Всё выше, и выше, и выше становятся ветряки – ветроэнергетические установки (ВЭУ), ведь увеличение высоты такой конструкции даже на 1 м дает дополнительно до 1% годовой выработки электроэнергии из-за большей скорости ветра и снижения турбулентности.
Сегодня башни ВЭУ приближаются к 200 м, а мощность одной установки достигает 18 МВт. Но чем выше и производительнее становятся ВЭУ, тем уязвимее они для молний: в мире именно с молниевыми разрядами сегодня связана практически четвертая часть всех повреждений, полученных ветроустановками.
С каждым годом, благодаря господдержке и удешевлению технологий, растет количество различных ветроустановок: от микроВЭУ до гигантских, оснащенных АСУ, силовой электроникой, умными датчиками и другими современными устройствами. Многие из ветроустановок входят в состав энергокомплексов, связаны с магистральными и распределительными сетями. А значит, проблема защиты ВЭУ от атмосферного электричества актуальна как никогда.
Нормативная база
Требования к молниезащите ВЭУ и ветроэнергетических станций (ВЭС) содержит ГОСТ Р 54418.24-2023 (модифицированная версия стандарта МЭК 61400-24:2019). Основной текст документа посвящен промышленным ВЭУ, а указания по молниезащите установок малой мощности приведены в приложении А.
Выбор конкретных решений по молниезащите должен быть рациональным, экономически обоснованным. Поэтому в ГОСТ Р 54418.24-2023 включены правила оценки возможного воздействия молнии на объект (ВЭУ). Они помогают оценить риск проще и быстрее, чем методики, приведенные в ГОСТ Р МЭК 62305-2.
Кроме ВЭУ, в состав ветроэлектростанций (ВЭС) входят другие сооружения (ПС, ОПУ, ДГУ и др.), а также административные и вспомогательные здания, которые тоже необходимо защитить от воздействия тока молний. Проектные решения могут базироваться на российских стандартах по молниезащите, идентичных международным нормативам серии МЭК 62305. Можно использовать также стандарты организаций, рекомендации ПУЭ, инструкций по молниезащите РД 34.21.122-87 и СО 153-34.21.122-2003.
При проектировании заземляющих устройств для низковольтных электроустановок нужно руководствоваться новым нормативным документом: с 01.08.2024 в действие введен ГОСТ Р 50571.5.54-2024 – модифицированная версия стандарта МЭК 60364-5-54:2021.
Молниеприемники и токоотводы для ВЭУ
ВЭУ – высотные конструкции, в состав которых входят башни или опорные мачты, лопасти, ступицы, гондолы и другие элементы. Для них удары молнии опасны в разной степени.
Трубчатые и решетчатые стальные башни ВЭУ сами служат молниеприемниками и токоотводами. Причем трубчатая башня представляет собой по сути клетку Фарадея и экранирует размещенное внутри нее оборудование, защищая его от электромагнитного воздействия тока молнии. В башне из железобетона для отвода тока молнии может служить стальная арматура. Башни из нетипичных для ветроэнергетики материалов, экспериментальных, таких как клееный брус, потребуют установки традиционных стержневых молниеприемников и стальных токоотводов.
Клеткой Фарадея является и чугунная ступица больших ВЭУ. При этом стекловолоконный обтекатель ступицы рекомендуется защищать металлической молниеприемной конструкцией.
Лопасти турбин – углепластиковые либо композитные – имеют острый аэродинамический профиль и, как любой острый предмет, усиливают электрическое поле, образуя корону. Коронный разряд переходит в стримерную форму, что инициирует встречный лидер и во время грозы делает лопасти очевидной мишенью для молнии. Результатом удара может быть, например, расслоение, которое не всегда можно вовремя заметить. Молниеприемники размещают на тех участках лопастей, где может возникнуть встречный лидер. Они могут быть также частью конструкции лопасти.
В то же время у малых ВЭС (ометаемая площадь винта – до 200 м2), согласно п. 10.2 ГОСТ Р 54418.2-2014, лопасти ветроколеса защищать не нужно. Считается, что этой части малой ветроустановки удары молнии не наносят существенного ущерба.
Гондола с точки зрения молниезащиты – самый уязвимый элемент ВЭУ. Практически всё оборудование, размещенное в гондоле, необходимо защитить от тока молнии: генератор, электрическую систему, электронные устройства (контроллеры, промышленные компьютеры, датчики и др.), гидравлическую систему, в которой может загореться масло, механическую часть, где нельзя допустить оплавления подшипников и других компонентов. Для перехвата и безопасного отвода разряда над поворотной головкой рекомендуют устанавливать стержневые молниеприемники, которые соединяют гибким токоотводом с неподвижной частью башни.
Ключевое звено внутренней системы молниезащиты ВЭУ любого масштаба – УЗИПы, защищающие оборудование от импульсных перенапряжений. Без такой защиты удар молнии в ВЛ, связанную с отдельной ветроустановкой или с ВЭС, выведет из строя технику, чувствительную к перенапряжениям. Если прямой удар молнии придется непосредственно в ВЭУ, то без УЗИПа, установленного на вводе проводов от ветрогенератора (до выпрямителя-контроллера), пострадают электроприборы, подключенные к незащищенной линии.
Заземлители для ВЭУ
Заземляющее устройство должно обеспечивать защитное, функциональное и молниезащитное заземление ветроустановки, включая генератор, инвертор, трансформаторы, АСУ, накопители и другое оборудование ВЭУ. Оптимальное решение – фундаментный заземлитель.
Если фундаментное заземление ВЭУ невозможно или оно не обеспечивает необходимое сопротивление растеканию, используют внешние заземлители. Для этого стальными полосами соединяют в кольцевую конструкцию вертикальные электроды, например модульно-штыревые из стальных стержней, последовательно соединяемых резьбовыми муфтами. Стержни изготавливаются из нержавеющей стали либо из стали с антикоррозионным покрытием – цинковым, которое нанесено термодиффузионным методом, или медным. Такие заземлители могут служить десятилетиями: оцинкованные – до 40 лет, омедненные – до 70, а из нержавейки – до 100.
Одно из преимуществ глубинных заземлителей в том, что они обеспечивают постоянное нормированное сопротивление растеканию в течение всего года, несмотря на засуху или мороз. Схожий результат в многолетнемерзлых, каменистых, песчаных и других высокоомных грунтах дают электролитические заземлители. Смесь минеральных солей из перфорированной трубки-электрода выщелачивается в прилегающий слой земли, увеличивая тем самым его круглогодичную электропроводность и снижая сопротивление заземления до нужного уровня.
Для мобильных быстромонтируемых ВЭУ целесообразно использовать многоразовые заземлители, соответствующие требованиям ГОСТ 16556-2016 и предназначенные специально для передвижных электроустановок.
Каждый год мы узнаем о новых рекордах мировой ветроэнергетики: мачты ветряков становятся выше, размах лопастей – больше, растут мощности установок и площадь ветропарков, увеличивается доля ВЭУ в энергобалансе. Без эффективной молниезащиты здесь не обойтись, особенно в районах, для которых надежная работа ВЭУ – фактор энергетической безопасности.