Menu

Ochrona odgromowa i ppoż. siłowni wiatrowych

   Wiadomości wstępne

Zagrożenie pożarowe turbin wiatrowych różni się znacznie od innych instalacji wytwarzających energię elektryczną. Wysokość turbin, duża ilość łatwopalnych materiałów użytych do budowy gondoli i płatów oraz ich odległa lokalizacja powoduje, że są obiektami trudnymi do ugaszenia, niejednokrotnie skazanymi na całkowite zniszczenie w czasie pożaru. Podstawowym zadaniem ochrony ppoż i odgromowej jest więc zabezpieczenie siłowni wiatrowej przed ryzykiem wystąpienia pożaru, a w przypadku samego pożaru, zminimalizowanie strat i ochronę pracowników. 

Pożar turbiny wiatrowej może wystąpić:

- w gondoli turbiny

- w wieży

- podstacji elektrycznej do której turbina jest przyłączona

Przyczyna powstania pożaru turbiny wiatrowej może być;

- uderzenie pioruna

- zwarcie w urządzeniach elektrycznych

- przepięcie w transformatorze

- powstanie rezonansów w obwodach RC

- pożar od elementów mechanicznych wskutek tarcia (np. uszkodzenie hamulca, brak lub niedostateczne smarowanie, itp.)

- błędy serwisowe

Ryzyko zminimalizowania pożaru może być osiągnięte poprzez:

- stosowanie niepalnych materiałów

- stosowanie systemów wczesnego ostrzegania

- szkolenia personelu i obsługi serwisowej

 

Ochrona Przeciwpożarowa

W 2008 roku zostały opublikowane wytyczne VdS 3523 dotyczące ochrony przeciwpożarowej turbin wiatrowych. W zależności od lokalizacji turbiny (np. "onshore" na lądzie i "offshore" na morzu), budowy turbiny, jej wysokości i mocy, a także sumy ubezpieczenia powyższe przepisy wyróżniają cztery poziomy zabezpieczeń turbin wiatrowych (Tabela). Poziom najniższy "0" wymaga wyposażenia turbiny tylko w urządzenia do wykrywania pożaru i monitorowania pomieszczeń. Począwszy od poziomu "1" wymagane są już urządzenia gaśnicze. Im wyższy poziom, tym większa liczba instalacji i pomieszczeń musi takie urządzenia posiadać. Dobór odpowiedniego poziomu to kwestia umowy pomiędzy inwestorem i zakładem ubezpieczeniowym, a także producentem turbiny.

 

Tabela1. Poziomy zabezpieczeń przeciwpożarowych turbin wiatrowych.

 

 

ŚRODKI minimalizujące ryzyko wystąpienia pożaru

dzielą się na środki ochrony technicznej oraz budowlanej. Podział tych środków przedstawiam w Tabeli 2.

 

Tabela 2. Podział środków ochrony technciznej i budowlanej.

Ochrona przeciwpożarowa turbin wiatrowych
Ochrona techniczna Ochrona budowlana

- Procedury

- Systemy ostrzegawcze

- Systemy alarmowe

- Urządzenia ochrony ppoż. uruchamiane ręcznie

- Urządzenia ochrony ppoż. uruchamiane automatycznie

- Środki dodatkowe

- Informacje dla użytkownika

- Materiały oraz podzespoły

- Wyznaczone strefy pożarowe (np. wieża, gondola, łopaty wirnika)

- Drogi ewakuacyjne

 

 

Materiały użyte do budowy siłowni wiatrowej powinny być w miarę możliwości niepalne. Należy unikać stosowania materiałów takich jak, tworzywa piankowe, polistyren, tworzywa sztuczne wzmacniane włóknami szklanymi. Użyte materiały powinny mieć klasę palności B1 wg DIN 4102 lub klasę C-B wg PN-EN13501-1, w przypadku, gdy nie można ich zastąpić materiałami niepalnymi.

Kable elektryczne użyte do montażu sieci wewnątrz siłowni powinny charakteryzować następującymi cechami:

- nie rozprzestrzeniać ognia w czasie pożaru

- nie wydzielać dużych ilości dymu

Oleje hydrauliczne powinny być niepalne lub posiadać wysoki punkt zapłonu, znacznie przewyższający maksymalne temperatury występujące w systemie. Jakikolwiek wyciek oleju powinien być od razu likwidowany.

