daños por rayos · bha coiina 6 tipos de daño d1 daños en los seres vivos por tensiones de paso...

BHA Coiina 1

Daños por rayos

BHA Coiina 2

El impacto de un rayo sobre una estructura puede producir daños en: - la propia estructura; - sus ocupantes y en sus bienes; - los servicios internos. - los alrededores de la estructura implicando al

medioambiente local.

- El tamaño de esta implicación depende de la característica de la estructura y de la descarga eléctrica

Norma IEC 61305-1

Fabrica de Harinas Porta (Huesca) 14 de abril de 2005

http://www.heraldo.es/uploads/imagenes/bajacalidad/_porta_6b993927.jpg

BHA

Ingeniería Eléctrica 5

La corriente del rayo es la fuente

primaria de los daños.

S1 Impactos de rayos en un

aerogenerador;

S2 Impactos de rayos

cerca de un

aerogenerador;

S3 Impactos de rayos en un

servicio (por ejemplo, en un

cable de potencia ó de

telecomunicación);

S4 Impactos de rayos

cerca de un servicio.

Fuentes de daños

S1

S2

S3 S4

BHA Coiina 6

Tipos de daño

D1 Daños en los seres vivos

por tensiones de paso y de

contacto

D2 Daños físicos (fuego,

explosión, destrucción

mecánica, emanación química)

D3 Fallo de los sistemas

internos por el IEMR (Impulso

Electro Magnético del Rayo)

BHA Coiina 7

Tipos de pérdidas

L1 Pérdidas de vidas humanas (incluyendo daños

permanentes);

L2 Pérdida de un servicio público;

L3 Pérdida de patrimonio cultural;

L4 Pérdida de valor económico (estructura y su

contenido, servicios y pérdida de actividad).

8

El diseño de cualquier sistema de protección debería tener

en cuenta el riesgo de impacto de las descargas y/o el

daño en la estructura que se considera.

El daño por rayos en un aerogenerador sin protección

puede afectar a las palas, a las partes mecánicas y a los

sistemas eléctricos y de control.

Las personas que se encuentran en y alrededor del

aerogenerador están expuestas al riesgo por las tensiones

de paso/contacto ó a las explosiones y fuegos producidos

por los rayos.

Exposición a los rayos

BHA Coiina 9

Riesgos por aumento del tamaño de máquina

mayor altura, mayor longitud de palas, mayor riesgo de

impacto por descargas negativas descendentes, mayor

probabilidad de descargas ascendentes

80m

107m

3,6 Mw

93 m

70m

2,3 Mw

62 m

60m

1,3 Mw

50m

40 m

0,6 Mw

d d d

d - - -

- - -

- - -

+

+ +

+

- - - - -

- - - - - -

-

- - - - -

- - - - - -

-

- - - - -

-

11

El objeto de cualquier sistema de protección contra el rayo

es reducir los riesgos a un nivel tolerable RT.

- El nivel tolerable está basado en un riesgo aceptable en el

que se considera la seguridad de las personas.

- Si el riesgo es inferior al nivel tolerable para las personas

entonces la necesidad de más protección puede basarse

en un análisis puramente económico, el cual se hace

valorando el coste del sistema de protección en relación

al coste del daño que prevendrá.

- Un valor representativo del riesgo tolerable RT, cuando en

se considera las pérdidas de vidas humanas ó daños

permanentes es de 10-5 año-1.


BHA Coiina 12


Siempre que fuera posible debería obtenerse información

sobre las condiciones locales de rayos, teniendo en cuenta,

que:

- la valoración del riesgo es probabilística, porque la

presencia de rayos se basa en valores estadísticos medios

y porque el del rayo en si es estocástico por naturaleza

BHA Coiina 13

Frecuencia de rayos en un aerogenerador

Es necesario conocer la frecuencia del número de descargas en las

zonas por año y km2 (Ng) a partir de las redes detectoras de rayos;

En caso de no disponer de estos datos se puede hacer una valoración a

través del número de días al año en que hay tormentas (Td – nivel

ceráunico) Ng 0,1. Td

Ingeniería Eléctrica

BHA

NAVARRA Ng 92/97

M.Aguado

BHA Coiina 15

Sistemas de localización de las descargas

Emisión de radiaciones en el

proceso de las descargas en

diferentes rangos de

frecuencia:

Emisiones de LF (30-300kHz

=1km a 100 m)

en la corriente de retorno.

Emisiones de VHF (30-

300MHz =10 a 1m)

a partir del lider

descendente, descargas

entre nubes y nube tierra

BHA Coiina 16

Sistemas de localización de las descargas

Cobertura de la red, regional ó global (400 a 2000km);

Métodos de localización:

- dirección magnética (MDF);

- tiempo de llegada (TOA)

- interferometría.

Tipos de descarga Nube tierra (LF), Nube-nube (VHF);

Datos facilitados: Amplitud del impacto (kA), posición;

Eficacia de la detección: 70-90%

Precisión de la localización: 0,3- 1km

BHA Coiina 17

Sistemas de localización

AEMET

Red formada por 20

estaciones

14 en la Península;

1 en Baleares;

5 en Canarias

INTERNACIONALES

Red formada por 18

estaciones

4 en Portugal;

14 en Francia.

