Una turbina eolica combina un rotore esposto, una torre conduttiva, lunghi cavi interni, apparecchiature di conversione ad alta potenza ed elettronica di controllo sensibile. Una protezione efficace contro le sovratensioni delle turbine eoliche protezione contro le sovratensioni delle turbine eoliche deve quindi coprire più dell'ingresso principale dell'alimentazione.
L'architettura di protezione dovrebbe seguire i confini elettrici reali tra l'hub, la navicella, il generatore, il convertitore, il percorso del cavo della torre, il quadro alla base della torre, l'interfaccia del trasformatore e la rete di comunicazione del parco eolico. Ogni circuito deve essere valutato in base alla sua tensione, forma d'onda, configurazione di messa a terra, esposizione alle sovratensioni e apparecchiatura collegata.
Indice dei contenuti
Risposta Veloce
Una turbina eolica di scala utility può richiedere diversi SPD coordinati perché i suoi circuiti di potenza, convertitore, controllo e comunicazione attraversano diversi confini di protezione. Può essere richiesta una protezione capace di gestire la corrente di fulmine laddove i conduttori possano trasportare corrente parziale di fulmine. Una protezione di tipo 2 a valle può quindi ridurre le sovratensioni residue o indotte in prossimità delle apparecchiature di potenza e di controllo.
I circuiti a bassa tensione in corrente continua, i sensori e la comunicazione richiedono una protezione specifica per l'interfaccia. Uno SPD per potenza in corrente alternata non può sostituire uno SPD per il controllo in corrente continua o uno SPD per linea dati.
La norma IEC 61400-24 copre la protezione delle pale delle turbine eoliche, dei componenti strutturali, dei sistemi elettrici e dei sistemi di controllo contro gli effetti diretti e indiretti del fulmine. Il concetto complessivo di protezione della turbina deve essere valutato e verificato, anziché trattare uno SPD come una soluzione isolata.[1]
Significato per l'acquirente: identificare ogni circuito protetto e ogni confine dell'installazione prima di selezionare uno SPD. La sola potenza nominale in megawatt della turbina non definisce il modello richiesto.
L'hub, la navicella, il convertitore, la base della torre e la rete SCADA possono avere diversi requisiti di sovratensione.
Le interfacce di potenza in corrente alternata, controllo in corrente continua e comunicazione richiedono tecnologie di protezione diverse.
Le forme d'onda PWM e le sorgenti non lineari possono differire in modo significativo dalla normale alimentazione di rete.
Il collegamento equipotenziale, il percorso dei conduttori, la lunghezza delle connessioni e il coordinamento degli SPD influenzano la tensione ai terminali delle apparecchiature.
Perché le turbine eoliche necessitano di una protezione contro le sovratensioni a strati
Le turbine eoliche sono esposte a diverse sorgenti transitorie. Un fulmine diretto può interessare il rotore, la navicella o la torre. La corrente di fulmine che fluisce attraverso la struttura può creare differenze di potenziale tra le posizioni delle apparecchiature. Anche l'accoppiamento elettromagnetico può indurre sovratensioni nei lunghi cavi interni.
La commutazione interna è un'altra fonte di sollecitazione. Contattori, motori, trasformatori, generatori e convertitori possono generare sovratensioni transitorie durante il normale funzionamento o in caso di guasti elettrici.
Questi effetti non entrano in tutti i circuiti nello stesso modo. I conduttori principali di potenza possono trasportare un'elevata energia di sovratensione, mentre un ingresso PLC, un encoder o una porta di comunicazione possono guastarsi a una tensione residua molto più bassa.
Gli SPD proteggono i circuiti elettrici ed elettronici. Non sostituiscono i captatori delle pale, i percorsi strutturali della corrente di fulmine, il collegamento equipotenziale della torre, il sistema di messa a terra delle fondamenta né la progettazione completa della protezione esterna contro i fulmini.
La turbina contiene diversi ambienti di protezione
Una revisione ingegneristica pratica suddivide la turbina in aree fisiche ed elettriche:
- Pale del rotore e percorsi della corrente di fulmine delle pale;
- Mozzo e apparecchiature di controllo del passo;
- Sistemi di alimentazione, generatore e controllo della navicella;
- Circuiti convertitori lato macchina e lato rete;
- Cavi verticali lunghi di alimentazione e comunicazione;
- Quadri elettrici e armadi di controllo alla base della torre;
- Collegamenti del trasformatore e della rete di raccolta;
- SCADA, monitoraggio delle condizioni e comunicazioni del parco eolico.
Il livello di protezione in ciascuna area dovrebbe basarsi sul concetto di protezione contro i fulmini della turbina, sulla ripartizione prevista della corrente, sull’immunità delle apparecchiature e sui percorsi conduttivi che attraversano il confine dell’area.[1][8]
Architettura della protezione contro le sovratensioni delle turbine eoliche
Partire dallo schema unifilare della turbina e dal piano dei cavi. Contrassegnare ogni circuito di potenza, controllo e comunicazione che attraversa il confine tra apparecchiature esposte e involucri protetti.
