Chống sét và chống sét lan truyền cho hệ thống tuabin gió

Các biện pháp che chắn bao gồm, ví dụ:

• Lắp đặt bện kim loại trên các nan phủ GRP.
• Tháp kim loại.
• Tủ thiết bị đóng cắt bằng kim loại.
• Tủ điều khiển bằng kim loại.
• Dòng điện sét mang cáp kết nối được che chắn (ống dẫn cáp kim loại, ống được bảo vệ hoặc tương tự).
• Cáp che chắn.

Các biện pháp chống sét bên ngoài
Chức năng của LPS bên ngoài là chặn sét đánh trực tiếp bao gồm sét đánh vào tháp của tuabin gió và phóng dòng sét từ điểm đánh xuống đất. Nó cũng được sử dụng để phân phối dòng điện sét trong lòng đất mà không có thiệt hại về nhiệt hoặc cơ học hoặc tia lửa nguy hiểm có thể gây cháy, nổ và gây nguy hiểm cho con người.

Có thể xác định điểm tiềm năng va đập của tuabin gió (ngoại trừ cánh của rôto) bằng phương pháp quả cầu lăn được thể hiện trong Hình 1. Đối với tuabin gió, nên sử dụng loại LPS I. Do đó, quả cầu lăn có một bán kính r = 20 m được lăn trên tuabin gió để xác định các điểm đánh. Cần có hệ thống đầu thu sét khi quả cầu tiếp xúc với tuabin gió.

Cấu trúc nacelle / vỏ nên được tích hợp trong hệ thống chống sét để đảm bảo rằng sét đánh trong nacelle đánh trúng các bộ phận kim loại tự nhiên có khả năng chịu tải này hoặc hệ thống đầu thu sét được thiết kế cho mục đích này. Nacelles với lớp phủ GRP phải được lắp với hệ thống đầu thu sét và các dây dẫn xuống tạo thành một cái lồng xung quanh nacelle.

Hệ thống đầu thu sét bao gồm các dây dẫn trần trong lồng này phải có khả năng chịu được sét đánh theo mức chống sét đã chọn. Các dây dẫn khác trong lồng Faraday phải được thiết kế sao cho chúng chịu được phần dòng sét mà chúng có thể phải chịu. Phù hợp với IEC 61400-24, hệ thống đầu thu sét để bảo vệ thiết bị đo lường được lắp bên ngoài ống nano phải được thiết kế phù hợp với các yêu cầu chung của IEC 62305-3 và các dây dẫn sét phải được nối với lồng mô tả ở trên.

“Các thành phần tự nhiên” làm bằng vật liệu dẫn điện được lắp đặt cố định trong / trên tuabin gió và không thay đổi (ví dụ: hệ thống chống sét của cánh quạt, ổ trục, máy tính lớn, tháp lai, v.v.) có thể được tích hợp trong LPS. Nếu tuabin gió có cấu tạo bằng kim loại, có thể giả định rằng chúng đáp ứng các yêu cầu đối với hệ thống chống sét bên ngoài cấp LPS I theo IEC 62305.

Điều này đòi hỏi tia sét phải được chặn một cách an toàn bởi LPS của các cánh rôto để nó có thể được phóng tới hệ thống đầu tiếp đất thông qua các bộ phận tự nhiên như ổ trục, máy tính lớn, tháp và / hoặc hệ thống rẽ nhánh (ví dụ: khe hở tia lửa, chổi than).

Hệ thống đầu thu sét / dây dẫn xuống
Như trong Hình 1, các cánh rôto; nacelle bao gồm cả cấu trúc thượng tầng; trung tâm rôto và tháp của tuabin gió có thể bị sét đánh trúng.
Nếu chúng có thể chặn dòng xung sét tối đa 200 kA một cách an toàn và có thể phóng nó tới hệ thống đầu tiếp đất, chúng có thể được sử dụng như “thành phần tự nhiên” của hệ thống đầu thu sét của hệ thống chống sét bên ngoài tuabin gió.

