Proteggere le turbine eoliche attraverso un'efficace messa a terra

Autori: Sameer Kulkarni e Dr Ahmed El-Rashed

Si prevede un aumento della quota di energia eolica nella generazione di energia elettrica e, di conseguenza, è richiesta una maggiore affidabilità per questa fonte priva di carbonio. La turbina eolica, il componente più importante di un sistema di alimentazione eolica, è esposta a condizioni ambientali difficili e a transitori elettrici, come i fulmini. Naturalmente, comprendere lo schema per la protezione dai fulmini di una turbina eolica e verificarne l'integrità è fondamentale per proteggerla quando viene colpita da fulmini, in modo da ottenere un funzionamento continuo e affidabile.

Recenti studi internazionali hanno dimostrato che, in un paese europeo, l'80% delle richieste di risarcimento assicurative relative alle turbine eoliche è dovuta a danni causati da fulmini. Analogamente, un'importante compagnia elettrica statunitense ha dichiarato che oltre l'85% dei tempi di fermo delle turbine eoliche era dovuto a danni correlati ai fulmini.

Questo articolo fornisce una panoramica generale del sistema di protezione dai fulmini di una turbina eolica, delle migliori pratiche per la protezione dai fulmini sulle turbine eoliche e della verifica dell'efficacia. Vengono discusse la necessità e i vantaggi dei vari test per verificare l'integrità continua dei sistemi di protezione dai fulmini e condivisi i valori di riferimento per i parametri di test insieme ai risultati attesi. Inoltre, vengono presentate alcune considerazioni pratiche e di sicurezza.

Energia eolica

L'energia rinnovabile, e in particolare l'energia eolica, sta crescendo a un ritmo sostenuto. Nel 2020, le nuove installazioni di energia eolica fornivano 93 GW a livello globale. La crescita annuale è del 53%, con l'affermazione di Stati Uniti e Cina come leader mondiali nelle nuove installazioni di produzione di energia eolica. L'energia eolica risponde alle circostanze e alle esigenze pressanti di oggi. Si tratta di una fonte di energia relativamente economica ed ecologica, che affronta i vincoli di budget per le infrastrutture limitati e le politiche in materia di cambiamenti climatici. La maggior parte degli analisti di mercato ritiene che l'energia eolica continuerà a crescere a un ritmo sostenuto, perché persistono tutti i fattori trainanti per il suo utilizzo.

Questa è un'ottima notizia per il settore dell'energia elettrica, in quanto ci sarà crescita e opportunità per molti anni a venire. Tuttavia, questa crescita richiederà un miglioramento dei programmi di manutenzione in modo da proteggere gli investimenti e massimizzare i profitti derivanti dall'energia eolica.

Fulmini

I fulmini rappresentano il principale problema di manutenzione per l'energia eolica (Figura 1a e Figura 1b). Secondo Henrik Andersen, CEO di Vestas, i fulmini di grande intensità sono stati la principale causa per richieste di risarcimento in garanzia da record, per un totale di 175 milioni di euro (212 milioni di dollari USA) nel solo secondo trimestre del 2020. I produttori e gli installatori di turbine eoliche come Vestas riconoscono l'immenso pericolo rappresentato dai fulmini e progettano le turbine con grande cura. Ciononostante, operatori e proprietari di turbine eoliche devono implementare un programma di manutenzione solido ed efficace per le proprie risorse.

Figura 1a: Danni provocati da un fulmine a una turbina eolica

Figura 1b: Danni provocati da un fulmine a una turbina eolica 

Sistemi di protezione dai fulmini

Un numero crescente di studi ha ipotizzato che le turbine eoliche rotanti possano essere più soggette a venire colpite da fulmini rispetto alle strutture stazionarie. Le turbine eoliche sono ad alto rischio di essere colpite da fulmini a causa della loro altezza e della localizzazione delle centrali eoliche. I danni provocati da fulmini causano una maggiore perdita di disponibilità delle turbine eoliche rispetto ad altri guasti. Le turbine eoliche sono dotate di sistemi di protezione dai fulmini per ridurre al minimo i danni causati dai fulmini diretti e per proteggere le apparecchiature sensibili che sono parte integrante del funzionamento delle turbine eoliche. Oltre a produrre grandi flussi di corrente, i fulmini riescono anche a produrre campi elettromagnetici indesiderati attraverso i componenti alloggiati nella navicella e alla base della torre. Il sistema di protezione dai fulmini (LPS) svolge la funzione di dirigere la corrente verso il suolo.