BHA Coiina 18

Sistemas de localización

Red EUCLID

Red NLDN

BHA Coiina 19

Países con sistemas de localización


BHA

Técnicas empleadas en localización de descargas:

:

- dirección magnética (MDF);

- tiempo de llegada (TOA)

- interferometría Errores de localización: Para todos los sistemas

es del orden cientos de metros Los sistemas VLF que operan en el rango entre 5 y

10kHz, detectan rayos a distancias de hasta miles

de km, tienen errores de decenas a cientos de km

Dirección magnética (MDF)

Se emplean dos bucles verticales y perpendiculares, cuyos planos están orientados NS y EO Se considera que el campo eléctrico E es vertical, por lo que el campo magnético asociado es horizontal


BHA

dirección magnética

(MDF)

Estimación del punto de impacto por tres sensores

La señal es proporcional al cos


BHA

Tiempo de llegada (TOA) tiempo que tarda en llegar la señal a cada uno de los sensores VHF decenas a centenas de metros VLF y LF cientos a miles de kms


BHA

Tiempo de llegada (TOA)

Cada par de tiempos de llegada (t1-t2), (t2–t3) definen sendas parábolas, cuya intersección define el punto de impacto

Consiste en dos antenas separadas algunos metros, conectadas a través de sendos filtros de banda estrecha a sendos receptores

Las antenas, filtros y receptores son idénticos La salida de los receptores se envían a un detector de fase que produce una señal proporcional a la diferencia de fase entre las dos señales (casi senoidales)

Interferometría

Valor medio anual de eventos peligrosos

-ND (1/año) descargas en el aerogenerador;

-NM (1/año) descargas cerca de un aerogenerador (dentro

de 250m);

-NL (1/año) descargas en líneas de servicio que conectan

con el aerogenerador (cables de potencia y de

comunicación);

-Nl (1/año) descargas cerca de las líneas de servicio que

conectan con el aerogenerador (cables de potencia y de

comunicación);

-ND,b (1/año) descargas en el aerogenerador ó en otra

estructura situada en el extremo “b” de las líneas de servicio

que conectan con el aerogenerador.

BHA Coiina 27

Ng nº de descargas por año y km2; Ad superficie de captación de las descargas (m2);

Cd factor de situación; Cd =1 para aerogeneradores en terrenos llanos; Cd =2 para aerogeneradores en colinas ó crestas de montañas; Cd >2 para lugares con actividad de rayos muy alta, en general, ó de rayos de invierno, en particular; Cd entre 3 y 5 para instalaciones en el mar (offshore)

ND=Ng.Ad.Cd.10-6


BHA Coiina 28

1:3 gradient

3 wind turbine height

Collection area

Wind turbine position

H

1:3

Superficie de captación

Terrenos llanos

Terrenos complejos

H


BHA

NM descargas en las proximidades del aerogenerador

(250m)

Ad Am 250m


En las líneas de telecomunicación de fibra óptica se considera el riesgo por rayos igual a cero

NL Descargas anuales en las líneas que conectan los aerogeneradores

AI(m2) superficie de captación de descargas a la línea de servicio;

Ai (m2) superficie de captación de descargas cerca a la línea de servicio; Cd factor de situación Cd=1 para terrenos llanos; Cd =2 para terrenos montañosos; Ce factor medioambiental Ce =1 para zonas rurales; Ct factor por existencia de transformador; Ct=1 si no hay transformador entre el punto de impacto y el aerogenerador Ct =0,2 si hay transformador (grandes aerogeneradores) Ct =0 para cables submarinos (potencia y telecomunicación).


NI Descargas anuales en las proximidades de las líneas que conectan los

aerogeneradores

1:3

gradiente

3 H

1:3

gradiente

otra estructura

25 √ρ

3 Hb

√ρ

Ai = 25 Lc √ρ

AI = (Lc – 3(Ha + Hb )) √ρ

Aerogenerador

Cable de conexión (Lc)

H

Superficies de captación

líneas aéreas

AI = (Lc – 3(Ha + Hb )) 6Hc

Ai = 1000 Lc

líneas subterráneas

Hc altura de l a línea sobre el terreno

32

Valoración del riesgo de daños

El riesgo de daños producidos por rayos en una instalación eólica y las

pérdidas subsiguientes puede considerarse como la suma de muchos

componentes del riesgo. Cada componente del riesgo puede

expresarse por la siguiente ecuación general

Rx = Nx.Px.Ix

Nx.[año-1] número anual de eventos peligrosos;

Px. probabilidad de que se produzcan

daños en la estructura (función de

distintas medidas de protección);

Ix pérdida correspondiente.