Các bộ phận tiếp nhận bằng kim loại, đại diện cho các điểm sét xác định, thường được lắp đặt dọc theo phiến GRP để bảo vệ các cánh rôto khỏi bị hư hỏng do sét. Một dây dẫn xuống được chuyển từ bộ phận tiếp nhận đến gốc phiến. Trong trường hợp xảy ra sét đánh, có thể giả định rằng tia sét đánh vào đầu lưỡi kiếm (bộ phận tiếp nhận) và sau đó được tích điện qua dây dẫn xuống bên trong lưỡi dao tới hệ thống đầu tiếp đất thông qua ống nano và tháp.

Hệ thống tiếp đất
Hệ thống đầu tiếp đất của tuabin gió phải thực hiện một số chức năng như bảo vệ cá nhân, bảo vệ EMC và chống sét.

Một hệ thống đầu tiếp đất hiệu quả (xem Hình 3) là điều cần thiết để phân phối dòng sét và ngăn tuabin gió bị phá hủy. Hơn nữa, hệ thống tiếp đất phải bảo vệ con người và động vật chống lại điện giật. Trong trường hợp có sét đánh, hệ thống đầu tiếp đất phải phóng các dòng sét cao xuống đất và phân phối chúng trong đất mà không có các tác động nhiệt và / hoặc điện động nguy hiểm.

Nói chung, điều quan trọng là phải thiết lập một hệ thống đầu tiếp đất cho tuabin gió được sử dụng để bảo vệ tuabin gió chống sét đánh và tiếp đất cho hệ thống cung cấp điện.

Lưu ý: Các quy định về điện cao áp như Cenelec HO 637 S1 hoặc các tiêu chuẩn quốc gia hiện hành quy định cách thiết kế hệ thống đầu tiếp đất để ngăn chặn điện áp chạm và điện áp bước cao gây ra bởi ngắn mạch trong hệ thống cao hoặc trung áp. Liên quan đến bảo vệ con người, tiêu chuẩn IEC 61400-24 đề cập đến IEC // TS 60479-1 và IEC 60479-4.

Bố trí điện cực đất

IEC 62305-3 mô tả hai kiểu bố trí điện cực đất cơ bản cho tuabin gió:

Loại A: Theo Phụ lục I của IEC 61400-24, bố trí này không được sử dụng cho tuabin gió, nhưng nó có thể được sử dụng cho các phụ lục (ví dụ, các tòa nhà chứa thiết bị đo lường hoặc nhà kho văn phòng kết nối với trang trại gió). Bố trí điện cực đất loại A bao gồm các điện cực đất nằm ngang hoặc thẳng đứng được nối với nhau bằng ít nhất hai dây dẫn xuống trên tòa nhà.

Loại B: Theo Phụ lục I của IEC 61400-24, bố trí này phải được sử dụng cho tuabin gió. Nó bao gồm một điện cực đất vòng ngoài được lắp đặt trong đất hoặc một điện cực đất nền móng. Điện cực đất vòng và các bộ phận kim loại trong móng phải được kết nối với kết cấu tháp.

Việc gia cố nền móng tháp nên được tích hợp trong khái niệm nối đất của tuabin gió. Hệ thống đầu tiếp đất của chân tháp và tòa nhà vận hành phải được kết nối bằng mạng lưới các điện cực đất nối lưới để có được hệ thống đầu tiếp đất có diện tích càng lớn càng tốt. Để ngăn ngừa điện áp bước quá mức do sét đánh, các điện cực đất vòng chống ăn mòn và kiểm soát điện thế (làm bằng thép không gỉ) phải được lắp đặt xung quanh chân tháp để đảm bảo bảo vệ con người (xem Hình 3).

Nền tảng điện cực đất

Điện cực nối đất nền móng có ý nghĩa kinh tế và kỹ thuật, ví dụ, được yêu cầu trong Điều kiện kết nối kỹ thuật của Đức (TAB) của các công ty cung cấp điện. Điện cực đất nền là một phần của việc lắp đặt điện và thực hiện các chức năng an toàn thiết yếu. Vì lý do này, chúng phải được lắp đặt bởi những người có kỹ năng điện hoặc dưới sự giám sát của một người có kỹ năng điện.

