Protection contre les surtensions pour les systèmes d’énergie éolienne : choix des dispositifs de protection contre les surtensions pour les circuits en courant alternatif et en courant continu

Pourquoi les systèmes d’énergie éolienne nécessitent un plan de protection contre les surtensions dédié

La protection contre les surtensions des éoliennes se distingue de la protection générale des bâtiments par plusieurs aspects structurels. La tour est haute, la nacelle est rotative, et une seule machine intègre la collecte du courant moyenne tension, l’alimentation en courant alternatif basse tension, l’alimentation en courant continu pour la commande, ainsi que les câblages de signaux sensibles — le tout au sein d’une même structure.

Une foudre frappant directement ou à proximité peut injecter de l’énergie simultanément dans plusieurs de ces chemins. Un seul dispositif placé au niveau de l’alimentation d’entrée suffit rarement à protéger l’ensemble des circuits.

Un plan coordonné est généralement plus efficace. Chaque circuit présente une tension, une forme d’onde et des exigences de tenue aux défauts différents, ainsi…   Énergie éolienne SPD   La sélection est généralement abordée circuit par circuit, puis coordonnée au niveau du système.

Lorsque les surtensions pénètrent dans une éolienne

L’énergie de surtension parvient aux équipements de la turbine par un nombre limité de voies. Identifier chacune d’elles constitue la première étape de toute…   Protection contre les surtensions pour éoliennes  design.

Éclair direct et proche

Une décharge frappant la pale, la tour ou la nacelle injecte un courant dans la structure et sur les conducteurs connectés. Le dispositif de captage de la foudre de la pale est conçu pour intercepter ce courant, mais une partie de celui-ci peut néanmoins parvenir aux circuits électriques par couplage inductif.

Transitoires de commutation côté réseau

Le fonctionnement du conducteur de collecte, du transformateur et du convertisseur engendre des transitoires rapides sur le point de raccordement au réseau alternatif. Ces surtensions de commutation sont généralement moins énergétiques que les coups de foudre, mais elles se produisent plus fréquemment.

Générateur et surtensions côté CC

Le circuit de génération, les entraînements en tangage et en lacet, ainsi que les équipements auxiliaires en courant continu peuvent être soumis à des surtensions induites ou conduites. Les turbines à vitesse variable équipées de convertisseurs complets sont particulièrement sensibles aux surtensions sur le lien continu.

Lignes de communication et de capteurs

Les câbles de fibres optiques, de bus de terrain et de signaux analogiques parcourent de longues distances à l’intérieur de la tour. Les lignes à base de cuivre sont exposées à des surtensions couplées sur toute leur longueur.

Élévation du potentiel de la terre

Le courant de foudre disséminé par l’électrode de mise à la terre de la fondation peut élever le potentiel de référence local par rapport aux points situés à distance. Cela influence les liaisons de câblage entre armoires et les liaisons de communication distantes.

Un plan pratique consiste à installer un dispositif dans chacune de ces zones, plutôt que de compter sur un seul emplacement pour couvrir tous les trajets.

Sélection du SPD pour les circuits en courant alternatif (côté réseau du convertisseur)

La connexion côté réseau du convertisseur constitue le point CA le plus exposé d’une éolienne. Les éoliennes modernes utilisent couramment une collecte en courant alternatif basse tension de 690 V ou 1140 V.

Le disjoncteur à courant résiduel (DDR) est choisi selon les mêmes critères électriques que ceux applicables aux appareils des tableaux de distribution industriels, en tenant compte de la tension et du niveau de court-circuit propres à la turbine.

Tension et configuration des pôles

La tension de fonctionnement continue (U _c ) est choisi avec une marge supérieure à la tension maximale continue phase‑neutre, en tenant compte de la tolérance et des surtensions temporaires (TOV).

Les modules de protection contre les surtensions (SPD) pour l’énergie éolienne triphasée sont généralement spécifiés selon des configurations 3P+N ou 4P. Cela garantit la couverture de tous les modes de phase et de neutre.

Type et courant de décharge

Pour la liaison entre la tour et le sol, où un courant de foudre direct peut s’appliquer, il convient d’utiliser un dispositif de type 1 ou de type 1+2, dimensionné pour supporter le courant d’impulsion (I _imp , 10/350 µs) est généralement approprié.

L’étage côté convertisseur est généralement un dispositif de type 2, caractérisé par un courant nominal de décharge (I _n ) et le courant de décharge maximal (I _maximum , 8/20 µs). La coordination entre les deux étages obéit aux mêmes principes de découplage que ceux employés dans la protection en cascade conventionnelle.