Zone di protezione dai fulmini

Per facilitare il coordinamento delle funzioni di protezione, è prudente dividere la turbina eolica in zone di protezione dai fulmini (LPZ). Il concetto di zona di protezione dai fulmini è una misura di strutturazione per creare un ambiente definito ed elettromagneticamente compatibile in un oggetto, tenendo conto della capacità di resistenza alle sollecitazioni dell'oggetto. La norma IEC 62305 sulla protezione contro i fulmini definisce la LPZ per le strutture e può essere applicata a una turbina eolica. Le zone sono classificate come esterne o interne in base alla loro esposizione ai fulmini diretti.

Zone esterne 

• LPZ 0A è la zona in cui la minaccia è dovuta alla scarica atmosferica diretta e all'intero campo elettromagnetico del fulmine. I sistemi interni possono essere soggetti alle correnti di picco totali dovute ai fulmini.
• LPZ 0B è la zona protetta contro le scariche atmosferiche dirette, ma in cui la minaccia è dovuta all'intero campo elettromagnetico del fulmine. I sistemi interni possono essere soggetti a correnti di picco parziali dovute a fulmini.

Il metodo della sfera di rotolamento viene utilizzato per determinare la LPZ 0A (le parti di una turbina eolica che potrebbero essere soggette a scariche atmosferiche dirette) e la LPZ 0B (le parti di una turbina eolica protette da scariche atmosferiche dirette tramite sistemi di terminazione in aria esterni o integrati nelle parti di una turbina eolica, ad esempio nella pala del rotore), come illustrato nella Figura 2 e nella Figura 3.

Figura 2: Turbina eolica semplificata, LPZ esterna

Figura 3: Sistemi di terminazione in aria installati per la navicella della turbina eolica

Zone interne

• LPZ 1 è la zona dove la corrente di picco è limitata dalle interfacce di condivisione e isolamento della corrente e/o dai dispositivi di protezione da sovratensione (SPD) al confine. Una schermatura può attenuare il campo elettromagnetico dei fulmini. 
• Le zone da LPZ 2 a LPZ n sono quelle in cui la corrente di picco può essere ulteriormente limitata dalle interfacce di condivisione e isolamento della corrente e/o da altri SPD al confine. È possibile utilizzare una schermatura aggiuntiva per attenuare ulteriormente il campo elettromagnetico dei fulmini. Il sistema LPS funziona essenzialmente fornendo un percorso di bassa resistenza verso il suolo. Il percorso va dalla punta della pala alla base della turbina. Questo percorso è illustrato nelle Figure 4 e 5.

Figura 4: Percorso di corrente per scariche da fulmine

Figura 5: Elettrodo di terra alla base della turbina eolica

Se la turbina viene colpita da un fulmine, la corrente fluisce a terra attraverso il sistema LPS invece di attraversare l'attrezzatura sensibile all'interno. Poiché la corrente del fulmine viene dissipata attraverso il sistema di messa a terra, è importante che non causi danni termici o meccanici oppure archi elettrici che potrebbero provocare incendi o lesioni al personale. Per garantire che la protezione funzioni in modo efficace quando necessario, la resistenza del percorso a terra deve essere misurata a intervalli regolari per verificare che soddisfi i limiti specificati dal produttore della turbina (in genere tra 15 a 30 mΩ, a seconda delle dimensioni della turbina). Per questi test, è consigliato uso di un ohmmetro a bassa resistenza.

Metodi per la verifica dei sistemi di protezione dai fulmini

La misurazione della bassa resistenza è influenzata da fattori quali il tipo di misurazione, l'ampiezza della corrente di test, la lunghezza dei puntali per test e il posizionamento di puntali/sonde.

