Мълниезащита на ВЕИ централи

Мълниезащитата е основен елемент в електрическата система на една ВЕИ инсталация. Тя служи за ограничаване на високото напрежение и безопасното отвеждане на големи електрически заряди, които могат да възникнат при попадане на мълния или комутационни процеси в електрическата система. Заземителната система елиминира или ограничава риска от повреди в електрическата инсталация и осигурява безопасно опериране на персонала и експлоатация на оборудването.

Мълниезащита при вятърните турбини

Поради откритото си местоположение и височина, ветрогенераторите са изложени на висок риск от пряко попадение на мълния. Проучвания показват, че на годишна база може да се очакват най-малко 10 преки удара върху вятърни турбини в многомегаватовите ветрогенераторни паркове. Предвид високите инвестиционни разходи за ветрогенераторните инсталации единственото рентабилно решение за производителите е времето извън експлоатация и разходите за ремонт вследствие на щети, нанесени от мълнии и пренапрежение, да бъдат избегнати. Поради тази причина са необходими комплексни мерки за мълниезащита и защита от пренапрежение.

При планирането на адекватни мерки трябва да се вземат предвид не само низходящите светкавици с посока от небето към земята, но и т. нар. възходящи (стреловидни) лидери, възникващи от земята към облака при обекти на открити места с височина над 60 метра. Те възникват предимно през зимните месеци при електрически заряд по-голям от Q = 300 С. Следователно това дава основание да се поставят по-високи изисквания за проводниковите системи, тъй като именно Q зарядите са отговорни за стапянето на елементи в системата и въздействие върху поддържането й.

Стандартизация

В основата на концепцията за защита от мълнии и пренапрежение стоят стандартът IEC 61400-24 (EN 61400-24) и серията стандарти IEC 62305 (EN 62305). За планирането на защитните мерки се препоръчва ветрогенераторът да се раздели на мълниезащитни зони (МЗЗ). Мълниезащитната система при ветрогенераторите защитава две подсистеми, които са присъщи единствено на вятърните турбини, а именно роторните лопатки и механичното задвижване. Стандартът IEC61400-24 (EN 61400-24) описва подробно как да се предпазят тези специални части на турбината и как да се докаже ефективността на мерките за мълниезащита.

Стандартът препоръчва да се провери устойчивостта на мълниеносен ток чрез възпроизвеждане на ефекта от удар от мълния върху системите. При симулацията се използват импулсни генератори за изпитване с високо напрежение, произвеждащи свръхвисоко напрежение и специално оборудвани генератори за силен ток.

Мълниезащитна зона и мълниезащитни мерки

Мълниезащитата на вятърната турбина се състои от мерки за външна мълниезащита и мерки за защита от пренапрежение за предпазване на електрическата инсталация, електорапаратурата и електорниката в турбината.

Концепцията за мълниезащитна зона дава конструктивна измеримост, за да може да се създаде среда с електормагнитна съвместимост в даден обект. Дадена среда на електормагнитна съвместимост зависи от устойчивостта на използваното електрическо оборудване. Следователно концепцията за мълниезащитна зона като защитна мярка включва намаляване на електормагнитната интерференция до определени стойности. За тази цел обектът, който трябва да бъде защитен, се подразделя на защитни зони.

При метода на фиктивната търкаляща се сфера въпросната сфера обхожда обекта, който ще се защитава, във всички възможни направления. При това местата на допир на сферата до обекта определят местата на мълниеприемниците. Мълниеприемникът или мълниеприемниците се разполагат така, че сферата да не се допира до обекта, а само до елементите на мълниезащитната уредба. Методът на търкалящата се сфера се използва за определяне на Мълниезащитна зона LPZ 0А, т.е. частите на вятърната турбина, за които има риск от пряк удар от мълния, и Мълниезащитна зона LPZ 0Б – частите на турбината, които са защитени от пряко попадане на мълния от външни мълниеприемници или такива интегрирани в части на вятърната турбина (например роторните перки на турбините са снабдени с вградена мълниеприемна система, най-често с няколко приемника във вътрешността им, свързани със заземителната уредба).

Съгласно стандарта IEC 61400-24 методът на търкалящата се сфера може да не се използва за самите перки. Поради тази причина дизайнът на мълниеприеманта система трябва да бъде тестван съгласно подраздел 8.2.3 от стандарта IEC 61400-24. Разделянето на турбина на мълниезащитни зони зависи от конструкцията на самата турбина. Следователно конструкцията на турбината е фактор, който трябва да се вземе предвид. Въпреки това от решаващо значение е да се понижат параметрите на външно въздействие при мълниезащитата на зоната LPZ 0А чрез подходящи мерки за екраниране и устройства за защита от пренапрежение на всички граници на зоните, така че да се елиминира въздействието на електрическите и електронните устройства и системи в турбината.