En caso de que el valor del riesgo sea demasiado alto, deben

aplicarse las medidas de protección necesarias para reducir el

riesgo por debajo del riesgo tolerable RT. Rx RT

BHA Coiina 33

Protección contra

rayos

BHA Coiina 34

Sistema externo de protección contra el rayo parte de un SPCR formado por un sistema de captura, los conductores de bajada y la toma de tierra

Sistema de protección contra el rayo (SPCR): Tiene que estar plenamente integrado en las diferentes partes de los aerogeneradores

Sistema interno de protección contra el rayo parte del SPCR formado por las conexiones equipotenciales y/o el aislamiento eléctrico del SPCR externo

Medidas de protección contra los impulsos electromagnéticos del rayo (IEMR) conjunto completo de medidas de protección contra el IEMR del sistema de protección interna

BHA Coiina 35

Sistema externo de protección contra el rayo

parte de un SPCR formado por : - un sistema de captura (1); -los conductores de bajada (2);

-la toma de tierra (3).

S1

S2

S3 S4

3

2

1

BHA Coiina 36

PROTECCION INTERNA

Objetivo: Evitar chispas peligrosas entre el sistema externo de protección y: - las instalaciones metálicas, eléctricas, de señal, de telecomunicación, interiores a la estructura a proteger - partes externas conductoras, líneas externas que entran en la estructura a proteger - daños a equipos e instrumentación debidos a acoplamiento inductivos producidos por las corrientes parciales de los rayos que desde el sistema de protección externo penetran en las estructuras; Medidas de protección - equipotencialidad;

- aislamiento; -cables apantallados; -autoválvulas contra sobretensiones (DPS)

BHA Coiina 37

Protección interna: Zonas electromagnéticas UNE-EN 62305

LPZ OA: Impacto directo de las descargas, plena corriente, campos electromagnéticos no atenuados LPZ OB: No impacto directo de las descargas, plena corriente, campos electromagnéticos no atenuados LPZ 1: No impacto directo de las descargas, corriente reducida , campos electromagnéticos atenuados LPZ 2: Mayor reducción de la corriente , mayor atenuación de los campos electromagnéticos

BHA Coiina 38 38

ZPR 0

ZPR 0B

ZPR 0A

BHA


Palas 8.2

Las palas de los

aerogeneradores son las

partes más expuestas del

aerogenerador, y

experimentarán el impacto

total de los campos

eléctricos asociados con el

proceso de conexión de los

rayos, la corrientes de los

rayos, y los campos

magnéticos asociados con

estas corrientes.

40

A B

C D E

Tip shaft

Steel wire Flap

Steel wire

IEC 1863/02

CFC in blade for structural purposes

IEC 61400-24

Los lados de las palas se fabrican normalmente por separado como

piezas de fibra de vidrio u otros materiales compuestos que se pegan a lo

largo de los bordes de entrada y de salida.

En el interior de las palas hay grandes cavidades de aire, extendidas a

todo lo largo de las palas, formadas por sus superficies y la estructura

interna. A su vez las superficies de las palas también soportan los

esfuerzos mecánicos de la pala que no se permiten que soporte el mástil.

41

Los impactos de los rayos en las palas no conductoras pueden explicarse, al menos parcialmente, por el hecho de que la polución y el agua hacen a estas palas más conductoras, conforme pasa el tiempo. Los ensayos en laboratorios de Alta Tensión han demostrado que el arco de impacto se produce en una pala no conductora regada con agua salina prácticamente igual que si fuese metálica. En cualquier caso, la experiencia muestra que en las palas no conductoras son comunes la presencia de daños importante

IEC 61400-24 - C.1.1

42

Los daños típicos en los puntos de impacto son: -la deslaminación, la quemadura de la superficie del material compuesto; - el calentamiento ó la fusión de los componentes metálicos que actúan como puntos de impacto. - el daño más severo en las palas de los aerogeneradores se produce cuando el rayo forma arcos en el interior de la pala. - Otro tipo de daños se observan cuando la corriente del rayo, ó parte de ella, circula en ó entre las capas de los materiales compuestos, presumiblemente porque estas capas contienen algo de humedad. La onda de presión producida por estos arcos internos pueden, literalmente, hacer explotar la pala, rasgando la piel de la superficie de la pala, separándola a lo largo de los bordes y desde la parte interna por donde circula la corriente.

C.1.2 Mecanismo del daño en las palas

43

IEC 61400-24 C.2.1 Protección

Problema general: Llevar la corriente del rayo con seguridad desde el punto de impacto hasta el buje, de manera que no se produzcan arcos eléctricos debidos al rayo en el interior de la pala. Puede conseguirse: -diversificando la corriente del rayo desde el punto de impacto de la descarga a lo largo de la superficie de la pala hasta la base de la pala, mediante el empleo de conductores metálicos, bien fijados en la superficie de la pala ó en su interior. - añadiendo un material conductor a la superficie de la pala haciéndola lo suficientemente conductora como para permitir el paso de la corriente del rayo de manera segura hasta la base de la pala.

44

debe realizarse por uno de los siguientes métodos:

•ensayos de altas tensiones y altas corrientes;

•demostración de la similitud de una pala tipo (diseño) con una pala tipo previamente verificada, o con una pala tipo con un sistema de protección satisfactorio y documentado

• empleando herramientas de análisis, previamente verificadas,

mediante comparación con resultados de ensayo ó con palas con

sistemas de protección que han funcionado correctamente en servicio.

