Turbine gió (Wind turbines) là một thiết bị chuyển động hoạt động dựa trên nguồn năng lượng của gió để tạo ra công suất cơ học, đây là một trong các phương thức sử dụng nguồn năng lượng tái tạo để sản xuất điện năng hoặc các chức năng khác mà không sản sinh khí thải gây hại cho môi trường.
Với kết cấu đặc thù cao (trên 60m) khiến turbine gió luôn nằm trong các mối nguy sét tác động vì vậy trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu cách bảo vệ các Turbine gió khỏi rủi ro từ sét.
1. Tổng quan về Turbine gió
1.1 Tầm quan trọng của việc bảo vệ turbine gió
Thiệt hại trực quan từ sét đánh như hỏng cánh, các bộ phận cơ khí, các hệ thống điện, điều khiển do việc nhập khẩu linh kiện thiết bị, vận chuyển, thay thế có thể khiến các turbine gió ngưng hoạt động trong nhiều tháng. Ngoài các thiệt hại trực quan, có những tác động của sét gần như vô hình và tăng dần mức độ theo thời gian, làm suy giảm tuổi thọ điện – điện tử – cơ biến dạng bề mặt trên ổ trục, trục truyền động, hộp số gây ma sát sinh nhiệt, sai lệch tín hiệu đo lường, điều khiển.
Các tác động nhỏ sẽ dần tích tụ, khi chạm đến ngưỡng chịu đựng của hệ thống có thể gây ra các thiệt hại vĩnh viễn cho turbine gió, khiến những bài toán hoàn vốn đầu tư không còn khả thi.
1.2 Phương pháp bảo vệ Tuabine gió
Với các kết cấu có chiều cao trên 60m như turbine gió, khi thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét ngoài xem xét tia sét hướng xuống (downward leader) còn phải tính đến tác động của các tia sét hướng lên (upward leader). Tia sét hướng lên với điện tích cao cần được đặc biệt chú ý tới để lựa chọn các thiết bị với độ chịu bào mòn, ngưỡng nóng chảy phù hợp trong quá trình thiết kế hệ thống chống sét trực tiếp và lan truyền.
IEC 61400-24 (EN 61400-24) khuyến nghị nên áp dụng cấp bảo vệ cao nhất (LPL I) đối với toàn bộ các thành phần thuộc turbine gió, trừ khi các tính toán đánh giá cho thấy mức độ rủi ro có thể gặp phải của turbine gió phù hợp với cấp độ bảo vệ thấp hơn cấp I.
Đánh giá phân tích rủi ro có thể xảy ra kết hợp phân tích thiết kế, cấu trúc của turbine góp phần giúp phân chia không gian bên trong turbine gió thành các vùng bảo vệ chống sét (LPZ) được tối ưu hơn. Kết hợp việc phân chia LPZ hợp lý và các phương pháp che chắn, bảo vệ chống xung là yếu tố quyết định việc bảo vệ hiệu quả các thiết bị điện, điện tử.
Phương pháp quả cầu lăn được sử dụng giúp xác định LPZ0A là phần của turbine gió có khả năng bị tác động bởi các cú sét đánh trực tiếp, LPZ0B là phần được bảo vệ khỏi các cú sét đánh trực tiếp bằng hệ thống kim thu sét bổ sung hoặc hệ thống kim thu sét được tích hợp và được coi như một bộ phận của turbine gió (cánh quạt).
Vỏ turbine và thân tháp dạng ống thường được thiết kế kín bằng kim loại bên ngoài, cải tạo lớp vỏ này trở thành một lồng Faraday tự nhiên giúp bảo vệ che chắn các thiết bị bên trong turbine.
Các thành phần khác như hệ thống truyền động và hộp số, hệ điều chỉnh hướng đón gió của turbine (Yaw), góc đón gió của cánh (Pitch) cũng có thể ở trong tuyến dẫn dòng điện sét vì thế cần phải được bảo vệ.
