Как устроена молниезащита ветрогенераторов (ветряков)?

Введение

Молниезащита ветряной электростанции является неотъемлемой частью, потребность в которой определяется из рисков, если речь идёт о безопасности обслуживающего персонала. Они детально описаны в ГОСТ Р МЭК 62305-2. Если риски находятся в приемлемых для человека рамках, то потребность в молниезащите ветряных электрогенераторов определяется в результате взвешивания экономических затрат. Сравниваются затраты на систему молниезащиты и материальный ущерб от потенциального удара молнии. Размеры ветроустановки определяются ее мощностью. Это может быть установка, которая устанавливается на кровле частного дома имея мощность менее 1 кВт, а может быть огромная установка, высотой до 198 метров, мощностью до 7,5 МВт, что вполне обеспечит электроэнергией небольшой городок. Таким образом обслуживание и способы защиты могут существенно отличаться. Тем не менее, ветроэлектрические установки (ВЭУ) являются высотными конструкциями, которые зачастую подвергаются прямым ударам молнии (рис.1). Грозовой разряд – это случайное явление, в отличии от рассчитанной вероятности на основе среднегодовых данных. Поэтому рассчитанный риск представляет собой всего лишь вероятностную характеристику, и соответственно, молниезащита ветряка в большинстве случаев обязательна!

Рисунок 1. Вспышка от прямого попадания молнии

В случае отсутствия системы молниезащиты ВЭУ, попадание грозового разряда может повлечь за собой повреждение систем управления, электросистемы, лопастей, а так же других механических деталей (рис.2). Следовательно, при проектировании ВЭУ необходимо тщательно рассмотреть и определить потенциальные риски и особое внимание уделить системе молниезащиты!

Рисунок 2. Последствия попадания прямого удара молнии

1. Внешняя молниезащита

1.1. Требования к внешней системе молниезащиты. Нормативно-технические документы

Молниезащита ветряного электрогенератора выполняется согласно требованиям и рекомендациям, которые определяются такими нормативами, как:

• ГОСТ Р 54418.24-2013;
• СО 153-34.21.122-2003;
• РД 34.21.122-87

Согласно ГОСТ Р 54418.24-2013, п.6.2 для ветрогенераторов приводится 4 уровня молниезащиты, которые определяются исходя из местности, где планируется разместить ВЭУ, и максимальных параметров грозового разряда (заряд мгновенного удара, пиковый ток, время действия) с учетом уровня по ГОСТ Р МЭК 62305-1, табл.5. Важно отметить, что категория молниезащиты установки при проектировании, и соответственно надежность, могут превышать значение I категории (0,99). Так же, если ВЭУ устанавливается в местности с повышенным количеством восходящих молний, возможно увеличение требований к сечениям систем перехвата молнии. Если в ходе анализа рисков не указаны особые требования для ВЭУ, то все ее элементы должны быть защищены в соответствии с I уровнем молниезащиты. При этом, в ходе анализа рисков может выясниться, что для некоторых ВЭУ или даже ветровых станций, уровень молниезащиты ниже I будет экономически пригодным. Также могут сложиться обстоятельства, что для разных элементов установки или системы могут устанавливаться разные уровни молниезащиты.

ПРИМЕЧАНИЕ: Согласно ГОСТ Р 54418.24-2013, п.9.2.3, НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ использование внешней изолированной молниезащиты для ВЭУ!

1.2. Молниеотводы

Рисунок 3. Принципы молниезащиты для лопастей больших ВЭУ

Для защиты лопастей ВЭУ от молнии существует несколько вариантов. Так, для захвата молнии используются алюминиевые или медные проводники, которые могут быть установлены вдоль всей длины лопасти, на её задней кромке, снаружи или внутри нее. Некоторые конструкции (рис.3) имеют молниеулавливатели, которые располагаются на поверхности вокруг лопасти (тип В и Г), и каждый из них присоединяется к проводникам, которые протянуты вдоль ее кромок. Еще одним способом является применение клейких металлических и сегментных лент, однако, как показывает практика, через несколько месяцев они зачастую отклеиваются, поэтому их практически не используют. Наиболее распространенным решением является использование систем вертикальных молниеотводов, которые располагаются на кончиках лопастей (тип А и Б) и отводят ток к комелю, а для лопастей с тормозами в качестве вертикального молниеотвода используется медный провод вдоль внутреннего лонжерона (тип Б).