Các kim loại được sử dụng cho điện cực đất phải phù hợp với các vật liệu được liệt kê trong Bảng 7 của IEC 62305-3. Hành vi ăn mòn của kim loại trong đất phải luôn được quan sát. Điện cực nối đất nền móng phải được làm bằng thép mạ kẽm hoặc không mạ kẽm (thép tròn hoặc thép vằn). Thép tròn phải có đường kính tối thiểu là 10 mm. Thép dải phải có kích thước tối thiểu là 30 x 3,5 mm. Lưu ý rằng vật liệu này phải được phủ bê tông ít nhất 5 cm (chống ăn mòn). Điện cực đất nền phải được nối với thanh liên kết đẳng thế chính trong tuabin gió. Các kết nối chống ăn mòn phải được thiết lập thông qua các điểm tiếp đất cố định của các vấu đầu cuối làm bằng thép không gỉ. Hơn nữa, một điện cực nối đất vòng làm bằng thép không gỉ phải được lắp vào đất.

Bảo vệ khi chuyển đổi từ LPZ 0A sang LPZ 1

Để đảm bảo hoạt động an toàn của các thiết bị điện và điện tử, ranh giới của các LPZ phải được che chắn chống nhiễu bức xạ và bảo vệ chống nhiễu dẫn (xem Hình 2 và 4). Các thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền có khả năng phóng dòng sét cao mà không bị phá hủy phải được lắp đặt khi chuyển đổi từ LPZ 0A sang LPZ 1 (còn được gọi là “liên kết đẳng thế sét”). Các thiết bị chống sét lan truyền này được gọi là bộ chống sét cấp I và được thử nghiệm bằng dòng điện xung có dạng sóng 10/350 μs. Tại quá trình chuyển đổi từ LPZ 0B sang LPZ 1 và LPZ 1 trở lên, chỉ các dòng xung năng lượng thấp gây ra bởi điện áp gây ra bên ngoài hệ thống hoặc dòng điện tạo ra trong hệ thống phải được đối phó. Các thiết bị chống sét lan truyền này được gọi là thiết bị chống sét lan truyền cấp II và được thử nghiệm bằng dòng xung có dạng sóng 8/20 μs.

Theo khái niệm vùng bảo vệ chống sét, tất cả các cáp và đường dây đến phải được tích hợp trong liên kết đẳng thế chống sét mà không có ngoại lệ bằng các bộ chống sét cấp I tại ranh giới từ LPZ 0A đến LPZ 1 hoặc từ LPZ 0A đến LPZ 2.

Một liên kết đẳng thế cục bộ khác, trong đó tất cả các cáp và đường dây đi vào ranh giới này phải được tích hợp, phải được lắp đặt cho mọi ranh giới vùng xa hơn trong phạm vi được bảo vệ.

Bộ chống sét lan truyền loại 2 phải được lắp đặt khi chuyển đổi từ LPZ 0B sang LPZ 1 và từ LPZ 1 sang LPZ 2, trong khi bộ chống sét lan truyền loại III phải được lắp đặt khi chuyển đổi từ LPZ 2 sang LPZ 3. Chức năng của loại II và loại III bộ chống sét lan truyền là để giảm nhiễu còn sót lại của các giai đoạn bảo vệ thượng nguồn và hạn chế các xung điện gây ra hoặc tạo ra trong tuabin gió.

Lựa chọn SPD dựa trên mức bảo vệ điện áp (Lên) và khả năng miễn nhiễm của thiết bị

Để mô tả Up trong LPZ, các mức miễn nhiễm của thiết bị trong LPZ phải được xác định, ví dụ đối với đường dây điện và kết nối của thiết bị theo IEC 61000-4-5 và IEC 60664-1; đối với đường dây viễn thông và kết nối của thiết bị theo IEC 61000-4-5, ITU-T K.20 và ITU-T K.21, và đối với đường dây và kết nối thiết bị khác theo hướng dẫn của nhà sản xuất.

Các nhà sản xuất linh kiện điện và điện tử phải có khả năng cung cấp thông tin cần thiết về mức độ miễn nhiễm theo tiêu chuẩn EMC. Nếu không, nhà sản xuất tuabin gió phải thực hiện các thử nghiệm để xác định mức miễn nhiễm. Mức miễn nhiễm xác định của các thành phần trong LPZ trực tiếp xác định mức bảo vệ điện áp cần thiết cho các ranh giới LPZ. Khả năng miễn nhiễm của hệ thống phải được chứng minh, nếu có thể, với tất cả SPD được lắp đặt và thiết bị cần được bảo vệ.

