Bảo vệ tuabin gió khỏi sét đánh

Chủ sở hữu và người vận hành tuabin gió phải đảm bảo lắp đặt đúng cách hệ thống chống sét và thường xuyên kiểm tra xem nó có hoạt động tốt không.

Tuabin gió phải chịu các điều kiện môi trường cực đoan và các hiện tượng quá độ điện như sét đánh (Ảnh st)

Dự kiến, tỷ lệ năng lượng gió trong tổng sản lượng điện ​​sẽ tăng lên, kéo theo đó là yêu cầu về nguồn không có cacbon này phải đáng tin cậy hơn. Tuabin gió - thành phần quan trọng nhất của hệ thống năng lượng gió, phơi nhiễm các điều kiện môi trường cực đoan và các quá độ điện như sét đánh. Hiểu sơ đồ chống sét của tuabin gió và kiểm tra tính toàn vẹn của nó là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy. Các nghiên cứu quốc tế gần đây đã chỉ ra rằng 80% yêu cầu bảo hiểm đối với tuabin gió ở một quốc gia châu Âu là do thiệt hại liên quan đến sét. Tương tự, một công ty điện lực lớn của Mỹ báo cáo rằng hơn 85% thời gian ngừng hoạt động của tuabin gió là do hư hại liên quan đến sét.

Các nhà chế tạo tuabin gió rất cẩn thận trong việc thiết kế hệ thống chống sét. Các chủ sở hữu và người vận hành tuabin phải đảm bảo lắp đặt đúng cách và thường xuyên kiểm tra xem hệ thống có hoạt động bình thường như một phần của chương trình bảo trì của họ hay không.

Năng lượng gió

Năng lượng tái tạo đang tăng trưởng với nhịp độ nhanh chóng. Năm 2020, các công trình lắp đặt điện gió mới đã cung cấp 93GW trên toàn cầu. Cả Mỹ và Trung Quốc dẫn đầu thế giới về các công trình lắp đặt điện gió mới với tăng trưởng theo năm là 53%. Điện gió giải quyết các nhu cầu và hoàn cảnh cấp bách của ngày hôm nay. Đây là nguồn năng lượng xanh và tương đối rẻ, giải quyết vấn đề các ngân sách cơ sở hạ tầng hạn hẹp cũng như các chính sách về biến đổi khí hậu. Hầu hết các nhà phân tích thị trường đều chỉ ra rằng sự phát triển của điện gió sẽ tiếp tục tăng trưởng với nhịp độ nhanh - vì tất cả các yếu tố thúc đẩy việc áp dụng điện gió vẫn tiếp tục tồn tại. Đây là tin tuyệt vời cho ngành điện, vì điều này mang lại sự tăng trưởng và cơ hội trong nhiều năm tới. Tuy nhiên, sự tăng trưởng này sẽ cần các chương trình bảo trì cải thiện để bảo vệ các khoản đầu tư vào điện gió và tối đa hóa lợi nhuận.

Chống sét

Vấn đề bảo trì lớn nhất đối với điện gió là sét đánh. Theo ông Henrik Andersen - Tổng giám đốc điều hành Công ty Vestas (Đan Mạch), sét đánh dữ dội là động lực lớn nhất thúc đẩy các yêu cầu bảo hành kỷ lục lên tới 212 triệu USD trong quý 2 năm 2020. Các nhà chế tạo và lắp đặt tuabin gió như Vestas thừa nhận mối nguy hiểm to lớn của sét đánh và rất cẩn thận trong việc thiết kế tuabin. Tuy nhiên, các nhà vận hành và chủ sở hữu tuabin gió phải đảm bảo một chương trình bảo trì mạnh mẽ và hiệu quả cho tài sản của họ.

Ngày càng có nhiều nghiên cứu suy đoán rằng các tuabin gió quay có thể dễ bị sét đánh hơn so với các công trình tĩnh tại. Các tuabin gió có nguy cơ bị sét đánh ngày càng nhiều do độ cao của chúng và vị trí các trang trại gió. Chạm chập do sét gây ra tổn thất nhiều hơn về độ khả dụng và sản lượng tuabin gió so với chạm chập thông thường.

Các tuabin gió trang bị hệ thống chống sét để giảm thiểu hư hại do sét đánh trực tiếp và bảo vệ các thiết bị nhạy cảm tích hợp trong hoạt động của tuabin gió. Sét đánh không chỉ có cường độ dòng điện lớn mà còn tạo ra trường điện từ không mong muốn trên các thành phần trong thân và đế của tháp. Hệ thống chống sét thực hiện chức năng dẫn dòng điện đánh xuống đất.

Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc phối hợp các chức năng bảo vệ, nên chia tuabin gió thành các vùng khác nhau, gọi là các vùng bảo vệ chống sét (LPZ). Khái niệm LPZ là một biện pháp cấu trúc để tạo ra một môi trường tương thích điện từ xác định trong một vật thể trong khi vẫn nhận thức được khả năng chịu ứng suất của vật thể đó.