Ещё одной из важнейших частей ВЭУ является гондола, конструкция которой обязательно должна быть частью системы молниезащиты. Гондолы из стеклопластика должны иметь вертикальные молниеотводы, выполненные в виде клетки вокруг неё. Эта же сетка может использоваться как экран для защиты от воздействия магнитных и электрических полей извне.

1.3. Токоотводы

Любая молниезащита ветряного генератора, как и любого другого объекта не может обойтись без токоотвода. В больших ВЭУ для отвода тока используется пустая стальная мачта-опора. Её можно назвать клеткой Фарадея, так как электромагнитный экран является практически идеальным, из-за того, что электромагнитное поле практически замкнуто в месте соединения с гондолой. Поэтому во многих случаях внутреннюю часть таких пустотелых мачт можно обозначить уровнем молниезащиты I или II.

В качестве опор также используются железобетонные конструкции, которые применяются в качестве токоотводов. При этом отвод тока молнии должен происходить через две - четыре арматуры, которые должны быть соединены в основании и каждые 20 м по высоте, согласно СО 153-34.21.122-2003, п.3.2.2.3. Если количество арматур меньше требуемого, то дополнительно можно организовать искусственные токоотводы, например из стальной омеднённой или медной проволоки D8 мм.

2. Внутренняя молниезащита

2.1. Требования к внутренней системе молниезащиты. Нормативно-технические документы

Все элементы управления ВЭУ - электрические и электронные, обязаны защищаться от импульсных перенапряжений, потенциально возникающие от:

• исходящих токов лидера;
• разрядов молнии, касающихся ветроустановки;
• непрямых ударов молнии;
• электромагнитных импульсов, возникающих в результате переходных процессов при коммутациях.

Должны соблюдаться требования и рекомендации следующих нормативных документов:

• ГОСТ Р 54418.24-2013;
• ГОСТ Р 51992-2011;
• ГОСТ Р МЭК 60204-1-2007;
• ГОСТ Р МЭК 61643-12-2011;
• ГОСТ Р 52725-2007.

2.2. Подбор устройств защиты от импульсных перенапряжений

УЗИП для ветрогенератора подбираются исходя из технических характеристик электронного/электрического оборудования. Можно выделить основные места установки ограничителей перенапряжения:

• ротор генератора;
• преобразователь;
• щит управления и распределительное устройство;
• линии связи;
• сигнальное освещение и датчики;
• системы измерения и автоматизации.

Согласно ГОСТ Р МЭК 61643-12-2011, п.6.1.4 дополнительную защиту требуется устанавливать в местах, где имеется высокочувствительное электронное оборудование, в местах с электромагнитными полями внутри установки, а так же там, где расстояние от ввода питания до защищаемого оборудования слишком велико (в больших ветровых электростанциях).

Для защиты трансформаторов и высоковольтной системы в целом должны быть предусмотрены высоковольтные УЗИП, которые более известны под названием «грозозащитные разрядники». Потребность данных устройств определяется на основе определения рисков в соответствии с ГОСТ Р МЭК 62305-2, раздел 7 и прил.В). Разрядники для ветрогенератора должны соответствовать ГОСТ Р 52725-2007. Устанавливаются они на вводах в трансформатор (рис. 4).

a)
б)
Рисунок 4. Примеры размещения высоковольтных разрядников в двух типовых основных электрических цепях ВЭУ (а –АГ (асинхронный генератор) с беличьей клеткой; б – АГ с фазным ротором)

Для подробного подбора УЗИП для ветрогенераторной установки необходимо обращаться к специалистам, так как необходимо учитывать все технические характеристики оборудования для выбора того или иного УЗИП.