Laddove i conduttori possano trasportare una corrente parziale di fulmine attraverso un confine di protezione, lo SPD selezionato deve avere un'adeguata capacità di scarica della corrente di fulmine. Ai confini a valle può essere necessario un altro stadio di protezione per ridurre la tensione residua o indotta a un livello compatibile con le apparecchiature collegate.[3][4]
La tabella seguente mostra le principali domande di protezione per ciascuna posizione della turbina.
| Posizione | Circuiti tipici | Principale criticità per le sovratensioni | Decisione ingegneristica |
|---|---|---|---|
| Mozzo | Alimentazione del pitch, alimentazione di riserva, controllore, encoder e linee bus | Vicinanza ai percorsi della corrente di fulmine delle pale | Proteggere ogni interfaccia di potenza e di segnale al relativo confine |
| Navicella | Generatore, AC ausiliaria, PLC, imbardata, raffreddamento e apparecchiature meteorologiche | Sovratensioni indotte, commutazioni delle apparecchiature e ingressi dei cavi | Coordinare la distribuzione della navicella e la protezione a livello di apparecchiatura |
| Sezione del convertitore | Lato macchina, collegamento in DC, lato rete, retroazione e controllo | Forme d'onda non standard e sensibilità dei semiconduttori | Confermare tipo di sorgente, forma d'onda, messa a terra e condizioni di guasto |
| Percorso cavi nella torre | Alimentazione principale, alimentazione ausiliaria, controllo e dati in rame | Lunga esposizione dei cavi e accoppiamento elettromagnetico | Verificare la separazione dei cavi, la schermatura, il collegamento equipotenziale e entrambe le terminazioni |
| Base della torre | Quadri elettrici, controller, UPS e interfaccia del trasformatore | Confine di protezione ed energia di sovratensione in ingresso o in uscita | Valutare il servizio di Tipo 1, Tipo 1+2 o Tipo 2 in base al percorso effettivo della corrente |
| Rete dell'impianto eolico | SCADA, Ethernet, RS485, allarmi e monitoraggio | Differenze di potenziale trasferite attraverso linee in rame | Abbinare la protezione del segnale al protocollo, alla banda passante e alla modalità di cablaggio |
Conclusione per gli acquisti: la posizione fisica aiuta a identificare il rischio, ma sono le condizioni effettive del circuito a determinare il modello di SPD.
Protezione in base alla posizione nella turbina
I ricevitori delle pale e i percorsi conduttivi interni fanno parte del sistema esterno di protezione contro i fulmini. Il progetto deve convogliare la corrente di fulmine verso il mozzo e il percorso strutturale della corrente senza danneggiare i materiali delle pale o le apparecchiature interne.[1]
Un SPD non sostituisce il percorso della corrente di fulmine della pala. Gli SPD proteggono i circuiti elettrici collegati alle apparecchiature nel mozzo o vicino ad esso.
Le apparecchiature di pitch possono includere azionamenti, motori, batterie o condensatori, caricabatterie, encoder, controller e bus di comunicazione. Questi dispositivi possono funzionare a diversi livelli AC, DC e di segnale.
Separare l'alimentazione del motore, l'alimentazione del controller, l'alimentazione di backup, l'encoder e le interfacce di comunicazione prima di selezionare la protezione.
La navicella può contenere il generatore, il convertitore, il sistema di imbardata, le apparecchiature di lubrificazione, il sistema di raffreddamento, l'idraulica, la distribuzione ausiliaria e il controller principale della turbina.
Un solo SPD AC nella navicella non protegge automaticamente ogni alimentazione DC a valle, ingresso sensore o interfaccia dati.
I cavi verticali lunghi possono essere esposti a tensioni indotte e a differenze di potenziale tra la navicella e la base della torre. Il percorso dei cavi, la terminazione delle schermature, il collegamento equipotenziale e la separazione dai principali percorsi della corrente di fulmine devono essere esaminati congiuntamente.
La base della torre contiene comunemente apparecchiature di manovra, il controllore della turbina, la distribuzione ausiliaria, un UPS, apparecchiature di conversione o collegamenti al trasformatore. La configurazione esatta varia in base alla piattaforma della turbina.
La protezione deve seguire il limite effettivo del circuito. Non si deve presumere che ogni base della torre richieda la stessa configurazione di SPD di Tipo 1.
Il trasformatore può essere installato nella navicella, nella torre o in un'area esterna per apparecchiature. La sua posizione modifica le interfacce di protezione in bassa e media tensione.
Gli SPD per bassa tensione e gli scaricatori di sovratensione per media tensione sono categorie di prodotto diverse. La progettazione completa del trasformatore e del sistema di raccolta richiede un'ingegneria specifica per il progetto.
Selezione degli SPD per l'alimentazione principale e la base della torre
La norma IEC 61643-11:2025 si applica agli SPD collegati a circuiti in c.a. e ad apparecchiature con tensione nominale fino a 1.000 V RMS. Definisce i requisiti prestazionali e di sicurezza per dispositivi destinati a limitare la tensione di sovratensione e a deviare la corrente di sovratensione.[3]
Il dispositivo richiesto non può essere selezionato in base alla potenza megawatt della turbina. L'acquirente deve confermare le condizioni elettriche nel punto esatto di installazione.
Parametri da confermare per il circuito di potenza principale
- Tensione nominale del sistema;
- Tensione massima di esercizio continua;
- Tensione tra i conduttori attivi e terra;
- Frequenza e forma d'onda;
- Schema di messa a terra;
- Corrente di sovratensione prevista o corrente da fulminazione parziale prevista;
- Livello di protezione dalla tensione richiesto;
- Livello di tenuta agli impulsi dell'apparecchiatura;
- Corrente di cortocircuito presunta;
- Capacità di tenuta al cortocircuito dello SPD;
- Fusibile di backup o interruttore automatico consentito;
- Condizioni di sovratensione temporanea;
- Requisito del contatto di segnalazione remota.
