ES2928344T3 - Protección contra rayos de pala de turbina eólica con componentes activos - Google Patents

Protección contra rayos de pala de turbina eólica con componentes activos Download PDF

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Abstract

La presente invención se enmarca en el campo técnico de las palas de aerogeneradores inteligentes y los sistemas de protección contra el rayo para las palas de aerogeneradores inteligentes de las mismas. Más en particular, se refiere a una pala de aerogenerador inteligente que comprende un sistema de protección contra el rayo que comprende componentes activos -tales como del tipo de los sistemas de deshielo, sensores y/o flaps entre otros- en donde se guía la trayectoria de la corriente del rayo para evitar impidiendo el buje que las corrientes fluyan a través de los rodamientos lo que puede causar daños importantes a los mismos y también al gabinete metálico desde donde se alimentan eléctricamente los componentes activos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Protección contra rayos de pala de turbina eólica con componentes activos
Objeto de la invención
La presente invención se incluye en el campo técnico de palas de turbinas eólicas inteligentes y sistemas de protección contra rayos para palas de turbinas eólicas inteligentes de las mismas. Más en particular, se refiere a una pala de turbina eólica inteligente que comprende un sistema de protección contra rayos que comprende componentes activos, tales como el tipo para sistemas de deshielo, sensores y/o aletas entre otros, en donde el recorrido de la corriente de rayo se guía para evitar que el buje impida que las corrientes fluyan a través de los cojinetes lo que puede causar un daño significativo a los mismos y también al armario metálico desde donde se alimentan eléctricamente los componentes activos.
Antecedentes de la invención
Las palas de turbina eólica con componentes activos requieren el uso de alambres metálicos para alimentar los componentes activos dentro de la pala. Esta situación mejora el riesgo de daños por rayos en esos componentes, y estos deben integrarse en el sistema de protección contra rayos (LPS) o rediseñar dicho LPS de pala. Esto se aplica a palas inteligentes o activas, del tipo que tiene, por ejemplo, sistemas o aletas antihielo o de deshielo entre otras configuraciones de palas inteligentes. Esto también se aplica para sensores instalados dentro de las palas, tales como termopares o cualquier sensor inductivo o capacitivo, por ejemplo.
Algunos sistemas de protección contra rayos para proteger palas de turbinas eólicas con componentes activos se conocen en el estado de la técnica.
Por ejemplo, el documento WO2000079128A1A1 describe una pala de turbina eólica que comprende un receptor de rayos en la punta y un conductor eléctrico conectado a dicho receptor de rayos y conectado a tierra en el rotor de pala. Además, describe además dos conductores conectados a los elementos térmicos y en donde ambos conductores están conectados y conectados a tierra a través de espacios de chispa en la raíz de la pala. En este tipo de configuración, a medida que la impedancia de los espacios de chispa con respecto a la conexión a tierra de la turbina eólica es mayor que la impedancia del buje o el cojinete de paso a la conexión a tierra de la turbina eólica, toda la corriente de rayos fluirá a través del buje y el bastidor de la góndola a través de los cojinetes. Este recorrido puede dañar el cojinete de vástago principal de la turbina eólica.
El documento US-2015098823A1 describe un sistema de protección contra rayos con un sistema antihielo integrado para palas de turbina eólica del tipo con diversas láminas conductoras incorporadas en los laminados de la pala con electrodos y en donde el LPS comprende un receptor en la punta conectada a un cable de bajada conectado a tierra en la raíz de la pala y que comprende además un descargador de voltaje instalado entre los electrodos conectados a las láminas conductoras y al cable de bajada. De la misma manera, en la solución descrita en este documento, la corriente de rayos no se guía desde la pala a la góndola, y la corriente de rayos fluirá inevitablemente a través de los cojinetes, y los cojinetes principales provocando daños.
En las soluciones conocidas por el solicitante en el estado de la técnica, se encuentra que el punto de “tierra” está fuera de la pala, este está en el buje, o de lo contrario conecta eléctricamente directamente el cable neutro o de tierra a la parte metálica interna del cojinete de paso. Con estas soluciones, no hay posibilidad de que la corriente de rayo se guíe a través de ningún sistema de transmisión de rayos (LTS) desde la pala hasta la góndola evitando los cojinetes. Por ejemplo, el documento de Gamesa WO2000079128A1 utiliza un sistema de espacio de chispa (conocido como martillo), y ya que la impedancia del martillo con respecto a la conexión a tierra de turbina eólica es más alta que la impedancia del buje o el cojinete de cabeceo a la conexión a tierra de la turbina eólica, toda la corriente de rayos fluirá a través del buje y el bastidor de la góndola a través de los cojinetes. Este recorrido puede dañar el cojinete de vástago principal de la turbina eólica. El documento EP2522852 es otro ejemplo de la técnica anterior que describe un sistema de transmisión de rayos para palas de turbina eólica.