Potencjalnymi źródłami zapłonu mogą być:

- prądy piorunowe

- iskrzenie hamulca mechanicznego

- zwarcia, rezonanse i łuki elektryczne w urządzeniach elektrycznych

- gorące powierzchnie (hamulce, łożyska)

Duże zagrożenie stwarzają prace serwisowe z użyciem otwartego ognia, jak spawanie. Jeśli jest to możliwe należy dążyć do wyeliminowania tego typu prac zastępując je połączeniami zimnymi, (np. klejenie, nitowanie) lub opracować specjalną instrukcję serwisową uwzględniająca potencjalne ryzyko pożaru.

 

Systemy wykrywania pożaru

W przypadku turbin wiatrowych maja za zadanie:

- informowanie jednostki sterującej o wystąpieniu zagrożenia wraz z powiadomieniem do miejsca stale nadzorowanego przez człowieka

- uruchomienie urządzeń gaśniczych

- odłączenie turbiny wiatrowej od sieci EE

Systemy monitujące można dalej dzielić na:

- monitorujące przestrzeń

- monitorujące instalacje

 

Monitorowanie przestrzeni - ma zastosowanie wewnątrz gondoli oraz części wieży, jak też zewnętrznego transformatora. Przestrzenie podpodłogowe oraz puste przestrzenie między stropami i sufitem podwieszanym, jak również przestrzenie o dużym obciążeniu ogniowym np. przewody energetyczne powinny być także poddane monitoringowi. Systemy detekcyjne powinny być dobierane z uwzględnieniem ich zastosowania w obrębie turbiny wiatrowej. Pod uwagę powinny być brane nie tylko warunki
środowiskowe, lecz również specyfika pożaru, który może powstać w danym obszarze turbiny.

 

Tabela 3. Przykład doboru czujek do pomieszczeń monitorujących oraz instalacji.

 

 

Monitorowanie instalacji
Urządzenia, które w czasie pracy są zamknięte, zachodzi w nich wymuszony obieg powietrza lub występuje
wysoka wymiana powietrza np.: rozdzielnice oraz falowniki, wymagają oprócz monitorowania przestrzeni, w których się znajdują także monitorowania instalacji. Dobór odpowiednich elementów systemów detekcji pożaru w takim przypadku powinien odbywać się po przeanalizowaniu warunków pracy dla każdej turbiny osobno oraz po konsultacjach z producentem systemu detekcji. Transformatory zawierające olej mineralny powinny być chronione przy pomocy np. przekaźnika Buchholza jako środka dodatkowego do urządzeń monitorujących temperaturę transformatora oraz przestrzeń, w której transformator się znajduje. Jak przestawiono w tablicy 3, największy obszar zastosowania jako czujki monitorujące pomieszczenia
lub instalacje, mają zasysające czujki dymu.

 

Fot. Czujka zasysająca dymu.

 

Zaletą takich urządzeń jest ich wysoka czułość pozwalająca na wykrycie pożaru w jego wczesnym stadium i przez to ograniczające straty nim spowodowane. Czynnikiem ograniczającym zastosowanie takich czujek są zanieczyszczenia pojawiające się w gondoli turbiny, mogące wpływać na wywołanie fałszywych alarmów oraz uszkodzenie czujki. W przypadku wykrycia takiego zdarzenia konieczna będzie podróż osób zajmujących się serwisem do często odległych lokacji turbin w celu naprawy lub sprawdzenia fałszywych sygnałów generowanych przez czujki. Konieczne może być także usunięcie skutków uruchomienia systemu gaśniczego spowodowanego odebraniem fałszywego sygnału o pożarze. Należy więc zwrócić szczególną uwagę na odpowiednią instalację takich czujek minimalizującą występowanie powyższych niedogodności. Interesującym rozwiązaniem są także systemy,
których zadziałanie następuje w przypadku przerwania ciągłości przewodu elastycznego. Urządzenia takie
nie wymagają źródła zasilania zewnętrznego oraz pracują zarówno jako czujniki pożaru jak i urządzenia

ozewia117.jpgFot. Punktowa czujka ciepła (po prawej)


