Ochrana veterných elektrární proti blesku
(Ochrana elektrických zariadení distribuovaných zdrojov energie)
Využívanie distribuovaných zdrojov elektriny na báze OZE prinieslo aj nové technológie, s ktorými neboli doposiaľ prevádzkové skúsenosti. S narastajúcim počtom aplikácií sa objavujú problémy. Veterné elektrárne sú najvážnejšie ohrozené atmosférickou elektrinou a prepätiami.
1 Úvod
Zvyšujúca sa početnosť výskytu výbojových procesov prebiehajúcich v atmosfére je predmetom výskumu rôznych vedných disciplín. Vážnosť následkov spôsobila, že aj v rámci Európskej únie (EÚ) vzniklo niekoľko výskumných centier zameraných na výskum vzniku a existencie výbojovej činnosti [3]. Avšak použitie bleskozvodov a prepäťových ochrán, bez použitia dôkladného komplexného systému ochrany pred účinkami prepätí, nie je dostačujúci. V celosvetovej energetike sa okrem centralizovaných zdrojov čoraz viac presadzujú aj tzv. decentralizované zdroje vo forme malých, teritoriálne rozptýlených zdrojov elektriny využívajúcich potenciál obnoviteľných zdrojov energie. V súčasnosti tieto zdroje dosahujú inštalovaný výkon už takmer 100 GW a počty inštalovaných jednotiek niekoľko desiatok tisíc. Využívanie OZE prinieslo aj nové technológie s ktorými neboli doposiaľ prevádzkové skúsenosti. Jedným z problémov týchto zdrojov je aj potreba zvýšenej ochrany pred účinkami atmosférickej elektriny a prepätiami, ktorá vyplýva z konštrukčných špecifík a charakteru lokality v ktorej takéto zdroje pracujú.
Tento problém sa najviac prejavuje u veterných elektrární. Ich budovanie sa sústreďuje na lokality s výhodnými veternými podmienkami, ktoré sa však vyskytujú najmä vo väčších výškach a na hrebeňoch hôr, kde je aj vyšší predpoklad zásahu bleskom. Všetky veterné elektrárne majú samozrejme realizované príslušné opatrenia na ochranu pred atmosférickou elektrinou podľa príslušných noriem. Napriek tomu bolo v uplynulom období zásahom blesku poškodených cca. 10% všetkých veterných elektrární.
Slnečné elektrárne pracujúce na fotoelektrickom princípe sa umiestňujú na strechách budov, alebo priamo na povrchu zeme a realizácia opatrení na ochranu pred bleskom je podobná ako u iných zariadení. Vo väčšine prípadov sú tieto miesta buď v zóne ochrany okolitých bleskozvodov, alebo na miestach s nízkou pravdepodobnosťou zásahu bleskov. Špecifikom je inštalácia často aj veľkých plôch polovodičových fotočlánkov, ktoré sú mimoriadne citlivé už aj na statickú elektrinu. Technológia týchto zdrojov obsahuje aj riadiacu a silnorúdovú polovodičovú techniku, aby výstupná elektrina mala štandardné parametre.
2 PRÍČINY POŠKODZOVANIA VETERNÝCH ELEKTRÁRNÍ PRI ZÁSAHU BLESKOM
Z praktických skúseností vieme, že pri zásahu bleskom dochádza pomerne často k poškodeniu rotora a následne aj zariadení v strojovni a vzniku požiaru obr.1.
 |
 |
Obr.1 Následky zásahu veterných elektrární bleskom
Veterná elektráreň je svojou výškou často najvyšším bodom v širokom okolí, ktorý je rozmermi a konštrukciou budovaný v ústrety blesku a stáva sa sama bleskozvodom. Riziko zásahu bleskom rastie kvadraticky s výškou každého objektu. Súčasné veterné elektrárne s výkonom až 5 MW dosahujú výšku až 180m.
