SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

UFMG - PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA - EEE934 DISCIPLINA: TÓPICOS ESPECIAIS EM ENGENHARIADE POTÊNCIA: IMPACTOS DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA EM REDES ELÉTRICAS PROTEÇÃO DE TURBINAS EÓLICAS CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICA Aluno: Paulo Roberto Sampaio Santos* Orientador:Prof. Selênio Rocha Silva, Dr., UFMG Palavras-chave: Aterramento. Proteção contra Descargas Atmosféricas. Sistemas de Energia Eólica conectados à Rede Elétrica. Engenharia de Potência.

Belo Horizonte - Dezembro 2013 *Engenheiro Eletricista formado no CEFET/ MG com ênfase em SEP-Proteção do Sistema Elétrico de Potência e atuando a 42 anos como projetista de Linhas de Transmissão e Subestações Elétricas em níveis de tensão de 13,8 até 800kV.

Resumo – Este artigo descreve um sistema de proteção contra descargas atmosféricas para uma turbina eólica de 20kW, que opera com velocidade constante. Inicialmente é identificada a classe de proteção necessária e então são definidas medidas de proteção para os principais componentes. A turbina é então dividida em zonas de proteção para a identificação de componentes vulneráveis e facilitar a coordenação das medidas de proteção adotadas.

supervisão é o mais frequentemente danificado. Isto pode ser observado na figura 1, para o caso dinamarquês [1]. Por outro lado deve ser ressaltado que as pás são os componentes com maior custo de manutenção como ilustrado na figura 2. Além disso, danos às pás podem provocar longos períodos de interrupção de geração de energia, ocasionando perdas financeiras elevadas e diminuição da rentabilidade da turbina eólica. Partes Mecânicas

As descargas atmosféricas desequilibradas e induzidas são capazes de causar danos aos sistemas de energia elétrica e às redes de telecomunicações, constituindo-se em um dos mais importantes fenômenos que deverão ser mantidos em controle na proteção ao sistema elétrico. Se levarmos em conta a menor relevância de seus efeitos em relação àqueles provenientes da incidência direta da descarga sobre a torre eólica, a probabilidade ocorrer as tensões induzidas no sistema eólico é bastante elevada.

Pás 10% Outros 12%

Sistema Elétrico 20% Sistema de Controle 51% Fig. 1. Danos devido à descargas atmosféricas: classificação por componente (Dinamarca)

Custo médio de manutenção, em Dólare 121 500 Antigas 450kW

91 000

60 700

Fig. 2. Custo médio de manutenção de cada turbinas novas e antigas (Alemanha)

Este trabalho visa descrever um sistema de proteção contra descargas atmosféricas para minimizar danos em

Peças Estruturais

Sistema de direcionamento

Sistema Hidráulico

Drive Train

Freio mecânico

Caixa de engrenagem

Sistema de Controle

Sensores

Sistema Elétrico

Gerador

Pás

30 300

Hub

Nos últimos anos, os danos em turbinas eólicas devido a descargas atmosféricas têm evidenciado a necessidade de se prever sistemas efetivos de proteção das mesmas contra esses fenômenos [1]-[3]-[4] e [5]. Segundo [1], na Alemanha oito em cada cem turbinas foram danificadas por descargas atmosféricas a cada ano entre 1991 e 1998. Turbinas eólicas são usualmente instaladas em locais abertos ou montanhosos, distantes de quaisquer obstáculos para que o terreno próximo não interfira nas condições dos ventos. Isto, aliado a altura elevada, faz com que a turbina se torne a estrutura preferencial para condução de descargas atmosféricas em sua vizinhança. A ocorrência de descargas atmosféricas em turbinas eólicas pode causar diversos tipos de danos. Bancos de dados de manutenção de países onde a penetração de geração eólica é significativa indicam que o sistema de controle e

uma turbina eólica de 20 kVA que opera com velocidade constante e limitação de potência por controle do ângulo de passo. Detalhes relativos à caracterização das descargas atmosféricas, definição da classe de proteção, bem como a descrição da proteção dos componentes mecânicos e elétricos são apresentados a seguir. II. CARACTERÍSTICAS DE UMA DESCARGA ATMOSFÉRICA Uma descarga atmosférica ocorre devido à separação de cargas nas nuvens em decorrência de seu constante movimento na atmosfera, como se observa na figura 3. Segundo [1], o maior pico de corrente já registrado atingiu 300kA com uma transferência de carga de 400C. Existem 2 tipos básicos de descargas, nuvem-terra e terra-nuvem. Descargas terra-nuvem são mais comuns em estruturas com alturas superiores a 100m ou em locais com altitudes elevadas [1] e não serão detalhadas neste trabalho. Os tipos básicos de descargas são subdivididos de acordo com o tipo de carga retirada das nuvens: descargas positivas retiram cargas positivas e correspondem a 10% das descargas nuvem-terra, descargas negativas retiram cargas negativas e correspondem a 90% das descargas nuvem-terra [1].