Résistance aux courts-circuits

La tenue aux courts-circuits constitue un enjeu particulier dans les turbines, car le niveau de court-circuit du conducteur d’alimentation peut être élevé. Il convient de vérifier que le parafoudre et son dispositif de protection contre les surintensités de secours sont adaptés au courant de court-circuit prévisible à ce point.

Le   SPD combiné de type 1 et 2   L’option peut simplifier cette coordination lorsque l’espace ou la longueur du câblage est limité.

Sélection de la classe de tension : 690 V vs 1140 V

Le choix entre un module de classe 690 V et un module de classe 1140 V dépend de la tension de collecte de la turbine. Un système à 1140 V utilise généralement une tension U plus élevée. _c   module pour éviter le stress en fonctionnement normal ou lors d’un événement TOV.

Le fait de sélectionner la classe à partir du schéma unifilaire électrique, plutôt que sur la base d’une hypothèse générique, permet d’éviter aussi bien le sous-dimensionnement que le surdimensionnement.

Coordination de la scène

La coordination entre les étages de la tour‑base et du convertisseur dépend également de la longueur du conducteur qui les relie. Une séparation minimale — souvent de l’ordre de plusieurs mètres — permet à l’appareil en amont d’intervenir en premier et réduit l’énergie absorbée par l’étage en aval.

Lorsque cette longueur n’est pas disponible, une inductance de découplage ou un dispositif combiné constitue une alternative courante.

Sélection du SPD pour les circuits en courant continu

Le générateur et plusieurs circuits auxiliaires d’une turbine fonctionnent en courant continu.   Protection contre les surtensions DC vent   Les exigences diffèrent de celles du côté CA selon trois aspects essentiels : la polarité, la classe de tension et le comportement en cas de déconnexion.

Circuits CC de générateur et de tangage/yaw

Les turbines à vitesse variable acheminent la puissance du générateur via le convertisseur, et la liaison continue ou le circuit côté générateur peut supporter les surtensions induites. Les systèmes de pas et d’orientation positionnent les pales et la nacelle au moyen d’entraînements en courant continu, dotés de leur propre câblage qui traverse la structure tournante.

Un dispositif de protection contre les surtensions (SPD) à courant continu doté de bornes positive et négative bien définies, ainsi qu’une tension d’alimentation appropriée U _c   au‑dessus de la tension maximale de fonctionnement en courant continu, et un niveau de protection suffisamment faible (U _p ) pour le lecteur connecté est généralement spécifié.

Déconnexion du courant continu et comportement de l’arc électrique

Les arcs électriques en courant continu ne présentent pas de passage par zéro naturel du courant. Le sectionneur interne du dispositif de protection contre les surtensions et la protection en amont doivent être choisis de manière à éliminer un défaut sans entretenir l’arc.

C’est l’une des raisons essentielles pour lesquelles un module CA général ne constitue pas un substitut adéquat sur un circuit CC.

Adaptation de la tension et marge en climat froid

Le U _c   Du côté du courant continu, la tension est fixée au‑dessus de la tension en circuit ouvert et de la tension de service du circuit concerné, avec une marge permettant de compenser l’augmentation de tension due à la température dans les climats froids.

Les tensions à vide du générateur et de l’entraînement ont tendance à augmenter lorsque la température diminue. Une turbine installée en altitude ou dans une région septentrionale peut fournir une tension continue plus élevée que le même modèle installé dans une zone aux climats tempérés.

Le U _c   La marge est donc évaluée par rapport à la température minimale du site, plutôt qu’à une valeur nominale unique. La confirmation de l’U du module… _c   Cela permet d’éviter un vieillissement prématuré des éléments varistors, en tenant compte de la tension réelle du bus continu.

Protection des lignes de contrôle et de communication

Le système de commande assure la coordination de la turbine et transmet les informations au centre de contrôle de supervision. Les lignes de signalisation sont plus sensibles que les lignes d’alimentation électrique ; par conséquent, le niveau de protection est généralement adapté à la tenue aux contraintes de l’équipement.

Interfaces de communication

Les liaisons à fibre optique sont largement insensibles aux surtensions conduites. Toutefois, les câblages de bus de terrain, analogiques et de commande par relais en cuivre demeurent exposés.