gaśnicze. Wypływ środka gaśniczego następuje w miejscu przerwania ciągłości przewodu, który działa także jako czujka pożarowa. Urządzenia takie działają bez zewnętrznego źródła zasilania, co dodatkowo zwiększa ich niezawodność. Stałe urządzenia gaśnicze stosowane w turbinach wiatrowych.
W celu skutecznej ochrony przeciwpożarowej turbin wiatrowych, wraz z systemem sygnalizacji pożarowej
powinien być także zainstalowany automatyczny system gaśniczy. Ze względu na znaczne odległości od posterunków nadzorowanych przez człowieka, jak również trudności z dotarciem do miejsca pożaru (gondoli) jednostek straży pożarnej po przybyciu na miejsce, ugaszenie rozwijającego się pożaru może nastąpić wyłącznie w wyniku działania stałego urządzenia gaśniczego.

 

Tabela 4. Przykład zastosowania urządzeń gaśniczych

Stałe urządzenia gaśnicze stosowane w turbinach wiatrowych.
W celu skutecznej ochrony przeciwpożarowej turbin wiatrowych, wraz z systemem sygnalizacji pożarowej
powinien być także zainstalowany automatyczny system gaśniczy. Ze względu na znaczne odległości od posterunków nadzorowanych przez człowieka, jak również trudności z dotarciem do miejsca pożaru (gondoli) jednostek straży pożarnej po przybyciu na miejsce, ugaszenie rozwijającego się pożaru może nastąpić wyłącznie w wyniku działania stałego urządzenia gaśniczego.

W tabeli 4. przedstawiono przykład zastosowania typowych systemów gaśniczych w aplikacjach turbiny wiatrowej. W przypadku stosowania stałych urządzeń gaśniczych, należy wziąć pod uwagę następujące czynniki:
- efektywność akcji gaśniczej;
- wymagane stężenie gazu gaśniczego lub odpowiednia ilość wody;
- czas utrzymania stężenia gazu gaśniczego;
- czas działania wodnego środka gaśniczego;
- odciążenia/przepuszczalność pomieszczenia;
- składowanie środka gaśniczego (biorąc pod uwagę jego objętość, wagę itp.);
- miejsce zajmowane przez instalację gaśniczą w gondoli turbiny;
- montaż instalacji;
- serwis;
- niezawodność;
- koszt.
Powyższe czynniki, należy brać pod uwagę wybierając oraz projektując stałą instalację gaśniczą z systemem sygnalizacji pożarowej.


Wady oraz zalety SUG przy zastosowaniu w turbinach wiatrowych
Poniżej przedstawiono krótką charakterystykę stałych urządzeń gaśniczych z uwzględnieniem ich zastosowania w turbinach wiatrowych.

Stałe urządzenia gaśnicze gazowe.
W ich skład, w zależności od stopnia rozbudowania, wchodzą butle ze środkiem gaśniczym (gazem w postaci skroplonej lub lotnej), układy rurociągów, zawory kierunkowe, zawory zwrotne, wyzwalacze pneumatyczne lub elektromagnetyczne, dysze. Urządzenia te mogą być stosowane zarówno do gaszenie
miejscowego, jak również przez całkowite wypełnienie. W przypadku systemów gaśniczych gazowych dla
których akcja gaśnicza odbywa się poprzez wypełnienie całej objętości przestrzeni gaszonej, szczególnym problemem może być także określenie integralności pomieszczenia (tzw. „door fan test”).
Ze względu na stopień skomplikowania podzespołów używanych do budowy SUG gazowych (zawory, wyzwalacze), należy zwrócić szczególną uwagę na ich przydatność przy zastosowaniu w specyficznym środowisku pracy występującym w gondoli turbiny.
Stałe urządzenia gaśnicze wodne.
W przypadku SUG wodnych medium gaśniczym jest woda, która podawana zostaje z zbiorników lub sieci
wodociągowej. W przypadku zastosowaniu SUG wodnych w elektrowniach wiatrowych szczególną uwagę, należy zwrócić na sposób dostarczenia wody do przestrzeni gaszenia. Ze względu na znaczną wysokość gondoli przy pobieraniu wody z sieci wodociągowej, należy stosować pompy dostarczające wodę do gondoli, co zwiększa koszt realizacji inwestycji.
 

Rys. Konstrukcja stałego urządzenia gaśniczego na gaz obojętny.