Защитни мерки чрез екраниране

Корпусът на гондолата трябва да бъде проектиран подобно на затворен метален екран. По този начин в гондолата се генерира електромагнитно поле, което е значително по-ниско от полето извън вятърната турбина. В съответствие с IEC 61400-24, тръбната стоманена кула, която често се използва при големи вятърни турбини, може да се разглежда като почти перфектна клетка на Фарадей за екраниране на оборудване от електромагнитно въздействие. В случай на бетонни хибридни кули, функцията на галванична клетка се изпълнява чрез армиращата стомана, както и заземяването и електрическото свързване на отделните компоненти.

Комутационните системи и контролните табла в гондолата и, ако има такива, в оперативната сграда също трябва да бъдат метални. Свързващите кабели трябва да са снабдени с външно токоотвеждащо екраниране.

Екранираните кабели са устойчиви на електромагнитни смущения само ако екранирането е осигурено с еквипотенциално свързване в двата края. Защитата трябва да се свързва при пълен контакт на клемите, за да се предотврати електромагнитна несъвместимост на свързващите кабели във вятърната турбина.

Магнитното екраниране и окабеляването трябва да се извършват съгласно раздел 4 от IEC 62305-4. Поради тази причина трябва да се спазват общите насоки за електромагнитна съвместимост при извършване на инсталацията в съответствие със стандарта IEC/TR 61000-5-2.

Защитните мерки за екраниране обхващат монтаж на метална оплетка върху покритието от фибростъкло на гондолата; металната кула; метални разпределителни шкафове; екранирани свързващи кабели (метални кабелни канали, екранирани тръби или подобни).

Мерки за външна мълниезащита

Те включват: мълниеприемни системи и токоотводи в роторните перки; мълниеприемни системи за защита на гондолата, нейните надстройки и главината; използване на кулата като система за мълниезащита и токоотвеждане; заземяваща система, състояща се от заземителни електроди във фундамента на кулата и пръстеновиден заземителен контур.

Функцията на външната мълниезащитна система е да посрещне пряко попадащи мълнии, включително мълнии в кулата на вятърната турбина и да отведе електрическия заряд в земята. Външната мълниезащитна система също така служи да разпредели тока на мълнията, без да се причиняват термични или механични повреди, нито да възникват опасни искри, които да доведат до пожар или експлозия.

Методът на търкалящата се сфера може да се използва за определяне на потенциалните точки, в които може да попадне мълния върху турбината (с изключение на роторните перки). Препоръчва се при вятърните турбини да се използва мълниезащитна система клас I съгласно IEC 62305. Следователно се проектира търкаляща се сфера с радиус r = 20 м, която преминава по повърхността на вятърната турбина. Мълниеприемната система следва да обхване всички точки на допир на сферата с повърхността на турбината, тъй като това са потенциалните точки на удар.

Конструкцията на гондолата трябва да бъде интегрирана в системата за мълниезащита, за да се гарантира, че ударите от мълния по гондолата попадат или върху естествени метални части, които могат да издържат на свръхвисоко напрежение, или върху части от проектираната за тази цел мълниеприемна система.

Гонодоли с GRP покритие (усилено фибростъкло с термопластично покритие) или сходно трябва да бъдат обхванати от мълниеприемна система и оборудвани с токоотвееждащи проводници. По този начин гондолата се обгражда и обезопасява чрез клетка на Фарадей.

Компоненти, изработени от проводящ материал, постоянно монтирани във/върху турбината и непроменени (напр. мълниезащитна система на роторните перки, лагери, основни конструкции, хибридна кула и др.), могат да бъдат интегрирани в системата за мълниезащита. Когато вятърните турбини са изградени от метална конструкция, може да се приеме, че те отговарят на изискванията за външна мълниезащитна система от клас I съгласно IEC 62305.

В тези случаи е необохдимо да се гаранитра, че мълнията ще бъде безопасно прихваната от мълниезащитната система на роторните лопатки, така че да може да бъде отведена към системата за заземяване чрез естествените проводящи компоненти – носещи елементи, основна конструкция, кула и/или байпасни системи (напр. отворени искрови разрядници, графитни четки).

