Hệ thống Chống sét Lan truyền cho Tuabin Điện Gió

TAEC - Hệ thống chống sét lan truyền cho tuabin điện gió là một giải pháp cực kỳ cần thiết nhằm bảo vệ các thiết bị quan trọng khỏi tác động của sét. Với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp năng lượng tái tạo, việc đảm bảo an toàn cho các tuabin điện gió trước nguy cơ sét đánh không chỉ là một yêu cầu bắt buộc mà còn là yếu tố then chốt giúp duy trì hiệu suất và tuổi thọ của hệ thống. Hãy cùng khám phá các giải pháp bảo vệ tối ưu cho tuabin điện gió trong bài viết này.

1. Tổng quan về Chống sét bảo vệ cho hệ thống Điện Gió

 

Video giới thiệu Giải pháp Chống sét cho Turbin Điện gió

1. Sự cần thiết của việc chống sét lan truyền cho hệ thống điện gió

Tuabin gió có nguy cơ chịu tác động cao của dông sét.

Tuabin gió thường được đặt ở những khu vực đất trống với tài nguyên gió nhiều. Ví dụ, máy phát điện bằng năng lượng gió (hay còn gọi là Phong điện) trên bờ nằm ở địa hình nhô ra như các rặng núi, trong khi các máy phát điện gió ngoài khơi thường nằm ở những khu vực gần bờ biển có mật độ phóng điện khí quyển cao.

Đồng thời, các cánh quạt của tuabin gió có thể tạo ra và kích hoạt các tia tiên đạo hướng lên và chủ động kết nối với các tia tiên đạo hướng xuống trong trường tĩnh điện của cơn giông, điều này làm tăng đáng kể xác suất bị đánh vào các cánh quạt.

Vì lý do này, ước tính số lượng trung bình hàng năm của tuabin gió ở đây chịu ảnh hưởng của sự phóng điện khí quyển cao hơn nhiều so với các khu vực khác.

Chi phí bảo trì cao.

Các dòng điện cường độ rất lớn đánh vào tuabin gió có thể gây ra hiện tượng gãy cánh, hỏng hệ thống điện và điều khiển, và các hiện tượng khác. Có nhiều trường hợp như vậy. Tổn thất năng suất do bảo trì và thời gian ngừng hoạt động của tuabin gió là rất lớn.

Đối với một tuabin gió ngoài khơi, chi phí bảo trì càng đặc biệt cao và thời gian bảo trì rất dài. Dẫn đến mất mát lớn bị gây ra gián tiếp do việc tạm dừng hoạt động.

Mối nguy do xung điện từ gây ra là rất lớn.

So với sự phóng điện khí quyển trực tiếp, các hiệu ứng gián tiếp - cụ thể như xung điện từ LEMP (Lightning Electromagnetic Pulse) mang đến nhiều rủi ro hơn đối với hệ thống điện và điều khiển của tuabin gió. Vì:

• Xác suất bị sét đánh vào cánh quạt gió cao, và trường điện từ bức xạ có thể bao phủ toàn bộ nhà máy điện gió;
• Hệ thống xử lý gồm nhiều thiết bị rất nhạy cảm, chẳng hạn như bộ điều khiển trung tâm và hệ thống kiểm soát cánh quạt, có khả năng chịu đựng quá áp rất thấp;
• Các thành phần và bộ phận của thiết bị có khả năng chịu đựng LEMP thấp và dễ bị hỏng hoặc hư hỏng lớp cách điện;
• Chiều dài kết nối giữa các tuabin gió và khoảng cách đến điểm kết nối lưới điện ở các khu vực trống trải thường rất xa. Sự quá áp tăng lên do cảm ứng có thể rất đáng kể.

LEMP hiện là mối đe dọa chính đối với sự cố và hỏng hóc của hệ thống điện và điện tử. Hiện tại, các biện pháp hợp lý và hiệu quả nhất về chi phí là thực hiện chống sét lan truyền, lắp đặt thiết bị chống sét SPD (Surge Protective Device) phù hợp với mỗi hệ thống điện gió.

