La protección contra rayos de las turbinas eólicas (página 2)

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Experiencias de empresas en el mundo encargadas de fabricar
turbinas eólicas

Una de las empresas líderes mundiales en la
fabricación de alabes o paletas es LM Glasfiber [1, 2, 3,
4, 5], esta empresa ha realizado varios experimentos en
laboratorios de alta tensión con la más alta
tecnología, para comprobar la eficiencia de la
protección contra rayos en gran parte de las palas o
alabes que ellos fabrican. Esta empresa es la primera en su campo
a nivel mundial en desarrollar un sistema eficiente de
protección contra rayos de las palas o alabes conforme a
los procesos de ensayos reconocidos y estandarizados
mundialmente. Además, el sistema de protección
contra rayos que LM Glasfiber utiliza en sus palas, es
diseñado conforme al denominado "Nivel de
protección 1" según las normas internacionales
CEI/IEC, que equivale a un grado de protección contra el
98 % de los rayos que produzcan. LM Glasfiber ha desarrollado un
nuevo tipo de receptor que mejora la protección contra
rayos en el extremo de la pala. El DrainReceptor forma parte
integral del sistema de protección. Está ubicado en
el extremo mismo de la pala, uno de los lugares más
expuestos a la descarga de los rayos. Este terminal o receptor
intercepta el rayo y lo conduce eficazmente al sistema de
protección contra rayos de la pala, pero esta no es su
única función, el DrainReceptor combina la
protección contra rayos con el drenaje del agua
condensada. Durante el funcionamiento de las turbinas, se produce
agua condensada en el interior de los alabes como consecuencia de
los cambios de temperatura del aire exterior. Esta agua
condensada debe ser eliminada, ya que bajo la acción de la
rotación, se acumulará en el extremo del alabe.
Para evitar esto se estuvo empleando un agujero de drenaje, pero
los datos recopilados a lo largo de los años demuestran el
riesgo de descarga de rayos en el agujero de drenaje. Al combinar
la captura de los rayos en el extremo del alabe con el drenaje
del agua condensada, se elimina este riesgo.

La protección contra rayos de las alabes LM
Glasfiber se produce a través de una serie de receptores
de rayos en ambos lados de la pala y en su punta. Estos
terminales, embebidos en la pala sirven para conducir la
energía desde el propio rayo hasta la torre, a
través de un sistema de conductores en el interior del
alabe. En el año 2005, esta misma empresa desarrolla una
nueva solución altamente tecnológica procedente de
la industria aeronáutica. Con la última propuesta
de LM Glasfiber para la protección contra rayos se amplia
la captación efectiva de la pala. Esta nueva
solución es un elemento importante para la eficiente
protección de las palas con fibra de carbono, que
requieren medios especiales contra rayos. Las palas o alabes del
futuro fabricadas con equipos electrónicos integrados de
monitorización, también necesitarán de una
mayor seguridad contra el impacto de rayos. La captación
de rayos por medio de bandas de desviación [5]
según LM Glasfiber funciona como antenas para los rayos y
amplían el área de captación. Los
pequeños trozos de metal crean un canal de aire ionizado
que dirige el rayo al receptor. Mientras otros métodos
utilizados por otros fabricantes utilizan un carril o una red de
metal por debajo de la capa superior de pintura, el sistema
propuesto por LM Glasfiber se produce por encima de la
superficie. La ventaja es que la superficie de la pala y las
láminas superiores no se verán dañadas por
la caída de un rayo, como es el caso cuando la
protección esta por debajo de la superficie. Por lo tanto,
se evitaran reparaciones y gastos que, especialmente en los casos
de parques eólicos offshore, suponen grandes costos y
pérdidas de producción de energía. Las
bandas de desviación utilizadas por LM Glasfiber son
resistentes y efectivas durante los 20 años de vida de una
turbina eólica. Además, estas bandas son
fáciles de montar, tanto durante la fabricación
como en el posible posterior montaje.

