Как устроена молниезащита ветрогенераторов

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!

(https://zandz.com/im/biblioteka/Vspyishka_ot_pryamogo%20popadaniya_molnii.png)
рис.1 прямое попадание 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!

(https://zandz.com/im/biblioteka/posledstviya_popadaniya_pryamogo_udara_molnii.png)
рис.2 последствия

источник - здесь (https://zandz.com/ru/biblioteka/kak_ustroena_molniezashita_vetryaka/)

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!

источник - здесь (https://zandz.com/ru/biblioteka/kak_ustroena_molniezashita_vetryaka/)

1.2. Молниеотводы

(https://zandz.com/im/biblioteka/principy_molniezashhity_dlya_lopastej_bolshix_veu.png)
Рис3. 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.

источник - здесь (https://zandz.com/ru/biblioteka/kak_ustroena_molniezashita_vetryaka/)

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).

(https://zandz.com/im/biblioteka/primery_razmeshheniya_vysokovoltnyx_razryadnikov_a.png)
(https://zandz.com/im/biblioteka/primery_razmeshheniya_vysokovoltnyx_razryadnikov_b.png)
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)

источник - здесь (https://zandz.com/ru/biblioteka/kak_ustroena_molniezashita_vetryaka/)

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.

(https://zandz.com/im/biblioteka/dlina_vertikalnogo_elektroda_v_zavisimosti_ot_klassa_molniezashhity.png)
Рисунок 5. Длина вертикального электрода в зависимости от класса молниезащиты

источник - здесь (https://zandz.com/ru/biblioteka/kak_ustroena_molniezashita_vetryaka/)

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.

источник - здесь (https://zandz.com/ru/biblioteka/kak_ustroena_molniezashita_vetryaka/)

По конструкции ветрогенераторы делятся на два типа — с вертикальной осью и с горизонтальной осью. Ветрогенератор с вертикальной осью отличается малым уровнем шума и вибрации при работе, поэтому его обычно размещают непосредственно на крышах домов. Такой ветрогенератор устанавливается на металлической мачте небольшой длины, которая крепится к крыше.

Ветрогенератор с вертикальной осью отличается бесшумностью и малым уровнем вибрации, что позволяет размещать его непосредственно на крыше здания

(https://cdn.elec.ru/i/b6/32/b63206133c696a8aa7d76783f8edad38cb13110c.jpg)
Ветрогенератор с вертикальной осью отличается бесшумностью и малым уровнем вибрации, что позволяет размещать его непосредственно на крыше здания

(https://cdn.elec.ru/i/10/b3/10b382f46ad1957b64c92594c9cadc33de5d94c5.jpg)
Ветрогенераторы с горизонтальной осью отличаются высокой эффективностью, но защита их от действия молнии представляет весьма сложную задачу

В том случае, если ветрогенератор на крыше оказался в зоне действия расположенного там молниеотвода, никаких дополнительных мер по молниезащите не требуется. Но бывают случаи, когда ветряк на крыше возвышается над молниеприемником и, по сути, сам становится молниеотводом. Конструкцию ветряков компании-производители рассчитывают таким образом, чтобы в большинстве случаев попадание молнии с большой вероятностью не привело к выходу ветрогенератора из строя. Тем не менее попадание молнии может закончиться благополучно только в том случае, если электрический заряд отведен от ветрогенератора максимально быстро.

Для этого элементы конструкции ветряка подключаются к заземлению через токоотвод.

Должен быть обеспечен надежный контакт между элементами корпуса ветрогенератора и металлической мачтой, а также между мачтой и токоотводом. Параметры токоотвода должны соответствовать требованиям СО 153-34.21.122-2003 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций», уровень защиты не ниже II. Следует отметить, что параметры молниезащиты ветрогенераторов с вертикальной осью, размещаемых на крыше, никак не регламентируются ГОСТ Р 54418.24-2013 «Возобновляемая энергетика. Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Часть 24. Молниезащита», поэтому приходится опираться на общие инструкции по молниезащите.

В том случае, когда имеется возможность установить ветрогенератор на отдельной мачте рядом с домом, отдают предпочтение более мощному варианту с горизонтальной осью. Мачта такого ветрогенератора, как правило, изготавливается из металла. Согласно ГОСТ Р 54418.24-2013, она может служить естественным молниеотводом при условии надежного электрического соединения с ней элементов корпуса ветрогенератора, а также заземления.