Tổng quan, hệ thống chống sét trực tiếp cho turbine có nhiệm vụ bảo vệ các thành phần chính:
– Cánh quạt (IEC 61400-24/EN 61400-24 mô tả chi tiết cách để bảo vệ và làm sao kiểm chứng được hiệu quả của hệ thống chống sét trực tiếp)
– Vỏ turbine (Nacelle) và các thành phần kết cấu khác như hub, mũ cánh, cột tháp
– Hệ thống truyền động cơ khí và xoay turbine gồm vòng bi, hệ thống thủy lực
Đối với chống sét lan truyền cần đảm bảo hệ thống điện hạ áp, hệ thống điện tử, hệ thống cao áp, hệ thống thông tin của turbine đều được bảo vệ.
xem thêm bài viết về Khoảng cách ly trong hệ thống chống sét
2. Chống sét trực tiếp cho Turbine gió
Hệ thống chống sét trực tiếp cho turbine cần đảm khả năng ngăn chặn các cú sét trực tiếp tác động vào các thiết bị bên trong turbine, dẫn và phân tán dòng sét xuống đất mà không gây ra các thiệt hại về nhiệt, phóng điện, ngăn ngừa các thiệt hại liên quan đến cháy nổ.
Sử dụng phương pháp quả cầu lăn với bán kính r = 20m tương ứng mức bảo vệ cấp I (LPL I) cho turbine gió (ngoại trừ cánh quạt) giúp định vị hệ thống kim thu sét.
Đối với vỏ turbine sử dụng chất liệu kim loại, sử dụng lớp vỏ tạo thành lồng Faraday tự nhiên giúp bảo vệ turbine vì thế cần thực hiện liên kết đẳng thế giữa hệ thống kim thu sét với vỏ turbine, trường hợp vỏ turbine được phủ sợi thủy tinh bao bọc bên ngoài hoặc thân tháp được kết hợp giữa kim loại và bê tông thì cần thiết kế thêm hệ thống dây thoát sét tạo thành lồng Faraday (theo IEC 61400-24/EN 61400-24) và liên kết với kim thu sét.
Ngoài ra các bộ phận kim loại khác của turbine như ổ trục, vòng bi, hộp số, hệ thống xoay turbine, hệ thống dẫn động, truyền động thủy lực… Tất cả đều cần được bảo vệ.
Cánh turbine (IEC 61400-24/EN 6400-24 mô tả chi tiết cách để bảo vệ và làm sao chứng minh được hiệu quả của hệ thống chống sét trực tiếp) là bộ phận chịu tác động đầy đủ của trường điện liên quan đến quá trình sét đánh, dòng điện sét và trường từ kết hợp với dòng điện sét, các cánh turbine cần được đặt trong LPZ0A theo IEC 62305-1 và phải được bảo vệ thích hợp.
Các công cụ định vị hệ thống kim thu sét (quả cầu lăn, góc bảo vệ…) được mô tả trong IEC 62305-3 không được áp dụng cho các cánh turbine gió thay vào đó cánh quạt của turbine được tích hợp sẵn kim thu sét ở phần ngọn từ nhà sản xuất, do vậy thiết kế hệ thống kim thu sét cho cánh phải được kiểm tra theo IEC 61400-24 phần 8.2.3 (TCVN 10687-24 phần 8.2.3).
Cánh quạt cần được liên kết đẳng thế với phần gốc cánh quạt và vỏ turbine nhằm đảm bảo khi bị sét tác động, dòng sét sẽ di chuyển bên trong cánh quạt thông qua liên kết, đi ra vỏ turbine sau đó xuống tháp và xuống bãi tiếp địa.
Vỏ turbine (Nacelle) và các thành phần kết cấu khác như hub, mũ cánh, cột tháp: Phải được bảo vệ bằng cách sử dụng bản thân các kết cấu kim loại lớn làm kim thu sét, liên kết đẳng thế, vỏ che chắn và dẫn dòng điện sét xuống đất. Cần các thành phần bảo vệ chống sét bổ sung như hệ thống kim thu sét bảo vệ các thiết bị đo khí tượng và đèn cảnh bảo máy bay trên vỏ turbine.
Xem thêm bài viết Chống sét trực tiếp cho điện mặt trời áp mái
3. Hệ thống tiếp địa cho Turbine gió
Hệ thống tiếp địa cho turbine gió cần đảm bảo khả năng dẫn và phân tán dòng sét khi có cú sét tác động giúp turbine không bị phá hủy, bảo vệ sinh vật (con người, động vật) trên mặt đất không bị ảnh hưởng bởi các rủi ro về nhiệt và lực điện động.