3. Criterios técnicos de calidad en
   la construcción de los sistemas de protección
   contra rayos ubicados en las alabes

Es importante que durante el montaje de los alabes,
asegurar que todas las juntas sean herméticas y fuertes, y
que además, la calidad del alabe este garantizada en todos
sus componentes.

En la mayoría de los casos se realizaba solamente
una inspección visual durante la producción de las
palas o alabes. Actualmente la mayoría de las empresas
fabricantes de alabes realizan sistemáticamente mediciones
de resistencia de 4 puntos en todas las alabes que salen de las
fábricas. Este método es muy preciso, ya que
permite localizar fallas en las juntas de los conductores de
rayos y rectificarlos en el lugar correcto del proceso de
fabricación.

Este método de medición consiste en la
medición de la resistencia óhmica en el área
de los mili ohmios, lo cual requiere el empleo de 4 conductores
de medición en lugar de los 2 que normalmente se utilizan
en la medición de resistencia. Al emplear 4 conductores,
el instrumento mismo puede compensar la resistencia de los
conductores de medición, lo cual naturalmente, no debe
medirse. Los conductores de medición son normalmente mucho
más delgados que un cable de pararrayos. De ese modo, la
resistencia en los conductores de medición será
mucho mayor que en la de un cable de pararrayos.

4) Sistemas de protección
contra impactos directos de rayos

El concepto de zonas de protección en una
estructura o instalación garantiza la protección de
todo el equipamiento sensible en un ambiente libre de
perturbaciones electromagnéticas. Es por esto que para
definir que medidas tomar para proteger una turbina eólica
contra el impacto de rayos, primeramente se deberá
subdividir la misma en zonas de protección. Es muy
importante que los parámetros de las corrientes de rayos
que afectan la zona OA desde el exterior deban ser
reducidos mediante medidas de apantallamiento y mediante la
instalación de dispositivos de protección contra
sobretensiones (DPS), lo cual asegure que los equipos
eléctricos y electrónicos que se encuentran
situados dentro de la turbina trabajen sin
interferencias.

Figura 2 [6]: Zonas de protección
contra rayos para una turbina eólica

El riesgo de ser impactada una turbina eólica se
incrementa cuadráticamente en función de su altura
[6]. Es por esto, que un conjunto de medidas debe ser tomado para
proteger las turbinas contra el impacto directo de rayos y contra
los efectos secundarios de los mismos.

Cuando un rayo cae sobre una pala o alabe, se crean
enormes fuerzas si el sistema de derivación de descargas
atmosféricas de la pala no esta en condiciones de recibir
y derivar a tierra el potencial energético del rayo de una
manera controlada.

Para el dimensionamiento de los sistemas de
protección contra rayos de turbinas eólicas, debe
ser considerado el caso de turbinas que posean una altura mayor
de 60 metros, y que se encuentren en zonas de elevado nivel
ceraunico. En las mismas pueden originarse rayos tierra-nube,
además de los rayos nube-tierra. Es importante
señalar que según las estadísticas
internacionales el 15 % de los rayos que ocurren en el mundo son
del tipo tierra-nube, llamados también rayos positivos.
Estos rayos tierra-nube que comienzan de estructuras y objetos de
gran altura llevan picos máximos de corrientes con valores
bajos (aproximadamente 15 kA) y la carga transferida puede ser
muy alta, trayendo la aparición de potenciales
significativos los cuales pueden causar daños [8]. Estos
tipos de rayos son los más peligrosos y por lo tanto deben
tenerse en cuenta al seleccionar las medidas a tomar para
proteger las palas o alabes de las turbinas y para la
selección de los dispositivos de protección contra
sobretensiones (DPS).

El sistema de protección externo de las turbinas
eólicas combina el sistema de puntas captadoras, los
bajantes y el sistema de puesta a tierra, este sistema protege
las turbinas eólicas contra los efectos mecánicos
destructivos y contra el fuego.