Lo SPD deve corrispondere alla reale tensione tra conduttori e alla tensione tra conduttore e terra. L'uso di un Uc non idoneo può causare sollecitazioni premature, funzionamento instabile o un livello di protezione inutilmente elevato.
Uc deve corrispondere alla reale condizione di esercizio
Uc è la tensione massima di esercizio continua dichiarata per lo SPD. Deve rimanere idonea durante la prevista normale condizione di esercizio del circuito.
Un Uc più elevato può offrire un maggiore margine di tensione di esercizio, ma non significa automaticamente una protezione migliore. Anche il valore di Up ottenibile può essere più elevato, riducendo il margine di protezione per le apparecchiature a valle.
Devono essere considerate anche le condizioni di sovratensione temporanea e i guasti del neutro o di messa a terra. La relazione dettagliata tra Uc, TOV e guasto prematuro dello SPD è spiegata nella Guida alla tenuta TOV dello SPD.
Le condizioni di cortocircuito fanno parte della selezione dello SPD
La corrente di cortocircuito prospettica può differire sensibilmente tra un circuito ausiliario a bassa potenza, un circuito alimentato da convertitore e un quadro elettrico connesso alla rete. L'SPD, il suo sezionatore interno ed eventuali protezioni di backup esterne specificate devono essere adatti a quella posizione esatta.
La norma IEC 61643-12 fornisce i principi di selezione, ubicazione e coordinamento per gli SPD collegati a sistemi AC a bassa tensione.[4] Devono essere verificati anche i dati di massima protezione di backup del produttore del prodotto. Per un flusso di approvvigionamento dettagliato, vedere la Guida alla selezione del fusibile di backup e dell'MCB per SPD.
Protezione del generatore e del convertitore contro le sovratensioni
La sezione del generatore e del convertitore è quella in cui una turbina eolica differisce più chiaramente da un normale quadro di distribuzione. A seconda della topologia della turbina, la protezione può dover essere valutata allo statore del generatore, al rotore DFIG, al convertitore lato macchina, alla sezione in DC, al convertitore lato rete e all'interfaccia con il trasformatore.
La norma IEC 61643-11 stabilisce che i suoi requisiti di prova in AC presuppongono una sorgente con caratteristica tensione-corrente lineare e frequenze preferenziali di 50/60 Hz. Quando uno SPD è collegato a un diverso tipo di sorgente o a una diversa frequenza, le condizioni di sistema e di guasto previste richiedono un'attenta considerazione.[3]
Questo è particolarmente importante per le uscite PWM dei convertitori, i circuiti lato macchina a frequenza variabile e altre sorgenti non lineari.
Ogni lato elettrico del sistema generatore-convertitore deve essere identificato separatamente.
| Circuito | Informazioni richieste | Perché è importante |
|---|---|---|
| Statore del generatore | Tensione nominale, tensione massima, configurazione del neutro e livello di isolamento | La tensione verso terra e la tenuta dell'apparecchiatura determinano i requisiti di Uc e Up |
| Rotore DFIG | Intervallo di tensione del rotore, modalità di funzionamento e limiti del convertitore | Il circuito del rotore non è equivalente a un circuito AC alimentato dalla rete |
| Convertitore lato macchina | Forma d'onda PWM, picchi ripetitivi, frequenza di commutazione e messa a terra | Lo stress non sinusoidale può influire sulla stabilità operativa e sul riscaldamento dell'SPD |
| Convertitore lato rete | Tensione di rete, filtro, trasformatore e condizione di corrente di guasto | Il comportamento del sistema differisce prima e dopo il convertitore o il trasformatore |
| Circuito in corrente continua | Tensione continua massima, polarità, messa a terra e corrente di guasto | L'interruzione in corrente continua e il comportamento in caso di guasto differiscono dalle applicazioni in corrente alternata |
| Controllo e retroazione | Tensione dell'interfaccia, tipo di segnale, banda passante e potenziale di riferimento | Un SPD di potenza non può fornire una protezione adeguata del segnale |
Conclusione per l'approvvigionamento: i circuiti lato macchina e lato rete possono richiedere dispositivi diversi anche quando appartengono allo stesso gruppo convertitore.
I circuiti in corrente continua richiedono una protezione con caratteristiche nominali per corrente continua
La norma IEC 61643-41:2025 si applica agli SPD collegati a circuiti e apparecchiature in corrente continua con tensione nominale fino a 1.500 V DC. Richiede inoltre un'attenta valutazione quando la sorgente è non lineare o presenta caratteristiche di guasto differenti rispetto alla sorgente di prova ipotizzata.[7]
Una sola etichetta con classificazione CC non è sufficiente. Confermare la tensione CC continua massima, la polarità, la messa a terra, la corrente di guasto disponibile e la capacità della sorgente di sostenere un arco CC.
Il progettista della turbina o il produttore del convertitore dovrebbero confermare la tecnologia SPD accettabile, la capacità, la corrente di dispersione, il comportamento di clamping e la posizione di installazione per le applicazioni lato convertitore. Non si deve presumere che un SPD di rete standard sia adatto solo in base alla tensione nominale.
Up deve essere valutato ai terminali dell'apparecchiatura
Il livello di protezione dalla tensione SPD dichiarato non è sempre la tensione finale che appare ai terminali del convertitore o del controllore. L'induttanza di connessione, la lunghezza del cavo, l'instradamento e l'oscillazione possono aggiungere tensione al circuito protetto.
