A szélerőmű földelési tulajdonságai 2. MVM Partner Zrt. részére. Budapest,

Átírás

1 A szélerőmű földelési tulajdonságai 2. MVM Partner Zrt. részére Budapest,

2 Tranziens potenciálviszonyok Absztrakt A cikk első részében [1] ismertettem a földelőrendszerekkel kapcsolatos fogalmakat, valamint a földelőrendszer által betöltött funkciókat. A második részben megismerhető a szélerőművekre és egyéb magasabb építésű villamos létesítményekre leselkedő legnagyobb külső fenyegetés. Ennek neve légköri tranziens, azaz villámcsapás. A cikk első fejezete ismerteti a villám jelalakjának természetét, a villám jellemző tulajdonságait, valamint a primer és szekunder villámvédelem eszközeit. A második és harmadik fejezetben helyet kapnak azok a jelenségek, amelyek miatt a nagy maximális áramerősségű, ám rövid idejű impulzusok elleni védekezés komplexebb feladat a kvázistacioner zavarokkal szembeni védekezésnél. A cikk utolsó fejezete pedig a villámcsapás során kialakuló potenciálviszonyok számításával foglalkozik, azok időbeli lefolyását és felületi eloszlását vizsgálva. 1. A villámcsapás A villámcsapás kialakulásának oka, hogy a zivatarfelhőből kiinduló koronakisülések elérik a földfelszínt, így kiegyenlítve a potenciálkülönbséget. A villámáram csúcsértéke akár 1000 ka is lehet. A villámcsapás időtartama néhány ms. A villámcsapás minőségét az alábbi jellemzők határozzák meg: áram csúcsértéke, becsapási pontban kiegyenlítődő töltés, áramhullám homlokán fellépő árammeredekség, fajlagos energia. Amit egy villámcsapásnak érzékelünk, az az esetek nagy részében több egymást követő, csökkenő intenzitású villámcsapás. A villám lehet pozitív és negatív is, aszerint, hogy milyen töltéskülönbséget egyenlít ki és honnan indul[2]. 1. táblázat: A villámáram jellemző értékei [2] 50 % (medián) A villámáram csúcsértéke (ka) 35,0 Kiegyenlítődő töltés (C) 80,0 Árammeredekség (ka/µs) 20,0 Áramhullám homlokideje (µs) 22,0 Fajlagos energia (MJ/Ω) 0,650

3 1. ábra: A 10/350-es és a 8/20-as villám jelalakja [3] A primer villámvédelem elve, hogy a védendő létesítményt megóvjuk a villámcsapástól. Ennek érdekében olyan objektumokat kell telepíteni, amelyekre a villámcsapás valószínűsége magasabb, mint a védendő létesítményre. Egy primer villámvédelmi berendezés az alábbi alkotórészekből áll: felfogó, levezető, földelés. Ahogy a neve is mutatja, a felfogó elsődleges feladata, hogy őt érje a villámcsapás. A levezető köti össze a felfogót és a földelést. Feladata, hogy minél kisebb feszültség essen rajta, azaz a rajta áthaladó villámáram minél kisebb potenciálemelkedést hozzon létre. A földelés feladataival az [1] cikk foglalkozik bővebben. A primer villámvédelmi berendezések méretezéséről a [4] forrásban jelölt MSZ EN szabvány rendelkezik. 3

4 2. ábra: A villámjelalakok alkalmazási területei [3] A 2. ábra mutatja, hogy az 1. ábrán bemutatott két villámjelalak közül melyek használatosak a villámvédelmi berendezések tervezésénél és vizsgálatánál a szélerőmű egyes részein. Ha a primer villámvédelem hatástalannak bizonyult, akkor a károk minimalizálása a szekunder villámvédelem feladata. A villámcsapás miatt fellépő nagy áramok elleni védelem egyik módszere, ha a fázisvezetőket összekötik a védőfölddel egy olyan berendezéssel, amely csak ezeket a nagy áramokat vezeti, üzemi körülmények között szigetelőként viselkedik. 3. ábra: A szikraköz, a varisztor és a dióda hatása a villám jelalakjára [5] Erre a célra kiválóan alkalmas a 3. ábra segítségével bemutatott szikraköz, varisztor, dióda és ellenállások alkotta berendezés, amelynek elemei egyre gyorsabbak, viszont egyre kisebb erősségű áramokat képesek elviselni. Az ellenállások beépítésére azért van szükség, hogy a villámáram hatására először a szikraköz lépjen működésbe, utána a varisztor és csak a legvégén a dióda. 4