Metodo di test a quattro fili

Il metodo a quattro fili (Figura 6) è il più appropriato, perché utilizza sonde di corrente separate per iniettare corrente continua (CC) e sonde di potenziale separate per misurare la caduta di tensione sul componente sottoposto al test.

In alcuni casi pratici, per misurare i valori di bassa resistenza viene utilizzata anche una misurazione Kelvin, in cui le sonde di corrente e potenziale si trovano a un angolo di 180° tra loro. L'uso di qualsiasi altro metodo, ad esempio un metodo a due fili, potrebbe non essere adatto, in quanto la misurazione comprenderà i valori di resistenza dei contatti delle sonde, il che rende i risultati meno certi.

Figura 6: Metodo di test a quattro fili

Verifica della protezione dai fulmini delle turbine eoliche

Il test più importante su un LPS è il test del conduttore partendo dalla punta della pala fino al conduttore verso il basso all'interno del mozzo, che si collega alla griglia di messa a terra, come illustrato nelle Figure 5, 7 e 8.

Figura 7: Misurazione della resistenza del conduttore di protezione dai fulmini sulla punta della pala

Figura 8: Misurazione della resistenza del conduttore di protezione dai fulmini sul mozzo della turbina eolica

Questo conduttore è sottoposto a una notevole sollecitazione poiché la pala si flette con il vento durante il normale funzionamento. Se sottoposto a sollecitazione, il conduttore potrebbe rompersi. Sfortunatamente, non è sufficiente controllare la continuità perché se il conduttore fratturato tocca il punto di rottura durante un test di continuità, il risultato del test risulterà fuorviante. Per questo motivo, per questo test si consiglia una corrente di test di almeno 1 A.

La lunghezza di una tipica pala della turbina è visibile nella Figura 9. Le dimensioni delle turbine rappresentano un problema poiché i cavi dei puntali dell'ohmmetro a bassa resistenza sono generalmente molto corti. A causa delle dimensioni delle turbine eoliche, sono necessari cavi molto lunghi, spesso fino a 100 m. Si tratta di un enorme aumento di lunghezza rispetto ai puntali per test standard per ohmmetri a bassa resistenza. I cavi lunghi devono essere progettati con una resistenza abbastanza bassa da garantire che sia ancora possibile effettuare una misurazione. Per raggiungere questo obiettivo, è importante comprendere il design dello strumento di test.

Figura 9: Pala della turbina eolica prima dell'installazione

Alcuni strumenti hanno un fattore di compensazione per consentire la perdita di potenza nei cavi dei puntali per test standard. Quando si utilizzano cavi dei puntali lunghi, questa compensazione non sarà più sufficiente e l'intervallo di test dello strumento sarà ridotto. Quando aumenta la resistenza dei puntali, aumenta anche il valore R nella seguente equazione.

P = I2R

Dove:

• R è dato da: (resistenza del carico) + (resistenza dei puntali)
• P è la potenza in uscita dello strumento di test
• I è la corrente in uscita dello strumento di test

Poiché la potenza massima in uscita (P) dell'apparecchiatura di test non può variare, l'aumento della resistenza del puntale di test provoca la riduzione della corrente massima (I). La Tabella 1 mostra in che modo la lunghezza del puntale influisce sulla capacità di uno strumento di misurare basse resistenze. È chiaro che misurazioni accurate e ripetibili dipendono da una combinazione di corrente di test, lunghezza del puntale e risoluzione.

Come illustrato nella Figura 10, le prestazioni del tester a bassa resistenza a 1 A (2,5 W) sono le più adatte per le lunghezze dei puntali che vengono normalmente utilizzati per testare gli LPS delle turbine eoliche. Per le applicazioni con turbine eoliche, è importante utilizzare un intervallo e una corrente di test adeguati, poiché è essenziale per la lunghezza dei cavi dei puntali, che deve adattarsi alla lunghezza delle pale delle turbine eoliche.