Uma descarga atmosférica pode ser representada por uma fonte de corrente. A forma de onda típica para a corrente de uma descarga negativa da nuvem para a terra pode ser observada na figura 4.a. O pico inicial pode atingir valores de até 100kA, e é seguido de pulsos espaçados de menor amplitude, contendo ou não uma componente contínua. Essa componente contínua possui baixa amplitude, porém é responsável por elevada quantidade de carga transferida, e pode ter uma duração de até algumas centenas de milisegundos. Descargas positivas da nuvem para a terra possuem uma forma de onda típica como a da figura 4.b. Este tipo de descarga é importante para o dimensionamento de um sistema de proteção, devido aos elevados valores de corrente de pico e transferência de carga, comparados a descargas negativas. III. ESPECIFICAÇÃO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO Para se especificar um sistema de proteção para uma turbina eólica, recomenda-se avaliar a probabilidade da mesma ser atingida por descargas atmosféricas [2]. Para tanto, em [1] é descrita uma metodologia de cálculo, que aplicada a turbinas eólicas em terrenos planos resume-se a (1).

N d = 9π Ng h 2 ×10−6 Onde:

Νd Ng h

Fig. 3. Processo de formação de um descarga negativa da nuvem para a terra

Corrente

-i

(1)

- Média anual de ataques diretos à estrutura - Densidade média anual de ocorrência de descargas atmosféricas. - Altura efetiva da turbina eólica (altura do eixo somada ao comprimento das pás).

O Brasil dispõe de um programa de monitoramento de descargas atmosféricas mantido pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE. Esse programa disponibiliza dados referentes ao período de 2005-2006 que mostram, por exemplo, que para o estado do Rio Grande do Sul uma Ng média de 4,63 raios por km² ao ano pode ser admitida. Sendo a altura efetiva da turbina eólica considerada, igual a 31,5m, vemos que de (1), a probabilidade de a turbina ser atingida por uma descarga direta, Νd , é de 0,13 vezes em um ano. Segundo [1], a eficiência necessária de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas pode ser calculada por:

E = 1−

Nc

(2)

Nd (a)

t

tempo

Corrente

+i

(b)

tempo

t

Fig. 4. Forma de onda típica de corrente em uma descarga (a) negativa nuvem-terra e (b) positiva nuvem-terra

onde:

Νc

- Número de eventos críticos admissíveis anualmente. E - Eficiência requerida do sistema de proteção. Considerando um Νc = 0,001, vê-se que a eficiência mínima do sistema de proteção deve ser de 0,99, o que equivale a Classe I, [1]. As diferentes classes de proteção e os parâmetros das descargas atmosféricas correspondentes estão ilustrados na tabela I.

TABELA I Parâmetros das diferentes classes de proteção Classe

I II III

Eficiência

0,98 0,95 0,90

Corrente de Pico kA 200 150 100

Energia específica kJΩ-1 10 000 5 600 2 500

di dt kA µs 200 150 100

Carga transferida C 300 225 150

IV. PROTEÇÃO DAS PÁS E COMPONENTES MECÂNICOS O componente mais exposto a um ataque direto em uma turbina eólica é a pá e a indústria tem avaliado diferentes formas de protegê-las. Dentre as alternativas propostas destacam-se: (i) o uso de material condutor para a fabricação das pás; (ii) o revestimento da camada externa com malha metálica; (iii) condutores externos. O sistema que se mostrou mais prático e eficiente, sendo utilizado pela maioria dos fabricantes [1]-[3]-[4] e [5], é o ilustrado na figura 5. Este esquema de proteção utiliza um receptor discreto na ponta da pá e um condutor de descida para conduzir a corrente da descarga atmosférica em segurança até a base, evitando a formação de um arco elétrico dentro da estrutura. Em pás com mais de 20m de comprimento devem ser adicionados receptores ao longo da estrutura para aumentar a eficiência de interceptação do sistema.

A condução da corrente de descarga através dos rolamentos do sistema de yaw deve ser minimizada. A passagem de uma alta corrente pode causar uma fusão superficial no rolamento, e em casos mais graves até mesmo soldá-los na estrutura que os suporta. Para evitar isso, utilizam-se contatos deslizantes paralelos a estes rolamentos de forma a tentar estabelecer um caminho de menor impedância para a corrente de descarga, como observado também na figura 6. Para evitar a possível circulação de corrente no atuador do sistema de yaw, este deve prever um acoplamento isolante com o eixo da engrenagem que rotaciona o nacelle, como pode se observar na figura 6.