 

Odmienne rozwiązanie stosowane jest w stałych urządzeniach gaśniczych mgłowych. W tych urządzeniach
medium gaśniczym jest woda rozproszona do stanu mgły. Podawana jest ona pod wysokim lub niskim ciśnieniem na dyszę która rozprasza jej strumień. Wg normy NFPA 750 za mgłę wodną uznaje się strumień wody, gdzie średnice kropel w 99% jej masy są mniejsze od 1 mm. Specyfikacja techniczna CEN/TS 14972 nakłada mniejsze wymagania: 90% całkowitej masy kropel mniejsza od 1mm.
Charakterystyka gaśnicza mgły wodnej, ze względu na rodzaj jej rozdrobienia jest podobna bardziej do SUG gazowych niż do SUG tryskaczowych. Akcja gaśnicza polega głównie na wypieraniu tlenu ze strefy gaśniczej (podobnie, jak w SUG gazowych) oraz na szybkim schładzaniu palącego się materiału.
Należy pamiętać, że SUG mgłowe powinny być wcześniej przebadane w skali naturalnej pod względem
skuteczności gaszenia oraz niezawodności działania. Szczególna uwaga powinna być zwrócona na kwestie stosowania powyższych urządzeń w temperaturach ujemnych (problem zamarzania wody w czasie zimy).
Stałe urządzenia gaśnicze pianowe
Stałe urządzenia gaśnicze pianowe działają na zasadzie dostarczania roztworu środka pianotwórczego do strumienia wody, a następnie wyładowanie tego środka przez odpowiednio ukształtowaną dyszę, co powoduje generowanie piany gaśniczej. Piana gaśnicza powoduje efekt chłodzenia pożaru oraz zabezpiecza materiały palne znajdujące się w pobliżu pożaru przed nagrzewaniem przez
promieniowanie cieplne pożaru. W zależności od liczby spienienia rozróżniamy piany: lekkie, średnie oraz ciężkie. Urządzenia te nadają się do gaszenia cieczy palnych (piana ciężka), wypełniania przestrzeni zamkniętych (piany średnie oraz piany lekkie). Piany gaśnicze (podobnie jak urządzenia gaśnicze
wodne), ze względu na przewodność elektryczną, nie powinny być stosowane w urządzeniach, w których istnieje ładunek elektryczny, nawet gdy nie są one podłączone bezpośrednio do napięcia np. kondensatorów o wysokich pojemnościach. Zwiększenie szybkości generowania piany gaśniczej,
a co za tym idzie także gaszenia pożaru może zostać osiągnięte poprzez dodanie sprężonego powietrza do roztworu pianotwórczego.
Urządzenia gaśnicze proszkowe
Ze względu na skutki jakie może spowodować zastosowanie proszków gaśniczych, szczególnie w stosunku do elektroniki, nie jest zalecane stosowanie tego typu urządzeń do gaszenia turbin wiatrowych.
Urządzenia gaśnicze aerozolowe Ze względu na brak dokładnych danych dotyczących
niezawodności oraz skuteczności gaśniczej jak również skutków gaszenia generatorami aerozolu gaśniczego ich stosowanie nie jest zalecane.


Ze względu na specyficzne warunki pracy stałych urządzeń gaśniczych w turbinach wiatrowych, firmy zajmujące się ochroną przeciwpożarową opracowują własne wytyczne dotyczące badan tych urządzeń. Pod uwagę powinny być brane warunki nie występujące w powszechnych miejscach zastosowania SUG, np.: wibracje, wysokie zapylenie, duże różnice temperatur występujące w czasie eksploatacji turbin,
znaczna wilgotność (nawet powyżej 95%). Również projektowanie SUG powinno brać pod uwagę specyfikację turbin np. nieszczelności, nasycenie materiałami dla których, należy stosować różne metody gaszenia. Powyższe czynniki mogą spowodować wzrost współczynnika bezpieczeństwa używanego przy projektowaniu stężenia gaśniczego dla instalacji gazowych do poziomu nie określonego przez żaden standard projektowania.

 

Drogi ewakuacyjne.

