Защита от перенапряжений для ветряных турбин напряжением 690 В и 1140 В: выбор устройств защиты от перенапряжений для высоковольтных систем переменного тока

1. Почему ветровые турбины работают в условиях сильных перепадов напряжения

Ветряная турбина сосредотачивает на одном участке — в непосредственной близости от идеального приёмника молнии — значительную высоту, открытые металлические конструкции и протяжённые кабельные трассы. Поскольку лопасти и башня обычно являются самыми высокими объектами на многие километры, прямые и близкие удары молнии являются обязательным фактором при проектировании.   Грозозащита ветряной турбины   Следовательно, исходя из предположения, что уровень воздействия высок и что электрическая система подвергается как проводимому остаточному воздействию прямого удара, так и индуктивным эффектам от близлежащих ударов.

Две особенности отличают турбины от обычных промышленных установок. Во‑первых, физическая цепочка является вертикальной: возмущение, поступающее на лопатку или в гондолу, распространяется вниз по башне до базового шкафа, прежде чем достигнет трансформатора; таким образом, несколько устройств оказываются последовательно включёнными в цепь возмущения. Во‑вторых, защищаемое оборудование дорогое и его замена на удалённом объекте затруднительна и требует значительного времени.

Отраслевым эталоном для данной среды является   МЭК 61400-24 , стандарт систем генерации энергии ветра по защите от молнии. Он определяет молниевую среду для ветряных турбин, оценку рисков в этой среде, а также требования к защите лопастей, конструктивных элементов и электрических и управляющих систем от прямого и косвенного воздействия молнии. Устройства защиты от перенапряжений (УЗИП) являются одним из звеньев этой системы; данная статья посвящена их выбору для высоковольтной стороны переменного тока.

2. Начните с напряжения системы: 690 В и 1140 В

Наиболее важным параметром выбора является также и самым простым: фактическое напряжение системы в точке, где будет установлен устройство защиты от перенапряжений (УЗИП). В современных ветрогенераторах для генератора и цепи преобразователя обычно применяется переменное напряжение 690 В, а в некоторых конструкциях для отдельных участков силовой цепи используется 1140 В. Оба эти значения напряжения встречаются в ветроэнергетических установках и с точки зрения УЗИП не являются взаимозаменяемыми.

Для каждого   Устройство защиты от перенапряжений 690 В   или   1140В УЗИП , первым параметром, указанным в техническом паспорте и требующим проверки, является Uc — максимальное непрерывное рабочее напряжение. Значение Uc должно превышать системное напряжение с учётом допусков, повышения напряжения со стороны генератора в процессе эксплуатации, а также возможных стационарных перенапряжений, которые может выдерживать данная цепь. УЗИП, у которого Uc слишком низкое, может со временем деградировать или отключаться в штатном режиме; если же это значение чрезмерно велико, уровень защиты по напряжению (Up) может превысить предел, который способны выдержать последующие устройства. Существует определённый диапазон значений, и его необходимо определять на основе данных из технического паспорта, а не исходя из эмпирических правил.

Именно из‑за этой разницы в диапазоне значений напряжения эти две классификации напряжений требуют отдельного рассмотрения, а не объединения в одну категорию «высокого напряжения».   МЭК 61643-11 Стандарт для устройств защиты от перенапряжений переменного тока   Это стандарт, который обычно цитируется в отношении устройств на 690 В, и по своему охвату он не является нормативным документом для систем на 1140 В. Это не означает, что системы на 1140 В остаются незащищёнными; это лишь подразумевает, что базовые испытания, технические характеристики и соответствующие отчёты для любого предлагаемого УЗИП на 1140 В должны быть проверены и подтверждены применительно к конкретной модели перед его утверждением.

3. Четыре защитные позиции: гондола, башня, преобразователь, шкаф управления

Защита ветряных турбин от перенапряжений обычно рассматривается по каждому узлу в отдельности, поскольку каждый из них подвержен воздействию различных электрических цепей, уровней напряжения и последствий отказов.

Гондола

В гондоле размещаются генератор, часть системы преобразования электроэнергии и большое количество датчиков. Устройства защиты от перенапряжений (УЗИП) на вводе к генератору и на сигнальных линиях гондолы образуют первую электрическую защиту. В этом месте ограничены пространство, вибрации и возможности обслуживания, поэтому размеры устройств и тип их монтажа учитываются при выборе.

Бег по башне

Силовые и коммуникационные кабели спускаются по башне на значительную вертикальную высоту, а протяжённые параллельные участки благоприятны для индукции: удар в любой точке сооружения может вызвать перенапряжения, распространяющиеся по обоим типам кабелей. Устройства защиты от перенапряжений (УЗИП) обычно устанавливают в местах ввода этих кабелей в шкафы у основания башни, обеспечивая максимально короткое практическое заземление.