Verificación 8.2.3

BHA Coiina 45

Sistemas de captación 8.2.4.1

• se sitúan en la superficie de las palas formando parte de la estructura de la pala

•No aplican a las palas los métodos de la esfera rodante, ángulo de protección.

• El fabricante debe asegurar su fijación, montaje, resistencia al medioambiente (viento, humedad, partículas..) y facilidad de recambio;

• su montaje y conexión al conductor de bajada debe diseñarse de manera que se minimice el riesgo de descargas eléctricas;

• El fabricante debe definir un procedimiento de inspección que estime la vida del receptor y los intervalos entre cambios de los mismos.

• La verificación se hará de acuerdo al punto 8.2.3

BHA Coiina 46

Conductores de bajada 8.2.4.2

• las conexiones deben ser firmes y permanentes, capaces de soportar esfuerzos eléctricos, mecánicos, térmicos y dinámicos (IEC/TS 61400-23. • ensayo de los componentes de acuerdo a la norma 50164-1. El nivel de la corriente de ensayo estará de acuerdo con el NPR elegido. • las partes internas y los componentes de conexión deben diseñarse de manera que se minimice el riesgo de descargas eléctricas internas.

BHA Coiina 47

Impacto del campo eléctrico en materiales compuestos 8.2.4.4

• la aproximación de los líderes del rayo expone a la estructura de la pala a grandes campos eléctricos, que con el tiempo puede degradas las propiedades aislantes de los materiales compuestos.

• por tanto, el sistema de protección contra rayos debería diseñarse teniendo en cuenta los principios de diseño del aislamiento en alta tensión

48

Ensayos Alta Tensión 8.2.5.1

Estos ensayos se hacen para determinar los puntos de impactos y los caminos de ruptura eléctrica en los materiales no conductores.

Este ensayo también pueden aplicarse a otros objetos tales como capota, buje, góndola y otras partes, y con el puede valorarse: •localización de posibles puntos de impacto del líder y el paso ó las perforaciones eléctricas en las palas y otras estructuras no conductoras; •optimización de la situación de los aparatos de protección (sistemas de captación , receptores); •caminos ó perforaciones de las descargas en las superficies dieléctricas; •funcionamiento de los aparatos de protección.

BHA Coiina 49

kV(%)

s

250 20%

2500 60%

100

50

Forma de onda

BHA Coiina 50

Bla

de

specim

en

Voltage divider

HV generator

Disposición de ensayo A

Es la disposición de ensayo más deseable. Se obtiene un ambiente del campo eléctrico mas real alrededor de la pala

BHA Coiina 51

Disposición de ensayo B

Permite en el laboratorio colocar muestras mas grandes y pesadas

BHA Coiina 52

Disposición de ensayo C

BHA Coiina 53

Blade motion

Blade cross section

HV electrode

Ensayo de barrido

Impacto del rayo cuando las palas están girando

BHA Coiina 54 54

Este ensayo se hace para determinar el efecto directo (daño físico) que

pueden producirse en los puntos de posible impacto del canal del rayo en

las palas y por donde pueden fluir, desde el punto de impacto, grandes

densidades de corrientes y de energía

El ensayo debe hacerse para valorar:

•daños por el arco del impacto; •formación de puntos calientes; •erosión del metal del sistema de captación; •aptitud de los materiales de protección y dispositivos; •efectos de la fuerza magnética; •efectos de la onda de presión y de choque; •comportamiento de las juntas y de los montajes; •tensiones y corrientes en puntos de interés a lo largo del sistema de protección.

Ensayo con altas corrientes

BHA Coiina 55

Disposición de ensayos de altas corrientes

BHA Coiina 56

Ejemplo de ensayos de altas corrientes

BHA Coiina 57

Góndola y otros equipos estructurales

Emplear, en todo lo que sea posible, las propias estructuras

metálicas, tanto en la captación, equipotencialización,

apantallamiento, como en la conducción de la corriente al

sistema de puesta a tierra.

El aerogenerador debería dividirse en ZPR

BHA Coiina 58 58

Góndola Las góndolas con una cubierta de FVPR ó similar deberían estar provistas de un sistema de captación y de conductores de bajada que formen una jaula alrededor de la góndola. Alternativamente, podrían colocarse todos los circuitos que se encuentran en la góndola en conductos metálicos ó en bandejas

Debe establecerse un sistema de conexión equipotencial (conectado a tierra), que incluya la estructura principal

BHA Coiina 59

Góndola

La corriente del rayo debería conducirse, directamente, a la jaula de Faraday impidiendo que la corriente pase por los rodamientos de control de la pala y por la caja de engranajes. Normalmente se emplean sistemas de escobillas para este fin, aunque la eficacia de este sistema debido a que es muy difícil construir la escobilla y el sistema de puesta a tierra con una impedancia suficientemente baja

BHA Coiina 60 60

La protección del buje, por tanto, se

reduce a la conexión equipotencial y a la

protección contra los impulsos

transitorios de los elementos colocados

en el exterior del buje, tales como el

sistema de control de la pala, los sistemas

de control eléctricos y mecánicos situados

en el buje y conectados a los circuitos que

se encuentran exteriores al buje.

