CC BY
49
11. Реконструкция рыбохода Нижне-Туломской ГЭС. URL: http://rostender.info/region/murmanskaya-oblast/murmansk/26435562-tender-rskonstrukciya-rybohoda-ges- 13-kaskada-tulomskih-i-serebryanskih-ges-filiala-kolskij -pao-tgk-1 -2600419-1230 (дата обращения: 11.01.2017).
Сведения об авторах Коновалова Ольга Евгеньевна
младший научный сотрудник лаборатории энергосбережения и возобновляемых источников энергии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала ФГБУН ФИЦ КНЦ РАН Е-mail: o.konovalova@ksc.ru
Кузнецов Николай Матвеевич
ведущий научный сотрудник лаборатории энергосбережения и возобновляемых источников энергии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала ФГБУН ФИЦ КНЦ РАН Е-mail: n.kuznetsov@ksc.ru
DOI 10.37614/2307-5252.2020.7.19.004 УДК 621.548(470.21)
Л. А. Белова
МОЛНИЕЗАЩИТА ВЕТРОУСТАНОВОК
Аннотация
Удар молнией является причиной 25 % повреждений ветроэнергетических установок (ВЭУ). Чтобы свести к минимуму вероятность их повреждения от ударов молнии и обеспечить общую безопасность вокруг них, важно улучшить рабочие характеристики, связанные с молниезащитой. Опыт стран, развивающихся в области ветроэнергетики, привел к прогрессу в технологиях по применению мер защиты ВЭУ от молний. В данной статье описаны современные тенденции в технологиях по молниезащите, обеспечивающих надежную работу ветровых установок при грозах. Ключевые слова:
ветроэнергетическая установка, молниезащита, клетка Фарадея, рецептор, заземление, катушка Роговского.
Liubov A. Belova
LIGHTNING PROTECTION OF WIND TURBINES
Abstract
Damage from a lightning strike is the cause of 25 % of accidents and breakdowns of wind turbines. To reduce wind turbine damage from lightning and to ensure overall safety around wind turbines, it is important to improve the performance of wind turbines associated with lightning protection and minimize the likelihood of damage to them. The experience of developing countries, actively replenishing the base of wind turbines, has led to progress in technologies for the application of countermeasures in the field of wind energy. This article presents the latest trends in technology for reliable operation of wind turbines in thunderstorms. Keywords:
wind turbine, lightning protection, Faraday cage, receptor, grounding, Rogowski coil.
Окончательная физическая картина формирования молниевых разрядов еще не составлена. Рассмотрим существующие на сегодняшний день основные представления.
В пределах одной грозы есть восходящие и нисходящие потоки, а также множество осадков. Грозовые осадки в различных точках имеют тенденцию производить избыточный отрицательный заряд на высотах, где температура окружающего воздуха находится в пределах от -5...-15 °С. Положительный заряд накапливается как на больших, так и на малых высотах. Результатом является разделение заряда по пространству, которое создает сильное электрическое поле.
Электрическое поле «тянет» заряд с поверхности земли вверх, в попытке стать заряженным нейтрально (обычно через высокие объекты). Когда заряды сближаются, электрическое поле усиливается. Когда напряженность поля достигает 30 кВ/см, заряд в форме тока начинает протекать через воздух [1, 2].
Острые предметы значительно усиливают электрическое поле, образуя корону (иначе называемую огнями святого Эльма). Во время типичной грозы примерно две трети всех разрядов образуются внутри облака, из облака в облако или из облака в воздух. Остальные находятся между облаком и землей. Большинство из них происходит из отрицательно заряженных областей облака. Во время удара молнии токи до (и более) 200 кА проходят между облаком и объектом, где образовался канал молнии [3].
Лопасти ветряных турбин имеют острый аэродинамический профиль, что позволяет им работать эффективно, но также делает их чрезвычайно восприимчивыми к ударам молний. Производители ветроустановок стремятся сделать лопасти и турбины более надежными и способными противостоять таким природным явлениям, как молния. Эти конструкции обеспечивают «предпочтительные» пути для тока молнии.
Проводящие сетки на внешней стороне лезвий, молниеприемники и нисходящие проводники помогают безопасно переносить большие токи в землю [4].
Все меры предосторожности требуют подробного планирования, включающего экранирование проводов, надлежащую прокладку проводов, заземление проводников, обеспечение параллельных путей тока и т. д. Продуманные конструкции обладают значительным преимуществом. Воздействие молнии не полностью сводится на нет, но ущерб от ее удара может быть снижен.