La figura 3 muestra las técnicas normalmente
usadas para proteger las alabes de la turbinas contra los efectos
de los rayos. La principal distinción es si un limitado
número de terminales o receptores son usados para
interceptar el rayo (tipos A y B) o si el diseño es hecho
para proteger la totalidad del alabe (tipo C y D). La
configuración Tipo A muestra como usando uno o dos
terminales en la punta del alabe, el conductor de acero para el
control de freno conectado a la punta puede ser usado como
bajante. En un alabe sin una punta movible (tipo B) entonces un
conductor adicional es instalado. La configuración C tiene
las bajantes localizadas en las orillas o bordes del alabe. El
tipo D muestra el uso de una malla conductora en cada cara del
alabe. El principal mecanismo de daño es cuando la
corriente del rayo forma un arco en el aire existente dentro del
alabe. La onda de presión de choque causada por el arco
puede hacer explotar el alabe o romper la estructura constructiva
de la misma. Experiencias de campo han demostrado que el uso de
receptores o terminales en la punta del alabe trabajan
efectivamente, en presencia de alabes con tamaños de hasta
20 m de longitud [8].

Figura 3 [8]. Métodos de
protección de las alabes contra impactos de
rayos

• Protección del nacelle

En la mayoría de los fabricantes de turbinas
eólicas el nacelle se fabrica con una placa de acero y el
mismo funciona con el principio de jaula de Faraday. Por lo
tanto, el volumen interior que posee el mismo al encontrarse
herméticamente cerrado, garantiza una considerable
atenuación del campo electromagnético en
comparación con el exterior del nacelle. Se recomienda que
el edificio de control sea también
metálico.

Los instrumentos meteorológicos en la parte
posterior del pabellón se protegen por un pararrayo
separado (ver figura 2)

• Conductores de conexión

Los cables deberán ser conductores apantallados,
estos protegen el sistema de los acoplamientos
electromagnéticos e interferencias. Las pantallas de los
conductores deberán equipotencializarse en sus dos
extremos, para garantizar una protección efectiva contra
los efectos electromagnéticos.

• El sistema de conductores bajantes

La torre metálica puede utilizarse como conductor
desde el nacelle hasta el sistema de puesta a tierra. En caso de
existir torres de concreto, el sistema de las bajantes
estará empotrado en el concreto, para lo cual se
utilizará conductor redondo f
8…10mm o conductores planos 30x 3,5 mm de acero
galvanizado.

5. Sistemas de puestas a tierra en
las turbinas eólicas

Todas las plantas eléctricas requieren estar
conectadas a tierra con el objetivo de:

• Minimizar los peligros de muerte de personas y
  animales,
• Establecer un camino de baja impedancia para las
  corrientes de fallas a tierra y por lo tanto una eficiente
  operación de las protecciones,
• Mejoramiento del sistema de protección contra
  rayos y conservar las tensiones de paso y contacto dentro de
  los limites normados,
• Prevenir la aparición de elevadas diferencias
  de potencial, peligrosas para las personas y los
  equipos.

Las turbinas eólicas al igual que el resto de los
equipos eléctricos necesitan ser conectados a tierra con
la menor impedancia posible. Generalmente los parques
eólicos abarcan grandes áreas geográficas,
en ocasiones varios kilómetros.

En la mayoría de los casos estos parques
eólicos se encuentran ubicados sobre terrenos
montañosos o colinas con suelos de elevada resistividad,
donde es muy difícil obtener valores bajos de impedancia
con el sistema de puesta a tierra. Además, se encuentran
ubicados en zonas de alto nivel ceraunico.

Las estadísticas muestran que la mayoría
de los daños que ocurren sobre las turbinas eólicas
y sus equipos electrónicos son debidos a impactos directos
de rayos y menos a tensiones transferidas producto de fallas
cercanas. Normalmente el mismo sistema de puesta a tierra es
usado para la protección contra fallas (50/60 Hz) y contra
impactos de rayos. Sin embargo, la función de cada una es
notablemente diferente debido a las componentes de alta
frecuencia que poseen las corrientes de los rayos.