Descripción de la invención
En la presente descripción se describe una pala de turbina eólica inteligente con componentes activos, que comprende un sistema de protección contra rayos (LPS), con la que se ha encontrado que se mitigan al menos las desventajas anteriores relacionadas con las soluciones de la técnica anterior.
Más en particular, según un primer aspecto de la invención, se proporciona una pala de turbina eólica inteligente con componentes activos, que comprende un sistema de protección contra rayos (LPS) que comprende:
- una banda de rayos ubicada en la raíz de la pala,
- un sistema de transmisión de rayos (LTS) destinado a enlazarse eléctricamente mediante un primer conmutador a un bastidor de la góndola y enlazado eléctricamente mediante un segundo conmutador a la banda de rayos,
- un conductor de protección contra rayos conectado eléctricamente con la banda de rayos,
- cables de alimentación y/o de señal para alimentar los componentes activos de la misma,
- una unidad de conmutación que comprende:
- un tercer conmutador capaz de enlazar al menos un cable de alimentación y/o de señal de los cables de alimentación y/o de señal con el sistema de transmisión de rayos, y
- un cuarto conmutador capaz de vincular los cables de alimentación y/o de señal con un bastidor de buje, en donde cada conmutador es capaz de abrir o cerrar los enlaces de la misma y en donde el tercer conmutador y el cuarto conmutador están configurados para ser controlados de manera que durante la actividad del rayo el cuarto conmutador está abierto y el tercer conmutador está cerrado, desactivando los componentes activos, por lo tanto durante un impacto de rayo, dicho rayo se guía al bastidor de la góndola evitando los cojinetes.
Opcionalmente, el tercer conmutador de la unidad de conmutación es capaz de enlazar al menos un cable de alimentación y/o de señal de los cables de alimentación y/o de señal con el sistema de transmisión de rayos a través del conductor de protección contra rayos y/o la banda de rayos.
Opcionalmente, el cuarto conmutador de la unidad de conmutación es capaz de enlazar los cables de alimentación y/o de señal con el bastidor de buje a través de alambres metálicos.
Por consiguiente, la unidad de conmutación funciona según el algoritmo lógico:
- cuando es deseable la operación de los componentes activos de pala, durante la ausencia de actividad de rayos, el cuarto conmutador está cerrado y el tercer conmutador está abierto, y
- cuando no es deseable la operación de los componentes activos de pala, por lo tanto durante la actividad de rayos potencial o condiciones atmosféricas, el cuarto conmutador está abierto y el tercer conmutador está cerrado.
Por ejemplo, esto puede hacerse teniendo un molino de campo eléctrico en el área, o a partir de datos procedentes de sistemas de ubicación de rayos o servicios meteorológicos.
Este sistema basado en conmutadores puede seleccionar si algunos o todos de los cables de alimentación o de señal de los componentes activos se alimentan o no desde el buje o se conectan o no al LPS en la raíz, este se conecta al conductor de LPS o a la banda de rayos.
Los conmutadores tercero y cuarto podrían comprender conmutadores de alto voltaje de aire presurizado, de vacío o de gas/aire aislante o cualquier conmutador de alto voltaje adecuado similar.
Preferiblemente, el primer conmutador y el segundo conmutador del sistema de transmisión de rayos se enlazan eléctricamente mediante un contacto deslizante al bastidor de la góndola, o anillo de drenaje, y a la banda de rayos respectivamente.
Alternativamente, el primer conmutador y el segundo conmutador del sistema de transmisión de rayos podrían ser espacios de chispa.
En todas las alternativas explicadas anteriormente, se asegura que el 100 % de la corriente de rayo se guía al bastidor de la góndola evitando los cojinetes principales.
Esta solución también es compatible sustituyendo el tercer conmutador por un espacio de chispa, y teniendo o no este espacio de chispa un resistor óhmico alto en paralelo (preferiblemente con una resistencia en el intervalo kü). En ese caso, V3 puede sustituirse por un BV3. Este BV3 se coordinará como se explicó anteriormente.