3. Требования к заземлению

Как ПУЭ-7, п.1.7.55, так и ГОСТ Р 54418.24-2013, п.9.1 рекомендуют использовать заземляющее устройство (ЗУ) одновременно для молниезащиты и заземления. Конструктивные требования к ЗУ, определяются государственными стандартами и правилами электротехническими, в зависимости от напряжения установок. При проектировании ЗУ для ветроустановки необходимо выдерживать требования согласно принятого уровня защиты.

Основные требования для ЗУ, согласно ГОСТ Р 54418.24-2013, п.9.1:

• стойкость коррозийная и прочность механическая;
• предотвращение повреждения оборудования;
• способность выдерживать электродинамические и тепловые нагрузки во время короткого замыкания;
• безопасность относительно шагового напряжения и напряжения прикосновения.

Сопротивление ЗУ не влияет на эффективность системы молниезащиты, однако влияет на работу всевозможного электронного оборудования, которое применяется в измерительных системах, системах автоматического управления и т.д. Поэтому рассчитывая систему заземления, величину полного сопротивления ЗУ нужно принимать минимальной, исходя из требуемых величин для используемого оборудования.

Выделяются два основных типа электродных ЗУ для ВЭУ:

1. Тип А – используется для зданий с измерительными устройствами, подсобных помещений. Для ветрогенераторов не рекомендуется, состоят из горизонтальных и вертикальных заземлителей, подключаются к двум и более молниеотводам.
2. тип Б – контур (кольцевой), контактирующий с землей не менее 80% от длины. Он должен иметь непосредственную связь с железобетонным фундаментом и присоединены к мачте ВЭУ.

Для снижения сопротивления ЗУ по типу Б могут применяться вертикальные электроды, требования к длине которых указаны на рисунке 5.

Рисунок 5. Длина вертикального электрода в зависимости от класса молниезащиты

4. Заключение

В заключение можно отметить, что молниезащита и заземление для ВЭУ – это задача, требующая тщательного подхода и изучения всех экономических и технических вопросов, таких как риски, определение класса молниезащиты для всех элементов ВЭУ, выбор УЗИП и ЗУ.

Ветроустановки часто устанавливаются на открытой местности с сильными ветрами, например в полях или в открытом море. В таких местах ВЭУ являются самыми высокими объектами, а это значит, что во время грозы удар молнии с большой вероятностью может прийтись именно на ВЭУ. Последствия ПУМ могут быть очень затратными, поэтому разработка молниезащиты и заземления является неотъемлемой частью работы при проектировании ветроэлектрических станций. Особое внимание уделяется ЗУ и УЗИП, так как эти системы обязательны при любых рисках! ЗУ должно отвечать требованиям по коррозийной стойкости, механической прочности, а также конструктивным требованиям согласно классу молниезащиты и иметь наименьшее сопротивление, которое требуется для работы электронного оборудования. УЗИП должны подбираться на основе технических характеристик оборудования, которое применяется в той или иной установке.

Требуется консультация по организации заземления и молниезащиты для вашего объекта? Обратитесь в Технический центр ZANDZ.com!

Смотрите также:

• Статья профессора Э. М. Базеляна "Молниезащита жилых и общественных зданий"
• Полезные материалы для проектировщиков заземления и молниезащиты (статьи, инструкции, рекомендации)
• Проектирование заземления и молниезащиты (проекты в форматах DWG и PDF)
• Вебинары для проектировщиков и электромонтажников с ведущими экспертами
• Принципы подбора ограничителей перенапряжения

УЗИП и его плавкая вставка Молниезащита объектов в районах вечной мерзлоты Молниезащита и заземление для базовых станций стандарта 5G Анализ нормативного документа ФЕДЕРАЛЬНЫЕ НОРМЫ И ПРАВИЛА В ОБЛАСТИ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ "ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТАХ"