Proteção de turbinas eólicas por meio de aterramento eficaz

Autores: Sameer Kulkarni e Dr Ahmed El-Rashed
A participação da energia eólica na geração de eletricidade deve aumentar, e com isso surge a necessidade de que essa fonte livre de carbono seja mais confiável. A turbina eólica, que é o componente mais importante de um sistema de energia eólica, está exposta a condições ambientais severas e transientes elétricos, como raios. Naturalmente, entender o esquema de proteção contra raios de uma turbina eólica e verificar sua integridade é vital para protegê-la durante os raios, garantindo que a operação contínua e confiável seja alcançada.
Estudos internacionais recentes mostraram que, em um país europeu, 80% dos acionamentos de seguro de turbinas eólicas resultaram de danos relacionados a raios. Da mesma forma, uma grande empresa de serviços públicos dos EUA relatou que mais de 85% do tempo de inatividade de suas turbinas eólicas se deveu a danos relacionados a raios.
Este artigo apresenta uma visão geral do sistema de proteção contra raios de uma turbina eólica, as práticas recomendadas para proteção contra raios em turbinas eólicas e a verificação da eficácia. Ele aborda a necessidade e as vantagens de vários testes realizados para verificar a integridade contínua dos sistemas de proteção contra raios e compartilha os valores de referência para os parâmetros de teste, juntamente com os resultados esperados, ao mesmo tempo em que analisa algumas considerações práticas e de segurança.
Energia eólica
A energia renovável e, em especial, a energia eólica, está crescendo em um ritmo acelerado. Em 2020, novas instalações de energia eólica forneceram 93 GW em todo o mundo. O crescimento anual é de 53%, com os Estados Unidos e a China liderando o mundo em novas instalações de geração de energia eólica. A energia eólica atende às necessidades e circunstâncias urgentes de hoje. É uma fonte de energia verde e relativamente barata que atende a orçamentos de infraestrutura limitados, bem como a políticas de mudança climática. A maioria dos analistas de mercado indica que a energia eólica continuará a crescer em um ritmo acelerado porque todos os fatores que motivam sua adoção persistem.
Essa é uma ótima notícia para o setor de energia elétrica, pois haverá crescimento e oportunidades por muitos anos. No entanto, esse crescimento exigirá programas de manutenção aprimorados para proteger os investimentos e maximizar os lucros da energia eólica.
Descargas de raios
O maior problema de manutenção da energia eólica são os raios (Figura 1a e Figura 1b). De acordo com o CEO da Vestas, Henrik Andersen, as intensas descargas atmosféricas foram o principal fator por trás do recorde de indenizações de garantia, que totalizaram 175 milhões de euros (US$ 212 milhões) somente no segundo trimestre de 2020. Os fabricantes e instaladores de turbinas eólicas, como a Vestas, reconhecem o imenso perigo de quedas de raios e tomam muito cuidado no projeto das turbinas. No entanto, os operadores e proprietários de turbinas eólicas devem implementar um programa de manutenção robusto e eficaz para seus ativos.

Figura 1a: Danos por raios em uma turbina eólica

Figura 1b: Danos por raios em uma turbina eólica
Sistemas de proteção contra raios
Um número crescente de estudos especula que as turbinas eólicas rotativas podem ser mais suscetíveis a raios do que as estruturas estacionárias. As turbinas eólicas correm um alto risco de serem atingidas por raios devido à sua altura e aos locais usados para os parques eólicos, e as falhas por raios causam mais perda de disponibilidade das turbinas eólicas do que outras falhas. As turbinas eólicas são equipadas com proteção contra raios para minimizar os danos causados por raios diretos e para proteger equipamentos sensíveis que fazem parte da operação da turbina eólica. As descargas de raios não apenas geram grandes fluxos de corrente, mas também induzem campos eletromagnéticos indesejados nos componentes localizados na nacela e na base da torre. O sistema de proteção contra raios (LPS) desempenha a função de direcionar a corrente das descargas para o solo.
Zonas de proteção contra raios
Para facilitar a coordenação das funções de proteção, é prudente dividir a turbina eólica em zonas de proteção contra raios (LPZ). O conceito de zona de proteção contra raios é uma medida estruturante para a criação de um ambiente definido e eletromagneticamente compatível em um objeto, ao mesmo tempo em que se tem conhecimento da capacidade de resistência à tensão do objeto. A IEC 62305, Norma para Proteção contra Raios, define as LPZ para estruturas e pode ser aplicada a uma turbina eólica. As zonas são classificadas como externas ou internas com base na exposição à descarga direta de raios.
Zonas externas
- LPZ 0A é a zona em que a ameaça se deve ao relâmpago direto e ao campo eletromagnético completo do relâmpago. Os sistemas internos podem estar sujeitos a correntes de surto de raio total.
- LPZ 0B é a zona protegida contra relâmpagos diretos, mas onde a ameaça se deve ao campo eletromagnético total do relâmpago. Os sistemas internos podem estar sujeitos a correntes parciais de surtos de raios.
O método da esfera rolante é utilizado para determinar a LPZ 0A — as partes de uma turbina eólica que podem ser sujeitas a descargas diretas de raios, e a LPZ 0B — as partes de uma turbina eólica que são protegidas contra descargas diretas de raios por sistemas de terminação aérea externos ou sistemas de terminação aérea integrados em partes da turbina (por exemplo, na pá do rotor), conforme mostrado na Figura 2 e na Figura 3.