В попытке уменьшить повреждение лопастей ВЭУ от молнии предусмотрели некоторые меры по заземлению, включающие в себя модификацию рецептора, наложение изолированного кабеля на нисходящий проводник для увеличения вероятности удара молнии по рецептору [3]. Также разрабатывают эффективную систему с использованием численного анализа электромагнитного поля в конструкции заземления.
Кроме того, была предложена система автоматического определения, которая точно обнаруживает удары молнии, определяет уровень повреждения от удара и сообщает, нужно ли ремонтировать турбину, способна ли она продолжать работу.
Ведутся исследования по обнаружению приближения грозовых облаков, определению вероятности удара в ВЭУ. Предусматривают также наличие
предупреждений об остановке турбины в зависимости от ситуации, это способствует предотвращению дальнейших повреждений, вызванных тем, что ВЭУ может продолжать вращаться после удара (например, распространение трещин в лопастях или расслаивание детали).
Экранирующие меры
Электронные системы в корпусе гондолы чувствительны к скачкам напряжения или импульсам тока. Поэтому корпус гондолы, если он проводящий, может использоваться в качестве клетки Фарадея, защищающей электронные системы. Если же материал гондолы непроводящий, для создания клетки Фарадея необходимо использовать металлические сетки из металла, обладающего высокой электропроводностью. Также должны быть экранированы распределительные шкафы, шкафы управления и соединительные кабели, находящиеся в гондоле. Все проводники должны быть эквипотенциальными [5].
Рецепторы
Рецепторы — приемники, используемые для защиты лопастей ветровой установки, располагаются на конце лезвий ВЭУ (рис. 1).
Ток молнии, попадающий в рецептор, отводится через нисходящий провод в лезвии, гондоле, башне и по системе заземления уходит в землю. Лезвие редко подвергается серьезным повреждениям, если молния попадает в приемник, однако велика вероятность повреждения рецептора, если ток молнии большой. Для таких случаев разработаны приемники из материалов с высокой теплопроводностью [6].
Рис. 1. Рецептор Fig. 2. Яесершг
Не все удары молнии в ВЭУ устремляются к рецептору. Существуют случаи, когда молния ударяет по части стекловолоконного лезвия вблизи рецептора, когда разряд ползет по поверхности и ударяется о рецептор, и даже случаи, когда молния проникает в лезвие и разряд достигает нисходящего проводника внутри лезвия [7]. Этот способ разряда повреждает поверхность
лезвия и, в некоторых случаях, может расколоть его, что приведет к повреждению ВЭУ, вызванному частями расслоившейся лопасти. Следовательно, необходима система молниезащиты для лезвий, сводящая к минимуму возможность такого повреждения.
Нисходящие проводники
Некоторые молнии ударяют по поверхности лезвия и непосредственно проникают в нисходящий проводник внутри лезвия (рис. 2), в результате чего образуются серьезные повреждения лопасти.
Кроме того, было зафиксировано, что удары молнии в ветровые установки бывают сосредоточены в области, находящиеся приблизительно в 5 мм от конца лопасти. Чтобы этого избежать, все металлические части обрабатывают изолирующим покрытием. Некоторые изготовители лопастей разработали лезвия, в которых внутри в качестве нисходящих проводников используются изолированные провода. Тем самым уменьшается вероятность удара молнии в области около рецептора [6].
Psusnrop q „ Нисходящие
Рис. 2. Нисходящие проводники Fig. 2. Down-conductor
Подшипники
Подшипники используются для обеспечения вращения лопастей и ступицы ротора. Они обеспечивают соединение между лопастями ветроустановки и ступицей ротора, а также между ступицей и гондолой. Как правило, 100 % тока молнии будет проходить через подшипник тангажа и лопасть, которая получает повреждения, и 80 % тока молнии через подшипник будет передаваться в гондолу.
Образование дуги от подшипника через смазочную жидкость или воздушные зазоры может привести к точечной коррозии на поверхности подшипника. Тепло, образующееся при протекании большого тока молнии, может повредить поверхностное покрытие подшипника. Из-за подобного рода повреждений срок службы подшипников сокращается.
Можно использовать связующие ремни и контактные кольца, чтобы обеспечить альтернативные параллельные электрические пути, по которым ток
может отклоняться вокруг подшипников, но такие решения на практике не надежны и создают дополнительные сложности. По этой причине для подшипников характерно составлять часть пути для протекания тока молнии к земле. На самом деле такой путь для тока молнии является предпочтительным, поскольку подшипники, как правило, менее подвержены повреждению от удара молнии, чем другие компоненты.