2. Yêu cầu đáp ứng tiêu chuẩn

Phương pháp bảo vệ cơ bản của các trạm phát điện gió cần đáp ứng các yêu cầu của tiêu chuẩn chống sét quốc tế IEC 62305-1 đến 4 và tiêu chuẩn quốc gia.

Các yêu cầu chung và đặc biệt đối với các ứng dụng trong ngành năng lượng gió cần phải đáp ứng các yêu cầu của tiêu chuẩn IEC 61400-24. Trong đó đưa ra các yêu cầu về bảo vệ cánh quạt, các thành phần kết cấu khác, ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp của xung quá áp lên hệ thống điện và điều khiển, đồng thời đưa ra yêu cầu về các yếu tố môi trường điển hình mà SPD có thể chịu đựng và hoạt động hiệu quả.

3. Cấp độ bảo vệ cho hệ thống điện gió

Dòng điện dương đánh xuống đầu tiên			Cấp độ bảo vệ LPL
Thông số dòng điện	Kí hiệu	Đơn vị	I	II	III	IV
Dòng đỉnh	I	kA	200	150	100
Điện tích xung	Q short	C	100	75	50
Năng lượng riêng	W/R	MJ/Ω	10	5.6	2.5
Các thông số thời gian	T1/T2	µs/µs	10/350

Cấp bảo vệ LPL (Lightning Protection Level) của các thiết bị chống sét CITEL được chia thành 4 bậc theo tiêu chuẩn IEC62305. Bộ tuabin điện gió cùng với hệ thống thành phần nên được phân loại theo cấp độ bảo vệ cao nhất phù hợp tiêu chuẩn IEC61400-24 (trừ các trường hợp có yêu cầu đặc biệt). Đối với mỗi LPL, các giá trị tối đa và tối thiểu của các tham số dòng xung được chỉ định theo bảng trên

4. Vùng bảo vệ chống sét của Tuabin điện gió

Xác định vùng bảo vệ chống sét LPZ (Lightning Protection Zone) hợp lý của tuabin gió là điều kiện tiên quyết để triệt xung quá áp lan truyền hiệu quả. Nói chung, các biện pháp bảo vệ, chẳng hạn như Hệ Thống Chống Sét (LPS - Lightning Protection System), các dây dẫn điện có bọc lớp che chắn và SPD, được sử dụng để xác định các LPZ. (Để biết thêm chi tiết, xem Chương 8.3 của IEC 62305-1).

Tháp điện gió (Tower)

Một tháp kim loại hình ống, được sử dụng cho một tuabin gió lớn, có thể được coi là một chiếc lồng Faraday gần như hoàn hảo nhờ sự sở hữu hiệu ứng che chắn điện từ của nó. Nếu kết nối điện giữa tháp và vỏ bọc còn liên tục và đã thực hiện nối đất an toàn, khu vực bên trong tháp có thể được định nghĩa là LPZ1 hoặc thậm chí LPZ2.

Vỏ động cơ (Nacelle)

Vỏ bọc bằng lưới kim loại sợi thủy tinh có tác dụng che chắn trường điện từ bên ngoài. Hiệu ứng che chắn có liên quan đến kích thước của lưới. Vỏ bọc thường được định nghĩa là vùng LPZ1. Một phần dòng điện có thể tồn tại trong vỏ bọc để chạy qua các ổ đỡ rồi phóng xuống đất qua chổi điện, do đó có thể có trường điện từ bức xạ mà lưới kim loại không thể che chắn được.

Tủ phân phối điện (Box)

Máy biến áp và kết nối lưới điện của các tuabin gió trên bờ hầu hết được bố trí bên ngoài tháp và có thể được xác định là vùng LPZ1. Đối với các tua-bin gió ngoài khơi, máy biến áp và kết nối lưới điện thường được đặt bên trong tháp và có thể được xác định là vùng LPZ2/3.