Преобразователь и силовой шкаф

Ступень преобразования мощности обычно является наиболее ценным отдельным узлом в электрической системе. А   Устройство защиты от перенапряжений 690 В   на шине переменного тока преобразователя — или a   1140В УЗИП   Там, где система работает на этом уровне, — это основное устройство со стороны питающей сети, и его номинальные характеристики требуют самого пристального рассмотрения.

Шкаф управления

Основной шкаф управления обычно питается от вспомогательной сети напряжением 230/400 В и содержит интерфейсы SCADA и связи. Напряжения здесь ниже, однако выход из строя управляющей платы вследствие перенапряжения может привести к полному выводу оборудования из работы — так же, как и неисправность преобразователя. Устройства защиты от перенапряжений для вспомогательного питания и сигнальных цепей в данном случае имеют меньшие габариты по сравнению с устройствами силовой стороны, но при этом не менее важны.

4. Выбор устройства защиты от перенапряжений на уровне 690 В на стороне переменного тока преобразователя

Для цепи напряжением 690 В последовательность выбора обычно следующая: сначала уточняют фактическое рабочее напряжение в месте установки, затем подбирают устройства с номинальным рабочим напряжением Uc, превышающим это значение с запасом; после этого проверяют их способность к разряду и уровень защиты по напряжению с учётом воздействия внешних факторов и изоляции оборудования. Номиналы тока разряда (In и Imax) выбирают таким образом, чтобы устройство могло выдерживать ожидаемые нагрузки, не достигая преждевременного предела ресурса, а уровень пиковго напряжения Up проверяют по отношению к допустимой выдерживаемой напряжённости downstream‑оборудования.

Ещё две проверки связаны с координацией: защита от перегрузки по току вверх по цепи должна быть согласована с предшествующей ступенью, чтобы нагруженное устройство отключалось безопасно, а также с последующими более точными ступенями защиты, чтобы нагрузка распределялась между ними. Значения координации определяются на основе однолинейной схемы турбины.

В качестве типичного примера устройство мощностного класса для данной позиции может иметь номинальное напряжение Uc 800 В переменного тока и ток короткого замыкания In 20 кА (8/20 мкс). Подобные значения служат ориентиром при сравнении данных, указанных в технических паспортах: показатели конкретного изделия берутся из его собственного технического паспорта и протокола испытаний, а соответствие требованиям конкретной турбины подтверждается инженерным анализом.

5. Какие изменения при 1140 В

При напряжении 1140 В физика остаётся неизменной — определяющими параметрами по‑прежнему являются запас по напряжению Uc, номинальная токовая отключающая способность и напряжение срабатывания Up; однако возрастает объём документации. Поскольку данная цепь выходит за пределы низковольтного диапазона, установленного стандартом IEC 61643‑11, первым вопросом покупателя к поставщику становится: в соответствии с каким стандартом и на какой основе испытаний устройство сертифицировано; вторым — наличие модели‑специфического протокола испытаний. Если производитель предлагает изделия двух классов напряжения, то версии на 690 В и 1140 В представляют собой отдельные продукты, поэтому указание класса 690 В не служит подтверждением соответствия модели на 1140 В.

Проверки на уровне системы также приобретают особое значение при напряжении 1140 В. Временные перенапряжения (TOV), уровни токов короткого замыкания и схема заземления в точке установки — всё это взаимодействует с характеристиками УЗИП, причём каждый из этих факторов является специфичным для конкретного объекта. Практический подход, применяемый большинством проектных команд, заключается в том, чтобы направить поставщику данные о системном напряжении, месте монтажа и однолинейной схеме, после чего получить документированное обоснование выбора модели.

6. Таблица проверки параметров 690 В / 1140 В

В приведённой ниже таблице перечислены параметры, которые обычно проверяются перед… Ветроэнергетика SPD утверждено; в столбце «пример» приведены лишь типичные форматы.

7. Требования к суровым условиям эксплуатации

Устройства, установленные внутри турбины, подвергаются более интенсивным нагрузкам, чем оборудование в распределительном помещении. В местах размещения гондолы и башни наблюдаются постоянные вибрации, вызванные приводной системой, значительные колебания температуры, а на морских или прибрежных объектах — воздействие солёного и влажного воздуха. Экологические характеристики устройства защиты от перенапряжений (SPD) — диапазон рабочих температур, степень защиты корпуса в установленном месте и устойчивость к вибрациям — должны соответствовать условиям эксплуатации так же, как и его электрические параметры.

На практике это означает необходимость изучать две части технического описания вместо одной: электрические характеристики (Uc, In, Up) определяют, способно ли устройство выполнять соответствующие электрические функции, а экологические характеристики — сохранит ли оно эти функции после многолетней эксплуатации. Для мест с ограниченным доступом модули, устанавливаемые разъёмным способом, сокращают время их замены.

8. Линии связи и сигнализации

Устройства на стороне энергии привлекают к себе основное внимание, однако управляющий уровень турбины взаимодействует с внешним миром посредством коммуникационных линий: SCADA подключается к контроллеру ветропарка, Ethernet протягивается вдоль башни, а шины датчиков размещаются вокруг гондолы и систем управления углом установки лопастей. Каждая металлическая линия, выходящая из защищённой зоны, вновь создаёт проблему перенапряжений; поэтому устройства защиты сигналов устанавливаются там, где линия входит в распределительный шкаф или покидает конструкцию.