 

Rys. Drogi ewakuacyjne w siłowni wiatrowej

 

 

Wieże elektrowni wiatrowych wyposażone są w dwa systemy komunikacyjne umożliwiające dotarcie do gondoli. Jednym z nich jest system drabinowy, wykorzystujący do asekuracji urządzenia samozaciskowe ze sztywną prowadnicą. Są to urządzenia w postaci suwaka przesuwającego się po profilu lub linie stalowej, wyposażone w amortyzator, który ma za zadanie pochłonięcie energii upadku. W razie braku urządzeń samozaciskowych (stanowiących zazwyczaj wyposażenie osobiste pracowników technicznych), do asekuracji podczas poruszania się po drabinie można wykorzystać lonżę asekuracyjną z karabinkami o dużym prześwicie. Pamiętać jednak należy, że bezpiecznymi punktami wpięcia w drabinę są tylko te szczeble, przez które przechodzi śruba gwarantująca wytrzymałość wymaganą normami bezpieczeństwa. Drugim systemem komunikacyjnym stosowanym w elektrowniach wiatrowych jest podest ruchomy zaliczany do urządzeń bliskiego zasięgu. Jest to jeden z rodzajów dźwigu osobowego poruszającego się po linach stalowych lub prowadnicach drabin, umożliwiający transport dwóch osób wewnątrz wieży. Niestety do działań ratowniczych wykorzystanie ich jest bardzo ograniczone.



Gondola jest elementem elektrowni wiatrowej, w którym istnieje największe ryzyko utraty życia i zdrowia. Wynika to z faktu, że znajduje się w niej większość urządzeń niezbędnych do produkcji energii elektrycznej, które jednocześnie są najczęstszymi źródłami zagrożeń. W razie wystąpienia niebezpieczeństwa w gondoli pracownicy mają do wyboru kilka możliwości ewakuacji. Pierwszą z nich będzie ucieczka do wieży, a następnie zejście w dół po drabinie. Przeszkodą mogą być problemy z odnalezieniem wyjścia z gondoli do wieży, ponieważ nierzadko znajduje się ono pod skrzynią przekładniową i przeciśnięcie się w tej niewielkiej przestrzeni sprawia dużo trudności nawet w normalnych warunkach.

W przypadku silnego zadymienia w wieży, uniemożliwiającego wykorzystanie tej drogi do ewakuacji, producenci elektrowni wiatrowych przewidzieli opuszczenie gondoli przez luk ewakuacyjny z wykorzystaniem urządzeń ratowniczych. Luki ewakuacyjne zlokalizowane są najczęściej w tylnej części gondoli po przeciwległej stronie w stosunku do wirnika. Nad nimi znajdują się oznakowane żółtym kolorem stanowiska ratownicze, spełniające wymagania norm wytrzymałościowych. W razie ich braku stanowisko należy zbudować z pętli taśmowych (np. na elementach konstrukcyjnych wciągarki mechanicznej), przestrzegając zasady, aby kąt zawarty między nimi nie przekraczał 90º.

Urządzenia ratownicze stanowią obowiązkowe wyposażenie każdej elektrowni wiatrowej. Mimo różnorodnych rozwiązań technicznych, ich wspólną cechą jest możliwość jednoczesnego opuszczenia dwóch osób ze stałą prędkością 0,8-0,9 m/s. Z założenia służą do ewakuacji pracowników, większość tych urządzeń może być jednak wykorzystana również do celów ratowniczych. Jeśli opuszczana osoba zaczepi się o element konstrukcyjny lub lina splącze się w węzeł, możliwe jest jej podciągnięcie za pomocą mechanizmu przekładniowego. Urządzenia ewakuacyjne mogą być również wykorzystywane jako przyrządy zjazdowe.

Kolejnym kierunkiem ewakuacji, możliwym do zastosowania w niektórych elektrowniach wiatrowych, jest zjazd z wykorzystaniem urządzenia ewakuacyjnego bezpośrednio z wnętrza wirnika. Pozwala na to zastosowanie w obudowie piasty stałych lub tworzonych na potrzeby ewakuacji otworów, pozwalających na wydostanie się na zewnątrz. Poważnym utrudnieniem w realizacji tej metody ewakuacji jest dotarcie do wnętrza piasty (najczęściej są to bardzo wąskie i ciasne przestrzenie) oraz konieczność całkowitego unieruchomienia wirnika, ponieważ zjazd odbywa się w płaszczyźnie obrotu łopat.