Figura 2: Turbina eólica simplificada, LPZ externa

Figura 3: Sistemas de terminação aérea instalados na nacela da turbina eólica
Zonas internas
- A LPZ 1 é a zona em que a corrente de surto é limitada pelo compartilhamento de corrente e pelas interfaces de isolamento e/ou pelos dispositivos de proteção contra surtos (SPD) no limite. Uma blindagem espacial pode atenuar o campo eletromagnético do raio.
- LPZ 2 a LPZ n são as zonas em que a corrente de surto pode ser ainda mais limitada pelo compartilhamento de corrente e isolamento de interfaces e/ou por SPDs adicionais no limite. Uma blindagem espacial adicional pode ser usada para atenuar ainda mais o campo eletromagnético do raio. O LPS funciona essencialmente fornecendo um caminho de baixa resistência para o aterramento. O caminho vai da ponta da pá até a base da turbina. Esse caminho é mostrado nas Figuras 4 e 5.

Figura 4: Caminho da corrente para os descargas de raios

Figura 5: Eletrodo de aterramento da fundação na base da turbina eólica
No caso de um raio, a corrente fluirá para o aterramento por meio do LPS, e não para os equipamentos sensíveis da turbina eólica. Como a corrente do raio é dissipada pelo sistema de aterramento, é importante que ela não cause danos térmicos ou mecânicos, nem arcos voltaicos que possam causar incêndios ou ferimentos em pessoas. Para garantir que a proteção funcione de forma eficaz quando necessário, a resistência do caminho para o aterramento deve ser medida em intervalos regulares para verificar se ela atende aos limites especificados pelo fabricante da turbina (normalmente limitados a 15 a 30 mΩ, dependendo do tamanho da turbina). Para esses testes, recomenda-se o uso de um ohmímetro de baixa resistência.
Métodos para verificar sistemas de proteção contra raios
A medição de baixa resistência é afetada por fatores como o tipo de medição, a magnitude da corrente de teste, o comprimento dos cabos de teste e o posicionamento dos cabos/sondas.
Método de quatro fios
O método de quatro fios (Figura 6) é o mais adequado porque usa sondas de corrente separadas para injetar corrente contínua (CC) e sondas de potencial separadas para medir a queda de tensão no corpo de prova.
Em alguns casos práticos, uma medição Kelvin, em que as sondas de corrente e potencial estão separadas por 180°, também é empregada para medir valores de baixa resistência. O uso de qualquer outro método, como o método de dois fios, pode não ser adequado, pois a medição incluirá os valores de resistência de contato das sondas, o que torna os resultados menos seguros.

Figura 6: Método de quatro fios
Teste de proteção contra raios em turbinas eólicas
O teste mais importante em um LPS é testar o condutor da ponta da pá até o condutor de descida dentro do cubo que, por fim, se conecta à rede de aterramento, como mostrado na Figura 5 e representado nas Figuras 7 e 8.

Figura 7: Medição da resistência do condutor de para-raios na ponta da pá

Figura 8: Medição da resistência do condutor de para-raios no cubo da turbina eólica
Esse condutor é submetido a uma tensão significativa à medida que a pá se flexiona com o vento durante a operação normal. Sob tensão, o condutor pode se romper. Infelizmente, não é suficiente verificar apenas a continuidade, pois, se o condutor rompido estiver em contato no ponto de ruptura durante um teste de continuidade, o resultado do teste será equivocado. Por esse motivo, recomenda-se uma magnitude de corrente de teste de 1 A ou mais para esse teste.
O comprimento típico de uma pá de turbina pode ser visto na Figura 9. O tamanho das turbinas representa um problema porque os cabos de teste do ohmímetro de baixa resistência são normalmente muito curtos. Devido ao tamanho das turbinas eólicas, são necessários cabos extralongos, geralmente de até 100 m. Esse é um grande aumento no comprimento em relação aos cabos de teste padrão para ohmímetros de baixa resistência. Os cabos longos devem ser projetados com uma resistência baixa o suficiente para garantir que a medição ainda seja possível. Para conseguir isso, é importante entender o design do instrumento de teste.