3.1 Phương pháp bố trí hệ thống tiếp địa cho turbine điện gió
Có 2 kiểu bố trí hệ thống tiếp địa cơ bản cho turbine gió được mô tả trong IEC 62305-3/EN 62305-3 bao gồm kiểu A và kiểu B.
- Bố trí kiểu A: Kiểu bố trí này không được khuyến cáo cho turbine gió, nhưng có thể sử dụng cho các công trình phụ trợ (ví dụ các tòa nhà có thiết bị đo đạc hoặc các phân xưởng được nối với trang trại turbine gió). Với kiểu A các điện cực đất nằm ngang hoặc thẳng đứng và được nối với không ít hơn 2 dây thoát sét trên các kết cấu.
- Bố trí kiểu B: Được khuyến cáo sử dụng cho turbine gió. Kiểu bố trí này bao gồm điện cực đất mạch vòng tích hợp cùng nền móng công trình. Điện cực mạch vòng được lắp đặt bên ngoài xung quanh móng của tháp, điện cực mạch vòng và các bộ phận kim loại trong móng phải được kết nối với nhau và kết nối với kết cấu tháp.
Để phạm vi hoạt động hiệu quả của hệ thống tiếp địa ở mức rộng nhất có thể thì hệ thống tiếp địa của turbine và của tòa nhà vận hành turbine gió nên được kết nối với nhau thông qua một mạng lưới điện cực đất.
Xem thêm các bài viết về giải pháp tiếp địa
3.2 Liên kết đẳng thế trong cốt thép móng của wind turbines
Điện cực móng có ý nghĩa cả về mặt kỹ thuật lẫn kinh tế, chúng là một phần của hệ thống điện và đóng vai trò là một phần thiết yếu thực hiện các chức năng đảm bảo an toàn. Vật liệu, tiết diện của các điện cực móng cần đảm bảo tuân thủ danh sách vật liệu trong bảng 7 của IEC 62305-3/EN 62305-3. Ngoài ra, sự ăn mòn các điện cực trong đất cũng là yếu tố quan trọng cần phải xem xét đến khi lựa chọn điện cực.
Các điện cực móng sử dụng chất liệu thép, có thể mạ kẽm hoặc không mạ kẽm, 10 trở lên nếu sử dụng loại điện cực tròn và kích thước 30*3.5mm trở lên nếu sử dụng điện cực dạng thanh dẹp. Các điện cực này móng phải đảm bảo nằm sâu dưới bê tông ít nhất 5cm để được bảo vệ chống ăn mòn.
Các điện cực móng trong bê tông phải được kết nối với các điện cực vòng được chôn trong đất và kết nối với bảng đẳng thế tổng bên trong turbine để đảm bảo liên kết đẳng thế giữa tất cả các phần của hệ thống tiếp địa.
Các kết nối chống ăn mòn giữa điện cực móng và điện cực vòng cần sử dụng các loại kẹp nối, kẹp cốt thép, kẹp đẳng thế bằng thép không rỉ chuyên dụng.
Xem thêm một số sản phẩm kẹp Tại đây
Kết luận: Với các yêu cầu về điện cực vòng và điện cực móng được trình bày như trên thì hệ thống tiếp địa cho turbine gió hiệu quả nhất khi được triển khai cùng với giai đoạn thi công nền móng turbine.
4. Chống sét lan truyền cho Turbine gió
4.1 Yêu cầu chung
Nguyên lý của việc bảo vệ chống sét lan truyền là công tác tạo ra các liên kết đẳng thế ngăn hiện tượng phóng điện, đánh thủng cách điện bên trong turbine.
Để có phương pháp bảo vệ hiệu quả cho các thiết bị điện, điện tử bên trong turbine cần xác định được 2 yếu tố chính:
– Xác định các vùng bảo vệ chống sét (LPZ) và ranh giới của chúng dựa vào cấu trúc của turbine và đường dây nguồn, đường dây tín hiệu vào ra các khu vực.
– Xác định cấp bảo vệ chống sét (LPL) phù hợp cho từng vùng bảo vệ chống sét (LPZ) theo IEC 62305-1
Việc xác định các LPZ đúng và đủ sẽ giúp các thiết bị bảo vệ chống xung được chọn hoạt động hiệu quả hơn. Thiết bị bảo vệ chống xung (SPD) type 1 với khả năng xả dòng sét cao mà không bị phá hủy (đã được thử nghiệm với xung sét có dạng sóng 10/350µs) được lựa chọn để lắp đặt tại đường biên giữa LPZ0A và LPZ1. Đối với LPZ0B và LPZ1 hoặc cao hơn thiết bị chống xung (SPD) type 2 (được thử nghiệm với xung sét có dạng sóng 8/20µs) được sử dụng.