Anel deslizante Mancal

Condutor de descida

Rolamentos Gerador

Escova

Isolação Atuador de Yaw Receptor discreto Contato deslizante

Condutor de descida

Caminho desejado para a corrente

Fig. 6. Estabelecimento de um caminho para a corrente de descarga

V. PROTEÇÃO DO SISTEMA ELÉTRICO E DE CONTROLE Fig. 5. Esquema de proteção das pás

O estabelecimento de um caminho de baixa impedância para a condução da corrente de descarga da base da pá até a base da torre tem sido um desafio aos projetistas. Na literatura não são apresentadas soluções definitivas para o problema. Em [7] foi proposto um sistema com eletrodos em forma de anéis externos ao nacelle, mas até o momento este sistema não foi testado em turbinas eólicas comerciais. Este trabalho utiliza o conceito apresentado em [1]-[4] e [5]. Neste esquema de proteção o condutor de descida das pás é conectado de forma flexível ao eixo de baixa velocidade da turbina, e a corrente de descarga é coletada por meio de escovas em contato com um anel deslizante neste eixo, como ilustrado na figura 6. Para proteção do gerador e dos rolamentos deve ser formado um caminho de alta impedância nestes componentes. Essa alta impedância pode ser obtida por meio de acoplamento isolante entre o eixo da caixa de engrenagens e do gerador e pela isolação do assento dos mancais na base do nacelle, como mostra a figura 6.

Componentes elétricos e eletrônicos, utilizados em sistemas de controle e supervisão, são susceptíveis ao impulso eletromagnético de uma descarga atmosférica, logo se deve tomar medidas efetivas de proteção desses componentes. De acordo com [2], a proteção de sistemas eletro-eletrônicos deve ser feita seguindo o conceito de zonas de proteção, do inglês, Lightning Protection Zones - LPZ. Estas zonas são definidas como um volume no espaço onde o impulso eletromagnético é compatível com a tolerância dos equipamentos ali contidos. Os requisitos gerais de cada LPZ estão detalhados na tabela II. As zonas de proteção em uma turbina eólica são definidas por meio de Dispositivos de Proteção contra Surto – DPS e blindagens eletromagnéticas. A região externa à turbina é definida como LPZ0A por estar exposta a um ataque direto de uma descarga atmosférica. Sob o anemômetro existe uma LPZ0B, pois o mesmo possui uma haste metálica para sua proteção, evitando um ataque direto, embora o campo eletromagnético não seja atenuado. A parte interna do nacelle pode ser definida como LPZ1 pelo uso de uma malha metálica recobrindo a estrutura, desde que as dimensões

dessa malha sejam inferiores à metade da menor distância ao componente susceptível mais próximo. O gabinete de controle, na base da torre, pode ser definido como LPZ2, desde que o revestimento do gabinete se constitua em uma blindagem metálica. Esta definição de LPZ é mostrada na figura 7. TABELA II Requisitos das diferentes zonas de proteção LPZ 0A 0B

1

2 ... N

Requisitos Equipamentos nessa zona de proteção estão sujeitos a uma descarga direta e a um campo eletromagnético não atenuado. Equipamentos nessa zona de proteção estão sujeitos a parte da corrente de uma descarga e um campo eletromagnético não atenuado. Equipamentos nessa zona de proteção estão sujeitos a uma pequena parte da corrente de uma descarga devido a medidas de proteção na fronteira com a zona 0B e o campo eletromagnético é atenuado por meio de blindagens. Equipamentos nessas zonas de proteção são consideravelmente protegidos contra sobrecorrentes e estão sujeitos a campos eletromagnéticos fortemente atenuados.

necessitam o emprego de DPS. Os cabos que carregam a energia gerada até o sistema de distribuição devem ser protegidos com um DPS, para o caso de ocorrência de surtos de manobra e descargas atmosféricas nas linhas que ligam a turbina eólica ao sistema de distribuição, como mostrado na figura 7. Uma consideração importante sobre o emprego de DPS, refere-se à coordenação de energia entre os dispositivos quando for necessário utiliza-los em cascata [2]. O caso típico do anemômetro será analisado na seção VI. Gabinete de Controle LPZ1

LPZ2 Chaves d e fim de curso

Medida de tensão

CPU

MODE M Freio mecânico

Medida de corrente

Medida velocidade e direção do vento

CONDICIONAMENTO DESINAIS

Atuador do controle de pas so

FONTE AUXILIAR Medida de velocida de rotóric a

UPS

Atuador do controle de direção

Rede Elétrica

LPZ0A LPZ0B

Fig. 8. Distribuição dos DPS no sistema de controle LPZ1

VI. PROTEÇÃO DO ANEMÔMETRO

LPZ1 Pontos de aterramento LPZ2

Saída subterrânea de energia

Anel de aterramento

Barras de aterramento

DPS

Integração com as ferragens da fundação

Fig. 7. Divisão da turbina nas diferentes zonas de proteção e sistema de aterramento