Buje

En lo grandes aerogeneradores el buje es una pieza esférica hueca de

fundición de 2 a 3 m de diámetro. De ahí que solo el espesor del

material asegure que la estructura del buje es inmune a los rayos.

Debe considerarse como una caja de Faraday que proporciona apantallamiento magnético en sus aberturas hacia las palas, el frente y la góndola.

BHA


En algunos aerogeneradores existen circuitos de control y controladores colocados fuera del buje y cubiertos por la capota. Estos sistemas deben apantallarse contra la conexión del rayo mediante sistemas de captación

Capota

BHA Coiina 62

Son jaulas de Faraday casi perfectas al estar prácticamente carradas en las enterfases góndola-torre, como en la torre, puesta a tierra. Sin embargo, sería razonable, en la mayoría de los casos definir el interior como ZPR 1, ZPR2. La protección se reduciría a las conexiones equipotenciales y a la protección contra los impulsos transitorios de los circuitos eléctricos y de control que pasan a otras ZPR.

Torres tubulares de acero

BHA Coiina 63

Torres de celosía

No son jaulas de Faraday efectivas, aunque algo atenúan el campo magnético y la corriente por su interior. Sería razonable, definir el interior como ZPR 0B. La conducción del rayo debería hacerse por la estructura metálica de la torre.

BHA Coiina 64

Torres de hormigón armado

Puede emplearse la armadura como conductor de bajada, si se aseguran, con la sección suficiente, las conexiones de 2 a 4 caminos paralelos verticales, conectados horizontalmente en la parte superior, inferior y cada 20 m. Pueden considerarse SPCR externos, pero siempre conectados a la armadura del hormigón.

BHA Coiina 65

Torres de hormigón armado

La resistencia máxima entre las partes extremas será de 0,2 medida con un medidos de cuatro cables y una corriente mínima del orden de 10 A (IEC 62305-3, E 4.3.1)

BHA Coiina 66

Sistemas dentro de las torres

Las escaleras deben conectarse equipotencialmente en cada extremo, cada 20m y en cada plataforma; Los raíles, guías del ascensor, tuberías hidráulicas, cables para la protección del personal y otros componentes que atraviesen la torre, deben conectarse equipotencialmente en cada extremo. En la torres de celosía, además, las conexiones equipotenciales deben hacerse, si es posible, cada 20m. El sistema de puesta a tierra del transformador de AT debería conectarse al del aerogenerador. No se recomienda el empleo de sistemas de puesta a tierras separadas para los sistemas de potencia y para la protección del rayo.

67

Los rodamientos son difíciles de monitorizar, no siendo aceptable que

el rodamiento tenga que ser inspeccionado después de que el rayo

haya impactado con el aerogenerador. Por tanto, los sistemas para

los rodamientos deben probarse y documentarse.

La protección puede formar parte de la estructura del rodamiento ó

puede ser un sistema externo instalado fuera del rodamiento de

manera que de lugar a un paso paralelo para la corriente.

Si los rodamientos funcionan sin protección, debe demostrarse

que, después de haber estado expuesto a la circulación a través de

ellos de las corrientes esperadas de rayo, los rodamientos pueden

funcionar a lo largo de su vida de trabajo. Si el rodamiento no es

capaz de funcionar a lo largo de su vida de trabajo, debe aplicarse la

protección

Rodamientos

BHA Coiina 68

Sistemas hidráulicos

Hay que evitar que se produzcan fugas por daños

en los accesorios e incendios en el aceite.

Pueden emplearse escobillas ó conexiones

trenzadas para crear un paso paralelo a la

corriente del rayo.

Los tubos metálicos expuestos a la corriente del

rayo deben protegerse para impedir la

penetración de la corriente del rayo. Si los tubos

son de acero deben conectarse a la estructura de

acero de la maquinaria en los dos extremos de

tubo

BHA Coiina 69

Descargadores y escobillas

Este sistema de puenteo debe tener una

impedancia de paso inferior a la del elemento a

proteger.

Deben ser capaces de soportar la corriente del

rayo y estar colocados en un lugar accesible del

aerogenerador.

Deben inspeccionarse regularmente, de

acuerdo con los manuales de mantenimiento y de

servicio.

BHA Coiina 70

Sistemas eléctricos y de control

Protección contra:

Descargas que impactan en el aerogenerador;

Lideres de corriente que se desarrollan a partir

del aerogenerador;

Descargas indirectas (efectos IEMR)

(Todas las descargas del rayo producen IEMR)

BHA Coiina 71

Medidas de protección IEMR

Las medidas básicas de protección incluyen:

•interconexiones ;

•apantallamiento eléctrico y magnético de los

cables y trazado (instalación del sistema);

•coordinación de los DPS;

•puesta a tierra

BHA Coiina 72 72

Medidas de protección IEMR

Los métodos adicionales incluyen:

•aislamiento, diseño y equilibrado de los circuitos,

impedancias series, etc.