Bảo vệ nguồn điện

Máy biến áp của tuabin gió có thể được lắp đặt ở các vị trí khác nhau (trong một trạm phân phối riêng, trong chân tháp, trong tháp, trong ống dẫn). Trong trường hợp tuabin gió lớn, ví dụ, cáp 20 kV không được che chắn trong chân tháp được chuyển đến các cơ sở lắp đặt thiết bị đóng cắt trung thế bao gồm bộ ngắt mạch chân không, bộ ngắt chuyển mạch chọn có khóa cơ học, công tắc nối đất đi ra và rơ le bảo vệ.

Các cáp MV được định tuyến từ việc lắp đặt thiết bị đóng cắt MV trong tháp của tuabin gió đến máy biến áp nằm trong ống dẫn. Máy biến áp cấp nguồn cho tủ điều khiển trong đế tháp, tủ thiết bị đóng cắt trong trục và hệ thống bước trong trung tâm bằng hệ thống TN-C (L1; L2; L3; dây dẫn PEN; 3PhY; 3 W + G). Tủ thiết bị đóng cắt trong ống dẫn cung cấp cho thiết bị điện điện áp xoay chiều 230/400 V.

Theo IEC 60364-4-44, tất cả các thiết bị điện được lắp đặt trong tuabin gió phải có điện áp chịu xung danh định cụ thể theo điện áp danh định của tuabin gió. Điều này có nghĩa là bộ chống sét lan truyền được lắp đặt ít nhất phải có cấp bảo vệ điện áp quy định tùy thuộc vào điện áp danh định của hệ thống. Bộ chống sét lan truyền được sử dụng để bảo vệ hệ thống cung cấp điện 400/690 V phải có cấp bảo vệ điện áp tối thiểu Lên ≤2,5 kV, trong khi bộ chống sét lan truyền được sử dụng để bảo vệ hệ thống cung cấp điện 230/400 V phải có cấp bảo vệ điện áp Lên ≤1,5 kV để đảm bảo bảo vệ các thiết bị điện / điện tử nhạy cảm. Để đáp ứng yêu cầu này, các thiết bị chống sét lan truyền cho hệ thống cung cấp điện 400/690 V có khả năng dẫn dòng sét ở dạng sóng 10/350 μs mà không bị phá hủy và đảm bảo mức bảo vệ điện áp lên ≤2,5 kV phải được lắp đặt.

Hệ thống cung cấp điện 230/400 V

Nguồn cung cấp điện áp của tủ điều khiển trong đế tháp, tủ thiết bị đóng cắt trong nacelle và hệ thống bước trong trung tâm bằng hệ thống 230/400 V TN-C (3PhY, 3W + G) phải được bảo vệ bằng cấp II chống sét lan truyền như SLP40-275 / 3S.

Bảo vệ đèn cảnh báo máy bay

Đèn cảnh báo máy bay trên cột cảm biến trong LPZ 0B phải được bảo vệ bằng thiết bị chống sét lan truyền cấp II tại các vùng chuyển tiếp liên quan (LPZ 0B → 1, LPZ 1 → 2) (Bảng 1).

Hệ thống cung cấp điện 400 / 690V Bộ chống sét đơn cực phối hợp có giới hạn dòng cao cho các hệ thống cung cấp điện 400/690 V như SLP40-750 / 3S, phải được lắp đặt để bảo vệ máy biến áp 400/690 V , biến tần, bộ lọc nguồn và thiết bị đo lường.

Bảo vệ đường dây máy phát điện

Xem xét dung sai điện áp cao, bộ chống sét lan truyền cấp II cho điện áp danh định lên đến 1000 V phải được lắp đặt để bảo vệ cuộn dây rôto của máy phát và đường dây cung cấp của biến tần. Một bộ chống sét bổ sung dựa trên khe hở tia lửa có điện áp chịu đựng tần số công suất danh định UN / AC = 2,2 kV (50 Hz) được sử dụng để cách ly tiềm năng và ngăn chặn bộ chống sét dựa trên biến thể hoạt động sớm do dao động điện áp có thể xảy ra trong quá trình hoạt động của biến tần. Một bộ chống sét mô-đun ba cực cấp II với điện áp danh định tăng lên của biến thể cho hệ thống 690 V được lắp đặt trên mỗi bên của stato của máy phát điện.