Otra alternativa para el tercer conmutador sw3 es instalar un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD), por ejemplo, un varistor de óxido de cinc. Este dispositivo puede actuar como un conmutador abierto bajo voltaje de operación y como un cortocircuito cuando se somete a diferencias de voltaje altas como ocurre durante un evento de rayo. Por tanto, la propia naturaleza no lineal del dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) permite el uso de este componente como un conmutador para esta aplicación.
Preferiblemente, el cuarto conmutador comprende un transformador instalado en la raíz de la pala.
En este caso, el transformador se utiliza para aislar el circuito de pala del circuito primario que alimenta la pala desde la fuente de alimentación de turbina eólica habitualmente en el buje. Esta solución permite el uso de ambos sistemas simultáneamente si se aborda bien la “coordinación de aislamiento” .
Preferiblemente, el conductor de protección contra rayos comprende un cable conductor de bajada utilizado como cable neutro para el sistema activo, y dicho conductor de bajada evita el tercer conmutador y se conecta directamente al cuarto conmutador.
En esta alternativa, el conmutador o el espacio de chispa entre dicho alambre sustituido y el conductor de bajada de LPS de las alternativas explicadas anteriormente se elimina para tener un contacto eléctrico directo entre estos y que tiene el conductor de bajada de LPS como neutro para el sistema activo.
Descripción de los dibujos
Para complementar la descripción que se está realizando y para ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, según un ejemplo preferido de realización práctica de la misma, se adjunta un conjunto de dibujos como una parte integral de dicha descripción en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Ilustra una vista esquemática del sistema de protección contra rayos según una primera realización preferida de la invención.
Figura 2.- Ilustra una vista esquemática del sistema de protección contra rayos según la primera realización preferida de la invención en donde el tercer conmutador se sustituye por un espacio de chispa.
Figura 3.- Ilustra una vista esquemática del sistema de protección contra rayos según una segunda realización de la invención, en donde el cuarto conmutador comprende un transformador.
Figura 4.- Ilustra una vista esquemática del sistema de protección contra rayos según una tercera realización de la invención, en donde el conductor de LPS se utiliza como neutro para el sistema activo con respecto a la configuración mostrada en la primera realización preferida de la invención.
Figura 5.- Ilustra una vista esquemática del sistema de protección contra rayos según una tercera realización de la invención, en donde el conductor de LPS se utiliza como neutro para el sistema activo con respecto a la configuración mostrada en la segunda realización preferida de la invención.
Descripción detallada de la invención
La pala de turbina eólica inteligente con componentes activos comprende un sistema de protección contra rayos que a su vez comprende:
- una banda (1) de rayos ubicada en la raíz (2) de la pala,
- un sistema (3) de transmisión de rayos destinado a enlazarse eléctricamente mediante un primer conmutador (11) a un bastidor (4) de la góndola y conectarse eléctricamente mediante un segundo conmutador (12) a la banda (1) de rayos,
- un conductor (5) de protección contra rayos enlazado eléctricamente con la banda (1) de rayos.
- cables (6, 7) de alimentación y/o de señal para alimentar los componentes activos de la misma,
- una unidad de conmutación que comprende:
- un tercer conmutador (13) capaz de enlazar al menos un cable de alimentación y/o de señal de los cables (6, 7) de alimentación y/o de señal con el sistema (3) de transmisión de rayos, y
- un cuarto conmutador (14) capaz de enlazar los cables (6, 7) de alimentación y/o de señal con un bastidor (8) de buje,
en donde cada conmutador (11, 12, 13, 14) es capaz de abrir o cerrar enlaces de la misma y en donde el tercer conmutador (13) y el cuarto conmutador (14) están configurados para controlarse de manera que durante la actividad de rayos el cuarto conmutador (14) está abierto y el tercer conmutador (13) está cerrado, desactivando los componentes activos.
El tercer conmutador (13) de la unidad de conmutación es capaz de enlazar al menos un cable de alimentación y/o de señal de los cables (6, 7) de alimentación y/o de señal con el sistema (3) de transmisión de rayos a través del conductor (5) de protección contra rayos y/o la banda (1) de rayos.
El cuarto conmutador (14) de la unidad de conmutación es capaz de enlazar los cables (6, 7) de alimentación y/o de señal con el bastidor (8) de buje a través de alambres metálicos (9, 10).
Por consiguiente, la unidad de conmutación funciona según el algoritmo lógico:
- cuando es deseable la operación de los componentes activos de pala, durante la ausencia actividad de rayos, el cuarto conmutador (14) está cerrado y el tercer conmutador (13) está abierto, y
- cuando no es deseable la operación de los componentes activos de pala, por lo tanto, durante la actividad de rayos potencial o condiciones atmosféricas, el cuarto conmutador (14) está abierto y el tercer conmutador (13) está cerrado.