Tiêu chuẩn IEC 62305 về Bảo vệ Chống sét định nghĩa LPZ cho các công trình và có thể áp dụng cho tuabin gió. Người ta phân loại các vùng khác nhau thành các vùng bên ngoài và bên trong dựa trên độ phơi nhiễm của chúng với sét đánh trực tiếp.

Thiệt hại do sét đánh vào tuabin gió, khiến các cánh tuabin bằng sợi thủy tinh composite bị rũ xuống và gãy (Ảnh st)

Các vùng bên ngoài

Các vùng bên ngoài bao gồm:

• LPZ 0A — Đây là vùng có thể bị các tia sét đánh trực tiếp và trường điện từ sét toàn phần đe dọa. Các hệ thống bên trong có thể phải chịu toàn bộ dòng điện xung sét.

• LPZ 0B — Vùng này được bảo vệ khỏi các tia sét đánh trực tiếp, nhưng trường điện từ sét toàn phần vẫn là mối đe dọa. Các hệ thống bên trong có thể phải chịu các dòng điện xung sét riêng phần.

Phương pháp hình cầu lăn xác định LPZ 0A, các bộ phận của tuabin gió có thể bị sét đánh trực tiếp và LPZ 0B, các bộ phận của tuabin gió được bảo vệ khỏi sét đánh trực tiếp nhờ các hệ thống đầu thu sét bên ngoài hoặc các hệ thống đầu thu sét tích hợp trong các bộ phận của tuabin gió (ví dụ như trong cánh rôto).

Vùng bảo vệ chống sét bên ngoài hiển thị trên hình ảnh đơn giản hóa của tuabin gió (Ảnh st)

Các vùng bên trong

• LPZ 1 — Dòng điện xung trong vùng này bị giới hạn bởi các giao diện dùng chung và cách ly dòng điện, cũng như bởi các thiết bị chống sét (SPD) tại ranh giới. Việc che chắn không gian có thể làm giảm trường điện từ của sét.

• LPZ 2 đến LPZ n — Dòng điện xung có thể bị giới hạn thêm trong vùng này bởi các giao diện dùng chung và cách ly dòng điện, cũng như bởi các SPD bổ sung tại ranh giới. Có thể sử dụng việc che chắn không gian bổ sung để làm giảm thêm trường điện từ của sét.

Về cơ bản, hệ thống chống sét hoạt động bằng cách lấy dạng của một đường dẫn có điện trở thấp xuống đất. Đường dẫn đi từ đầu cánh tuabin đến đế tuabin.

Đường dẫn dòng điện cho các phóng điện sét (Ảnh st)

Trong trường hợp bị sét đánh, dòng điện sẽ chạy xuống đất qua hệ thống chống sét, chứ không phải qua thiết bị nhạy cảm trong tuabin gió. Khi dòng điện sét tiêu tán qua hệ thống tiếp địa, điều quan trọng là không gây ra hư hại về nhiệt hoặc cơ, hay phóng điện hồ quang có thể dẫn đến hỏa hoạn hoặc thương tích cho người. Để đảm bảo bảo vệ trong các vùng sẽ hoạt động khi cần, phải đo điện trở của đường dẫn xuống đất theo các khoảng thời gian đều đặn, đảm bảo đáp ứng các giới hạn do nhà chế tạo tuabin chỉ định (thường giới hạn ở mức 15mΩ đến 30mΩ, tùy thuộc vào kích thước tuabin). Đối với các thử nghiệm này, khuyến cáo sử dụng ômmét điện trở thấp.

Các phương pháp xác minh

Việc đo điện trở thấp bị ảnh hưởng bởi các yếu tố chính như loại phép đo, cường độ dòng điện thử nghiệm, chiều dài của dây đo và vị trí đặt các dây nối và đầu dò. Phương pháp bốn dây là phù hợp nhất vì nó sử dụng các đầu dò dòng điện riêng biệt để bơm dòng điện một chiều và các đầu dò điện thế riêng biệt để đo độ sụt áp trên mẫu thử nghiệm.

Trong một số trường hợp thực tế, người ta sử dụng phép đo Kelvin - trong đó các đầu dò dòng điện và điện thế cách nhau 180 độ - để đo các giá trị điện trở thấp. Việc sử dụng bất kỳ phương pháp nào khác, chẳng hạn như phương pháp hai dây, có thể không phù hợp vì phép đo này chứa các giá trị điện trở tiếp xúc của đầu dò, do đó làm mờ phép đo.

Điện cực đất nền tại đế tuabin gió (ảnh st)

Thử nghiệm bảo vệ

Phần quan trọng nhất của hệ thống chống sét là thử nghiệm dây dẫn từ đầu cánh tuabin đến dây dẫn xuống bên trong hub, cuối cùng kết nối với lưới tiếp địa. Dây dẫn chịu lực căng đáng kể khi cánh tuabin uốn cong theo gió trong quá trình hoạt động bình thường. Khi chịu lực căng, dây dẫn có thể bị đứt. Thật không may, chỉ kiểm tra độ liền mạch là chưa đủ, bởi vì nếu dây dẫn bị đứt chạm vào điểm đứt trong quá trình thử nghiệm tính liền mạch, kết quả sẽ không đạt yêu cầu. Do đó, khuyến cáo sử dụng độ lớn của dòng điện thử nghiệm từ 1A trở lên cho thử nghiệm này.