Un SPD de classe signal à faible U _p   Et la compatibilité de débit adaptée est généralement assurée au niveau de l’entrée du cabinet, là où ces câbles se terminent.

Câblage des capteurs et des entrées/sorties

Les capteurs de vibration, de température et de vitesse du rotor parcourent de longues distances à l’intérieur de la tour. Un câblage blindé avec un raccordement adéquat du blindage, associé à une faible impédance d’isolement… _p   Le signal SPD à l’interface réduit la surtension couplée atteignant le contrôleur.

Discipline du routage des câbles

Le routage des câbles est aussi important que l’appareil lui‑même. Séparer les câbles de signal des circuits d’alimentation et de freinage permet de limiter le couplage inductif.

L’entrée dans le cabinet par une plaque de glande étanche réduit encore davantage le couplage. Lorsqu’un câble de capteur partage un chemin de câbles avec un câble d’entraînement, cette séparation supplémentaire se traduit généralement par une valeur U plus élevée. _p   budget pour cette ligne.

Placer le SPD à l’entrée du tableau, plutôt qu’en profondeur dans le panneau, réduit également la longueur des conducteurs non protégés, qui contribue à la tension résiduelle.

Le   Conception pour haute altitude et résistance aux vibrations   La discussion porte sur la fiabilité mécanique des modules eux-mêmes, un aspect crucial pour les équipements installés dans la nacelle et sur la tour, où les vibrations sont permanentes.

Environnement de mise à la terre et de liaison équipotentielle

Les performances de la protection contre les surtensions dépendent autant du système de mise à la terre que de la classe de l’OVP. Dans une éolienne, le collecteur de foudre de la pale, le châssis de la nacelle, la tour et l’électrode de fondation constituent un unique conducteur de descente et un chemin de mise à la terre.

Bondage équipotentiel

Toutes les structures métalliques et les blindages de câbles sont reliés à la prise de terre de la turbine afin que le courant de foudre dispose d’un chemin à faible impédance. Il est indispensable de raccorder la borne de protection de l’arresteur de surtension à cette prise de terre pour que l’appareil puisse dévier le courant de manière efficace.

Élévation du potentiel de la terre entre les enceintes

Lors d’une surtension, le potentiel de l’électrode de mise à la terre peut s’élever par rapport au potentiel de référence du système de mise à la terre. L’égalisation du potentiel de référence du SPD entre des armoires séparées, grâce à un blindage relié, contribue à limiter les dommages entre les enceintes.

Lorsque la turbine est connectée à une station mise à la terre à distance, le dispositif de protection contre les surtensions (SPD) situé à l’interface limite la différence de potentiel sur la liaison en cuivre.

Coordination avec la protection contre la foudre de la structure

Le schéma de protection contre les surtensions électriques et le système structurel de prise de terre d’air sont conçus conjointement. Les valeurs d’énergie des dispositifs de protection contre les surtensions tiennent compte de la fraction du courant de foudre qui n’est pas interceptée par le dispositif de captage de la lame et par le conducteur de descente.

L’évaluation des risques par CEI 62305 constitue une donnée utile pour déterminer ces évaluations.

Conditions du sol sur le site

La continuité de la liaison équipotentielle est généralement vérifiée lors de la mise en service et aux intervalles d’entretien. Une résistance de liaison mesurée, restant faible sur l’ensemble du mât, de la nacelle et de la fondation, assure la prévisibilité du chemin du courant de surtension.

Lorsque la turbine est installée sur un sol rocheux ou sec, avec une surface d’électrode limitée, la résistance de terre de la fondation peut être plus élevée. La coordination des dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) est alors réévaluée en conséquence, plutôt que d’être estimée à partir d’une valeur générique.

Élaboration d’un plan SPD complet pour un projet éolien

La liste de contrôle suivante constitue une référence pratique pour la spécification   Protection contre les surtensions pour éoliennes   à l’échelle d’un projet. Il est conçu comme un point de départ, à confirmer en fonction du modèle spécifique de turbine et de l’évaluation des risques propre au site.

Pourquoi choisir un dispositif de protection contre les surtensions (SPD) pour l’énergie éolienne éprouvé ?

Un projet éolien s’étend généralement sur vingt ans, avec un accès limité aux équipements de la nacelle et de la tour. La spécification d’un…   Énergie éolienne SPD   Un fournisseur disposant de qualifications attestées garantit une fiabilité à long terme.