Figura 9: Pá de turbina eólica antes da instalação
Alguns instrumentos têm um fator de compensação para permitir a perda de potência em cabos de teste padrão. Ao usar cabos de teste longos, essa compensação não será mais suficiente e o alcance da medição do instrumento será reduzido. Quando a resistência dos cabos de teste aumenta, o valor de R na equação a seguir também aumenta.
P = I2R
Onde:
- R é (resistência da carga) + (resistência dos cabos de teste)
- P é a potência de saída do instrumento de teste
- I é a corrente de saída do instrumento de teste
Como a potência máxima de saída (P) do equipamento de teste não pode mudar, o aumento da resistência do cabo de teste fará com que a corrente máxima (I) seja reduzida. A Tabela 1 mostra como o comprimento do cabo afeta a capacidade de um instrumento de medir baixas resistências. Percebe-se claramente que medições precisas e repetíveis dependerão de uma combinação de corrente de teste, comprimento do cabo e resolução.
Como visto na Figura 10, o desempenho do dispositivo de teste de baixa resistência a 1 A (2,5 W) é o mais adequado para os comprimentos de cabo normalmente empregados para testar LPSs de turbinas eólicas. Para aplicações em turbinas eólicas, é importante usar uma faixa e uma corrente de teste apropriadas, pois é essencial que o comprimento dos cabos de teste seja compatível com o comprimento das pás da turbina eólica.

Resultados
Em um exemplo, o LPS em uma turbina eólica com pás de 32 m (105 pés) foi testado com um ohmímetro de baixa resistência. O instrumento foi usado em seu modo de “cabo de teste longo”, que aplica uma corrente de teste de 1 A e pode medir com precisão até 0,01 mΩ ao usar cabos de teste de 100 m de comprimento (330 pés). Os testes consistiram em medir a resistência do sistema da ponta de cada pá até o cubo e do cubo até a base. O sistema de raios, nesse caso, terminou com hastes de aterramento interconectadas na base da torre da turbina.
Tabela 1: Intervalo da resistência para diferentes magnitudes de corrente de teste em um dispositivo de teste popular de baixa resistência

Cada medição foi feita três vezes para avaliar a repetibilidade. O medidor de variância do instrumento registrou automaticamente três medições seguidas e calculou sua variância. Os resultados brutos desse teste podem ser vistos na Tabela 2; os resultados totais são mostrados na Tabela 3.
Tabela 2: Medições brutas, variância e médias

Tabela 3: Valores e resultados da resistência total

A baixa variância proporciona confiança na medição. No campo, os engenheiros de teste devem tomar todo o cuidado para se manterem seguros e seguirem as práticas recomendadas. Isso fornecerá as melhores medições possíveis.
O fabricante dessa turbina eólica prescreve um nível de aprovação para o sistema de iluminação de 20 mΩ ou menos. Esse teste prova que o sistema de para-raios foi instalado corretamente e está em boas condições de funcionamento. Portanto, essa turbina tem boa proteção contra raios, de acordo com a especificação do fabricante.
Conclusão
Os raios são uma ameaça extremamente prejudicial às turbinas eólicas e, como as instalações de energia eólica continuam a se espalhar pelo mundo, a necessidade de proteger esses ativos está se tornando cada vez mais importante.
Os fabricantes de turbinas eólicas tomam muito cuidado ao projetar sistemas de proteção contra raios, mas os proprietários e operadores de turbinas devem garantir que esses sistemas tenham sido instalados corretamente. Além disso, os proprietários e operadores devem verificar regularmente o sistema de proteção contra raios como parte do programa de manutenção.
O teste e a verificação do sistema de proteção contra raios são baseados principalmente em medições de baixa resistência. Existem alguns desafios para a medição de resistências em nível de miliohm quando se lida com estruturas grandes, como uma turbina eólica, portanto, é necessário estabelecer um equilíbrio entre a energia de teste, a precisão, a resolução e o comprimento do cabo de teste. No entanto, as ferramentas certas para a tarefa tornam esse trabalho simples.
É altamente recomendável tornar a manutenção do sistema de proteção contra raios uma tarefa regular essencial para os proprietários e operadores de turbinas eólicas. Isso minimizará o risco de danos causados por raios e garantirá que esses valiosos ativos sejam protegidos adequadamente.
Sobre os autores
Sameer Kulkarni, PE, é engenheiro de aplicações da Megger. Trabalhou anteriormente na Entergy, na Estação Geradora Nuclear River Bend, como engenheiro de sistemas responsável por distribuição de energia, grandes transformadores de potência e NERC. Sameer obteve seu bacharelado em Mumbai, Índia, e concluiu um mestrado em engenharia elétrica na Universidade Estadual do Arizona. Obteve sua licença de Engenheiro Profissional em junho de 2019 e é membro do IEEE.
O Dr. Ahmed El-Rasheed é diretor de desenvolvimento de negócios da Megger e tem mais de 14 anos de experiência em engenharia elétrica. Ele é membro de várias organizações internacionais de normas e publicou artigos sobre testes de aterramento, testes de isolação e integração de multissensores utilizando IA.
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