Risultati

In un esempio di questo tipo, l'LPS su una turbina eolica con pale da 32 m (105 ft) è stato testato utilizzando un ohmmetro a bassa resistenza. Lo strumento è stato utilizzato in modalità "puntale per test lungo", che applica una corrente di test di 1 A e può misurare con precisione fino a 0,01 mΩ quando si utilizzano cavi dei puntali lunghi 100 m (330 ft). I test consistevano nella misurazione della resistenza del sistema dalla punta di ciascuna pala al mozzo e dal mozzo alla base. In questo caso, il sistema di protezione dai fulmini terminava con aste di messa a terra interconnesse poste alla base della torre della turbina.

Tabella 1: Intervallo di resistenza per ampiezze di corrente di test variabili per un popolare tester a bassa resistenza

Ogni misurazione è stata eseguita tre volte per valutare la ripetibilità. Il misuratore della variazione sullo strumento ha registrato automaticamente tre misurazioni consecutive e ne ha calcolato la variazione. I risultati non elaborati di questo test possono essere visualizzati nella Tabella 2; i risultati totali sono riportati nella Tabella 3.

Tabella 2: Misurazioni non elaborate, variazione e medie

Tabella 3: Valori di resistenza totali e risultati

La bassa variazione fornisce affidabilità alla misurazione. I tecnici dei test sul campo devono prestare la massima attenzione per mantenere la sicurezza e seguire le best practice. In questo modo si ottengono le migliori misurazioni possibili.

Il produttore di questa turbina eolica prescrive un livello per il superamento del test del sistema di protezione dai fulmini pari o inferiore a 20 mΩ. Questo test dimostra che il sistema di protezione dai fulmini è stato installato correttamente e funziona correttamente. Pertanto, questa turbina dispone di una buona protezione dai fulmini in linea con le specifiche del costruttore.

Conclusione

I fulmini sono una minaccia estremamente dannosa per le turbine eoliche e, man mano che le installazioni di energia eolica continuano a diffondersi in tutto il mondo, il rispetto dei requisiti per proteggere queste risorse sta diventando sempre più importante.

I produttori di turbine eoliche prestano grande attenzione alla progettazione di sistemi di protezione dai fulmini, ma i proprietari e gli operatori delle turbine devono assicurarsi che questi sistemi siano stati installati correttamente. Inoltre, i proprietari e gli operatori devono controllare regolarmente il sistema di protezione dai fulmini come parte del programma di manutenzione.

Il test e la verifica del sistema di protezione dai fulmini si basano principalmente sulle misurazioni a bassa resistenza. Esistono alcune difficoltà nella misurazione delle resistenze nell'ordine dei milliohm quando si ha a che fare con strutture di grandi dimensioni come una turbina eolica, quindi è necessario stabilire un equilibrio tra energia di test, precisione, risoluzione e lunghezza dei cavi dei puntali. Tuttavia, gli strumenti adatti all'attività lo rendono un lavoro semplice.

Si consiglia vivamente di rendere la manutenzione del sistema di protezione dai fulmini un'attività regolare e fondamentale per proprietari e operatori di turbine eoliche. In questo modo si riduce al minimo il rischio di danni causati da fulmini e si assicura che tali risorse siano adeguatamente protette.

Informazioni sugli autori

Sameer Kulkarni, PE, Applications Engineer presso Megger. In precedenza ha lavorato per Entergy presso la River Bend Nuclear Generating Station come ingegnere di sistemi responsabile della distribuzione dell'alimentazione, dei grandi trasformatori di potenza e NERC. Sameer ha conseguito la laurea a Mumbai, India, e ha conseguito la specializzazione in ingegneria elettrica presso la Arizona State University. Ha ottenuto la licenza come Professional Engineer nel giugno 2019 ed è un membro della IEEE.

Il dottor Ahmed El-Rasheed è un Business Development Director presso Megger e vanta oltre 14 anni di esperienza nell'ingegneria elettrica. È membro di diverse organizzazioni internazionali che si occupano di standard e ha pubblicato articoli su test di messa a terra, test di isolamento e integrazione multi-sensore utilizzando l'intelligenza artificiale.

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