The grounding of wind turbines is highly detailed and requires special techniques due to their unique characteristics. So what are these details? What are the considerations when grounding a turbine? Which standards are taken into consideration?
1.Introduction
As in all power plants, grounding is of great importance in wind power plants. Grounding is used effectively to protect plant employees and surrounding living things, to create a safe area by giving leakage currents to the ground, to keep the voltage at certain standards and to minimize the risk of lightning strikes. Wind turbines are more detailed than other structures due to the unique characteristics of the power plant areas where they are installed. These power plants are spread over a very large, isolated and high area and the ground resistance of the area where they are installed is high. In addition, tall turbine towers pose a significant risk of lightning strikes. For these reasons, it is difficult to apply conventional grounding methods to wind turbines and requires special applications.
2. Grounding of Wind Turbines
The long and slightly twisted blades of wind turbines and the isolated and highly resistive areas typical of wind farm locations make wind turbines more dangerous in terms of lightning risk. Considering that most of the irreversible damage to wind turbine blades, generators and control panels is caused by direct lightning strikes or overvoltage, grounding is of great importance in protecting wind turbines from lightning, preventing sudden changes in overvoltage and potential, and thus protecting the wind turbine and surrounding objects.
A typical wind turbine grounding consists of a ring-shaped electrode and metal rods connected to the towers. The vertical and horizontal electrodes used are intended to reduce the earth resistance and prevent overvoltage that may occur.
Figure 1: General grounding diagram of turbines
In turbine towers, the grounding of the main structure as a whole is usually carried out by means of a ring conductor placed 1 meter deep in the foundation and metal rods placed perpendicular to it. The foundation of the steel cage of the turbine tower is also connected to this local network. Thus, equipotential bonding is realized to prevent leakage currents and against the risk of lightning strikes.
Figure 2: Connecting the equipotential rod to the base electrode
Especially in large-scale grounding, the annular electrode acts as a part of the entire system, not just the wind turbine. This annular electrode is also utilized in the uninterrupted grounding of all equipment of the system, which is an important detail in the grounding of wind power plants.
The power cables in the turbines often carry a grounding cable. This ensures that the grounding of each turbine is connected to the other turbines. In addition, horizontal electrodes are placed parallel to the power cables to help reduce earth resistance.
Figure 3: Foundation grounding of a wind turbine
3. Lightning Protection of Wind Turbines
Wind turbines consist of potential equalization, surge and lightning prevention modules and electromagnetic harmonizing protection zones. Thanks to these effective protection zones, the cost of repair, maintenance and protection of wind turbines has gradually decreased, which has pushed manufacturers to build turbines with greater power and to locate them in more efficient offshore locations.
Wind turbine blade struck by lightning due to improper grounding
The 3 main components of wind turbines are protected in various ways.
3.1 Blades: Without a doubt, lightning is the worst enemy of turbine blades. Effects such as high temperatures caused by lightning strikes cause irreversible physical damage to the blades.
Figure 4: Simulation of the current generated by a lightning strike on a 1.5 Megawatt wind turbine. Such huge currents cause irreversible damage to the blades.
To protect the wings from lightning, copper conductors called receptors are placed on the wings. These copper conductors are supported by aluminum conductors along the wing. These conductors are placed on the wings with various composite materials. In general, temperature-resistant fiberglass epoxy resin and gelatinous protective gel are used in the wings. Solid polyurethane is also embedded in this structure for strengthening.
Şekil 5: Genel olarak kanatların yıldırım koruma tasarımı
3.2 Nasel: Nasel için faraday kafesi görevi yapan 5 mm çelik bir levha içinde kanopi üretilmiştir. Bu kısmın arkasındaki meteorolojik aletler ayrı bir paratoner sistemiyle korunmaktadır. Tüm bileşenler dikkatlice topraklanmalıdır ve kontrolör içindeki parafadurlar sayesinde yıldırım düşmelerinin etkileri geçici olarak önlenir.
Özellikle Nasel bölgesinde bulunan aletler yıldırıma karşı çok iyi korunmalıdır. Bu bölümde parafudurların önemi büyüktür.
3.3 Kontrol Bölgesi: Cihazlar doğrudan yıldırım çarpması karşısında ani patlamayı engellemek için mekanik aşırı yükleme ile korunmuştur. Dın rayları, dolap kapıları ve bileşenler içindeki metal kısımlar için de topraklama yapılmalıdır.