Las medidas de protección EMR deben

documentarse con la siguiente información básica

•definición de los niveles de protección (NPR)

•dibujos de las zonas de protección del

aerogenerador ZPR con sus límites;

•esquema de los circuitos en los que se indiquen los

DPS, la pantalla de los cables y los puntos de puesta

a tierra de la pantalla de los cables.

BHA Coiina 73 73

Conexiones equipotenciales

Las conexiones equipotenciales deben emplearse en el

interior de un aerogenerador para que no se produzcan

chispas entre las partes conductoras del aerogenerador.

Cuando se produce el impacto del rayo estas conexiones

equipotenciales proporcionan protección contra las

tensiones de paso y de contacto.

Juegan un papel importante al reducir la probabilidad de

daños en los sistemas eléctricos y de control.

Si su impedancia es baja impiden diferencias de tensión

peligrosas entre los equipos situados en el interior de los

aerogeneradores.

BHA Coiina 74 74

Trazado de cables y apantallamiento

El apantallamiento es la manera por el que se consigue atenuar los

campos electromagnéticos. La reducción de los campos

electromagnéticos pueden reducir sustancialmente los niveles de

tensiones inducidas en los circuitos.

Las corrientes del rayo producen grandes campos magnéticos, que

si atraviesan un bucle formado por cables y la propia estructura del

aerogenerador, inducirán en los bucles impulsos transitorios de

tensiones e intensidades.

La magnitud de estos impulsos transitorios está relacionada con la

tasa de variación del campo magnético y de la superficie del bucle en

cuestión.

El proyectista debe considerar la magnitud de las tensiones

inducidas y estar seguro de que tales impulsos no sobrepasan el

nivel que pueden soportar el cableado y los equipos conectados.

BHA Coiina 75 BHA


Protección coordinada de los DPS

La protección coordinada de los DPS consiste en un

conjunto de DPS elegidos convenientemente,

coordinados e instalados para reducir el número de fallos

de los sistemas eléctricos y electrónicos.

BHA Coiina 76

Situación de los DPS

Los DPS ensayados con Iimp (Clase I) deben instalarse

tan cerca como sea posible de la ZPR 1;

Los DPS ensayados con In (Clase II) deben instalarse

tan cerca como sea posible del límite de la ZPR 2 y

superiores, y si es necesario tan cerca, como sea posible,

del equipo a proteger.

Si la longitud del circuito entre el DPS y el aparato a

proteger es muy larga (longitudes superiores a 10m), la

propagación de los impulsos puede estar sometida a

fenómenos oscilatorios.

BHA Coiina 77

Instalación de los DPS

La instalación de los DPS debe estar documentada

(dibujos, esquemas, en los que se indiquen las IEMR

adoptadas.

Se recomienda que la longitud total de la conexión no

supere los 0,5m.

BHA Coiina 78


BHA Coiina 79


BHA Coiina 80


BHA Coiina 81


BHA Coiina 82

Selección de los DPS

Los DPS deben soportar una corriente parcial del rayo

con la forma de onda normalizada 10/350s y el nivel de

Iimp correspondiente. Para las líneas de potencia el nivel

de la corriente de ensayo Iimp es el definido como clase I

en la IEC 61643-1.

Los DPS deben soportar los impulso transitorios de

corrientes inducidas con la forma de onda normalizada

8/20s y el nivel de In correspondiente. Para las líneas de

potencia el nivel de la corriente de ensayo In es el

definido como clase II en la IEC 61643-1.

BHA Coiina 83

Selección de los DPS Iimp, In

BHA Coiina 84

Selección de los DPS en función de las sobretensiones

Debe tenerse en cuenta las sobretensiones producidas

por las operaciones de maniobras en el sistema eléctrico

ó en el de potencia, en el que se encuentra conectado.

Ejemplos de sobretensiones:

- cortocircuitos en la red;

- convertidores estáticos (energía almacenada en el

caso de desconexión);

- aumento de las corrientes de descargas capacitivas

por inversión del ciclo de potencia;

- corte de carga por el interruptor de baja tensión

BHA Coiina 85 85

Sistemas eléctricos de potencia de Alta

Tensión

Los aparatos de protección contra los impulsos

transitorios se limitan normalmente a los pararrayos

autoválvulas.

BHA Coiina 86

BHA Coiina 87

BHA Coiina 88 88

Puesta a tierra de los aerogeneradores y de los parques

Un sistema de puesta a tierra que sirva tanto para la protección contra el rayo como para actuar con los sistemas de potencia.

Incluir la parte metálica de la cimentación en el sistema de

puesta a tierra,

BHA Coiina 89 89

Requisitos básicos

•asegurar la seguridad de la personas en relación con las tensiones de paso y de contacto que pueden aparecer durante las faltas a tierra; •prevenir daños al equipamiento; •soportar los fuerzas térmicas y electrodinámicas a que estará sometida durante el tiempo que dure la falta; •tener suficiente resistencia mecánica y a la corrosión a lo largo del tiempo.