 

 

Fot. Ewakuacja z gondoli przez luk ewakuacyjny

 


Ostatnim sposobem ucieczki z turbiny wiatrowej jest ewakuacja z dachu gondoli. To najtrudniejsza i najniebezpieczniejsza z metod, ponieważ opuszczenie się przez krawędź dachu w połączeniu z dużą wysokością i zmiennymi warunkami atmosferycznymi bywa często przeszkodą nie do przejścia, nawet dla doświadczonych pracowników.

Ewakuacja poszkodowanego na zewnątrz turbiny możliwa jest przez luk ewakuacyjny, bezpośrednio z wnętrza wirnika (nie we wszystkich modelach) oraz z dachu gondoli. Na bezpieczeństwo ratowników i poszkodowanych ogromny wpływ mają w tym przypadku warunki atmosferyczne. Szczególne zagrożenie pojawia się przy dużym wietrze i wyładowaniach atmosferycznych.

Ze względów bezpieczeństwa producenci elektrowni wiatrowych zabraniają pracownikom przebywania wewnątrz turbiny, gdy prędkość wiatru przekracza 10-15 m/s. Prowadzenie ewakuacji w takich warunkach grozi pojawieniem się zjawiska wahadła – poszkodowany uderza wówczas o wieżę lub okręca się wokół niej. Wyjściem w tej sytuacji jest zastosowanie liny kierunkowej, która całkowicie eliminuje takie zagrożenie.

 

Ochrona odgromowa siłowni wiatrowych

 

Siłownie wiatrowe należą do obiektów wybitnie narażonych na porażenie wyładowaniem atmosferycznym. Badania przeprowadzone przez Uniwersytet w Kilonii wykazały, ze siłownia o mocy 5 MW wykazuje 60% prawdopodobieństwo uderzenia pioruna w ciągu roku. Zgodnie z przepisami normy DIN EN 62305 (VDE 0185-305):2006-10, siłowni budowane w na lądzie podelgaja II klasie ochrony i wymagaja zabezpieczeń ogromowych wytrzymujących wyładowania o natężeniu do 150 kA, natomiast siłownie budowane w strefie przybrzeżnej podlegają I klasie ochrony i muszą posiadać zabezpieczenia do 200 kA.

Niezależnie od producenta konstrukcja każdej siłowni wiatrowej jest taka jak na rys. obok. W stacji transformatorowej która może być zlokalizowana wewnątrz siłowni wiatrowej lub w bezpośredniej jej bliskości, następuje transformacja napięcia z wysokiego na średnie. Turbiny wiatrowe posiadaja obecnie cały szereg zabezpieczen sterowanych elektrycznie, które muszą być cały czas dostępne i działać niezawodnie, jak np. zabepieczenie przed zbyt silnym wiatrem unieruchamiające turbinę, ochrona przed oblodzeniem, sygnalizacja świetlna itp. Obecnie stosowane łopaty turbin wiatrowych budowane są z włókien szklanych wzmacnianych żywicami epoksydowymi lub poliestrem. Aby wzmocnić strukturę powierzchni płatów stosuje się również kevlar. Sprawia to, że płaty elektrowni wiatrowych są zdecydowanie lżejsze od stalowych i aluminiowych, a co za tym idzie są bardziej wytrzymałe. W czasie silnych wyładowań atmosferycznych najbardziej narażonymi na uderzenie pioruna są łopaty wirnika, gondola oraz wszystkie urządzenia na niej zainstalowane, np. czujnik pomiaru wiatru czy instalacja oświetleniowa. Przepływ wyładowania atmosferycznego może nastąpić przez wszystkie urządzenia zamontowane w gondoli (rys.). W celu ochrony przed

 

Rys. Przykładowa droga przepływu wyładowania
atmosferycznego przez urządzenia elektrowni wiatrowej; a -
łożyska główne, b - przekładnia, c - generator, d - droga przepływu wyładowania
  

 

wyładowaniem konieczne jest zatem stosowanie w konstrukcji elektrowni wiatrowej materiałów przewodzących, które zapewnią skuteczne odprowadzenie prądu wyładowania atmosferycznego z miejsca trafienia do ziemi. Często takie elementy jak gondola czy wieża nie wymagają dodatkowych systemów odgromowych, jednak jeśli zbudowane są z materiałów nieprzewodzących konieczne jest zainstalowanie instalacji odgromowych. Najbardziej narażone na bezpośrednie uderzenie pioruna są łopaty wirnika. Ponieważ obecnie budowane są one z materiałów nieprzewodzących stąd konieczne jest zapewnienie przewodzenia łopat. W tym celu stosuje się kilka rozwiązań technicznych (rys.), które sprowadzają