Сигнальные УЗИП выбираются на основе интерфейса и линейного напряжения, а не по номинальной мощности, и их стандартная ссылка составляет МЭК 61643‑21 , который охватывает устройства защиты от перенапряжений для сетей информационных и коммуникационных технологий. Как и в случае устройств для питания, поддерживаемая скорость передачи данных конкретной модели указывается в техническом описании; нельзя исходить лишь из типа разъёма, а требуемая скорость и напряжение линии следует уточнять при запросе.

9. Заземление и уравнивание потенциалов

Каждый ограничитель перенапряжения (ОПН) в ветроэнергетической установке в конечном счёте работает против системы заземления. В стандарте IEC 61400‑24 заземление рассматривается как часть системы молниезащиты всей конструкции: лопасти, секции башни, экранировка кабелей и заземляющие выводы ОПН обычно соединяются в общую систему, благодаря чему токи перенапряжения следуют по заданному пути, а оборудование не подвергается значительным разностям потенциалов во время грозового разряда.

Для монтажника практические последствия связаны с длиной заземляющего провода и качеством соединения. Длинный или резко изогнутый заземляющий провод вносит индуктивность, последовательно соединённую с устройством защиты; поэтому соединение с точкой заземления следует выполнять максимально коротким и прямым, насколько это позволяет конструкция шкафа. В случаях, когда на объекте применяется изолированная система заземления, перед монтажом проверяется соответствие способа подключения каждого устройства защиты данной системе.

10. Техническое обслуживание и замена

Предохранительные устройства в ветряных турбинах обычно проверяются по тому же графику, что и оборудование, которое они защищают. При наличии этих устройств полезны две функции: локальный индикатор состояния, показывающий, достигло ли устройство предельного срока службы, и удалённый контакт, передающий аналогичное состояние на уровень SCADA; таким образом, ухудшившееся состояние защитного устройства выявляется и заменяется во время следующего планового обслуживания, а не после возникновения отказа.

Замена, как правило, осуществляется на аналогичной основе: используется та же модель либо документально подтверждённый эквивалент с теми же эксплуатационными характеристиками и креплениями. Сохранение оригинального технического паспорта и протокола испытаний в составе документации на турбину позволяет без труда принять соответствующее решение спустя годы.

11. Как запросить подтверждение модели

12. Часто задаваемые вопросы

Может ли один устройство защиты от перенапряжений на 690 В обеспечить защиту всей турбины?

Как правило, нет. Турбина представляет собой цепочку узлов — питатель гондолы, подъёмник башни, шинная система преобразователя, распределительный шкаф — каждый из которых имеет своё напряжение и тип цепи, а также, как правило, собственный предохранитель. Одно устройство со стороны силовой цепи не охватывает вспомогательное питание и линии связи.

Почему 1140 В требует иного подхода, чем 690 В?

Напряжение цепи различно, поэтому напряжение ограничения Uc и все номинальные характеристики изменяются пропорционально. Кроме того, значение 1140 В превышает предел низковольтного диапазона 1000 В, установленный в стандарте IEC 61643‑11; следовательно, сертификационная основа предлагаемого УЗИП на 1140 В подтверждается для конкретной модели, а не выводится по аналогии с продукцией семейства на 690 В.

Является ли Uc тем же самым, что и напряжение системы?

Нет. Uc — это максимальное непрерывное рабочее напряжение, которое устройство защиты от перенапряжений (УЗП) способно выдерживать в течение неограниченного времени; оно выбирается с запасом выше системного напряжения. Системное напряжение определяется по однолинейной схеме, а значение Uc — из технического паспорта устройства.

Какой стандарт охватывает защиту ветряных турбин от молний?

Международный стандарт IEC 61400‑24 охватывает защиту от молнии ветряных турбин и систем ветроэнергетики, включая характеристики молниевой среды, оценку рисков, а также требования к лопастям, конструкционным элементам, электрическим и управляющим системам. Устройства защиты от перенапряжений для сторон переменного тока дополнительно выбираются в соответствии с серией стандартов IEC 61643, предназначенной для низковольтного диапазона.

Действительно ли линиям связи в башне необходимы устройства защиты от перенапряжений?

Как правило, они включаются в систему защиты. Металлические линии, проложенные вдоль башни, подвержены воздействию наведённых перенапряжений, а шины SCADA, Ethernet и датчиков подключаются непосредственно к устройствам управления; поэтому защитные устройства обычно устанавливают в местах пересечения линий с границами распределительных шкафов.

Какую информацию должен содержать запрос?

Напряжение системы (690 В или 1140 В), место установки, однолинейная схема или описание цепи, а также используемые интерфейсы связи — всё это соответствует перечню требований, указанных в разделе запроса выше.