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Disposición tipo A Formada por electrodos radiales ó verticales) conectados, al menos, a dos conductores de bajada de la estructura.

Puestas a tierra

Esta disposición no se recomienda para los

aerogeneradores, pero puede de emplearse en

construcciones menores (por ejemplos construcciones

que contengan equipos de medida u oficinas que estén

situadas en el parque eólico).

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Disposición tipo B (electrodos anulares)

Esta disposición es la

recomendable en los

aerogeneradores.

Comprende tanto uno más

electrodos anulares externos

en contacto con el terreno, al

menos en un 80% de su

longitud, como un electrodo

de cimentación. Los

electrodos, tanto anular como

el de la cimentación. deben

conectarse a la

estructura de la torre.

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Disposición tipo B (electrodos anulares)

-el radio medio “r” de la superficie encerrada por el electrodo anular (ó un electrodo de tierra de cimentación) no deberá ser inferior al valor l1. (r>l1)

Longitud mínima de los electrodos

- cuando el valor exigido para l1 es superior al de “r”, habrá que añadir conductores radiales ó verticales (ó inclinados) suplementarios, cuya longitud invidual lr (horizontal) y lv (vertical) están dadas por lr = l1 – r

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Cimentación

Virola

Electrodo

14m

14m

19,8m

Nivel de protección I =500 .m

l1=5m < 9,9 m del radio del electrodo No hay necesidad de añadir electrodos horizontales ni verticales

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Relación entre la impedancia de puesta y la frecuencia

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Eficacia al impulso de diferentes configuraciones de electrodos respecto a una pica vertical de 12m.

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Cimentación en zonas rocosas

La resistividad más baja se da en la superficie del terreno; Deben emplearse sistemas de puesta a tierra tipo B; Se recomienda emplear, al menos, para la tensión de paso y de contacto, dos electrodos anulares concéntricos que pueden combinarse con electrodos verticales, mediante perforación en la roca; Es posible no poder obtener una resistencia de valor bajo sin emplear una gran puesta a tierra. Debe ponerse énfasis en conseguir una superficie sin riesgo para la personas y animales (tensión de paso y contacto), alrededor de los aerogeneradores.

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Una cimentación con un monopilar metálico es por naturaleza un gran electrodo. Debe emplearse en primer lugar como electrodo de puesta a tierra. Puede ser necesario, en función de la resistividad del terreno, el empleo de un electrodo anular para controlar los gradientes de tensión en las proximidades de la cimentación.

Cimentación con un monopilar metálico

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La resistividad del agua del mar es considerablemente inferior a la de la mayoría de los terrenos. En el mar se considera que una cimentación monopilar metálica, ó de hormigón armado, cumplen con todos los requisitos de los sistemas de puesta a tierra por lo que no se necesitan medidas adicionales, tales como electrodos anulares, etc..

Cimentación en el mar

No se requieren otras interconexiones entre las cimentaciones que la se obtiene conectando las pantallas de los cables. El cobre no puede emplearse en el mar debido a los fenómenos de corrosión

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Parques eólicos

Formado por aerogeneradores, edificios, infraestructuras de cables ó líneas aéreas, subestaciones de alta tensión y cables de señales. Cada aerogenerador debe tener su propio sistema de puesta a tierra, conectada con la de la subestación de AT, formando un único sistema de PAT.

Se recomienda colocar cables de puesta a tierra en la parte superior del trazado de los cables (apantallamiento contra sobretensiones).

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Deben establecerse procedimientos de seguridad en

relación con los rayos, que deberían incluir:

• Comprobación periódica de los pronósticos meteorológicos

locales (por ejemplo, cada mañana);

• Formación del personal en primeras ayudas en relación

con las lesiones producidas por los rayos y por la acción de

la corriente eléctrica;

• Tan pronto como sea posible establecer conexiones con el

sistema de puesta a tierra;

• Identificación de lugares seguros;

• Información sobre la señal de alerta por rayo

Seguridad del personal

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1. Quemaduras en la piel.

2. Rotura del tímpano.

3. Lesiones en la retina.

4. Caída al suelo por onda

expansiva.

5. Caída al suelo por

agarrotamiento muscular

debido a una tensión de paso

ligera.

6. Lesiones pulmonares y

lesiones óseas.

7. Estrés pos-traumático.

8. Muerte por:

8.a. Paro cardiaco.

8.b. Paro respiratorio.

9.c Lesiones cerebrales.

Lesiones por rayo

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Los procedimientos de seguridad deben incluirse en el Plan de

Seguridad y Salud de la obra y en el Manual de montaje de los

aerogeneradores, así como en el Manual de Mantenimiento y

Servicio suministrado por el proveedor de la turbina eólica.

Los Servicios Meteorológicos suelen proporcionar pronósticos lo

suficientemente precisos sobre previsiones de tormenta e incluso

suministrar servicios de aviso por teléfono, fax o internet lo que, sin

duda, debe tenerse en cuenta.

Estos servicios no deben sustituir a la formación del personal “in

situ” para que puedan observar el desarrollo de las nubes de

tormenta, (el trueno es audible de 10-15km) y el relámpago es

visible a unos ~ 30 km). También pueden ser útiles sistemas de

detección de rayos portátiles locales y dispositivos de aviso

tormenta disponibles hoy día en el marcado.