Trung tâm (Hub)

Trung tâm chủ yếu bao gồm một cấu trúc gang rỗng với nhiều lỗ, Nó cung cấp một lớp chắn từ tính nên được xác định là vùng LPZ 1. Bên trong trung tâm là hệ thống điều khiển cánh quạt và các mạch hệ thống điều khiển khác nhau nối đến các vị trí khác của Nacelle.

2. Các yêu cầu đặc thù đối với SPD

Hệ thống tái tạo năng lượng gió sẽ dùng 1 trong 3 công nghệ: Máy phát điện cảm ứng kích từ kép (DFIG - Doubly-fed Induction Generator), máy phát điện truyền động trực tiếp (PMSG - Direct Drive Generator) và máy phát điện tốc độ trung bình (máy phát điện truyền động bán trực tiếp). Các yêu cầu cụ thể gồm:

1. Đáp ứng các dạng xung đặc thù

Trong quá trình vận hành tuabin gió, 2 loại xung quá áp chính thường xảy ra là:

• Xung quá áp của mạch chuyển đổi DFIG

Là một thiết bị chuyển mạch, IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor: Transistor lưỡng cực có cực điều khiển cách ly) được áp dụng rộng rãi trong các bộ chuyển đổi. Khi IGBT điều chế và đưa ra sóng PWM (Pulse Width Modulation: Xung điều chỉnh điện áp) đến bộ rotor, điện áp sẽ tạo ra các giá trị đỉnh tuần hoàn và sóng hài ngắn hạn. Nhiễu sóng hài này sẽ ảnh hưởng đến cách điện của máy phát rotor và làm ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của SPD.

• Dây cáp dài truyền tải xung quá áp

Các đặc tính điện áp điển hình phía Rotor của DFIG
Điện áp hoạt động liên tục tối đa của hệ thống (L-L)	750 r.m.s. (±10%), 0~ 200 Hz
Quá áp đột biến lặp đi lặp lại chồng lên điện áp hoạt động L-PE	1.7 kV
Quá áp đột biến lặp đi lặp lại chồng lên điện áp hoạt động L-L	2.95 kV
Độ dốc tăng của các dạng sóng quá điện áp được áp dụng lặp lại	1.4 kV/µs
Tần số chuyển mạch của bộ chuyển đổi	2000 Hz

Một bộ chuyển đổi ở đáy tháp tạo ra sóng PWM và khoảng cách truyền tải sóng PWM đến dây cáp của máy phát ở vỏ động cơ là rất xa. Vì các dây cáp dài có độ tự cảm và điện dung ghép nối phân bố, dao động tắt dần quá áp tần số cao (sóng hài) sẽ được tạo ra.

Các đặc tính quá điện áp có thể có của tuabin gió được chuẩn hoá (bảng dưới đây). Nếu khả năng chịu đựng của SPD không đáp ứng đủ yêu cầu của điều kiện làm việc tại hiện trường, tuổi thọ của nó sẽ bị giảm đi rất nhiều.

2. Yêu cầu về khả năng thông qua điện áp cao HVRT

Các đặc tính HVRT (High Voltage Ride Through: khả năng vượt qua điện áp cao) được cung cấp bởi các tiêu chuẩn liên quan và được hiển thị trong hình dưới đây sẽ xuất hiện khi hệ thống điện của tuabin gió hoạt động.

Loại quá áp tạm thời (Temporary Overvoltage-TOV) này sẽ xuất hiện trong DFIG và PMSG, có thể gây nguy hiểm cho việc vận hành an toàn của các thiết bị bán dẫn bao gồm bộ chuyển đổi và các thiết bị tương tự.