En cada turbina eólica es construido un sistema
de puesta a tierra colocando generalmente un anillo alrededor de
la torre (Fig. 4 y 6) a una profundidad de 50 cm. a 1 metro y
colocando electrodos verticales combinados con el anillo. Es muy
común interconectar el sistema de puesta a tierra con los
cimientos de la base de la torre de la turbina. El
propósito de esta puesta a tierra local es proporcionar
una unión equipotencial contra los efectos de los rayos y
las fallas a frecuencia de potencia (50/60Hz) y además de
constituir un elemento del sistema completo de puesta a tierra
del parque eólico. Los valores de resistencia a lograr
dependen de las regulaciones de cada país: por ejemplo en
España es requerido 2 W en
instalaciones de baja tensión y en el Reino Unido se exige
un valor de resistencia a tierra de 10W . Esta puesta a tierra local puede
representarse esquemáticamente como una resistencia
pura.

Figura 4 [6]: Elementos que componen el sistema de
puesta a tierra de una turbina eólica.

En los parques eólicos se interconectan los
sistemas de puestas a tierra individuales que posee cada turbina
eólica. Esto trae consigo que la componente inductiva de
la impedancia sea mayor que la componente resistiva. El conductor
de puesta a tierra que interconecta el sistema de puesta a tierra
de cada turbina tiene un comportamiento mas complejo (similar a
una línea de transmisión) y puede ser representado
como el circuito equivalente π.
Debido a la extensión de la red de tierra que interconecta
todas las turbinas, la impedancia serie que aparece no puede ser
ignorada.

Para el diseño de las puestas a tierra de las
turbinas eólicas no es posible utilizar técnicas
convencionales de cálculo que tienen en cuenta sistemas
pequeños de puesta a tierra y además no tienen en
cuenta las componentes reactivas de la impedancia creadas por los
largos conductores o contrapesos que interconectan las puestas a
tierra locales de cada turbina eólica.

Cuando un rayo impacta una turbina eólica, el
potencial en la tierra alrededor de la misma se eleva. Este
crecimiento puede producir un excesivo potencial el cual puede
causar daños en el transformador de la turbina
eólica. Las sobretensiones transferidas pueden inclusive
dañar los transformadores de las turbinas eólicas
vecinas, el equipamiento eléctrico, el transformador de la
subestación y los cables eléctricos de
distribución.

En [7] es realizado un análisis relacionado con
el comportamiento frente a rayos de diferentes configuraciones de
puestas a tierra que son aplicadas actualmente por diferentes
empresas que construyen parques eólicos de
generación. En este trabajo es demostrado que la
impedancia del sistema de puesta a tierra no cambia
significativamente en función de su profundidad, sin
embargo es demostrado que un incremento de la profundidad, trae
consigo una disminución de las tensiones de paso.
También es demostrado que las descargas
atmosféricas incrementan las tensiones de paso y la
impedancia del sistema de puesta a tierra, en comparación
a las fallas convencionales que ocurren a frecuencia de potencia
(50/60 Hz). Además, llegan a la conclusión que con
el aumento del diámetro del anillo del sistema de puesta a
tierra se disminuyen las tensiones de paso. Por lo que si el
diámetro es suficientemente grande no es necesario
adicionar electrodos verticales, lo cual incrementaría el
costo del sistema a instalar. Otra conclusión importante a
la cual arriban, es que incrementando la profundidad de
ubicación del sistema de puesta a tierra de 0.5 m a 0.8 m
las tensiones de paso disminuirán
significativamente.

Para la conexión a tierra de la turbina
eólica, el refuerzo metálico de los cimientos de la
torre deberá ser integrado e interconectado con el sistema
de puesta a tierra que se desee instalar. Es recomendable el uso
de los cimientos de la estructura y del edificio de control como
sistema de puesta a tierra debido a la protección que
ofrece el concreto a la corrosión de los conductores.
Además, se deberán interconectar la puesta a tierra
de la base de la torre con la puesta a tierra del edificio de
control con el objetivo de obtener un sistema de puesta a tierra
equivalente con la mayor superficie posible.