Rotačný pohyb lopatiek vytvára pulzujúce elektrické pole v dôsledku meniacej sa výšky najvyššieho bodu. Mení sa pri tom aj počet uzemnených bodov na koncoch lopatiek smerujúcich v ústrety blesku a ich poloha v priestore [2]. VE tak predstavuje v priestore bleskozvod, ktorého výška a konfigurácia sa neustále mení medzi 1-2 zberačmi medzi výškou 120-180 m.
Vzhľadom na uzemnenie lopatiek vytvára tak veterná elektráreň v elektrickom poli zeme výraznú nehomogenitu a prináša potenciál zeme do maximálnej konštrukčnej výšky. Vytvárajú sa tak podmienky pre vznik výbojovej činnosti na koncoch lopatiek aj bez zásahu bleskov.
3 MOŽNOSTI OCHRANY VETERNÝCH ELEKTRÁRNÍ POMOCOU AKTÍVNYCH BLESKOZVODOV
Pred účinkami atmosférickej elektriny je možné objekty chrániť:
- pasívnymi bleskozvodmi
- aktívnymi bleskozvodmi
- zvodičmi prepätia
Pasívne bleskozvody predstavujú najstaršie technické zariadenie na ochranu pred bleskom a aj väčšina veterných elektrární má na streche strojovne inštalovaný pasívny bleskozvod obr.3a. Tento však vzhľadom na svoju polohu v zóne LPZ 0B sa zúčastňuje ochrany veternej elektrárne až sekundárne a nemá možnosť ovplyvniť zásah lopatky VE.
Obr.3 Možnosti ochrany veterných elektrární pred bleskom
Životnosť VE a schopnosť odolávať atmosférickej elektrine je možné zvýšiť len bleskozvodným systémom v ktorého ochrannej zóne by sa nachádzali aj špičky lopatiek turbíny veternej elektrárne. Takúto funkciu by mohol plniť oddialený bleskozvod umiestnený mimo konštrukciu VE na vysokých bleskozvodných stožiaroch, ktoré by boli vyššie o 20-30 % ako dosahujú inštalované veterné elektrárne. Jedná sa o takzvaný vzdialený bleskozvod, ktorého úlohou je dostať chránený objekt do svojej ochrannej zóny.
Pri ochrane VE by bolo možné využiť aj najnovšie konštrukcie tzv. aktívnych bleskozvodov vytvárajúcich ústretový predvýboj umožňujúci zachytávanie bleskov do vzdialenosti 60 m od hrotovej elektródy. Pracujú na princípe vytvárania dobrých podmienok pre šírenie blesku v blízkosti zberača, ktorý aktívne pôsobí na vznik ionizácie a vytváranie predvýboja, tzv. vzostupného stopovača, ktorého úlohou je priviesť blesk k zberaču. Tento druh bleskozvodov by bolo vhodné použiť aj na strojovni VE, alebo oddialenom stožiari, kde by mohol do určitej vzdialenosti zabrániť zásahu lopatky.
Pôsobenie aktívneho bleskozvodu je v dôsledku predionizácie predĺžené oproti pasívnemu o vzdialenosť ΔL, ktorá môže dosahovať až 60 m. Táto vzdialenosť vymedzuje priestor z ktorého sú zachytávané blesky a to aj v spolupráci so susednými aktívnymi bleskozvodmi. Predstih aktivácie ΔT je približne 650 μs a rýchlosť šírenia predvýboja dosahuje až 106 m/s. K overeniu tohto princípu bolo vyskúšaných viacero metód, z ktorých sa v praxi uplatnilo generovanie predvýboja nasledovnými princípmi:
- rádioaktívnym materiálom na špičke bleskozvodu;
- elektronickým spínaním vysokonapäťového zdroja;
- piezoelektrickým vn materiálom;
- špeciálnym spôsobom-výrobca neudáva
Pre ochranu veterných elektrární sú však vhodné len tie, ktoré na základe výsledkov zo snímača elektrického poľa riadia veľkosť výstupného napätia a prípadne aj jeho polaritu, nakoľko sa vyskytujú blesky kladnej aj zápornej polarity. Aktívne bleskozvody vhodné pre ochranu veterných elektrární sú na obr.4. Podrobnejšie sú popísané v [4], [5].