SPD của CITEL tuân thủ các yêu cầu HVRT cho tuabin gió

No.	Điện áp hoạt động	Yêu cầu về HVRT	Mẫu sản phẩm CITEL	Tham số SPD	Kết luận
1	400 / 690 Vac	400 * 1.1 = 440 Vac liên tục	DAC50S-30-760	Uc = 760 Vac liên tục	đáp ứng
2		400 * 1.3 = 520 Vac 500 ms		UT = 1000 Vac chịu được 5s	đáp ứng
3		400 * 1.1 = 440 Vac liên tục	DAC50S-31-760- 2600DC	Uc = 800 Vac liên tục	đáp ứng
4		400 * 1.3 = 520 Vac 500 ms		UT = 2200 Vac chịu được 5s	đáp ứng
5	230 / 400 Vac	230 * 1.1 = 253 Vac liên tục	DAC50S-31-320	Uc = 320 Vac liên tục	đáp ứng
6		230 *1.3 = 299 Vac 500 ms		UT = 335 Vac chịu được 5s	đáp ứng

 

3. Yêu cầu về khả năng chịu dòng xung lớn

Đối với đường dây đầu vào (có một phần dòng điện xâm nhập trên đường dây) được kết nối với LPZ0A hoặc LPZ0B, các cổng AC và DC của thiết bị điện tử, như hệ thống điều khiển chính, nên được kiểm tra khả năng chịu xung theo tiêu chuẩn IEC 61400-4-5 và IEC 60664-1; cổng giao tiếp nên được kiểm tra theo tham chiếu ITU-TK.21, K.20 và IEC 61400-4-5.

4. Yêu cầu đáp ứng môi trường đặc thù

SPD phải đáp ứng được các điều kiện khắc nghiệt về: Nhiệt độ, độ ẩm, sự rung động,hơi muối, nấm mốc và chất gây ăn mòn khác trong không khí

5. Các yêu cầu về công nghệ triệt xung

 

6. Các yêu cầu về thông số kỹ thuật của SPD

• Cấp bảo vệ điện áp - Up

Mức điện áp bảo vệ của SPD được áp dụng cho tuabin điện gió nên xem xét mức điện áp chịu xung định mức Uw của thiết bị được bảo vệ (như thể hiện ở sơ đồ trên). Nếu cần thiết, các yêu cầu về mức bảo vệ của hệ thống SPD lắp đặt cho tuabin điện gió nên được xem xét đồng thời.

• Điện áp hoạt động liên tục tối đa – Uc

Khi xem xét giá trị Uc để chọn SPD, các yêu cầu cơ bản như điện áp hoạt động của nguồn điện tại vị trí cài đặt SPD và hệ thống phân phối điện năng cần được lưu ý. Sau đó, xác định điện áp tham chiếu của hệ thống (System Reference Voltage-UREF) để chọn SPD.

Đồng thời, các ứng dụng năng lượng gió cần đặc biệt kiểm tra có nhiễu sóng hài tại vị trí lắp đặt hay không. Nếu có, biên độ điện áp hoạt động của hệ thống (System Operating Voltage Amplitude-UAMP) và tần suất xảy ra cần được xem xét, một số khu vực có tần số chuyển mạch cao sẽ có quá áp chuyển mạch, và một số hệ thống cần kiểm tra quá áp tạm thời do bị lỗi điện áp (ví dụ như mất dây trung tính) và các tình huống khác.

Như được hiển thị trong hình trên, một SPD với giá trị Uc được chọn trong khu vực màu vàng có thể hoạt động thường xuyên trong phạm vi nhiễu sóng hài. Những hoạt động liên tục này sẽ làm giảm tuổi thọ của SPD.

Do đó, đối với các ứng dụng năng lượng gió, SPD có giá trị Uc nằm trong khu vực màu xanh lá cây nên được áp dụng sử dụng để kéo dài tuổi thọ của SPD.

• Yêu cầu dòng xả - In / Iimp

Đối với một tuabin điện gió, nên chọn một loại SPD có dòng xả phù hợp (Type 1+2+3), phù hợp với vùng nơi thiết bị bảo vệ được đặt và đồng thời cân nhắc tới vị trí lắp đặt của SPD, yêu cầu tuổi thọ dự kiến, hệ thống phân phối điện, kích thước mạch rẽ dự kiến và các đặc tính khác.