El único método efectivo para determinar
la impedancia de tierra a frecuencia de potencia (50/60 Hz) de un
parque eólico de gran tamaño es el método
nombrado, de inyección de corriente [8]. En esta prueba
una corriente (típicamente entre 10-20 A) es inyectada
dentro del sistema de puesta a tierra del parque eólico y
es medida la caída de potencial con respecto a un punto de
referencia. Sin embargo, el camino de regreso de la corriente
inyectada debe estar bastante alejado del parque eólico
(usualmente entre 5-10 Km.), para asegurar que la medición
no se vea afectada por el área efectiva de la puesta a
tierra del parque eólico. Es por esto que puede ser
utilizado como camino para inyectar la corriente, las
líneas eléctricas de distribución de
energía, estando por supuesto las mismas
desenergizadas.

La elevación del potencial en el sistema de
puesta a tierra del parque eólico es medida en
relación a una tierra remota que clásicamente puede
transferirse a un sitio sobre el circuito de telefonía.
Idealmente la ruta del circuito de teléfonos debe ser
perpendicular al circuito de potencia, para evitar los efectos de
inducción. Puede ser visto que la ejecución
práctica de estas pruebas es extremadamente difícil
y cara. También se hace bastante difícil el uso de
los circuitos telefónicos para brindar la referencia de
tierra remota, debido a que las compañías de
telecomunicación incrementan cada día el uso de
medios de comunicación inalámbricos. Sin embargo,
es muy cuestionable si realizar pruebas más simples pueden
dar resultados en redes de puestas a tierra extensas en presencia
de significantes inductancias series.

5.1 Criterios prácticos seguidos por varias
empresas para la construcción de los sistemas de puestas a
tierra de los parques eólicos

En función del constructor de campos
eólicos, la geometría del sistema de puesta a
tierra es diferente. Cada constructor se basa en su propia
experiencia, pero resulta imposible conocer exactamente cuales
son los motivos que les han llevado a adoptar dichas
geometrías.

Un parque eólico "tipo" está compuesto por
un número variable de turbinas eólicas que suele
acercarse a las 30 unidades, separadas una de otra una distancia
aproximada de 130 m, en función de los puntos de mayor
incidencia del viento y menor impacto visual. En la Figura 5 se
puede observar la distribución de un parque
"tipo".

Figura 5: Parque eólico "tipo"

En la práctica, la puesta a tierra de cada
turbina eólica se suele unir en grupos. Esta unión
se realiza en grupos de cinco unidades mínimo y se
conectan después al sistema de puesta a tierra de la
subestación correspondiente. Así, desde la red de
media tensión se deriva en forma de T a cada turbina
eólica, mediante soldadura aluminotérmica, tal como
muestra el esquema de la Figura 6.

Figura 6:
Conexión entre aerogeneradores

Las puestas a tierra empleadas por los principales
constructores pueden resumirse en tres tipos:

Tipo 1

Se trata de un círculo alrededor de la base del
aerogenerador, con un diámetro de 11 m aproximadamente, en
el que en dos extremos opuestos se disponen dos picas de 2 m de
longitud, como se observa en la Figura 7.

Figura 7: Geometría de puesta a
tierra, tipo 1

Tipo 2

Emplea un octógono como geometría base
para la realización de la puesta a tierra. En este caso se
disponen dos octógonos introducidos en el terreno a dos
niveles distintos, tal y como se puede observar en la Figura
8.

Figura 8: Geometría de puesta a tierra, tipo
2

Tipo 3

Se trata de un anillo interior a la torre del
aerogenerador alrededor del perímetro interno de la torre;
otro anillo concéntrico y exterior a la base del
aerogenerador sobre la cimentación del mismo y un anillo
de forma cuadrada concéntrico exterior a la
cimentación unido por cuatro puntos a los redondos de
acero situados en los puntos medios de las aristas externas de la
cimentación. Estos tres anillos concéntricos se
unen formando una superficie equipotencial, como se observa en la
Figura 9. En caso de no obtener una resistencia adecuada, se
sugiere añadir dos picas a un metro de distancia del
cuadrado.