Mantenere i collegamenti brevi e diretti. Il Guida all’installazione dei DPS IEC 60364-5-534 spiega come la lunghezza della connessione e l'instradamento dei conduttori influiscono sulla protezione pratica.
Se la distanza o l'immunità dell'apparecchiatura richiedono un altro stadio di protezione, verificare il coordinamento tra i dispositivi a monte e a valle invece di aggiungere una combinazione non testata.
Gli ingegneri che valutano le interfacce dei convertitori possono anche utilizzare la Guida alla protezione da sovratensioni dell'inverter PCS come riferimento correlato per separare i confini di CA, CC, controllo e comunicazione. Le decisioni finali sulle turbine eoliche devono comunque seguire i documenti della turbina e del convertitore.
Alimentazione ausiliaria della navicella e armadi di controllo
I sistemi della navicella possono condividere lo stesso involucro fisico operando a diversi livelli elettrici. I circuiti tipici includono alimentazione ausiliaria trifase, fornitura di servizio monofase, controllo 24 V CC, azionamenti di imbardata, raffreddamento, lubrificazione, idraulica, riscaldatori e apparecchiature di segnalazione aeronautica.
L'SPD CA della navicella in entrata protegge solo il circuito a cui è collegato. Non protegge automaticamente un sensore remoto a 24 V, un ingresso del controllore o una porta Ethernet.
Dividere la navicella tramite interfacce elettriche reali
- Distribuzione ausiliaria AC trifase;
- Alimentazione di servizio e controllo monofase;
- Alimentazione di controllo DC a bassa tensione;
- Circuiti di motori e azionamenti;
- Alimentazione esterna per apparecchiature meteo;
- Linee di ingresso e uscita del controller;
- Linee di comunicazione e allarme remoto.
Un unico armadio può richiedere molteplici tecnologie SPD. Il numero corretto di dispositivi segue il numero di interfacce elettriche esposte, non il numero di quadri.
Le apparecchiature esterne della navicella necessitano di una valutazione separata
Anemometri, banderuole, luci di segnalazione aeronautica e altre apparecchiature montate all'esterno del corpo principale della navicella possono essere esposte a un ambiente elettromagnetico differente.
Esaminare sia i conduttori di alimentazione dell'apparecchiatura che i suoi conduttori di dati o di misurazione. Il loro punto di ingresso dei cavi può formare un confine di protezione separato anche quando entrambi i cavi terminano nello stesso armadio.
Protezione del mozzo e del sistema di orientamento delle pale
Il sistema di pitch può includere motori, azionamenti, controller, batterie di backup o condensatori, caricabatterie, encoder e interfacce di comunicazione. Questi circuiti sono posizionati vicino al percorso della corrente di fulmine della pala e del mozzo.
Una revisione completa del sistema di pitch dovrebbe separare almeno cinque interfacce:
- Alimentazione del motore di pitch: confermare la tensione AC o DC e la topologia dell'azionamento;
- Alimentazione del controller: confermare l'intervallo di tensione e la disposizione della messa a terra;
- Alimentazione di backup: confermare la tensione di batteria o condensatore e il comportamento in caso di guasto;
- Encoder e feedback: confermare il tipo di segnale, la frequenza e il numero di conduttori;
- Bus di comunicazione: confermare CAN, Ethernet o un altro protocollo.
È improbabile che un singolo “SPD per mozzo” generico sia adatto a tutte queste interfacce. Lo schema elettrico del mozzo e la documentazione del sistema di pitch dovrebbero essere forniti prima del preventivo.
Richiedere al fornitore della turbina o del sistema di pitch la tensione operativa massima e i dati dell'interfaccia, non solo la tensione nominale del controller.
Protezione di sensori, comunicazioni e sistemi SCADA
Una turbina può rimanere meccanicamente intatta dopo un evento di fulminazione, ma smettere di produrre perché un ingresso sensore, una porta del controller o un'interfaccia di comunicazione sono andati in avaria.
La norma IEC 61643-21:2025 copre gli SPD collegati a reti di telecomunicazione e segnalazione con tensione nominale fino a 1.000 V RMS o 1.500 V DC. Il suo campo di applicazione include anche reti che trasportano alimentazione e dati sulla stessa linea, come il Power over Ethernet.[5]
La norma IEC 61643-22 fornisce i principi di selezione, posizionamento e coordinamento per gli SPD delle linee di segnale.[6]
Per la protezione dei segnali, le prestazioni di trasmissione possono essere importanti quanto la tensione nominale.
| Interfaccia | Parametri da confermare | Errore comune di approvvigionamento |
|---|---|---|
| 4–20 mA | Tensione di loop, corrente, numero di fili e modalità di messa a terra | Selezione basata solo sull'etichetta di 24 V senza verificare la resistenza di loop |
| RS485 | Tensione di lavoro, coppie, velocità dati, riferimento e schermo | Ignorare la capacità e le prestazioni di trasmissione |
| Bus CAN | Tipo di CAN, tensione del bus, velocità e disposizione dei conduttori | Trattare CAN e RS485 come interfacce identiche |
| Ethernet industriale | Categoria, larghezza di banda, schermo, connettore e PoE | Corrispondenza del connettore RJ45 ma non delle prestazioni di rete |
| Encoder | Alimentazione, tipo di uscita, frequenza e numero di conduttori | Utilizzo di un SPD per segnali generico che distorce l'uscita a impulsi |
| Stazione meteorologica | Alimentazione sensore, alimentazione riscaldatore, uscita analogica e interfaccia dati | Protezione dei dati ma trascurando i conduttori di alimentazione e del riscaldatore |
Conclusione di approvvigionamento: la forma del connettore e la tensione nominale non dimostrano la compatibilità con un'interfaccia dati o sensore.