3. Các giải pháp chống sét lan truyền cho Tuabin điện gió

Xem đầy đủ thông tin và hình ảnh bằng file PDF chống sét cho hệ thống điện gió

1. GPCS bảo vệ cho Turbine DFIG - Máy phát điện cảm ứng kích từ kép

(Xem file PDF)

2. GPCS bảo vệ cho Turbine PMSG  - Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

(Xem file PDF)

3. GPCS bảo vệ cho hệ thống điện gió trên bờ (DFIG)

(1) Bảo vệ phía hạ áp của trạm biến áp

• DACN1-25VGS-30-760: SPD Type 1+2+3, công nghệ VG, khả năng xả mạnh, chịu được điện áp TOV cao, tuổi thọ lâu, điện áp dư thấp, cấu trúc đơn khối.
• DACN1-35VGS-30-440: SPD Type 1+2+3, công nghệ VG, khả năng xả rất mạnh, tuổi thọ lâu, điện áp dư thấp, cấu trúc đơn khối.
• DS253VG-1000: SPD Type 1+2+3, công nghệ VG, khả năng xả mạnh, chịu được điện áp TOV cao, tuổi thọ lâu, điện áp dư thấp, cấu trúc đơn khối.

(2) Bảo vệ phía điện lưới của bộ chuyển đổi

• DAC50S-30-760: SPD Type 2, khả năng xả mạnh, chịu được điện áp chịu quá tải cao, công nghệ bảo vệ MOV, mô-đun kiểu cắm rút, thiết kế khóa chắc chắn chống rung.
• DS43S-690: SPD Type 2, chịu được điện áp chịu quá tải cao, công nghệ bảo vệ MOV, mô-đun kiểu cắm rút.

4. GPCS bảo vệ cho hệ thống điện gió ngoài khơi (PMSG).

 

(3) Bảo vệ phía đầu vào bộ chuyển đổi

• DAC50S-31-760-2600DC: SPD Type 2, chịu được nhiễu sóng hài bậc cao từ tuabin, bảo vệ MOV + GSG, khả năng xả mạnh, chịu được TOV cao, mô-đun kiểu cắm rút, thiết kế khóa chắc chắn chống rung.
• DS41(S)-1000/WD: SPD Type 2, khả năng chịu được TOV cao, công nghệ bảo vệ MOV, mô-đun kiểu cắm rút, có khả năng chịu được một số nhiễu sóng hài.

(4) Bảo vệ phía đầu máy phát điện (DFIG)

• DS41S-1000: SPD Type 2, khả năng chịu được TOV cao, công nghệ bảo vệ MOV, mô-đun kiểu cắm rút, cấu trúc kết hợp 2 mô-đun tách rời để tăng khả năng cách điện.
• DU33S-1000/WD: SPD Type 2, khả năng chịu được TOV cao, điện áp dư thấp, công nghệ bảo vệ MOV, cấu trúc tích hợp các khối đơn để đáp ứng yêu cầu chống rung và cách điện.

(5) Bảo vệ phía máy phát điện (DFIG & PMSG)

• DU33S-1000G/WD: SPD Type 2, chịu được nhiễu sóng hài bậc cao từ tuabin, chịu được TOV cao, công nghệ bảo vệ MOV+GSG, cấu trúc tích hợp các khối đơn để đáp ứng yêu cầu chống rung và cách điện.

5. Sơ đồ lắp đặt SPD cho hệ thống điều khiển và cánh quạt

 

 

(6) Nguồn AC một pha 230 Vac

• DAC50VGS-11-320: SPD Type 2+3, khả năng xả mạnh, tuổi thọ dài với công nghệ VG, điện áp dư rất thấp, chịu được điện áp TOV cao, mô-đun kiểu cắm rút, thiết kế khóa chắc chắn chống rung.
• DS42S-400/G: SPD Type 2, chịu được điện áp TOV cao, công nghệ bảo vệ MOV, mô-đun kiểu cắm rút.