 

Rys. (po prawej) Stosowane rozwiązania dla przewodzenia prądu przez łopaty; a - przewód odprowadzający, b - przewód miedziany lub
stalowy, c - siatka metalowa
  

 

wyładowanie atmosferyczne z łopaty do piasty wirnika. Standardowy system ochrony odgromowej turbiny wiatrowej opiera się na dwóch czynnikach: wytrzymałości
elektrycznej struktury płata i połączonych szeregowo receptorów wyładowania piorunowego montowanych na zewnątrz płata. Jednak wytrzymałość elektryczna łopatek turbiny w sposób naturalny zmniejsza się z wiekiem. Uszkodzenia spowodowane przez wyładowania w pobliżu mogą zmniejszyć wytrzymałość elektryczną prawie do zera. W rezultacie, system ochrony przed wyładowaniami zmniejsza swoją skuteczność, podczas gdy prawdopodobieństwo uszkodzenia wzrasta prawie wykładniczo. Aby przedłużyć żywotność łopatek turbin wiatrowych po wyładowaniu (uszkodzeniu), receptory muszą być naprawione, a wytrzymałość elektryczna łopatek przywrócona. Należy odłączyć końcówkę ostrza łopaty oraz zainstalować nową strukturę kompozytową, co jest drogie i czasochłonne. Zastosowanie segmentowych odgromników to rozwiązanie prostsze oraz bardziej efektywne kosztowo. Segment składa się z szeregu małych receptorów metalowych (o grubości ok. 0,3 mm). Segmentowe
odgromniki zwiększają skuteczność istniejących receptorów i chronią już zdegradowane ostrza łopaty. W obecności
najbliższego wyładowania lub bezpośredniego uderzenia pioruna, metalowe styki kierują energię wyładowania do
istniejącego systemu receptora
- z dala od struktury płata wirnika.   Strefowa koncepcja ochrony odgromowej i przepięciowej (LPZ - ang. Lightning Protection Zone) to
optymalne rozwiązanie dotyczące tworzenia ochrony przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym. Ogólne wytyczne zawarte są w normie PN-EN 62305.

 

Rys. Standardowy system ochrony odgromowej (A) oraz odgromowa z segmentowym odgromnikiem (B); a - wyładowanie atmosferyczne, b - receptor wyładowania, c - przewód odprowadzający, d - odgromnik segmentowy  

 

Na urządzenia elektryczne i elektroniczne zainstalowane w każdym obiekcie, w tym również elektrowni wiatrowej, który
znajduje się w strefie działania udaru piorunowego, oddziaływać mogą udary zakłócające o różnym kształcie i amplitudzie. Podobne zagrożenie mogą wprowadzać udary dochodzące do urządzenia liniami zasilania lub przesyłu sygnałów. Mogą być także spowodowane poprzez innego
   rodzaju zakłócenia, np. stany nieustalone w sieciach energetycznych. Dlatego też przestrzeń chroniona elektrowni wiatrowej powinna być podzielona na strefy ochrony odgromowej (LPZ) w celu wyznaczenia przestrzeni o różnej intensywności działania impulsu elektromagnetycznego i ustalenia punktów połączeń na granicy stref   

 

Rozmieszczenie stref ochrony odgromowej 

 

 

Rys. Rozmieszczenie stref ochronnych

 

