazását, azon célból, hogy eleget tegyen ezen létesítmények védelmének minimális kockázata elvárásainak.

 

Védelmi módok

A műszaki megoldás legfőbb gondja épp a villámvédelmi módszernek a realizálása, azaz a szélturbina villamos és elektronikus eszközeinek és rendszereinek megelőző túlfeszültség-védelmének a megvalósítása. A rotorlapátok, a forgórészek és a tartószerkezetek védelmének komplex problémája körültekintő vizsgálatot igényel. Ezek a vizsgálatok lehetnek termékspecifikusak is, de lehetnek típus szerintiek. A vevőspecifikus megoldások optimalizálására a Dehn + Söhne laboratóriumban a következő mérnöki szolgáltatások és tesztek ajánlottak (1. ábra):

• a villamos installáció védelmére szolgáló előhuzalozott csatlakozóegységek vevőspecifikus vizsgálatai,
• tartószerkezetek viselkedése villámáramok jelenlétében,
• a levezetők és a rotorlapátok, mint felfogók villámáram-vizsgálata.
• Ezek a laboratóriumban elvégzett vizsgálatok bizonyítják a kiválasztott védelmi módszerek hatékonyságát, és hozzájárulnak a „védelmi csomag” optimalizációjához.

 

A villámvédelmi zóna koncepció

A villámvédelmi zóna koncepció egy szerkezeten belül kialakított strukturális módszer egy meghatározott szintű elektromágneses összeférhetőségi (EMC) környezet kialakításához (2. ábra). Az alkalmazott villamos szerkezetek elektromágneses ellenálló képessége specifikálja a meghatározott szintű EMC-környezetet. A védelmi módszer, így a villámvédelmi zóna koncepció magában foglalja a vezetett vagy sugárzott zavarok megegyezéses határérték alá csökkentését. Ezen okból a védeni kívánt objektum védelmi zónákra van beosztva. A villámvédelmi zónákat a szélturbina szerkezeti kialakítása határozza meg, és figyelembe kell venni a szerkezet építményeit (2. ábra). Meghatározó, hogy a közvetlen villámparaméterek által érintett 0A zóna kívülről árnyékolással redukálható, és SPD túlfeszültség-korlátozók biztosíthatják, hogy a szélturbinában belül elhelyezett villamos és elektronikus rendszerek zavar nélkül működjenek.

 

Árnyékolási módszerek

A gondolát úgy kell tervezni, hogy egy önmagában zárt fémárnyékolásnak legyen tekinthető. Így a gondola belső tere nagymértékben csökkenti az elektromágneses mezőt a külső térhez képest. A gondolában lévő – valamint, ha vannak az üzemi épületben is – kapcsoló- és vezérlőszekrények fémből készítendők. A csatlakozókábeleket szintén kívülről kell védeni, vezetőképes árnyékolással. A zavarjel elnyomására tekintettel az árnyékolt kábelek hatékonyak az EMC-csatolással szemben, de csak abban az esetben, ha az árnyékolást mind a két végén közvetlenül, vagy védőkészüléken keresztül csatolják az egyenpotenciálú hálózattal. Az árnyékolásnak körkörösen kell csatlakoznia, elkerülve a hosszú, és az EMC szempontjából alkalmatlan „lófarkak” létrejöttét.

 

Földelési rendszer

A szélturbina földelése számára kiegészítő, „megerősítő” földelést kell a torony földelőrendszerében kialakítani. A torony betonalap-földelőjének készítésekor, és ha van üzemi épület, akkor annak földelésekor is a földelők korróziós kockázatára figyelemmel kell lenni.

A toronyalap-földeléséből és az üzemi épület földeléséből földelőhálót kell kialakítani abból a célból, hogy a lehető legnagyobb felületű földelőrendszer jöjjön létre (3. ábra). A torony alapja körüli földpotenciált vezérlő földelőgyűrűk mérete, kiterjedése attól függ, hogy a kezelő védelme szempontjából mennyi re kell csökkenteni a tornyot érő villámcsapáskor valószínűleg fellépő legnagyobb érintési és lépésfeszültség értékét.

