Tua bin gió là gì?

Tua bin gió là những công trình cao hàng trăm mét lại biệt lập với khu vực xung quanh, nó được cấu tạo bởi các thiết bị điện tử nhạy cảm, tất cả đều là các yếu tố khiến sét trở thành mối đe dọa rình rập.

Cấu tạo của các tuabin gió rất độc đáo, và những cấu trúc cao bằng kim loại này rất dễ bị hư hại do sét đánh. Chúng cũng khó được bảo vệ bằng cách sử dụng các công nghệ chống sét lan truyền thông thường mà chủ yếu hy sinh bản thân sau một lần tăng sóng duy nhất. Các tuabin gió có thể tăng chiều cao hơn 150 mét và thường được đặt trên mặt đất cao ở những khu vực hẻo lánh tiếp xúc với các yếu tố, kể cả sét đánh. Các thành phần tiếp xúc nhiều nhất của tuabin gió là các cánh quạt và nan hoa, và chúng thường được làm bằng vật liệu composite không thể chịu được một tia sét trực tiếp. Một cuộc tấn công trực tiếp điển hình thường xảy ra với các cánh quạt, tạo ra tình huống trong đó dòng điện truyền qua các bộ phận tuabin bên trong cối xay gió và có khả năng đến tất cả các khu vực được kết nối điện của trang trại. Các khu vực thường được sử dụng cho các trang trại gió có điều kiện tiếp đất kém và trang trại gió hiện đại có các thiết bị điện tử xử lý cực kỳ nhạy. Tất cả những vấn đề này làm cho việc bảo vệ tuabin gió khỏi những hư hại do sét gây ra trở nên khó khăn nhất.

Trong bản thân cấu trúc tuabin gió, các thiết bị điện tử và ổ trục rất dễ bị sét đánh. Chi phí bảo trì liên quan đến tuabin gió cao do những khó khăn trong việc thay thế các bộ phận này. Đưa các công nghệ có thể cải thiện mức trung bình thống kê để thay thế các thành phần cần thiết là một nguồn thảo luận lớn trong hầu hết các phòng hội đồng và các cơ quan chính phủ liên quan đến sản xuất gió. Bản chất mạnh mẽ của dòng sản phẩm chống sét lan truyền là duy nhất trong số các công nghệ chống sét lan truyền vì nó tiếp tục bảo vệ thiết bị ngay cả khi được kích hoạt và không cần thay thế hoặc đặt lại sau khi có tia sét. Điều này cho phép máy phát điện gió duy trì hoạt động trực tuyến trong thời gian dài hơn. Bất kỳ cải tiến nào đối với mức trung bình thống kê của các trạng thái ngoại tuyến và thời gian mà tuabin ngừng hoạt động để bảo trì cuối cùng sẽ mang lại chi phí cao hơn cho người tiêu dùng.

Việc ngăn ngừa hư hỏng đối với mạch điện áp thấp và điều khiển là rất quan trọng, vì các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hơn 50% sự cố tuabin gió là do sự cố của các loại linh kiện này. Các sự cố được ghi nhận bằng tài liệu của thiết bị do sét đánh trực tiếp và do sét đánh và dòng chảy ngược lan truyền ngay sau khi có sét đánh, là phổ biến. Các bộ chống sét được lắp đặt cho phía lưới điện của hệ thống được nối đất cùng với phía điện áp thấp để giảm điện trở tiếp đất, tăng khả năng chịu va đập của toàn bộ dây chuyền đối với một tuabin gió.

Tuy nhiên, một hệ thống chống sét được lắp đặt đúng cách sẽ ngăn chặn tia sét và dẫn nó xuống đất một cách hiệu quả và an toàn mà không có nguy cơ phá hủy vật lý đối với tuabin gió. Vấn đề này ngày càng trở nên nghiêm trọng khi các hệ thống tuabin gió ngày càng trở nên phức tạp và dễ bị sét đánh. 

Hệ thống chống sét cho turbin có chi phí thấp hơn 1% tổng chi phí vốn trong khi nó cải thiện đáng kể hiệu quả chi phí và độ tin cậy của tuabin gió.

Hậu quả của tuabin gió khi bị sét đánh trúng

• Hư hỏng hệ thống điều khiển:

Bao gồm các cảm biến, bộ truyền động và động cơ để điều khiển thiết bị theo chiều gió.

• Hư hỏng thiết bị điện tử: 

Tuabin gió có thể nói là cấu trúc phức tạp, nó gồm một trạm biến áp, bộ biến tần, các phần tử thiết bị đóng cắt và các thiết bị nhạy cảm, đắt tiền khác trong một không gian (nacelle) tương đối nhỏ

• Hư hỏng cánh turbine: 

Một tia sét đánh vào cánh turbine không được chống sét sẽ làm tăng nhiệt độ của nó lên rất nhiều, có thể lên đến 54.000 ° F (30.000 ° C), và dẫn đến sự giãn nở không khí bên trong cánh. Sự giãn nở này có thể gây tách lớp, chảy keo và nứt mép… Một nghiên cứu cho rằng lưỡi epoxy bằng gỗ có khả năng chống sét tốt hơn so với lưỡi epoxy GRP / thủy tinh

• Hư hỏng máy phát điện và pin

Có thể bị phá hủy hoặc thậm chí phát nổ.

• Cánh tuabin gió 

Cánh tuabin gió được chế tạo từ vật liệu composite, không dẫn điện. Hơn nữa, cánh turbin hiện đại có cấu trúc rỗng để giảm trọng lượng. Các hồ quang sét có thể xuyên qua cấu trúc bên trong, làm hỏng các giá đỡ kết cấu hoặc làm giãn nở không khí…

Giải pháp chống sét cho turbin gió

Sử dụng vật liệu chế tạo

Cánh turbin

Các nhà sản xuất turbin gió đã phát triển các phương pháp để giảm thiểu thiệt hại khi bị sét đánh cho cánh turbin do vật liệu không dẫn điện và thiết kế lưỡi rỗng gây ra   

Phần quan trọng tiếp theo của việc bảo vệ chống sét, vì nó liên quan đến tuabin gió, là bảo vệ sợi trục và các thành phần bên trong. Vỏ nacelle là một vỏ bao bọc máy phát điện, hộp số và các hệ thống điện tử liên quan

Nacelle

Cách tiếp cận điển hình để bảo vệ các hệ thống điện tử trong nacelle này bao gồm: Đầu tiên nacelle hoạt động như một lồng Faraday. Đối với trường hợp vật liệu nano không dẫn điện, chẳng hạn như GRP, các thành phần kim loại như mắt lưới có thể được sản xuất để tạo thành lồng Faraday. Bất kể vật liệu hoặc cấu hình lồng là gì, điều quan trọng là các phần dẫn điện phải được liên kết thích hợp với tấm nền nano và với tháp tạo đường dẫn nối đất.

Lắp đặt hệ thống chống sét

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.

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
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 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.

Bố trí điện cực đất

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

Loại A: 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: 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.

Nền tảng điện cực đất

Điện cực nối đất nền móng có ý nghĩa kinh tế và kỹ thuật. Điện cực đất nền là một phần của việc lắp đặt điện và thực hiện các chức năng an toàn thiết yếu, chúng phải được lắp đặt bởi những người có kỹ năng điện hoặc dưới sự giám sát của một người có kỹ năng điện.

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.

Chống sét lan truyền cho tuabin gió

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. 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.

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)

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 đường tín hiệu cho hệ thống cao độ.

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.

Tuabin gió cực kỳ dễ bị sét đánh, nhưng nguy hiểm có thể được giảm thiểu nhờ hệ thống chống sét.