Figura 9: Geometría de puesta a tierra, tipo
3

6. Además del apantallamiento contra emisiones
   radiadas de interferencias, se deberá proteger el
   sistema de cables contra la influencia de interferencias
   conducidas en las fronteras de las zonas de protección
   (LPZ) contra rayos, esto garantizara la confiable
   operación de los equipos eléctricos y
   electrónicos existentes.

   En la zona de protección LPZ OA – 1, se
   deberán instalar dispositivos de protección
   contra sobretensiones (DPS), los cuales sean capaces de
   descargar a tierra corrientes parciales de rayos sin provocar
   ningún daño a los equipos que se encuentran
   protegiendo. Estos DPS tipo 1 son probados con corrientes de
   impulso de forma de onda 10/350 µs.

   En las fronteras LPZ OA – 1 y LPZ 1 y mayores,
   solamente bajos impulsos de corriente con menor
   energía deberán ser controlados, estos impulsos
   resultan de tensiones inducidas en el exterior o por
   sobretensiones generadas por el propio sistema. En estas
   zonas deberán colocarse DPS tipo 2 los cuales son
   probados con corrientes de impulso con forma de onda 8/20
   µs.

   Los DPS seleccionados deberán tener en cuenta
   las características de operación y el nivel de
   aislamiento de los equipos eléctricos y
   electrónicos que se desean proteger.

   Contrario a los DPS que se utilizan para los
   sistemas eléctricos de potencia, una especial
   atención debe prestarse a la compatibilidad y
   características de los sistemas de medición,
   control y sistemas de procesamiento de datos a la hora de
   instalar DPS en estos sistemas. Estos DPS deben ser
   conectados en serie con las líneas de procesamiento de
   datos y deben ser capaces de reducir el nivel de
   interferencia por debajo de la inmunidad de los equipos a ser
   protegidos.

7. Protección contra
   sobretensiones y efectos secundarios del
   rayo
8. Conclusiones

Las turbinas eólicas deberán ser
protegidas por sistemas de protección contra rayos
efectivos que garanticen la seguridad y continuidad de servicio
de las mismas, aumentando su confiabilidad y disponibilidad. Todo
esto trae consigo que disminuya el costo del kW no servido, lo
cual trae consigo al aumento de la facturación por la
energía suministrada.

8.
Referencias

[1] News Letter, LMGlasfiber, Septiembre 2002

[2]News Letter, LM Glasfiber, febrero 2003

[3]News Letter, LM Glasfiber, Octubre 2003

[4] News Letter, LMGlasfiber, Septiembre 2004

[5] News Letter, LMGlasfiber, Septiembre 2005

[6] Lightning Protection Guide, DEHN.

[7] Olatz Ukar, Optimal configurations design of wind
turbines grounding system by numerical methods, Deusto
University, Bilbao (Spain)

[8] Wind Energy Handbook, 2001

[9] Norma Internacional, IEC TR 61400-24,
Aerogeneradores, Protección contra rayos

Biografía del autor:

Ernesto Noriega Stefanova, nació en la Habana,
Cuba, el día 7 de julio de 1973. Recibió el grado
de Ingeniero Electricista en el año 1998 y el de Master en
Ingeniería Eléctrica en el año 2004 en la
Universidad Central de las Villas, Cuba. Desde el año 1998
hasta el 2005, trabajó como investigador y especialista en
Sistemas de Distribución de Energía en la Empresa
Eléctrica Matanzas, Cuba. A partir del año 2006
trabaja en la Firma ET EURO ENGINEERING radicada en Bulgaria. En
la misma se desempeña como especialista en Sistemas de
Protección contra Rayos y Puestas a Tierra. Sus temas de
investigación están relacionados con las siguientes
materias: sistemas de puesta a tierra, coordinación de
aislamiento, protección contra rayos y calidad de
energía.

Autor:

Ernesto Noriega Stefanova