5 2. A lökőhullámú földelési ellenállás 2.1. A lökőhullámú földelési ellenállás fogalma A [1] cikkben bemutatott kvázistacioner földelési ellenállás értéke időben állandó, nagy amplitúdójú, ám rövid idejű áramlökések, azaz lökőhullámok esetén azonban nem. Ennek oka, hogy értéke függ az áram nagyságától, mivel a talajionizáció miatt nagy áramok hatására a vezető csatorna keresztmetszete megnövekszik, ezért az ellenállása csökken. A földelési ellenállás pillanatnyi értékét az alábbi összefüggés adja meg: Z g (t) = U(t) (1) I(t) Tehát a földelési ellenállás pillanatnyi értéke megegyezik a feszültség és az áram pillanatnyi értékének hányadosával[6]. A lökőhullámú földelési ellenállás kifejezhető időfüggvény helyett egy értékkel is. Ez az érték az alábbi összefüggés szerint határozható meg: Z surge = U(t) max I(t) max (2) Tehát a lökőhullámú földelési ellenállás kifejezhető a kialakuló potenciálemelkedés és az injektált áram maximális értékeinek hányadosával. Ez rendszerint magasabb, mint a kvázistacioner földelési ellenállás[7] A lökőhullámú földelési ellenállás mérése A mérés elve megegyezik a potenciálesés mérési módszerének elvével, azonban ebben az esetben most nem egyen- vagy alacsony frekvenciájú váltóáramot vezetünk a talajba, hanem egy általunk megválasztott csúcsértékű, felfutási és félértékidővel rendelkező impulzust (például: 1. ábra, 4. ábra). A kialakuló feszültségválaszt a földelőrendszer középpontjában mérjük. A mérési elrendezést az 5. ábra mutatja be. 5

6 4. ábra: felül: a feszültségválasz, alul: a vizsgáló áramimpulzus[6] A földelési ellenállás idő szerinti értékét a két görbe pillanatértékeinek elosztásával kapjuk. 5. ábra: a mérési elrendezés[7] 6

7 6. ábra: a földelési ellenállás pillanatnyi értéke[6] A 6. ábrán látható, hogy a földelési ellenállás a pulzus injektálásának a pillanatában a legmagasabb. Az áramcsúcs elérésekor egy lokális minimumra csökken, majd a feszültségcsúcs eléréséig kicsit növekszik. Ez a villám kapacitív jellege miatt van, mivel a feszültség késik az áramhoz képest. A feszültségcsúccsal egy időben jelentkező lokális maximum után a földelési ellenállás újból szigorúan monoton csökken a kvázistacioner érték eléréséig. 3. Különböző típusú szélerőművek földeléseinek kialakítása[8] A nagy teljesítményű szélerőművek különösen ki vannak téve a villámcsapás veszélyének az alábbi okokból kifolyólag: a tornyok sokkal magasabbak, mint a környezetükben jelenlévő bármely pont, tereptárgy, hegyes csúcsú, mozgó legmagasabb pont (a lapátok vége), mind a torony, mind a gondola acélból készült. A ferromágneses anyag jelenléte megnöveli a villámcsapás valószínűségét A szélturbinák földelése A villámcsapás okozta potenciálemelkedés minimalizálásának módja a minél alacsonyabb földelési ellenállású földelőrendszer kialakítása. Ez sziklás terepen, például hegygerincen emelt szélturbinák esetében nehezen megoldható, mivel a földelési ellenállás nagysága függ a talaj fajlagos ellenállásától. Ilyen terepen a talaj fajlagos ellenállása 400-tól akár Ωm-ig terjedhet. 7

8 7. ábra: A szélturbinák földelésének leggyakoribb kialakítása[8] A szélturbinák földelőrendszerét úgy alakítják ki, hogy a földelőgyűrűt összekötik a torony alapját alkotó vasbetonszerkezet vasból készült elemeivel. A földelőgyűrűből földelőrudak erednek a talaj mélyebb rétegeibe is. Szélerőműparkok esetén az összes turbina földelőgyűrűje villamosan is össze van kötve. Ez tovább csökkenti a földelési ellenállást Földelések különböző helyettesítőképei A földelések felírhatók többféle helyettesítőképpel aszerint, hogy mely tényezőket vesszük figyelembe. 8. ábra: Földelés helyettesítése ellenállással [8] R T = R 0, ha I < I g (3) A legegyszerűbb helyettesítőkép az ellenállás (8. ábra). Ekkor nem vesszük figyelembe a talaj ionizációját. 8