4. Rüzgar Türbinlerinin Yıldırımdan Koruma ve Aşırı Gerilim Değişimlerine Karşı Koruma Standartları
4. Rüzgar Türbinlerinin Yıldırımdan Koruma ve Aşırı Gerilim Değişimlerine Karşı Koruma Standartları
Konuyla ilgili standartlar yıldırımdan ve aşırı gerilimden rüzgar türbinleri korumak için oldukça büyük önem taşır. Bu standartlar sayesinde rüzgar türbinlerinin korunmasında ciddi mesafeler kat edinilmiştir.
*IEC61400: Rüzgar türbini jeneratör sistemleri Bölüm-24: Yıldırıma Karşı Koruma
*DIN EN 62305 Yıldırıma Karşı Koruma
*Germanischer Lyold (GL): Rüzgar türbinlerinin sertifikasyonu için yönergeler,2003, elektriksel montaj eki ile 2004:8.9 Denizdeki rüzgar türbinlerinin sertifikasyonu için yıldırıma karşı koruma yönergesi, 2005: Yıldırımdan korumanın elektriksel montajı.
4.1 Koruma Düzeylerinin Tanımı
Bir koruma bölgesinin görevi elektromanyetik ve emisyon bozulmalarının istenilen değerlerde tutulmasıdır. Standartlarda LPZ 0’dan LPZ 3’e kadar değişik koruma bölgeleri tanımlanmıştır.
Şekil 6: Yıldırımdan koruma bölgeli bir rüzgâr türbinin diyagramı
LPZ 0A ve LPZ 0B koruma bölgeleri aşağıdaki bileşenleri içerir.
*Pervane ve iç elemanlar, pervane kanatları
*Türbin muhafazası kapağının dış kısımları, eğer metal muhafaza yoksa muhafaza içindeki tüm donanım jeneratör, sensörler vb.
*Metal olan şalter kutularının dış kısımları metal olmayan şalter kutularının iç kısımları
*Standartlara göre takviye bağlantıları ile teçhiz edilmeyen beton kuleler veya metal olmayan kuleler
*Koruma önlemleri bulunmayan işletim binaları ve transformatör istasyonlarının iç kısımları
*Koruma önlemleri bulunmuyorsa, rüzgar türbini ile işletim binaları veya transformatör istasyonları arasındaki toprak veya havai toprak kablo bağıntıları
LPZ 1 yıldırımdan koruma bölgesi aşağıda bulanan bileşenleri içerir.
* İlgili yıldırım iletimi önlemleri ile birlikte, tamamen metal kaplı türbin muhafazasının iç kısımları
* Uygun bir yöntemle eş potansiyel bağ sistemine bağlı iseler, tüm metal kaplı donanımın iç kısımları
* Yıldırım Çubukları ve uygun iletkenli olduğu takdirde rüzgâr ölçüm donanımı sensörleri
* Donatılarla ilgili standartlara göre dizayn edilen ve temel topraklama elektrotuna bağlı olan beton kuleler ve metal kulelerin iç kısımları
* İnce çelik levhalarla kaplı veya koruma önlemlerine sahip işletim binaları ve transformatör istasyonlarının iç kısımları
* Etkin yıldırım iletimi ve koruma önlemleri alınması koşuluyla, pervane göbeği dahil, pervane kanatlarının iç kısımları
LPZ 2 yıldırımdan koruma bölgesi, girişim etkilerinde ilave azaltmalar yapılması için korumalar eklenmesi durumunda LPZ 1’in donanımlarını içerir.
5.SONUÇ
İyi ve standartlara uyularak yapılan bir topraklama ile hem bakım, onarım, koruma maliyetleri azaltılır, hem de santral güvenliği maksimum düzeye çıkarılır. Geleceğimiz için büyük önem taşıyan rüzgâr enerjisinin bu etkin koruma ve topraklama yöntemleri sayesinde daha güvenilir, daha sürdürebilir ve ekonomik bir enerji kaynağı haline getirmek mümkün olacaktır. Böylece rüzgâr enerjisi diğer enerji kaynakları yanında hak ettiği yeri alabilecektir.
03/06/2024