 

Vezetők védőáramkörei a 0A – 1 /és nagyobb/ villámvédelmi zónahatároknál

A zavarforrások sugárzása ellen kialakított árnyékolás mellett a villámvédelmi zónák határán zavarjelek vezetését is meg kell akadályozni, ezzel biztosítva a villamos és az elektronikus eszközök megbízható működését.

Az LPZ 0A – LPZ 1 villámvédelmi zóna határán (szokásos elnevezés szerint villámvédelmi kiegyenlítő equipotenciális összekötést) túlfeszültség-védelmi eszközöket, SPDket kell alkalmazni, amelyek megszólalásukkal képesek a villám-részáramok jelentékeny részét – a berendezések károsodása nélkül – levezetni. Ezeket a túlfeszültség-védelmi eszközöket, SPD-ket villámáram-levezetőknek nevezik (1-es típusú SPD), és 10/350 μsos lökőáramhullámmal tesztelik.

Az LPZ 0B és az LPZ 1 zóna határán, valamint az LPZ 1 és nagyobb számú zónák határán csak kisebb energiaszintű áramimpulzusokat kell levezetni, amelyek vagy külső indukció keltette feszültség, vagy a rendszerben magában keletkező túlfeszültség eredménye. Ezek a túlfeszültség- védelmi eszközök az ún. túlfeszültségkorlátozók (2-es típusú SPD) és 8/20 μsos lökőáramhullámmal vannak tesztelve. A túlfeszültség-korlátozókat a villamos és elektronikus rendszerek üzemi jellemzőihez illesztve kell kiválasztani.

A túlfeszültség-korlátozó a kisülést követően újra használható a villamosenergia-rendszerben, és biztonsággal képes megszüntetni a kisülést követő, a hálózat által táplált utánfolyó áramot. Az áramlevezető képességen kívül ez a tervezés második fontos szempontja.

A 4. ábra a DEHNblock tokozott szikraköz alapú (ívkifújásmentes) villámáram-levezetőt mutatja. Ez a villámáram-levezető az installáció csupasz aktív részei közé is szerelhető, és védelmet nyújt anélkül, hogy bármilyen minimális csatolótávolságot számításba kéne venni. A DEHNblock védelmi készüléket alkalmazzák például a szélturbinából kijövő kisfeszültségű hálózathoz is.

Az SPD túlfeszültség-korlátozókat az induktív csatoláskor, ill. a kapcsoláskor fellépő terhelésre kell méretezni (5. ábra). Az energiakoordináció határait figyelembe kell venni a leágazási túlfeszültség-korlátozókkal kapcsolatban. Hőmonitorozott fémoxidvarisztorokat tartalmaznak.

A villamosenergia-rendszer túlfeszültség- korlátozóival ellentétben különleges figyelmet kell szentelni a rendszer kompatibilitásának (összeférhetőségnek), valamint a mérő-, vezérlő- vagy adatátviteli vonalak üzemi jellemzőinek, amikor túlfeszültségvédelmi eszközöket létesítenek adatátviteli rendszerekbe. Ezek a védelmi eszközök sorosan kapcsolódnak az adatfolyam vonalaiba, és alkalmasaknak kell lenniük arra, hogy a zavarszintet a védett eszközök érzékenységi szintje alá csökkentsék.

Ha a villámvédelmi zóna koncepción belül egyetlen telefonvonalat tekintünk, a villám-részáram ezen a vezetőn 5%-ot meghaladóan összegződhet. A III/IV. típusú villámvédelmi rendszert tekintve a villám- részáram elérheti az 5 kA-t, amennyiben a hullámalak 10/350 μs.

A 6. ábra a bizonyítottan többfunkciós BLITZDUCTOR T. eszközt ábrázolja, amely túláram-levezető és egyidejűleg túlfeszültség-korlátozó is. Ezt a védelmi eszköz az I-s és ennél nagyobb számú villámvédelmi zónában a készülékek elektromágneses összeférhetőséggel szembeni védelmére használható.

A BLITZDUCTOR T. eszközt 4 terminálós hálózat számára tervezték, és mind a közös módú, mind a differenciál módú túlfeszültségeket korlátozza. A BLITZDUCTOR T. rögzíthető közvetlenül a csatlakozóval sorba a csatlakozó helyett, tartósínbe, ahol ez a speciális tervezés helytakarékos elrendezést eredményez.