9 9. ábra: Földelés helyettesítőképe a talajionizáció figyelembevételével [8] A talajionizáció figyelembevétele esetén az ellenállás értéke változik az (5) összefüggés szerint: Ahol: R T = R I I g, ha I > I g (4) Ahol: I g = E 0 ρ 2π R 0 2 (5) E 0 ρ R 0 az ionizáló villamos térerősség, a talaj fajlagos ellenállása, a kisfrekvenciás ellenállás. 10. ábra: Részletes földelési helyettesítőkép [8] 2. táblázat: A 10. ábra segítségével bemutatott földelési rendszer elemeinek egy szimuláció során használt értékei [8] R 0 20 Ω E kv/m ρ 500 Ωm C r 11 nf L e 20 µh R e 32 Ω 43 nf C e 9

10 4. A potenciálviszonyok számítása 4.1. A vizsgáló jelalak A villámot mindig áramgenerátorosan modellezzük, azaz egy adott felfutási és félértékidejű áramhullámot vezetünk be a rendszerbe, hogy a kialakuló feszültségválaszt vizsgálhassuk. 11. ábra: a vizsgáló jelalak A tranziens méréseket a 11.ábrán látható 30 ka csúcsértékű 10/350 μs-os villámjelalakkal végeztem. A 10/350 μs-os érték azt jelenti, hogy a villámáram felfutási ideje 10 μs, félértékideje 350 μs. Azért van csak névleges érték megadva, mivel mind a villámáram jelalakjának kezdete, mind az csúcsérték első elérésének időpontja nehezen definiálható, ezért a gyakorlatban a névleges maximális érték 10 százalékának elérése és a névleges maximális érték 90 százalékának elérése között eltelt idő alapján számítják ki a 0 és a maximális érték elérése közti időt. Tehát ha esetünkben a 30 ka maximális értékű villámáram felfutási ideje 10 μs, akkor a maximális érték 10 és 90 százaléka, azaz a 3 ka és a 27 ka értékek elérése között 8 μs telik el. A 350 μs-os félértékidő azt jelenti, hogy a villámáram értéke a maximálisról 350 μs alatt csökken a felére. 10

11 4.2. A tranziensszámításokhoz alkalmazott modell 12. ábra: a teljes elrendezés A 12. ábrán látható elrendezés felépítését az alábbiakban ismertetem. A vizsgált torony magassága 50 méter. Az alapja négyzet alakú, oldalhossza 6,364 méter. Az torony legfelső pontján mért szélessége 0,6-szerese az alapnál mérhető értéknek, azaz 3,8184 méter. A torony anyaga 20 milliméter átmérőjű köracél. A torony tetején kapott helyet a gondola, mely egy téglatest. Az alapjának a mérete 10x4 méter, a magassága 2 méter. A vízszintes vezető gondolán kívüli meghosszabbítása helyettesíti a turbina főtengelyét. Anyaga acél, átmérője 1 méter. A 30 méter hosszú rotorlapátok magja szintén acélból készült. A viszonylag vékony, 15 milliméter átmérőjű acélrudakra 0,5 méter vastag üvegszálas szigetelés kerül, így modellezve a lapátok valódi anyagát. Az üvegszál fajlagos ellenállása Ωm, relatív permittivitása 6,2. 11

12 A megfigyelőprofilokat a talajra húztam fel. A számítások eredményeiül kapott animációk pillanatfelvételei alapján megfigyelhetők a tranziens potenciálviszonyok. 13. ábra: a lökőhullámú feszültségválasz A 13. ábráról leolvasható, hogy a talajon kialakuló skalárpotenciál maximális értéke ,9 V. A (2) szerint a lökőhullámú földelési ellenállás 28,7241 Ω, amely szinte megegyezik a kvázistacioner földelési ellenállás értékével A tranziens potenciálviszonyok A tranziens potenciálviszonyok számítása során a talajon kialakuló skalárpotenciált, érintési feszültségeket és lépésfeszültségeket vizsgáltam. Utóbbi két mennyiséget az [1] forrásban ismertettem A kialakuló skalárpotenciál A skalárpotenciál időbeni alakulásáról készült animáció megtekinthető az alábbi linken: 12