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Durante el desarrollo de una tormenta algunos sistemas de alarma por rayo, no proporcionan alarmas de todas las descargas, en especial de la primera descarga, por lo que es esencial que todo el personal esté enterado de los riesgos debidos a los rayos en su seguridad personal. Durante los trabajos de construcción, conexión de las grúas, generadores, etc el sistema de puesta a tierra debe montarse lo antes posible. Las personas que trabajan en el exterior de la góndola y en las palas no están en un lugar seguro. Las personas que salgan de la torre de la turbina eólica, permanezcan de pie junto a la torre, suban ó bajen escaleras, trabajen en circuitos eléctricos, etc estarán en riesgo si el rayo impacta en el aerogenerador. Por lo tanto, deben instruírseles para que dejen el trabajo y vayan a lugares seguros hasta que el peligro ha pasado.

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Las plataformas situadas en el interior de las torres tubulares, en general, se consideran lugares seguros, ya que la torre es prácticamente una jaula de Faraday.


Instruir al personal en el sentido de que deben dejar el trabajo e irse a la plataforma más próxima dentro de la torre y permanecer allí hasta que la tormenta haya pasado. Otros lugares seguros son el interior de los vehículos con techo de metal, contenedores de metal, etc. NOTA Se debería instruir al personal para que permanezca de pié ó sentado en las plataformas y no toquen sistemas conductores de la electricidad que se extiendan verticalmente en la torre, tales como los sistemas eléctricos Como puede ser difícil comunicarse eficazmente en un área de construcción debe implementarse algún tipo de señal acústica de aviso, radio u otro medio equivalente efectivo (podría ser el sonido repetitivo de la bocina de un coche o el empleo de una bocina de aire comprimido).

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NOTA La documentación del aerogenerador debería definir los

lugares seguros en el aerogenerador, las distancias de seguridad

necesarias y otras precauciones que debe adoptar el persona mientras

estén en el lugar seguro. La Norma IEC 62305-3 es una guías obre

cómo hacer una evaluación detallada de la distancia de seguridad.

Norma europea UNE-EN 62305-3

Esta norma trate en su punto 6, “Sistema de protección interna

contra el rayo”, lo relativo a las conexiones equipotenciales y a las

distancias de seguridad

El sistema interno de un SPCR debe impedir que se produzcan chispas

peligrosas en la estructura a proteger por las corrientes de rayo que

puedan circular por el sistema externo del SPCR o cualquier otra parte

conductora de la estructura.


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Documentación general •Esquema unifilar del sistema de protección de los aerogeneradores, en el que debe figurar: •las estructuras separadas y su interconexión; •los esquemas de los circuitos indicando las ZPR y sus límites,; •sistemas de captación de los rayos; •situación de los conductores de bajada; •electrodos de puesta a tierra y control del potencial de la superficie; •situación de los conductores y de las barras equipotenciales; •situación de los DPS; •puntos de la conexión equipotencial de las pantallas de los cables.

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Información a suministrar para realizar la inspección del SPCR

•Descripción del SPCR; •Descripción del sistema de puesta a tierra; •Informes de las inspecciones previas, caso de ser necesario

Informe de la inspección visual del SPCR

Informe de la inspección completa del SPCR

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Manuales

Los siguientes manuales deben cubrir temas relevantes en relación con la protección contra el rayo y los sistemas de puesta a tierra. •manuales de calidad; •manual de la instalación de la cimentación; •manual de mantenimiento de la cimentación; •manual de colocación del aerogenerador; •manuales de servicio y de mantenimiento de los aerogeneradores

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Inspección de los SPCR •el SPCR está conforme al diseño original basado en esta norma; •todos los componentes del SPCR se encuentran en buenas condiciones y capaces de cumplir con la misión asignada;

El SPCR debe diseñarse de manera que permita al operador inspeccionar las partes vitales del sistema. El fabricante del aerogenerador es el responsable de preparar un plan de inspección y de instrucción incluyendo los puntos de autocontrol en las instrucciones de trabajo, en los manuales de servicio y mantenimiento del aerogenerador, y en el manual de mantenimiento de la cimentación, etc.

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Niveles de protección

Inspección visual

(cada x años)

Inspección completa

incluyendo las medidas

de continuidad

(cada x años)

I y II 1 2

III y IV 1 4

Tabla 7 – Intervalos de inspección general en un SPCR

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Mantenimiento

Si el diseño del SPCR contiene partes con desgastes

(puntos del sistema de captación, contactos deslizantes,

descargadores de aire, aparatos de protección contra

impulsos transitorios, etc.), debe asegurarse, mediante

las inspecciones, que estas partes se mantienen

correctamente – de acuerdo con su esperanza de vida- ó

que están monitorizadas mediante un sistema

automático que informe al operador del aerogenerador

de que un componente ha fallado.

Todos los componentes desgastados ó defectuosos deben

cambiarse sin demora.

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Gracias por su atención

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