Việc xác định chủng loại thiết bị chống xung (SPD) tại các LPZ khác cho đường nguồn và tín hiệu được thực hiện tương tự.
4.2 Lựa chọn thiết bị chống xung theo mức bảo vệ quá áp (Up) và mức độ nhạy cảm của hệ thống
Để xác định mức độ bảo vệ quá áp (Up) cho từng LPZ cần phải thiết lập được mức độ nhạy cảm của các thiết bị trong LPZ đó. Việc thiết lập mức độ nhạy cảm của thiết bị cần được tuân thủ IEC 61000-4-5/EN 61000-4-5 và IEC 60664-1 đối với đường nguồn, IEC 61000-4-5 đối với đường tín hiệu. Nếu không được nhà sản xuất cung cấp thông tin về mức độ nhạy cảm của thiết bị thì cần phải thực hiện các thử nghiệm để thiết lập mức độ nhạy cảm.
Mức độ nhạy cảm của các thành phần bên trong LPZ cho biết mức bảo vệ cần thiết phải đạt được của các SPD lắp đặt. SPD bảo vệ phần nguồn 400/690V của turbine cần phải đảm bảo cấp bảo vệ điện áp Up ≤ 2.5kV và SPD bảo vệ phần nguồn 230/400 cần có Up ≤ 1.5kV.
4.3 Bảo vệ hệ thống điện
4.3.1 Biện pháp bảo vệ trạm biến áp
Bảo vệ cho trạm biến áp sử dụng các sản phẩm DEHNmid. Ưu điểm:
– DEHNmid sử dụng công nghệ MOV, đa dạng sản phẩm cho hệ thống điện trung thế có điện áp lên tới 51kV.
– Nhỏ gọn, có thể lắp đặt cả trong nhà hoặc ngoài trời.
– Chất liệu vỏ chịu được nhiệt độ cao, không bị phá hủy nếu quá tải
4.3.2 Biện pháp bảo vệ tuyến nguồn hạ thế
Tại đường biên giữa LPZ0B và LPZ1 hoặc LPZ1 và LPZ2 sử dụng các SPD type 2, type 3 dòng DEHNguard M TNC giúp bảo vệ đường nguồn cho các thiết bị trong cabin và phần nguồn cho hệ thống đèn báo không, các thiết bị quan trắc bên ngoài turbine.
Các sản phẩm DEHNguard đa dạng, phù hợp với nhiều mạng điện, đặc biệt các sản phẩm thế hệ mới của DEHNguard đấu nối dạng Push-in giúp giảm bớt số lượng thao tác trong quá trình lắp đặt và thay thế thiết bị. Các thế hệ SPD trước đó dây dẫn được đấu nối vào SPD sử dụng ốc siết, phần ốc siết này lộ ra và có khả năng gây ra chạm chập do lỗi thao tác, khắc phục điều này các sản phẩm có kết cấu dây dẫn đấu nối dạng Push-in sử dụng lẫy kẹp thay vì ốc siết.
4.3.3 Bảo vệ đường nguồn 400/690V và biến tần
Các sản phẩm DEHNbloc Maxi 1 440 được sử dụng để bảo vệ MBA phần nguồn 400/690. DEHNbloc Maxi 1 440 sử dụng công nghệ khe hở phóng điện (Spark-gap) cho khả năng xả dòng sét mạnh mẽ, khả năng dập dòng phóng theo nhờ công nghệ RADAX Flow. DEHNbloc Maxi 1 440 được thiết kế để phối hợp bảo vệ trực tiếp với các SPD DEHNguard.
Các sản phẩm DEHNguard cũng được sử dụng để bảo vệ cho stator và rotor của máy phát điện, cụ thể là DEHNguard M WE và DEHNguard SE H, 2 dòng sản phẩm này đều là các sản phẩm đặc thù được chế tạo riêng bảo vệ cho turbine gió.