Cabos metálicos atravessando diferentes LPZ devem utilizar DPS nas áreas de interface. A figura 8 mostra o posicionamento dos DPS no gabinete de controle, instalado na base da torre. Esse gabinete, como pode ser visto na figura 7, está sob uma LPZ1. Os cabos que trazem informações dos sensores, e levam sinais e alimentação para os atuadores, situam-se, com exceção do anemômetro, em LPZ1, e necessitam enviar/receber esses sinais de dentro do gabinete de controle, que foi classificado como LPZ2 para proteção dos equipamentos ali contidos. Dessa forma, essas linhas

O anemômetro situa-se em uma área exposta a um ataque direto de uma descarga atmosférica, sendo necessária a instalação de um pára-raios. Para uma proteção do anemômetro foi previsto um pára-raios em formato de gota que contorna o anemômetro lateralmente. Este formato coloca o dispositivo dentro de uma LPZ0B, protegendo-o de um ataque direto. Os cabos metálicos de sinal com informação de velocidade e direção do vento devem passar para dentro do nacelle (LPZ1) e após para dentro do gabinete de controle (LPZ2), necessitando o uso de dois DPS. O primeiro DPS deve situar-se na interface entre a LPZ0B e a LPZ1. Este DPS deve possuir grande capacidade energética, para divergir um acoplamento a estas linhas de sinal. O segundo DPS deve situar-se na interface entre a LPZ1 e LPZ2 e pode possuir uma capacidade energética menor. A coordenação energética entre os dois dispositivos é obtida com a indutância das linhas de sinal, estimada em 1µH/m [1]. VII. ATERRAMENTO Um sistema de aterramento de baixa impedância é fundamental para o bom funcionamento do esquema de proteção. Neste projeto é previsto o esquema de aterramento recomendado em [1] e ilustrado na figura 7. Este esquema consiste de um condutor de aterramento envolvendo a fundação da torre, integrado às ferragens do concreto. Podem ser acrescentadas barras de aterramento, perpendiculares ao anel e simetricamente dispostas em torno da fundação para diminuir a resistência do sistema de aterramento. Medidas da

resistência de aterramento devem ser realizadas conforme descrito em [10]. LPZ0B LPZ0A LPZ1

Linhas de sinal do anemômetro

LPZ1

LPZ2

Fig. 9. Uso de DPS no anemômetro

VIII. CONCLUSÕES Este artigo descreve um sistema de proteção contra descargas atmosféricas aplicado a uma turbina eólica de 20kW que visa diminuir o risco de danos aos componentes mecânicos e elétricos, bem como reduzir os custos de manutenção e o tempo de interrupção da geração. Note que não existe um sistema absolutamente seguro e confiável para proteção de turbinas eólicas, mas a existência de um sistema de proteção é fundamental. A divisão da turbina eólica em zonas de proteção facilita a identificação de componentes vulneráveis bem como a coordenação das medidas de proteção adotadas. A colocação do sistema de controle em uma LPZ2, realizada por meio de blindagem e uso de DPS, diminui as sobretensões transitórias, diminuindo a possibilidade de falhas. As medidas de proteção das pás diminuem a extensão dos danos nestes componentes à medida que evitam a formação de um arco elétrico na estrutura. REFERÊNCIAS [1] IEC, Wind Turbine Generator Systems – Part 24: Lightning Protection. TR61400-24, Ed. 1.0 , 2002. [2] IEC 62305-4, Protection Against Lightning – Part 4: Electrical and Electronic Systems Within Structures, Ed. 1.0, 2006. [3] McNiff, B., Wind Turbine Lightning Protection Project 19992001, NREL, National Renewable Energy, Golden, CO. [4] Cotton, I., McNiff, B., Soerenson, T., Zischank, W., Christiansen, P., Hoppe-Kilpper, M., Ramakers, S., Petterson, P. e Muljadi, E., Lightning Protection For Wind Turbines, ICLP, 2000. [5] Glushakow, B., Effective Lightning Protection for Wind Turbines Generators, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 22, Nº. 1, Março de 2007.

[6] Dodd, C., McCalla, T., e Smith, J. G., How to Protect a Wind Turbine from Lightning, NASA, Setembro de 1983. [7] Yasuda, Y., A New Lightning Protection System for Wind Turbines Using Two Ring-Shaped Electrodes, IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, 2006:1, p. 314-319. [8] Manwell, J. F., Morgan, J. G., Rogers, A. L., Wind Energy Explaned: Theory Design and Application, John Wiley & Sons, LTD, 2002. [9] Clayton, R. P., Introduction to Electromagnetic Compatibility, John Wiley & Sons, LTD, 2006. [10] NBR 5410, Instalações Elétricas de Baixa Tensão, ABNT, 2005.