Strefy charakteryzują się zasadniczą zmianą warunków lektromagnetycznych na ich granicach. Przechodząc z jednej strefy do drugiej przepięcia oraz
impulsowe pole elektromagnetyczne są ograniczane do wartości dopuszczalnych w danej strefie. W normie zostały określone dopuszczalne wartości parametrów
charakteryzujących impulsowe pole elektromagnetyczne oraz wartość przepięcia i przetężenia jakie mogą dochodzić do urządzeń pracujących wewnątrz danej strefy. Przestrzeń
chronioną dzieli się na kilka stref. Strefa 0A (LPZ 0A) to strefa, w której urządzenia elektryczne i elektroniczne są narażone na bezpośrednie uderzenie pioruna (znajduje się ona na zewnątrz siłowni wiatrowej). Strefa 0B (LPZ 0B) to strefa, w której urządzenia elektryczne i elektroniczne nie są już narażone na bezpośrednie wyładowanie atmosferyczne. Występuje w niej jednak nietłumione pole elektromagnetyczne oraz udary napięciowe i prądowe indukowane przez prądy piorunowe.
Strefa 1 (LPZ 1) to obszar w którym urządzenia nie są narażone na bezpośrednie wyładowanie piorunowe i prądy
we wszystkich znajdujących się w niej częściach przewodzących są zredukowane w stosunku do prądu w strefie 0B. Jeżeli jest wymagane dodatkowe zmniejszenie prądów przewodzonych oraz pola elektromagnetycznego to powinny być wprowadzone następne strefy (LPZ 2, itd.). Wymagania tych stref powinny być dopasowane do wymagań zainstalowanych w nich urządzeń.
  

 Wszystkie części przewodzące oraz linie elektroenergetyczne i telekomunikacyjne wchodzące do kolejnych stref LPZ powinny być na ich granicy połączone. Połączenie powinno być wykonane za pomocą lokalnej szyny wyrównawczej, do której należy także przyłączyć elementy ekranujące lub inne lokalne przedmioty metalowe (np. obudowy wyposażenia). W związku z tym ochrona przeciwprzepięciowa elektrowni wiatrowej na wypadek wyładowania bezpośredniego lub w jej pobliżu jest
standardem. W celu wyznaczenia miejsc, w których konieczne jest zamontowanie ograniczników przepięć, elektrownia wiatrowa musi być podzielona na strefy. Klasyfikacja ta jest opisana w normie PN-EN 62305. Podział turbiny wiatrowej na strefy zgodnie z tą klasyfikacją przedstawiono na rysunku po lewej. W elektrowni wiatrowej ochrony wymagają następujące obszary: - zasilanie piasty i linie sygnałowe łączące gondolę i piastę,

1- oświetlenie ostrzegawcze dla samolotów,

1- stacja pogodowa,

2- układ sterowania i zasilanie gondoli,

3- ochrona płatów

4- ochrona generatora,

5- ochrona inwertera

6- ochrona rozdzielnicy i panelu kontrolnego

7- ochrona syste,u przesyłowego

8- ochrona głównego zasilania

 

Rys. Rozmieszczenie elementów ochronnych

 

 

Uziemienia elektrowni wiatrowych
Do instalacji uziemienia elektrowni wiatrowej wykorzystuje się zbrojenie konstrukcyjne fundamentów wieży. Jest to istotne również ze względu na mniejsze zagrożenie instalacji uziemieniowej korozją. Uziemioną stopę wieży oraz uziemienia wszystkich znajdujących się w pobliżu obiektów i budynków należących do elektrowni
wiatrowej łączy się ze sobą, dzięki temu uzyskuje się cały system sieci uziemień. Połączenia takie mają na celu
zapewnienie bezpieczeństwa osób przebywających w
pobliżu elektrowni wiatrowej, szczególnie przed

 

Rys. Rozmieszczenie uziomów elektrowni wiatrowej, gdzie: a - wieża, b - zbrojenie, c - kanał kablowy, d – uziomy otokowe, e - przewód uziemiający, f - uziom fundamentowy stacji elektroenergetycznej  

 

porażeniem w wyniku możliwego pojawienia się napięcia krokowego. W związku z tym istotne jest odpowiednie zaprojektowanie uziomu otokowego, który powinien w sposób prawidłowy sterować rozkładem potencjału wokół elektrowni wiatrowej. Projektowanie i realizacja systemów uziemień farm elektrowni wiatrowych, zwłaszcza w pasie nadmorskim, może sprawiać wiele trudności. Dlatego na gruntach o małej rezystywności często uzupełnieniem uziomu fundamentowego może być uziom sztuczny w postaci otoku lub kilku otoków (rys. powyżej). Dodatkowo, w przypadku
rozległych farm wiatrowych łączy się uziomy poszczególnych elektrowni ze sobą. Takie poziome uziomy między elektrowniami w skuteczny sposób obniżają rezystancję uziemienia i zapewniają bezpieczną ochronę przeciwporażeniową.  

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});