Kích thước của các tuabin có thể gây ra vấn đề vì các dây nối thử nghiệm của đồng hồ đo điện trở thấp thường rất ngắn. Do kích thước của tuabin gió, cần có một số dây dẫn cực dài, nhiều khi lên tới 100m. Đây là sự gia tăng đáng kể về chiều dài so với dây nối thử nghiệm tiêu chuẩn dùng cho các đồng hồ đo điện trở thấp. Dây dẫn dài phải có điện trở đủ thấp để đảm bảo phép đo vẫn có thể thực hiện được. Để đạt được điều này, điều quan trọng là phải hiểu thiết kế của thiết bị đo thử nghiệm.

Phương pháp bốn dây (Ảnh st)

Một số thiết bị đo có hệ số bù để tính đến tổn thất điện trong các dây nối thử nghiệm tiêu chuẩn. Khi sử dụng các dây nối thử nghiệm dài, việc bù tổn thất điện sẽ không còn đủ nữa. Do đó, dải thử nghiệm của thiết bị thử nghiệm sẽ giảm xuống. Khi điện trở của các dây nối thử nghiệm tăng lên, tổng giá trị điện trở của phụ tải cũng tăng lên.

Vì công suất đầu ra tối đa của thiết bị thử nghiệm không thể thay đổi nên việc tăng điện trở của dây nối thử nghiệm sẽ làm giảm dòng điện tối đa. Chiều dài dây nối ảnh hưởng đến khả năng đo điện trở thấp của thiết bị. Các phép đo chính xác và có thể lặp lại sẽ là sự kết hợp của dòng điện thử nghiệm, chiều dài dây nối và độ phân giải.

Tính năng của thiết bị thử nghiệm điện trở thấp ở mức 1A (2,5W) là mong muốn nhất đối với các chiều dài dây nối để đo các hệ thống chống sét của tuabin gió. Đối với các ứng dụng tuabin gió, hãy sử dụng dải và độ lớn của dòng điện thử nghiệm phù hợp bởi vì chiều dài của các dây nối đo phải phù hợp với chiều dài của cánh tuabin gió.

Đo điện trở của dây chống sét ở đầu cánh tuabin (Ảnh st)

Kết quả

Thử nghiệm hệ thống chống sét trên một tuabin gió có cánh dài 32m bằng cách sử dụng ômmét điện trở thấp. Thiết bị đo ở chế độ dây dẫn thử nghiệm dài, đặt một dòng điện thử nghiệm 1A và có thể đo chính xác đến 0,01mΩ khi sử dụng dây dẫn thử nghiệm dài 100m. Thử nghiệm hệ thống chống sét bao gồm việc đo điện trở của hệ thống từ đầu mỗi cánh tuabin tới hub và từ hub đến đế. Hệ thống thu sét kết thúc bằng các thanh nối đất kết nối với nhau ở đế tháp tuabin.

Thực hiện mỗi phép đo ba lần để đánh giá độ lặp lại. Máy đo phương sai trên thiết bị tự động ghi lại ba phép đo liên tiếp và tính toán phương sai của chúng. Phương sai thấp cung cấp độ tin cậy trong phép đo. Tại hiện trường, các kỹ sư thử nghiệm phải cẩn thận để giữ an toàn và tuân thủ các thực hành tốt nhất. Điều này sẽ cung cấp các phép đo tốt nhất có thể.

Bảo trì định kỳ

Sét là mối đe dọa gây thiệt hại cho các tuabin gió. Khi các công trình lắp đặt năng lượng gió tiếp tục gia tăng trên khắp thế giới, yêu cầu bảo vệ các tài sản này càng trở nên quan trọng hơn. Các nhà chế tạo tuabin gió rất thận trọng trong việc thiết kế hệ thống chống sét của họ vì những hư hại đã biết mà sét có thể gây ra. Chủ sở hữu và người vận hành tuabin phải đảm bảo lắp đặt đúng cách hệ thống chống sét. Ngoài ra, họ phải thường xuyên kiểm tra hệ thống chống sét như một phần của chương trình bảo trì.

Đo điện trở dây chống sét tại hub tuabin gió (Ảnh st)

Việc thử nghiệm và xác minh tính hiệu quả của hệ thống chống sét chủ yếu dựa trên các phép đo điện trở thấp. Có một số thách thức trong việc đo điện trở ở mức miliôm (mΩ) khi xử lý các cấu trúc lớn như tuabin gió, do đó phải thiết lập sự cân bằng giữa năng lượng thử nghiệm, độ chính xác, độ phân giải và chiều dài dây dẫn thử nghiệm. Tuy nhiên, các công cụ phù hợp cho nhiệm vụ này có thể khiến công việc này trở nên đơn giản. Bảo trì chống sét phải là một nhiệm vụ định kỳ thường xuyên của chủ sở hữu và người vận hành. Điều này sẽ tránh được hư hại do sét đánh vào tuabin gió và bảo vệ các tài sản này.

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo “T&D World”, tháng 5/2024