Система заземления
После того как ток молнии попадает в приемник, он проходит через нисходящий проводник, гондолу, конструкцию башни и отводится в землю через систему заземления (рис. 3). Эта система состоит из заземляющей арматуры в основании башни и дополнительных кольцевых заземляющих электродов, располагающихся вокруг основания башни [5].
Рис. 3. Система заземления для ВЭУ Fig. 3. Grounding system for wind turbines
Если ток молнии не отводится эффективно, потенциал заземления турбины значительно возрастает и к турбине и оборудованию, расположенному рядом, будет приложено значительное напряжение. Такое перенапряжение приведет к выходу оборудования из строя.
Существует численный анализ электромагнитного поля для точного воссоздания ситуации увеличения потенциала и генерации перенапряжения на заземлении ветряных установок. Также есть сведения об умном проектировании заземления с использованием этого метода анализа [8].
Устройства обнаружения молний
Обязательным условием в инструкции «Интерпретация технических стандартов для ветроэнергетических установок» в 2015 г. была установка аварийной ситуации, для которой необходимы механизмы остановки, позволяющие немедленно прекращать работу ВЭУ в случае удара молнии.
Для эффективного выполнения инструкции нужно с применением оборудования обнаружения уметь правильно определять, когда турбина была поражена молнией.
Вслед за поправкой к интерпретации технологии турбин в 2015 г. на ВЭУ было установлено различное оборудование для обнаружения молний, но трудно сказать, что все эти устройства способны правильно обнаруживать удары молнии при разных ситуациях.
Существует четыре основных типа устройств для обнаружения молний:
1. Соленоид-катушка башенного типа.
2. Катушка Роговского, башенного типа.
3. Катушка Роговского (для заземляющего провода).
4. Катушка Роговского (для нисходящего проводника).
Эти устройства используют датчики тока, которые измеряют ток молнии и позволяют обнаружить, когда ветряная турбина была поражена молнией.
Соленоидная катушка башенного типа.
Устанавливается, как правило, в устройство обнаружения молнии. При попадании молнии в ВЭУ оборудование обнаруживает переходное магнитное поле, создаваемое током молнии, протекающим через башню установки. Из-за низкой стоимости и простоты установки это тип устройства самый популярный, однако в нем есть минусы. Если молния попадает не в саму ВЭУ, а в окружающие ее области, то между выходными клеммами соленоидной катушки возникает напряжение. Это напряжение может превышать порог обнаружения, устройство может неправильно обнаружить как удар по ветру, так и удар по установке. Производители этого типа оборудования подняли порог обнаружения, чтобы уменьшить количество таких ошибок, но проблема все еще остается актуальной.
Катушка Роговского башенного типа.
Катушка располагается вокруг башни и используется в качестве датчика, который обнаруживает ток молнии, протекающий через башню. Датчик не реагирует на удары молнии в области, примыкающие к ветроустановке, а значит, позволяет точнее определить наличие удара молнии в ВЭУ.
Благодаря широкой полосе частот от 0,1 Гц до 0,96 МГц с помощью катушки можно собрать параметры тока молнии, связанные с повреждением турбины, такие как максимальное значение тока молнии и величина электрического заряда.
Этот тип устройства является дорогим. В последние годы были введены функциональные ограничения, поэтому его цена снизилась. Есть надежда, что снижение стоимости приведет к популяризации оборудования.
Катушка Роговского (для заземляющего провода).
Катушка устанавливается на заземляющий провод системы заземления и обнаруживает шунтирующий ток при ударе молнии по ветроустановке, тем самым выявляет, что турбина была поражена.
Перед использованием оборудования необходимо определить зависимость между током молнии, протекающим через ВЭУ, и шунтирующим током, протекающим через заземляющий провод, на котором установлена катушка. На основе этой зависимости устанавливается порог обнаружения.
Необходимо учитывать, что ВЭУ имеет силовую электронику и другие устройства, создающие шумы и во многих местах постоянный шум
накладывается на линию заземления. Следовательно, нецелесообразно использовать этот тип оборудования, когда шумовой ток превышает пороговое значение тока.
Катушка Роговского (для нисходящего проводника).
Катушки крепятся на нисходящие (от рецепторов) проводники в лопастях. При ударе молнии в ВЭУ обнаруживают ток и позволяют, определить какая лопасть была поражена.