Normes et essais de type

Les dispositifs développés et testés conformément à la norme IEC 61643‑11 offrent une base définie pour les courants d’impulsion et les courants de décharge. Les rapports d’essai de type et la tension nominale déclarée U _p , je _n , et je _imp   Les valeurs permettent à l’ingénieur de vérifier la coordination plutôt que de l’estimer.

Robustesse thermique et mécanique

Les modules destinés à la maintenance des turbines sont généralement évalués en fonction de la plage de températures, des vibrations et de l’altitude rencontrées dans les installations typiques. Les déconnecteurs thermiques et les indicateurs d’état visibles fournissent aux équipes de maintenance un signal clair de fin de vie sans avoir à ouvrir le boîtier.

Surveillance et assistance à distance

Les SPD équipés de terminaux de signalisation à distance s’intègrent au système de supervision de la turbine. Un module dégradé peut être programmé pour être remplacé lors d’une visite planifiée, plutôt que lors d’une intervention d’urgence.

Associé à un dossier de pièces détachées et à une documentation technique complète, cela permet de réduire les temps d’arrêt imprévus sur l’ensemble de la flotte.

Logistique d’une famille de produits homogène

Une famille de produits homogène pour les applications en courant alternatif, en courant continu et pour les signaux simplifie la logistique. Lorsque le même empattement du module et la même disposition des bornes sont utilisés à plusieurs points de la turbine, l’inventaire de pièces de rechange ainsi que les procédures de maintenance demeurent uniformes.

Il s’agit d’un avantage pratique lors d’une campagne menée à l’échelle de la flotte.

Le   Guide de sélection des SPD industriels   couvre des points de spécification connexes, tels que la tenue aux courts-circuits et l’alarme à distance, qui s’appliquent également aux armoires de turbines.

Questions fréquentes

Un seul SPD peut-il protéger à la fois les circuits alternatif et continu d’une turbine ?

En règle générale, non. Les circuits alternatifs et continus diffèrent par leur classe de tension, leur polarité et le comportement de l’arc électrique ; c’est pourquoi on spécifie habituellement des modules distincts, chacun étant homologué pour un type de circuit donné. Un boîtier combiné AC/DC peut accueillir les deux, mais les dispositifs de protection internes demeurent propres à chaque circuit.

Un dispositif de protection contre les surtensions de type 1 est-il généralement nécessaire à la base de la tour ?

Lorsque le courant d’une foudre directe peut atteindre la ligne d’alimentation entrante, un dispositif de type 1 ou de type 1+2 constitue généralement le choix approprié. La prescription exacte dépend de la protection contre la foudre prévue au niveau de la structure et de l’évaluation des risques propre au site.

Quelle valeur de Uc le SPD en courant continu devrait-il avoir ?

Le U _c   est choisi au‑dessus de la tension de fonctionnement continue maximale du circuit concerné, avec une marge pour tenir compte de l’augmentation de tension à froid et des surtensions transitoires. Il est d’usage de vérifier cette valeur en se référant aux caractéristiques techniques du générateur ou du variateur.

Pourquoi la mise à la terre est-elle aussi importante que le niveau de protection contre les surtensions (SPD) ?

Le dispositif de protection différentielle (SPD) dévie le courant de surtension vers la terre. Si la liaison équipotentielle et le chemin de mise à la terre présentent une impédance élevée, le courant dévié augmente le potentiel local et peut exercer des contraintes sur les boîtiers ainsi que sur les câblages inter‑armoires. Un raccordement équipotentiel efficace fait donc partie intégrante de la même conception.

Les lignes de communication en fibre optique nécessitent-elles des parafoudres ?

Les liaisons en fibre optique sont largement insensibles aux surtensions conduites, aussi elles n’ont généralement pas besoin d’un dispositif de protection contre les surtensions (SPD). Les câblages de communication et de capteurs en cuivre qui traversent la tour bénéficient quant à eux, dans la plupart des cas, d’une faible impédance d’entrée. _p   Signal SPD à l’entrée du cabinet.

Comment la condition des SPD est-elle surveillée dans un parc éolien ?

Les modules équipés de bornes de signalisation à distance transmettent leur état au contrôleur de la turbine. La maintenance est ensuite planifiée en fonction de l’état indiqué, ce qui favorise une maintenance fondée sur l’état des équipements plutôt que sur un calendrier strict.

Partagez le modèle de votre éolienne, les classes de tension et les observations relatives aux risques liés au site, et notre équipe d’ingénierie élaborera un schéma coordonné de protection contre les surtensions pour l’énergie éolienne.

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