En una primera realización preferida mostrada en la Figura 1, el sistema (3) de transmisión de rayos se enlaza eléctricamente por medio del primer conmutador (11) y el segundo conmutador (12) que son contactos deslizantes, al bastidor (4) de la góndola, o anillo de drenaje, y a la banda (1) de rayos respectivamente.
En este caso, la diferencia de voltaje V1 en el primer conmutador (11) sería la impedancia entre el anillo de drenaje, o el bastidor (4) de la góndola, y la parte del sistema (3) de transmisión de rayos en contacto deslizante con el anillo de drenaje.
Asimismo, la diferencia de voltaje V2 del segundo conmutador (12) sería la impedancia entre la banda (1) de rayos y la parte del sistema (3) de transmisión de rayos en contacto deslizante con la banda (1) de rayos.
La diferencia de voltaje V3 del tercer conmutador (13) está relacionada con la impedancia del tercer conmutador (13) cuando está cerrado.
Por lo tanto, cuando el cuarto conmutador (14) está abierto y el tercer conmutador (13) está cerrado, el voltaje disruptivo BV4 en el cuarto conmutador (14) sería:
BV4>(V3+V2+V1), en el caso del sistema (3) de transmisión de rayos con dos contactos deslizantes.
En esta ecuación, se desprecian las impedancias de los alambres de conexión, ya que su impedancia es mucho menor en comparación con los conmutadores (11, 12, 13, 14).
En este caso, el cuarto conmutador (14) tendría un voltaje disruptivo BV4 para que se produzca un arco eléctrico entre los dos terminales del conmutador (14), por ejemplo, a1-a2 o b1-b2 cuando está abierto y una diferencia de voltaje V4 debido a los contactos y al alambre cuando está cerrado. Se espera que V4 sea muy baja.
De la misma manera, el tercer conmutador (13) tiene un voltaje disruptivo BV3 para que se produzca un arco eléctrico entre los dos terminales del conmutador (13), por ejemplo, a2-a3 o b2-b3, cuando está abierto, y una diferencia de voltaje V2 debido a los contactos y al alambre cuando está cerrado. Se espera que V2 sea muy baja.
Alternativamente, el primer conmutador (11) y el segundo conmutador (12) del sistema de transmisión de rayos podrían ser espacios de chispa.
En este caso, cuando el cuarto conmutador (14) está abierto y el tercer conmutador (13) está cerrado, el voltaje disruptivo BV4 en el cuarto conmutador (14), sería entonces:
BV4>(V3+BV2+BV1), en el caso del sistema (3) de transmisión de rayos con dos espacios de chispa.
Más en particular, el voltaje disruptivo BV1 del primer conmutador (11) sería el arco eléctrico que se producirá entre el anillo de drenaje (o bastidor (4) de la góndola) y el terminal más cercano del sistema (3) de transmisión de rayos al mismo.
En todas las alternativas explicadas anteriormente, se asegura que el 100 % de la corriente de rayo se guía al bastidor (4) de la góndola evitando los cojinetes principales.
Esta solución también es compatible sustituyendo el tercer conmutador (13) por un espacio de chispa, como se muestra en la Figura 2, y teniendo o no este espacio de chispa un resistor óhmico alto en paralelo (preferiblemente con una resistencia en el intervalo kü). En ese caso, V3 puede sustituirse por un BV3. Este BV3 se coordinará como se explicó anteriormente.
Otra alternativa para el tercer conmutador (13) es instalar un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD), por ejemplo, un varistor de óxido de cinc. Este dispositivo puede actuar como un conmutador abierto bajo voltaje de operación y como un cortocircuito cuando se somete a diferencias de voltaje altas como ocurre durante un evento de rayo. Por tanto, la propia naturaleza no lineal del dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) permite el uso de este componente como un conmutador para esta aplicación.
En una segunda realización preferida mostrada en la Figura 3, el cuarto conmutador (14) comprende un transformador instalado en la raíz (2) de la pala.
En este caso, el transformador se utiliza para aislar el circuito de pala del circuito primario que alimenta la pala desde la fuente de alimentación de turbina eólica habitualmente en el buje. Esta solución permite el uso de ambos sistemas simultáneamente si se aborda bien la “coordinación de aislamiento” .
En este caso, cuando la sobretensión de rayo se acerca a la raíz (2) de la pala, el evento encontrará el recorrido con la impedancia más baja. Por tanto, se asegurará:
BVt4 > (BV3+BV2+BV1), en caso de LTS con dos espacios de chispa.