Следует иметь в виду, что основание стоящей на земле мачты бытового ветрогенератора в общем случае не может использоваться в качестве естественного заземлителя (в отличие от профессиональных моделей, имеющих гораздо большие размеры и массивный фундамент). О том, каким должно быть заземление для объектов микрогенерации, мы поговорим ближе к концу статьи.

источник - здесь (https://www.elec.ru/publications/tsifrovye-tekhnologii-svjaz-izmerenija/6707/)

Выбор УЗИП

Самой дорогой частью домашней электростанции сейчас являются далеко не солнечные панели и тем более не ветряк. Наибольший вклад в цену решения вносят электронные узлы, занятые управлением, преобразованием и накоплением энергии. Их необходимо защитить в первую очередь, для чего применяются устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

В том случае, если возможно прямое попадание молнии в ветрогенератор, между ним и инвертором (контроллером) обязательно должно быть установлено УЗИП класса I. Если защита солнечных панелей спроектирована правильно, то проблему могут составить только вторичные электромагнитные влияния, вызванные попаданием молнии в молниеотвод. Поэтому для солнечных панелей применяют УЗИП класса II. Номинальное напряжение УЗИП берут на 20 % больше напряжения холостого хода на выходе цепочки солнечных панелей. Рекомендуется использовать УЗИП, специально разработанные для использования в солнечной генерации.

Молниеотвод на коньке крыши здания способен защитить расположенные неподалеку солнечные панели
Молниеотвод на коньке крыши здания способен защитить расположенные неподалеку солнечные панели
Впрочем, на практике есть вероятность повреждения молниеотводов, защищающих солнечные панели, что в конечном счете может привести к прямому попаданию молнии. С другой стороны, на сам ветрогенератор, а также на кабель, соединяющий его с инвертором, могут действовать вторичные наводки, создающие высокочастотные импульсные помехи. Эти помехи способны вывести из строя электронику, но через УЗИП класса I такие помехи проходят. Поэтому в системах альтернативной энергетики широкое применение нашли УЗИП класса I+II, подавляющие как длительные мощные импульсы, характерные для прямого удара молнии, так и короткие, возникающие в результате вторичного электромагнитного действия.

источник - здесь (https://www.elec.ru/publications/tsifrovye-tekhnologii-svjaz-izmerenija/6707/)

Организация заземления

В том случае, если речь идет о солнечных панелях или о ветрогенераторах с вертикальной осью, конструкция заземления системы молниезащиты регламентируется общими правилами, а именно СО 153-34.21.122-2003 и РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений».

Совсем другая ситуация возникает при установке ветрогенератора с горизонтальной осью. Он никак не может быть защищен внешним молниеотводом, поэтому единственный способ его спасти при ударе молнии — как можно быстрее отвести электрический заряд в землю. По этому параметру широко применяемые в индивидуальном домостроении контурные штыревые заземлители не подходят в силу их большой инерционности. ГОСТ Р 54418.24-2013 предписывает использовать совместно с ветрогенератором кольцевое заземление (приложение I.1), обладающее высоким быстродействием. Соответственно, если у дома уже есть заземление иной конструкции, нужно будет дополнительно сделать еще и кольцевое заземление. А потом соединить оба заземления системой уравнивания потенциалов. Если же дом строится одновременно с личной ветроэлектростанцией, то лучше изначально заложить в проект единое кольцевое заземление, которое не только по быстродействию, но и по многим другим параметрам считается наиболее эффективным.

Личное мнение автора статьи — требования ГОСТ Р 54418.24-2013 для маломощных ветрогенераторов в части построения заземления вполне могут быть избыточны. Но, к сожалению, данный ГОСТ, как и международный стандарт, на основе которого он создавался, не делает различий между «большой» энергетикой и микрогенерацией. Тем не менее применение более эффективного заземления в любом случае повысит устойчивость ветряка к действию молнии, поэтому требования ГОСТ лучше не игнорировать.

источник - здесь (https://www.elec.ru/publications/tsifrovye-tekhnologii-svjaz-izmerenija/6707/)