Bộ chống sét lan truyền ba cực cấp II mô-đun kiểu SLP40-750 / 3S được thiết kế đặc biệt cho tuabin gió. Chúng có điện áp định mức của biến thể Umov là 750 V AC, xem xét các dao động điện áp có thể xảy ra trong quá trình hoạt động.

Bộ chống sét lan truyền cho hệ thống CNTT

Bộ chống sét lan truyền để bảo vệ thiết bị điện tử trong mạng viễn thông và mạng tín hiệu chống lại các tác động gián tiếp và trực tiếp của sét đánh và các dòng điện quá độ khác được mô tả trong IEC 61643-21 và được lắp đặt tại các ranh giới vùng phù hợp với khái niệm vùng chống sét.

Bộ chống sét nhiều tầng phải được thiết kế không có điểm mù. Phải đảm bảo rằng các giai đoạn bảo vệ khác nhau được phối hợp với nhau, nếu không, không phải tất cả các giai đoạn bảo vệ sẽ được kích hoạt, gây ra lỗi trong thiết bị chống sét lan truyền.

Trong phần lớn các trường hợp, cáp sợi thủy tinh được sử dụng để định tuyến các đường dây CNTT vào tuabin gió và để kết nối tủ điều khiển từ đế tháp đến sợi trục. Hệ thống cáp giữa các thiết bị truyền động, cảm biến và tủ điều khiển được thực hiện bằng cáp đồng có vỏ bọc. Vì đã loại trừ nhiễu bởi môi trường điện từ, nên cáp sợi thủy tinh không phải được bảo vệ bằng bộ chống sét lan truyền trừ khi cáp sợi thủy tinh có vỏ bọc kim loại phải được tích hợp trực tiếp vào liên kết đẳng thế hoặc bằng các thiết bị chống sét lan truyền.

Nói chung, các đường tín hiệu được che chắn sau đây kết nối thiết bị truyền động và cảm biến với tủ điều khiển phải được bảo vệ bằng thiết bị chống sét lan truyền:

• Các vạch tín hiệu của trạm thời tiết trên cột cảm biến.
• Các đường tín hiệu được định tuyến giữa nacelle và hệ thống cao độ trong trung tâm.
• Các đường tín hiệu cho hệ thống cao độ.

Đường tín hiệu của trạm thời tiết

Các đường tín hiệu (giao diện 4 – 20 mA) giữa các cảm biến của trạm thời tiết và tủ thiết bị đóng cắt được định tuyến từ LPZ 0B đến LPZ 2 và có thể được bảo vệ bằng FLD2-24. Các bộ chống sét kết hợp tiết kiệm không gian này bảo vệ hai hoặc bốn đường dây đơn với điện thế tham chiếu chung cũng như các giao diện không cân bằng và có sẵn với nối đất lá chắn trực tiếp hoặc gián tiếp. Hai đầu cực lò xo dẻo để tiếp xúc với tấm chắn trở kháng thấp vĩnh viễn với mặt được bảo vệ và không được bảo vệ của bộ chống sét được sử dụng để nối đất cho tấm chắn.

Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm theo IEC 61400-24

IEC 61400-24 mô tả hai phương pháp cơ bản để thực hiện các thử nghiệm miễn nhiễm cấp hệ thống đối với tuabin gió:

• Trong các thử nghiệm dòng điện xung ở điều kiện làm việc, dòng điện xung hoặc dòng điện sét cục bộ được đưa vào các đường dây riêng lẻ của hệ thống điều khiển khi có điện áp nguồn. Khi làm như vậy, thiết bị được bảo vệ bao gồm tất cả SPD phải chịu thử nghiệm dòng điện xung.
• Phương pháp thử nghiệm thứ hai mô phỏng các hiệu ứng điện từ của các xung điện từ sét (LEMP). Dòng điện sét đầy đủ được đưa vào cấu trúc phóng ra dòng điện sét và hoạt động của hệ thống điện được phân tích bằng cách mô phỏng hệ thống cáp trong các điều kiện hoạt động càng thực tế càng tốt. Độ dốc dòng điện sét là một tham số thử nghiệm quyết định.