Siendo BPV4 el voltaje disruptivo entre los devanados primario y secundario del transformador, y BV3 el voltaje disruptivo para el espacio de chispa del tercer conmutador (13), y BV2 y BV1 los voltajes disruptivos para los espacios de chispa del sistema (3) de transmisión de rayos.
Obsérvese que el tercer conmutador (13) también puede ser un conmutador que solo se abriría cuando se enciende el sistema activo. Y que el sistema (3) de transmisión de rayos puede comprender contactos deslizantes en uno o ambos lados como se ha descrito anteriormente.
En una tercera realización preferida mostrada en las Figuras 4 y 5, el conductor (5) de protección contra rayos comprende un cable conductor de bajada de protección contra rayos utilizado como un cable neutro para el sistema activo, y dicho cable conductor de bajada evita el tercer conmutador (13) y se conecta directamente al cuarto conmutador (14).
En esta alternativa, el conmutador o el espacio de chispa entre dicho alambre sustituido y el cable conductor de bajada de protección contra rayos de las alternativas explicadas anteriormente se elimina para tener un contacto eléctrico directo entre estos y que tiene el cable conductor de bajada de protección contra rayos como neutro para el sistema activo.

Claims (9)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Pala de turbina eólica inteligente con componentes activos, que comprende un sistema de protección contra rayos que a su vez comprende:
    - una banda (1) de rayos ubicada en la raíz (2) de la pala,
    - un sistema (3) de transmisión de rayos destinado a enlazarse eléctricamente mediante un primer conmutador (11) a un bastidor (4) de la góndola y conectarse eléctricamente mediante un segundo conmutador (12) a la banda (1) de rayos,
    un conductor (5) de protección contra rayos enlazado eléctricamente con la banda (1) de rayos, - cables (6, 7) de alimentación y/o de señal para alimentar los componentes activos de la misma, - una unidad de conmutación que comprende:
    - un tercer conmutador (13) capaz de enlazar al menos un cable de alimentación y/o de señal de los cables (6, 7) de alimentación y/o de señal con el sistema (3) de transmisión de rayos, y
    - un cuarto conmutador (14) capaz de enlazar los cables (6, 7) de alimentación y/o de señal con un bastidor (8) de buje,
    en donde cada conmutador (11, 12, 13, 14) es capaz de abrir o cerrar enlaces de la misma y en donde el tercer conmutador (13) y el cuarto conmutador (14) están configurados para controlarse de manera que durante la actividad de rayos el cuarto conmutador (14) está abierto y el tercer conmutador (13) está cerrado, desactivando los componentes activos.
  2. 2. La pala de turbina eólica inteligente de la reivindicación 1, en donde el primer conmutador (11) y el segundo conmutador (12) del sistema de transmisión de rayos están enlazados eléctricamente mediante un contacto deslizante al bastidor de la góndola y la banda de rayos respectivamente.
  3. 3. La pala de turbina eólica inteligente de la reivindicación 1, en donde el primer conmutador y el segundo conmutador del sistema de transmisión de rayos son espacios de chispa para enlazar con el bastidor (4) de la góndola y la banda (1) de rayos respectivamente.
  4. 4. La pala de turbina eólica inteligente de la reivindicación 1, en donde los conmutadores (13, 14) tercero y cuarto comprenden conmutadores de alto voltaje de aire presurizado, vacío o gas/aire aislante.
  5. 5. La pala de turbina eólica inteligente de la reivindicación 1, en donde el tercer conmutador (13) es un espacio de chispa.
  6. 6. La pala de turbina eólica inteligente de la reivindicación 5, en donde el espacio de chispa comprende un resistor óhmico conectado en paralelo.
  7. 7. La pala de turbina eólica inteligente de la reivindicación 1, en donde el tercer conmutador (13) es un varistor.
  8. 8. La pala de turbina eólica inteligente de la reivindicación 1, en donde el cuarto conmutador (14) comprende un transformador instalado en la raíz (2) de la pala.
  9. 9. La pala de turbina eólica inteligente de la reivindicación 1, en donde el conductor (5) de protección contra rayos comprende un cable conductor de bajada de protección contra rayos utilizado como un cable neutro para el sistema activo, y dicho cable conductor de bajada evita el tercer conmutador (13) y se conecta directamente al cuarto conmutador (14).
ES19380023T 2019-09-16 2019-09-16 Protección contra rayos de pala de turbina eólica con componentes activos Active ES2928344T3 (es)

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