Quando la protezione potrebbe essere necessaria su entrambe le estremità del cavo
Un lungo cavo in rame può trasferire una sovratensione o una differenza di potenziale tra due posizioni di apparecchiature. A seconda della disposizione delle zone di protezione, del sistema di collegamento equipotenziale e del design dell'interfaccia, la protezione potrebbe essere richiesta su entrambe le terminazioni.
I due SPD devono essere compatibili con lo stesso protocollo e concetto di messa a terra. L'installazione di dispositivi non correlati alle due estremità può aumentare la capacità, ridurre la qualità del segnale o creare un percorso di collegamento equipotenziale non idoneo.
Il Guida alla protezione contro le sovratensioni I/O remoti fornisce una logica di selezione aggiuntiva per interfacce 24 V DC, DI, DO, AI, AO e RS485 esposte tramite lunghi cavi di campo.
La fibra ottica riduce un percorso ma non elimina ogni rischio
La fibra ottica di per sé non conduce sovratensioni elettriche convenzionali. Tuttavia, il cavo completo può contenere armature metalliche, elementi di rinforzo o conduttori di tracciamento. Anche i convertitori di media e i relativi alimentatori possono rimanere esposti.
Verificare la struttura completa del cavo invece di dare per scontato che ogni collegamento in fibra fornisca un isolamento galvanico totale. Per le interfacce Ethernet e PoE in rame, verificare inoltre la categoria, la velocità di trasmissione dati, le coppie e la schermatura come spiegato nel Guida alla selezione del protettore delle sovratensioni RJ45.
Messa a terra della torre, collegamenti equipotenziali e installazione dei cavi
Un SPD non può controllare la tensione di sovratensione senza un percorso idoneo per la corrente deviata. Il progetto deve limitare le differenze di potenziale tra la struttura della torre, il telaio della navicella, gli armadi delle apparecchiature, le schermature dei cavi, i conduttori PE e le barre di equipotenzialità locali.
La norma IEC 62305-4 copre la progettazione, l'installazione, l'ispezione, la manutenzione e il collaudo delle misure di protezione contro le sovratensioni per i sistemi elettrici ed elettronici esposti all'impulso elettromagnetico da fulmine.[8]
Esaminare il percorso completo della corrente di sovratensione
- Percorso conduttivo di pala e mozzo;
- Collegamento equipotenziale del telaio della navicella e dei macchinari;
- Continuità elettrica delle sezioni della torre;
- Rete di terra della fondazione e del parco eolico;
- Barre di equipotenzialità degli armadi di controllo e dei quadri elettrici;
- Collegamento dell'SPD al punto di equipotenzialità locale;
- Terminazione della schermatura del cavo al limite progettato;
- Collegamento equipotenziale del trasformatore e del sistema di raccolta.
La resistenza di terra a bassa frequenza è solo una parte del progetto. Richiedono valutazione anche la distribuzione della corrente di fulmine, la geometria del conduttore, la continuità dei collegamenti, le condizioni del suolo, la costruzione delle fondamenta, le tensioni di contatto e di passo e l'impedenza ad alta frequenza.
Mantenere i collegamenti SPD brevi e diretti
Durante una sovratensione rapida, l'induttanza del conduttore di collegamento può creare una tensione aggiuntiva. Lunghi loop o collegamenti PE remoti possono quindi aumentare la tensione sull'apparecchiatura protetta.
Posizionare l'SPD vicino all'ingresso del cavo o al limite protetto. Seguire la disposizione di collegamento del produttore ed evitare lunghezze inutili del conduttore e loop.
La terminazione della schermatura deve seguire il progetto EMC
Le schermature dei cavi possono ridurre l'accoppiamento elettromagnetico se selezionate e terminate correttamente. Il metodo di terminazione idoneo dipende dal protocollo, dai requisiti EMC, dalla rete di equipotenzialità e dal progetto della turbina.
Non applicare la regola universale secondo cui ogni schermatura deve essere sempre collegata a un'estremità o sempre a entrambe. Il progettista del progetto deve confermare il metodo richiesto.
Come vengono coordinati gli SPD di Tipo 1 e di Tipo 2
Il coordinamento degli SPD significa che ogni stadio di protezione opera entro la propria capacità e riduce lo stress rimanente per lo stadio successivo e per l'apparecchiatura protetta.
Un SPD di Tipo 1 o di Tipo 1+2 può essere necessario laddove i conduttori possano trasportare una corrente di fulmine parziale. Un SPD di Tipo 2 viene generalmente utilizzato per la protezione a valle contro sovratensioni residue o indotte. La disposizione finale deve seguire il concetto di protezione contro i fulmini e le effettive condizioni del circuito.[3][4]
Determinare se il circuito può trasportare una corrente di fulmine parziale, una corrente di sovratensione indotta o solo energia transitoria residua.
Verificare la tensione conduttore-conduttore e conduttore-terra, la forma d'onda, la fluttuazione e la sovratensione temporanea.
Utilizzare la valutazione del rischio della turbina e il concetto di condivisione della corrente invece di applicare un valore Iimp o In generico.
Confrontare il livello di protezione coordinato, inclusi gli effetti dell'installazione, con il livello di tenuta all'impulso dell'apparecchiatura.