13 14. ábra: a kialakuló skalárpotenciál a villámcsapás után 15 μs-mal A 14. ábra mutatja a kialakuló skalárpotenciál felületi eloszlását a villámcsapás utáni 16. μs-ban. Látható, hogy a potenciál felületi eloszlásának képe szinte megegyezik a [1] cikkben vizsgált kvázistacioner eloszlás alakjával. Megfigyelhető, hogy 15 μs eltelte után a skalárpotenciál eléri az időbeli maximális értékét A kialakuló érintési feszültségek Az érintési feszültség időbeni alakulásáról készült videó megtekinthető az alábbi linken: 13

14 15. ábra: a kilalkuló érintési feszültég felületi eloszlása a villámcsapás után 15 us-mal A 15. ábra mutatja, hogy a villámcsapás kezdete után az érintési feszültség nagyjából 15 μs elteltével érte el a maximumához közeli értéket. Ez megfelel a várakozásnak, ugyanis a skalárpotenciál is hasonló időpontban vette fel a maximális értékét. Megfigyelhető, hogy az érintési feszültség értéke a vasbeton alapozás fölött elhanyagolható, attól kifele távolodva meredeken emelkedik, tehát hasonló képet mutat a kvázistacioner felületi eloszláshoz A kialakuló lépésfeszültségek A lépésfeszültség időbeni alakulásáról készült videó megtekinthető az alábbi linken: A lépésfeszültség alakulásáról készült animáció 4 ms hosszú időintervallumot fed le, míg a másik két villamos mennyiségről készült animációé csupán 2 ms hosszút. Erre a megoldásra azért volt szükség, mert a lépésfeszültségről készült animáció utolsó pár másodpercében rendellenes, nem várt értékek figyelhetők meg. Ezek ugyanúgy megfigyelhetők voltak a lépésfeszültség alakulásáról készült eredeti, 2 ms hosszú időintervallumról készült animáció végén is. 14

15 16. ábra: a kialakuló lépésfeszültség felületi eloszlása a villámcsapás után 13 μs-mal A 16. ábra mutatja, hogy a maximális lépésfeszültségek a villámcsapás után nagyjából 13 μs-mal alakulnak ki. A lépésfeszültség értéke a külső földelőkeret, különösen annak sarkai fölötti talajon magas, azon kívül elhanyagolható. 5. Összefoglalás A cikkben betekintést kaphattunk a villámok természetébe, illetve megismerhettük villamos jellemzőiket. Ezután bemutattam, hogy a lökőhullámú földelési ellenállás értéke a kvázistacioner földelési ellenálláséval szemben nem állandó, ellenben kifejezhető egy értékkel is. A cikkben vizsgált esetben a lökőhullámú földelési ellenállás szinte megegyezett a kvázistacioner értékkel, annak ellenére, hogy utóbbi általában alacsonyabb értéket vesz fel. A cikk második fele a lökőhullámú földelési ellenállás, valamint a villámcsapás esetén kialakuló tranziens potenciálviszonyokkal foglalkozik. A kialakuló skalárpotenciál, érintési és lépésfeszültség fázisa keveset késik a villámáram fázisához képest, tehát ez egy kapacitív jellegű jelenség. A fáziskésést leszámítva látható, hogy a tranziens potenciálviszonyok időbeli lefolyása hasonló a villámáraméhoz, azaz hasonló ütemben érik el maximális értékeiket, és hasonló ütemben csengenek le. A potenciálviszonyok felületi eloszlásának képe nagyon hasonlít a kvázistacioner potenciálviszonyok felületi eloszlásához. 15

16 Források [1] Slezsák I. (2016): A szélerőmű földelési tulajdonságai In [2] Dr. Horváth T. (1997). Villámvédelem-felülvizsgálók tankönyve. In D. H. Tibor, Villámvédelemfelülvizsgálók tankönyve (old.: 20). [3] (dátum nélk.). Letöltés dátuma: , forrás: [4] MSZ EN [5] (dátum nélk.). Letöltés dátuma: , forrás: [6] Chen J., Z. B. (2008). Experimental Investigation of Transient Grounding Resistance on Gradialized Grounding Electrode /08/$ IEEE. [7] Tikhomirova I. (2013). Electromagnetic Transient Modelling of Grounding Structures. [8] D. Romero, J. M. (dátum nélk.). Behaviour of the wind-turbines under lightning strikes including nonlinear grounding system. 16