Obr. 4. Aktívne bleskozvody
4 Záver
Na základe informácií získaných prieskumom v oblasti technického riešenia ochrany pred zásahom bleskom možno konštatovať, že v súčasnosti prevažuje používanie pasívnych bleskozvodov, hlavne v dôsledku jednoduchej konštrukcie a nižšej ceny. Výhoda aktívnych bleskozvodov sa prejavuje hlavne pri ochrane rozsiahlych objektov, pretože umožňuje nahradiť 7-9 klasických zvodov bleskozvodného systému. V týchto prípadoch je nakoniec aktívny bleskozvodný systém lacnejší ako klasický. V prípadoch ako sú distribuované zdroje elektriny môžu byť aktívne bleskozvody významným prínosom k zabezpečeniu ich dlhodobej spoľahlivosti.
Poďakovanie
Táto práca bola podporená vedeckou grantovou agentúrou MŠSR VEGA č 1/0099/09 a APVV-0095-07 ako aj v rámci programu Centra excelentnosti systémov výkonovej elektroniky a materiálov ako aj ERDF- European regional development fund.
Literatúra
[1] Kroupa J.: DEHN chráni veterné elektrárne AT&P journal 10/2005, ISSN 1335-2237
[2] Larsen, F.M, New Lightning Qulification Test Procedure for Large Wind Turbine Blades, www.lmglasfiber.com/
[3] BEDNÁŘ, J.: Meteorologie. Úvod do studia děju v zemské atmosféře. Praha: Portál, 2003. 224 s.
[4] Saint Elme Active 2D: http://www.zinkovo.sk/vyroba_bleskozvodov/aktivne_bleskozvody/art150/
[5] Indelec lightning protection product: Wind turbine plant on Nadachi http://www.nps.com.au/media/products/
Stanovisko recenzenta Jana Hájka z DEHN + SÖHNE GmbH + CO.KG.:
Bohužel fotovoltaické elektrárny nejsou, a každá bouřka je toho důkazem, stavěny na bezpečných místech. Pro jejich správnou funkci je třeba je umístit na místa, kde nebude docházet k zástinu a to nejen v okamžiku instalace, ale i s dlouhodobým výhledem. Například stromy na sousedním pozemku mohou stínit již během několika let. (LP Elektro, Sborník č.34 Údržba *okolních ploch FVE v závislosti na pohybu slunce *Jan Štěpán)
V pasáži o ochraně větrných elektráren (VE) by bylo vhodné doplnit dlouholetý vývoj ochranných opatření před bleskem a to jak na bázi IEC, tak i na evropské úrovni. Například IEC/EN 62305-3 nebo dokument IEC TR 61400-24: 2002, Wind turbine generator systems – Part 24: Lightning protection či IEC 61400-1: 2005, Wind turbines – Part 1 : Design requirements. Ochrana VE před bleskem je již několik desetiletí, se vzrůstajícím podílem OZE, pod drobnohledem mnohých nezávislých vědeckých, ale i čistě soukromých organizací.
Dovoluji si rovněž upozornit, že aktivní bleskosvody jsou vnímány mnoha světovými špičkovými odborníky v oboru ochrany před bleskem jako přinejmenším sporně účinná metoda. Více lze nalézt zde : http://www.iclp-centre.org/ESE_issue.html
Poznámka redakce: Se zveřejněním článku se ukázalo, že se jedná o tematiku, která v odborné veřejnosti vyvolává polemiku a není na ni jednotný odborný názor. TZB-info bude toto téma dále sledovat a pokusíme se zajistit nové poznatky.
Utilisation of renewable energy sources by distributed electricity equipment introduced plenty of new technologies with no or only a little field experience. According to fast growth of the number of the equipment a new problems occur. The most signifficant for wind turbines is the risk of thunderstroke.