Существуют, однако, некоторые недостатки. Во-первых, датчики устанавливаются во вращающейся секции ветроустановки, а значит, требуется, чтобы измерительное оборудование крепилось к проводнику лопасти внутри и фиксировалось у ступицы. Во-вторых, в некоторых ветровых турбинах ступицы и лопасти герметизированы, поэтому необходимо разработать способ связи между установленными в них передатчиками и приемником, располагающимся в гондоле [8, 9].
Системы обнаружения грозовых облаков
В последние годы все чаще операторы останавливают ветроустановки, когда образовываются или, как ожидается, будут образовываться грозовые тучи вблизи мест расположения турбин. Это делается для безопасности обслуживающего персонала, а также для того, чтобы минимизировать ущерб в случае аварии.
Выделяют два подхода для обнаружения грозовых облаков вблизи ветряных турбин.
1. Электростатическое поле.
При приближении грозовых облаков усиливается электростатическое поле вблизи ветроустановки.
Были проведены исследования для проверки взаимосвязи между электростатическим полем вблизи ВЭУ и вероятностью удара молнии в турбину. Установлено, что в 80 % случаев можно остановить ВЭУ до удара молнии, если пороговое значение электрического поля, при котором необходимо остановить ветроустановку, и место установки электростатических датчиков точно определены.
Если порог будет снижен, вероятность удара молнии в ветроустановку будет меньше, но увеличится время простоя и снизится коэффициент использования турбины. Принимая во внимание область, в которой установлена ВЭУ, необходимо правильно определить и установить оптимальный порог значения электрического поля.
2. Система определения местоположения молнии (Lightning Location System (LLS)).
Существует также подход, при котором система определения местоположения молнии используется для отслеживания ударов молнии вблизи ВЭУ и обнаружения приближающихся грозовых облаков [8]. Данный подход, по сравнению с способом обнаружения электростатического поля, позволяет обнаруживать грозовые тучи, которые возникли в местах, удаленных от ВЭУ. Благодаря этому остается больше времени на принятие решения, стоит ли останавливать работу турбины.
Если учитывать зимние грозы, во время которых грозовые облака быстро развиваются в местах расположения ВЭУ, но редко приводят к ударам молнии,
можно предположить, что подход обнаружения ударов молнии на основе локализованных электростатических полей вблизи ВЭУ является более эффективным, чем подход LLS.
Выводы
В статье были представлены современные методы и технологии для молниезащиты ветроустановок. Рассмотрено оборудование, применяемое для обнаружения молний, со значительно улучшенными характеристиками. Приведены методы прогнозирования приближения грозовых облаков, применяемые для остановки турбин до удара молнии. Предпринимаемые меры позволяют улучшить показатели защиты ВЭУ от молнии.
Заблаговременная остановка ВЭУ для защиты от повреждений при ударе молнии приводит к падению коэффициента использования, чего необходимо избегать. Для этого важно изучить механизм аномальных ударов молнии и, основываясь на выводах, улучшить характеристики молниезащиты ВЭУ.
Литература
1. Fisher F. A., Plumer J. A., Perala R. A. Lightning protection of Aircraft. 2 edition. Lightning Technologies Inc. 1999.
2. Radicevic B. M., Savic M. S. Experimental research on the influence of wind turbine blade rotation on the characteristics of atmospheric discharges // IEEE Transactions on Energy Conversion. 2011. Vol. 26. P. 1100-1190.
3. Gao L. Characteristics of Streamer Discharges in Air and along Insulating Surfaces / Institute of High Voltage Research, Uppsala University, Sweden, PhD thesis. 2000.
4. МЭК 61400-24 // Система генерации ветряных турбин. Ч. 24. Молниезащита. 2010.
5. Csanyi E. Lightning and surge protection of multi-megawatt wind turbines // EEP — Electrical Engineering Portal. 2014.
6. Ayub A. S., Siew W. H., MacGregor S. J. Lightning protection of wind turbine blades-an alternative approach // Asia-Pacific International Conference on Lightning. 2011. P. 925-946.
7. Yokoyama S., Honjo N., Yasuda Y. Causes of wind turbine blade damages due to lightning and future research target to get better protection measures // Intern. Conference on Lightning Protection. 2014. P. 800-830
8. Yamamoto K., Honjo N. Latest trends in technologies for sound operation of wind turbines against lightning // Electr Eng Jpn. 2018.
9. Glushakow B. Effective lightning protection for wind turbine generators // IEEE Transactions on Energy Conversion. 2007. Vol. 22. P. 200-222.
Сведения об авторе Белова Любовь Александровна
лаборант-исследователь лаборатории энергосбережения и возобновляемых источников энергии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала ФГБУН ФИЦ КНЦ РАН E-mail: belowa8998@gmail.com