Utilizzare combinazioni supportate dai dati di coordinamento del produttore o ottenere una verifica a livello di progetto ove richiesto.
Confermare la corrente di cortocircuito presunta, il comportamento dell'SPD in caso di guasto e il fusibile o interruttore di backup esterno consentito.
Per una spiegazione più approfondita sui livelli di protezione, la distanza di separazione e il coordinamento energetico, vedere il Guida al coordinamento degli SPD di Tipo 1, Tipo 2 e Tipo 3.
Quando è rilevante la protezione di Tipo 3?
La protezione di Tipo 3 può essere utile vicino ad apparecchiature sensibili quando il sistema a monte e le condizioni di installazione non sono in grado di ridurre sufficientemente la tensione di sovratensione residua.
Non è richiesto automaticamente su ogni PLC o controller. Confermare l'immunità dell'apparecchiatura, la distanza del cavo, la protezione a monte e i dati di coordinamento per i dispositivi selezionati.
I tipi 1, 2 e 3 descrivono i doveri di protezione e le classificazioni di prova. Non creano una regola universale secondo cui ogni turbina eolica deve utilizzare un tipo fisso alla base della torre, sulla navicella e ai terminali delle apparecchiature.
Matrice di selezione degli SPD per turbine eoliche
Utilizzare questa matrice come guida alla consultazione, non come sostituto della progettazione elettrica della turbina.
| Punto di protezione | Circuito tipico | Direzione iniziale dell'SPD | Conferma del progetto |
|---|---|---|---|
| Ingresso alla base della torre | Alimentazione principale a bassa tensione | Valutare Tipo 1, Tipo 1+2 o Tipo 2 | Limite LPZ, tensione di sistema, condivisione della corrente e corrente di guasto |
| Armadio della navicella | Distribuzione CA ausiliaria | Tipo 2 coordinato a valle | Protezione a monte, percorso del cavo e tenuta dell'apparecchiatura |
| Generatore | Circuito di statore o rotore | Protezione specifica per tensione e topologia | Tensione massima, forma d'onda, isolamento e configurazione del neutro |
| Convertitore | Lato macchina, lato CC o lato rete | SPD CA o CC compatibile con il convertitore | Tipo di sorgente, stress PWM, messa a terra e comportamento al guasto |
| Mozzo e pitch | Motore, controller e alimentazione di backup | Protezione separata per alimentazione e segnale | Tensione di interfaccia, topologia e connessione rotante |
| Sensori meteorologici | 24 V, 4–20 mA o dati | SPD di segnale specifico per interfaccia | Parametri del loop, larghezza di banda e schermatura |
| Rete SCADA | Ethernet, RS485 o telecomunicazioni | SPD per linee dati o isolamento galvanico | Protocollo, larghezza di banda, PoE e struttura del cavo |
| Interfaccia trasformatore | Connessione a bassa o media tensione | SPD BT o scaricatore MT specifico per il progetto | Posizione del trasformatore e progettazione della rete di raccolta |
La posizione identifica dove indagare. Tensione, forma d'onda, confine LPZ, interfaccia e tenuta dell'apparecchiatura determinano cosa installare.
Requisiti ambientali onshore e offshore
L'idoneità elettrica è solo una parte della selezione. Le apparecchiature per turbine eoliche possono anche essere esposte a variazioni di temperatura, umidità, condensa, vibrazioni e accesso limitato per la manutenzione.
Le turbine eoliche offshore fisse hanno requisiti aggiuntivi di sito e progettazione secondo la norma IEC 61400-3-1.[9] Le installazioni offshore di SPD possono richiedere particolare attenzione alla corrosione, all'esposizione salina, al design dell'involucro e alla logistica di manutenzione.
| Condizione | Cosa verificare |
|---|---|
| Temperatura | Intervallo operativo e di stoccaggio all'interno dell'involucro effettivo |
| Umidità e condensa | Riscaldamento, ventilazione, rivestimento e protezione dei terminali dell'armadio |
| Sale e corrosione | Atmosfera offshore, involucro, terminali e compatibilità dei materiali |
| Vibrazioni e urti | Sicurezza del montaggio, ritenzione del modulo plug-in e stabilità dei terminali |
| Altitudine | Limiti del produttore e coordinamento dell'isolamento |
| Accesso per la manutenzione | Indicazione di stato, contatto remoto, moduli sostituibili e isolamento sicuro |
Non specificare un grado di protezione IP senza definire l'installazione
Molti SPD su guida DIN sono installati all'interno di un armadio. L'armadio può fornire la protezione ambientale richiesta piuttosto che l'alloggiamento dell'SPD stesso.
Specificare se il dispositivo è installato in un armadio protetto della navicella, nel quadro di base della torre, nell'involucro del convertitore o in una scatola esposta all'aperto prima di definire un requisito IP o di corrosione.
La segnalazione remota supporta la manutenzione
Un contatto remoto può consentire al controller della turbina o al sistema di manutenzione di rilevare una variazione nello stato dell'SPD. Confermare la portata del contatto, la logica normale e l'interpretazione dell'allarme.
Un contatto pulito indica normalmente lo stato del dispositivo o del sezionatore. Non deve essere descritto come un contatore di eventi di fulminazione a meno che il prodotto non includa quella funzione separata.