(7) Ngguồn cung cấp điện ba pha 230/400 Vac

• DAC50VGS-31-320: SPD Type 2+3, khả năng xả mạnh, tuổi thọ dài với công nghệ VG, điện áp dư rất thấp, chịu được điện áp TOV cao, mô-đun kiểu cắm rút, thiết kế khóa chắc chắn chống rung.
• DS44S-400/G: SPD Type 2, chịu được điện áp TOV cao, công nghệ bảo vệ MOV, mô-đun kiểu cắm rút.

(8) Nguồn cấp điện DC 24 Vdc:

• DDCN03S-21YG-30: SPD Type 2+3, có thể lắp đặt nối tiếp hoặc song song, kiểu bảo vệ: đồng hướng và lệch hướng, cấu trúc mạch MOV + GDT, dòng tải cao, thiết kế nhỏ gọn, cấu trúc đơn khối.

(9) Đường truyền tín hiệu viễn thông

• Dòng sản phẩm DLA/DLA2: Bảo vệ 1 hoặc 2 đường truyền, bảo vệ đa cấp D1&C2&C3, mô-đun kiểu cắm rút, điện áp dư rất thấp, kiểu bảo vệ: đồng hướng và lệch hướng, phù hợp với RS485, CAN và các loại thông tin liên lạc khác.
• Dòng sản phẩm DLU/DLU2: Bảo vệ 1 hoặc 2 đường truyền, bảo vệ đa cấp D1&C2&C3, cấu trúc nguyên khối, điện áp dư rất thấp, kiểu bảo vệ: đồng hướng và lệch hướng, phù hợp với RS485, CAN và các loại thông tin liên lạc khác.
• Dòng sản phẩm DLC: Bảo vệ 1 đường truyền, bảo vệ đa cấp D1&C2&C3, thiết kế cực mỏng, điện áp dư rất thấp, kiểu bảo vệ: đồng hướng và lệch hướng, phù hợp với RS485, CAN và các loại thông tin liên lạc khác.

(10) Mạng liên lạc dữ liệu

• MJ8-C6A: Cổng RJ45 cho mạng CAT6A, chống xung quá áp loại D1&C2&C3, vỏ bằng kim loại, kiểu bảo vệ: đồng hướng và lệch hướng, điện áp dư rất thấp.
• MJ8-POE-C6A: Cổng RJ45, POE & POE+(+): CAT6A, bảo vệ khỏi sự phóng điện khí quyển loại D1&C2&C3, vỏ bằng kim loại, kiểu bảo vệ: đồng hướng và lệch hướng.
• MJ8-POE-A/SD: Cổng RJ45, gắn trên din-ray, POE & POE+(+): CAT5E, vỏ bằng kim loại, kiểu bảo vệ: đồng hướng và lệch hướng.

(11) Hệ thống giám sát sự phóng điện khí quyển

• LMS-W: Giám sát thông minh: biên độ xung, kênh và thời gian xảy ra phóng điện và các thông số khác có thể được truyền đến hệ thống giám sát thông qua giao thức RS485.

Kết luận:

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện gió, việc đảm bảo an toàn cho các tuabin trước nguy cơ sét đánh là vô cùng quan trọng. Hệ thống chống sét lan truyền cho tuabin điện gió không chỉ bảo vệ các thiết bị quan trọng mà còn giúp duy trì hiệu suất hoạt động, kéo dài tuổi thọ và giảm thiểu rủi ro thiệt hại. Đầu tư vào giải pháp chống sét chất lượng cao là một bước đi chiến lược, đảm bảo cho sự phát triển bền vững của các dự án điện gió.

Nếu bạn đang tìm kiếm hệ thống chống sét lan truyền tối ưu cho việc bảo vệ tuabin điện gió của mình, hãy liên hệ ngay với TAEC - Công ty chống sét chuyên nghiệp ở Việt nam. Đội ngũ chuyên gia của chúng tôi sẵn sàng tư vấn và cung cấp giải pháp toàn diện, phù hợp với nhu cầu cụ thể của bạn, giúp đảm bảo an toàn tối đa và hiệu quả lâu dài.