4.4 Bảo vệ hệ thống thông tin
Chống sét lan truyền đường truyền thông tín hiệu và đường kết nối mạng cho turbine gió giúp thiết bị tránh được tác động trực tiếp hoặc gián tiếp hoặc các quá độ đến từ sét. Các thiết bị chống sét được sử dụng cần tuân theo IEC 61643-21/EN 61643-21 với sự phù hợp với từng LPZ để đảm bảo khả năng bảo vệ phối hợp với nhau và không có điểm mù (blind spots) trong hệ thống bảo vệ.
Trong turbine gió truyền thông quang thường được sử dụng để truyền tín hiệu từ bên ngoài đến turbine và kết nối các tủ điều khiển ở chân tháp với đỉnh tháp. Các cơ cấu sử dụng kết nối truyền thông quang sẽ không mang lại nguy cơ liên quan tới sét cho hệ thống nên không cần các biện pháp bảo vệ. Ngược lại với đường tín hiệu quang, các đường tín hiệu truyền thông sử dụng cáp đồng như tín hiệu từ bộ truyền động, cảm biến về tủ điều khiển cần có biện pháp bảo vệ thích hợp.
Tổng quan, các đường tín hiệu thuộc turbine gió cần tiến hành bảo vệ gồm::
- Đường tín hiệu thời tiết từ trạm quan trắc và đèn báo không
- Đường tín hiệu từ hệ thống bảo vệ cánh quạt, rotor
- Đường tín hiệu điều khiển góc đón gió cánh quạt (pitch systems)
- Đường tín hiệu đến biến tần
- Đường tín hiệu phòng cháy chữa cháy
Các đường tín hiệu từ các cảm biến về tủ điều khiển trung tâm đi từ LPZ0B đến LPZ2, các cặp dây được bảo vệ bởi BLITZDUCTOR XT ML4 BE 24 hoặc BLITZDUCTOR XT ML2 BE S 24. Các thiết bị BLITZDUCTOR lắp đặt dễ dàng và giúp tiết kiệm đáng kể không gian lắp đặt, đặc biệt với tính năng LifeCheck giúp kiểm tra, giám sát tình trạng của SPD thông qua các hệ thống giám sát tập trung hoặc phân tán (DCS, Scada).
Các đường tín hiệu sử sử dụng đường truyền Ethernet được bảo vệ bởi dòng sản phẩm DEHNpatch. DEHNpatch được thiết kế bảo vệ cho cơ sở hạ tầng Ethernet công nghiệp hoặc các ứng dụng tương tự giúp bảo vệ 4 cặp dây của các đường kết nối. Cổng RJ45 trên DEHNpatch giúp thao tác kết nối cực kỳ đơn giản (Plug & Play).
Xem thêm bài viết chống sét lan truyền cho điện mặt trời áp mái
5. Kết luận
Hệ thống chống sét là yếu tố không thể thiếu để bảo vệ Turbine gió khỏi những rủi ro nghiêm trọng do sét đánh. Sự kết hợp giữa kiến thức giải pháp vững chắc của DHK và các thiết bị chống sét lan truyền tiên tiến từ DEHN, mang đến sự an toàn vượt trội, đảm bảo hiệu suất hoạt động của turbine ngay cả trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt.
Với giải pháp này, các nhà đầu tư và vận hành trạm turbine gió có thể yên tâm không chỉ về khả năng bảo vệ thiết bị mà còn về việc duy trì hiệu quả sản xuất năng lượng trong dài hạn. Đầu tư vào hệ thống chống sét chất lượng cao chính là bảo vệ giá trị tài sản và thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành năng lượng tái tạo.
Hãy lựa chọn giải pháp chống sét tối ưu để bảo vệ turbine gió ngay hôm nay!
Liên hệ với chúng tôi để được tư vấn và hỗ trợ tốt nhất về các giải pháp phòng chống sét toàn diện.
- Văn phòng Hồ Chí Minh: 21 D3A, KDC Kiến Á, Phước Long B, Thủ Đức, TP HCM.
- Văn phòng Hà Nội: Tòa nhà Resco (B15), Đường Nguyễn Cảnh Dị – Quận Hoàng Mai – Tp. Hà Nội.
- Website: dhk.com.vn
- Hotline: 0985 251 385
- Facebook: Giải pháp và thiết bị Chống sét DHK
- LinkedIn: DHK JSC E&S