Мълниеприемна и токоотвеждаща системи

Мълния може да попадне върху роторните перки, гондолата и надстройващите я конструкции, главината на ротора и кулата на турбината. Ако тези конструкции са в състояние безопасно да приемат максималния импулсен ток на мълния със сила от 200 kA и да го отведат към заземяващата система, те биха могли да служат като естествени мълниеприемници, част от външната мълниезащитна система на вятърната турбина.

Към върха на роторните лопатки в много случаи се инсталира метален приемник, който определя точката на взаимодействие при мълния и предпазва перката. Приемникът е свързан с токоотвод към основата на перката. При евентуален удър, зарядът ще премине през него, гондолата и кулата и ще достигне системата за заземяване.

Заземителна система

Системата за заземяване на вятърна турбина трябва да изпълнява няколко функции, които включват собствена защита, електормагнитна защита и мълниезащита. Допустимите материали, конфигурации и минимални напречни сечения са описани в стандарта IEC 62305-3.

Ефективната заземителна система е от съществено значение за разпределянето на заряда на мълнията и за предотвратяване на щети по вятърната турбина и предпазване от токов удар. В случай на удар от мълния, системата трябва да е в състояние безопасно да отведе тока от мълния към земята и да го разпредели, така че да се предотвратят опасни топлинни и електродинамични ефекти. Важно е освен системата за заземяване, защитаваща вятърната турбина, да бъде инсталирана и система, заземяваща захранващата инсталация.

Защита от мълнии и пренапрежение при PV централи

При фотоволтаичните централи съществува висок риск оборудването да бъде повредено от импулсни въздействия и пренапрежения, вследствие на вторични или преки удари на мълния върху модулите.

Както при вятърните турбини, защитата на фотоволтаичните централи е съставена от външна и вътрешна мълниезащитна система. Външната мълниезащита предпазва PV инсталацията от директно попадение на мълния и предотвратява щетите от такова въздействие. Външната мълниезащита се състои от система от мълниеприемници, токоотводи и заземяващи устройства, които отвеждат тока на мълнията от инсталацията и го насочват към земята.

Защитата на оборудването, свързано към фотоволтаична система, се осигурява от вътрешната система за мълниезащита, която включва устройства за защита срещу импулсно пренапрежение. Използваните устройства срещу импулсно пренапрежение трябва да са клас I + II + III и клас II в съответствие със стандарт IEC 61643-1, които са предназначени за използване в силови вериги за постоянен ток. При мълниезащитата на силовите вериги на фотоволтаичните системи се използват защитни устройства с варистори. За предпочитане е да се избере устройство, при което максималното непрекъснато работно напрежение надвишава максималното възможно напрежение на фотоволтаичната клетка.

Тъй като слънчевите панели се инсталират най-често в открити пространства, преди всичко е необходимо да се осигури тяхната мълниезащита и защита от импулсни пренапрежения. При избора на защитни мерки е важно да се отчете фактът, че само един интегриран, комплексен подход към организацията на външната и вътрешната мълниезащита може да гарантира безопасността на фотоволтаичната система от прякото или непряко въздействие на попадения на мълнии.

Външна мълниезащита на фотоволтаичната система

Първата стъпка е да се организира външна система за мълниезащита, като се осигури пълно покритие на цялата външна част на фотоволтаичната система.

Необходимо е да се вземат предвид някои специфични особености на обекта. Мълниеприемните пръти трябва да бъдат на определено разстояние от слънчевите панели, разположени по такъв начин, че да се избегне ефектът на “гръмотевични токове” в системата. Минималното препоръчително разстояние между елементите е 0,5 м.

Ако не може да се спази препоръчителното минимално разстояние, е необходимо системата за външна мълниезащита да се свърже директно към рамката на панелите. Това се налага, за да се предотврати потокът на изравняващи токове през структурата на слънчевите панели.

Най-уязвимите и най-скъпите компоненти на фотоволтаичната система са регулаторът и инверторът, затова преди всичко е необходимо да се осигури тяхната защита от постоянен ток. Устройството за защита от пренапрежение се инсталира преди контролера или преди инвертора, ако включва функциите на контролера.

Защита на захранването с променлив ток

За организиране на комплексна защита трябва да се използа устройство от клас II на изхода на инвертора (за променлив ток). Опасните импулсни пренапрежения могат да влязат в оборудването от електрическата мрежа с променлив ток. По тази причина в главното разпределително табло се препоръчва да се инсталират комбинирани устройства за защита клас I/ II/ III в съответствие със стандарт IEC 61643-1.