Errori comuni nella protezione contro le sovratensioni delle turbine eoliche
Installare un solo SPD alla base della torre
Un dispositivo alla base della torre non può controllare automaticamente le sovratensioni indotte localmente, la tensione residua e i transitori di commutazione vicino alla navicella, al mozzo o al convertitore.
Selezione basata sulla potenza nominale della turbina
La potenza della turbina non rivela la tensione del circuito, la forma d'onda, la messa a terra, la corrente di cortocircuito o l'immunità dell'apparecchiatura.
Utilizzare un unico SPD CA su entrambi i lati del convertitore
Il lato macchina e il lato rete possono avere frequenze, forme d'onda, tensioni operative e condizioni di guasto differenti.
Ignorare le linee di sensori e comunicazione
Una porta del controller o un circuito del sensore guasti possono arrestare il funzionamento della turbina anche quando l'apparecchiatura di potenza principale rimane funzionale.
Selezionare un SPD di segnale solo in base alla tensione
Larghezza di banda, capacità, protocollo, disposizione dei conduttori e collegamento della schermatura possono determinare il corretto funzionamento dell'interfaccia.
Utilizzo di collegamenti SPD lunghi o ad anello
L'induttanza supplementare del conduttore aumenta la tensione che raggiunge l'apparecchiatura protetta durante un transitorio rapido.
Presumere che una singola lettura di terra sia prova di protezione
Una valutazione completa richiede anche la continuità dei collegamenti equipotenziali, i percorsi di corrente, la geometria dei conduttori, la progettazione delle fondazioni e il comportamento ad alta frequenza.
Sostituzione di ogni SPD secondo un calendario fisso
La durata operativa dipende dall'esposizione alle sovratensioni, dallo stress operativo, dall'ambiente e dalla progettazione del prodotto. Utilizzare l'indicazione dello stato, le istruzioni di manutenzione e l'ispezione degli eventi invece di un intervallo universale.
Controlli di messa in servizio e manutenzione
L'installazione dell'SPD deve essere verificata come parte del sistema completo di protezione della turbina. La norma IEC 62305-4 include ispezione, manutenzione e collaudo nell'ambito delle misure di protezione contro le sovratensioni.[8]
Prima della messa sotto tensione
- Confermare il modello installato rispetto allo schema circuitale approvato;
- Verificare Uc, modo di protezione e tipo di SPD;
- Controllare i requisiti del fusibile di backup o dell'interruttore automatico;
- Confermare i valori di coppia e le terminazioni dei conduttori;
- Ispezionare la lunghezza e l'instradamento dei collegamenti;
- Verificare la continuità del PE e del collegamento equipotenziale;
- Controllare il cablaggio del contatto remoto e la logica di allarme;
- Registrare modello del prodotto, lotto e posizione di installazione.
Durante la manutenzione ordinaria
- Ispezionare gli indicatori visivi di stato;
- Rivedere gli allarmi remoti e i registri di manutenzione;
- Controllare i morsetti per allentamenti, corrosione o surriscaldamento;
- Ispezionare i moduli plug-in per una ritenzione sicura;
- Controllare i collegamenti equipotenziali della torre e dell'armadio;
- Rivedere la protezione dopo eventi significativi di fulmini o guasti elettrici;
- Sostituire i dispositivi in base alle condizioni verificate e alle istruzioni del produttore.
Tenere moduli di ricambio identificati dal modello esatto e dal modo di protezione. Cartucce dall'aspetto simile potrebbero non avere gli stessi Uc, capacità di scarica o collegamento interno.
Documenti da verificare prima dell'approvazione del modello
L'approvazione da parte di un OEM o EPC deve basarsi sull'esatto modello proposto. Non dare per scontato che una brochure di famiglia o un certificato generale coprano ogni tensione, configurazione dei poli o modalità di protezione.
Verificare Uc, Up, Iimp, In, Imax, modo di protezione, contatto remoto e dimensioni.
Confermare la disposizione dei conduttori, la protezione di backup, la coppia di serraggio e i limiti di montaggio.
Verificare che il modello e la classificazione presentati rientrino nell'effettivo ambito del documento.
Verificare le combinazioni a monte e a valle approvate laddove è richiesta una protezione a stadi.
Confermare larghezza di banda, capacità, tensione di lavoro, coppie di conduttori e standard di trasmissione.
Registrare modello, etichetta, disposizione dei terminali, imballaggio, disegni e deviazioni specifiche del progetto.
Per una proposta LEEYEE, il pacchetto di quotazione e approvazione dovrebbe identificare l'esatto modello proposto e i documenti di supporto disponibili. Gli acquirenti dovrebbero confermare che ogni documento si applichi alla configurazione ordinata.
Prima di ordinare gli SPD per turbine eoliche
Inviare informazioni tecniche sufficienti per ogni circuito. Una quotazione affidabile dovrebbe basarsi sul design della turbina piuttosto che su una richiesta generica di un “protettore da sovratensioni per turbine eoliche”.
Richiedi una revisione della configurazione degli SPD per turbine eoliche
Condividere lo schema unifilare, le tensioni dei circuiti, le posizioni di installazione, le informazioni sul convertitore, le interfacce di segnale e gli standard richiesti. LEEYEE può esaminare i dati disponibili e consigliare i parametri SPD idonei per l'OEM o la conferma del progetto.
CNSPD è la piattaforma tecnica e di prodotto di LEEYEE incentrata sulla protezione dalle sovratensioni per gli acquirenti globali. L'approvazione finale della turbina deve rimanere sotto la responsabilità del progettista della turbina, del fornitore del convertitore o dell'ingegnere di progetto.
Domande frequenti
Un singolo SPD può proteggere un'intera turbina eolica?
Solitamente no. Una turbina eolica su scala industriale contiene molteplici circuiti di potenza, convertitori, CC, sensori e comunicazione attraverso diverse zone di protezione. Ogni interfaccia conduttiva esposta deve essere valutata separatamente.
Ogni base della torre richiede un SPD di Tipo 1?
Non automaticamente. La classe di prova Tipo 1 viene selezionata laddove i conduttori collegati possano trasportare correnti parziali di fulmine o dove il concetto di protezione dai fulmini del progetto lo richieda. La zona di protezione e il percorso della corrente devono essere esaminati.
La protezione di Tipo 2 è normalmente necessaria nella navicella?
La protezione di Tipo 2 viene comunemente utilizzata per la distribuzione di potenza a valle e la protezione delle apparecchiature. L'ubicazione esatta dipende dalla protezione a monte, dal percorso dei cavi, dalla tensione residua e dal livello di resistenza dell'apparecchiatura.
Un normale SPD da 690 V può proteggere un convertitore per turbine eoliche?
L'idoneità non può essere presunta dalla sola tensione. Confermare il lato del convertitore, la forma d'onda, i picchi ripetitivi, la frequenza, la messa a terra, le condizioni di guasto e i requisiti del produttore del convertitore.
Il lato macchina e il lato rete necessitano di SPD diversi?
Potrebbero. I due lati possono operare con diverse forme d'onda, frequenze, configurazioni di messa a terra e comportamenti in caso di guasto. Ogni lato deve essere esaminato indipendentemente.
I sensori delle turbine eoliche necessitano di SPD di segnale separati?
I sensori collegati tramite cavi in rame esposti o lunghi possono richiedere una protezione specifica per l'interfaccia. Verificare la tensione del segnale, la corrente di loop, la larghezza di banda, il cablaggio e la messa a terra prima della selezione.
La comunicazione in fibra ottica elimina il rischio di sovratensione?
La fibra rimuove la conduzione attraverso il nucleo ottico, ma l'armatura metallica, gli elementi di rinforzo, le alimentazioni dei convertitori di media e i cavi in rame paralleli possono ancora introdurre rischi di collegamento equipotenziale o sovratensioni.
Quale resistenza di messa a terra è richiesta per una turbina eolica?
Non è possibile applicare un valore universale a ogni turbina. Il requisito dipende dal design delle fondamenta, dal terreno, dalla messa a terra del parco eolico, dalle tensioni di contatto e di passo, dai percorsi di corrente e dalle norme di progetto applicabili.
Ogni quanto deve essere sostituito un SPD per turbine eoliche?
Non esiste un intervallo di sostituzione universale. Seguire le istruzioni del prodotto, ispezionare gli indicatori di stato e gli allarmi remoti ed esaminare il sistema dopo eventi elettrici o fulmini significativi.
Quali documenti dovrebbe richiedere un acquirente OEM?
Richiedere schede tecniche specifiche del modello, disegni, istruzioni di installazione, valori nominali dichiarati, requisiti di protezione di backup, certificati o documenti di prova nel loro ambito effettivo e un record di approvazione dei campioni ove richiesto.
Riferimenti
- Commissione Elettrotecnica Internazionale, IEC 61400-24:2019+AMD1:2024 CSV, Sistemi di generazione di energia eolica — Parte 24: Protezione contro i fulmini.
- Commissione Elettrotecnica Internazionale, IEC 61643-01:2024, Dispositivi di protezione contro le sovratensioni a bassa tensione — Parte 01: Requisiti generali.
- Commissione Elettrotecnica Internazionale, IEC 61643-11:2025, Dispositivi di protezione contro le sovratensioni collegati a sistemi di potenza a bassa tensione in CA — Requisiti e metodi di prova.
- Commissione Elettrotecnica Internazionale, IEC 61643-12:2020, Dispositivi di protezione contro le sovratensioni collegati a sistemi di potenza a bassa tensione — Principi di selezione e applicazione.
- Commissione Elettrotecnica Internazionale, IEC 61643-21:2025, Dispositivi di protezione contro le sovratensioni collegati a reti di telecomunicazione e segnalazione — Requisiti e metodi di prova.
- Commissione Elettrotecnica Internazionale, IEC 61643-22:2015, Dispositivi di protezione contro le sovratensioni collegati a reti di telecomunicazione e segnalazione — Principi di selezione e applicazione.
- Commissione Elettrotecnica Internazionale, IEC 61643-41:2025, Dispositivi di protezione contro le sovratensioni collegati a sistemi di potenza a bassa tensione in CC — Requisiti e metodi di prova.
- Commissione Elettrotecnica Internazionale, IEC 62305-4:2024, Protezione contro i fulmini — Parte 4: Sistemi elettrici ed elettronici all'interno di strutture.
- Commissione Elettrotecnica Internazionale, IEC 61400-3-1:2019, Sistemi di generazione di energia eolica — Parte 3-1: Requisiti di progettazione per turbine eoliche offshore fisse.
Nota sull'ambito tecnico: l'architettura della turbina eolica, la distribuzione della corrente di fulmine, i valori nominali degli SPD, i metodi di installazione e gli obblighi di certificazione variano in base alla piattaforma della turbina e al progetto. Verificare la configurazione finale rispetto ai documenti di progetto correnti, agli standard applicabili, alle istruzioni del prodotto e all'approvazione dell'ingegnere responsabile.
