Auteurs: Sameer Kulkarni et Dr Ahmed El-Rashed
La part de l'énergie éolienne dans la production d'électricité devrait augmenter, ce qui implique une plus grande fiabilité de cette source d'énergie sans carbone. L'éolienne, qui est le composant le plus important d'un système d'énergie éolienne, est exposée à des conditions environnementales difficiles et à des transitoires électriques, tels que les coups de foudre. Naturellement, il est essentiel de comprendre le système de protection contre la foudre d'une éolienne et de vérifier son intégrité afin de la protéger en cas de foudre et d'assurer un fonctionnement continu et fiable.
Des études internationales récentes ont montré que dans un pays européen, 80 % des réclamations d'assurance sur les éoliennes résultaient de dommages liés à la foudre. De même, une grande compagnie d'électricité américaine a indiqué que plus de 85 % des temps d'arrêt de ses éoliennes étaient dus à des dommages causés par la foudre.
Cet article donne un aperçu général du système de protection contre la foudre d'une éolienne, des meilleures pratiques en matière de protection contre la foudre sur les éoliennes et de la vérification de l'efficacité. Il aborde la nécessité et les avantages des différents tests effectués pour vérifier l'intégrité continue des systèmes de protection contre la foudre, et partage les valeurs de référence pour les paramètres de test ainsi que les résultats attendus, tout en passant en revue certaines considérations pratiques et de sécurité.
L'énergie éolienne
Les énergies renouvelables - et l'énergie éolienne en particulier - se développent rapidement. En 2020, les nouvelles installations d'énergie éolienne représenteront 93 GW au niveau mondial. La croissance en glissement annuel est de 53 %, les États-Unis et la Chine étant en tête des nouvelles installations de production d'énergie éolienne. L'énergie éolienne répond aux besoins pressants et aux circonstances actuelles. Il s'agit d'une source d'énergie verte relativement peu coûteuse qui répond aux budgets d'infrastructure limités ainsi qu'aux politiques de lutte contre le changement climatique. La plupart des analystes du marché indiquent que l'énergie éolienne continuera à croître à un rythme rapide, car tous les facteurs qui favorisent son adoption persistent.
C'est une excellente nouvelle pour l'industrie de l'énergie électrique, car il y aura de la croissance et des opportunités pour de nombreuses années à venir. Toutefois, cette croissance nécessitera des programmes de maintenance améliorés afin de protéger les investissements et de maximiser les bénéfices de l'énergie éolienne.
La foudre
Le plus gros problème de maintenance de l'énergie éolienne est la foudre (figure 1a et figure 1b). Selon le PDG de Vestas, Henrik Andersen, les coups de foudre intenses ont été le principal moteur des réclamations de garantie record qui se sont élevées à 175 millions d'euros (212 millions de dollars américains) au cours du seul deuxième trimestre 2020. Les fabricants et installateurs d'éoliennes, tels que Vestas, sont conscients de l'immense danger que représente la foudre et font preuve d'une grande prudence dans la conception des éoliennes. Néanmoins, les exploitants et les propriétaires d'éoliennes doivent mettre en œuvre un programme de maintenance solide et efficace pour leurs actifs.
Figure 1a : Dommages causés par la foudre sur une éolienne
Figure 1b : Dommages causés par la foudre sur une éolienne
Systèmes de protection contre la foudre
De plus en plus d'études supposent que les éoliennes rotatives peuvent être plus sensibles à la foudre que les structures fixes. Les éoliennes courent un risque élevé d'être frappées par la foudre en raison de leur hauteur et des emplacements utilisés pour les parcs éoliens, et les défaillances dues à la foudre entraînent une perte de disponibilité des éoliennes plus importante que les autres défaillances. Les éoliennes sont équipées d'une protection contre la foudre afin de minimiser les dommages causés par les coups de foudre directs et de protéger les équipements sensibles qui font partie intégrante du fonctionnement de l'éolienne. Les coups de foudre produisent non seulement d'importants flux de courant, mais impriment également des champs électromagnétiques indésirables sur les composants logés dans la nacelle et à la base de la tour. Le système de protection contre la foudre (LPS) a pour fonction de diriger le courant des coups de foudre vers la terre.
Zones de protection contre la foudre
Pour faciliter la coordination des fonctions de protection, il est prudent de diviser l'éolienne en zones de protection contre la foudre (LPZ). Le concept de zone de protection contre la foudre est une mesure structurante qui permet de créer un environnement défini, compatible avec l'électromagnétisme, à l'intérieur d'un objet, tout en tenant compte de la capacité de résistance à la contrainte de l'objet. La norme CEI 62305 sur la protection contre la foudre définit la zone de protection contre la foudre pour les structures et peut être appliquée à une éolienne. Les zones sont classées comme externes ou internes en fonction de leur exposition à la foudre directe.
Zones externes
- La LPZ 0A est la zone où la menace est due à l'éclair direct et au champ électromagnétique de la foudre. Les systèmes internes peuvent être soumis à des courants de surtension dus à la foudre.
- La LPZ 0B est la zone protégée contre les éclairs directs, mais où la menace est due au champ électromagnétique complet de la foudre. Les systèmes internes peuvent être soumis à des surtensions partielles dues à la foudre.
La méthode de la sphère roulante est utilisée pour déterminer la LPZ 0A - les parties d'une éolienne qui pourraient être soumises à des coups de foudre directs, et la LPZ 0B - les parties d'une éolienne qui sont protégées des coups de foudre directs par des systèmes de terminaison d'air externes ou des systèmes de terminaison d'air intégrés dans des parties d'une éolienne (par exemple dans la pale du rotor), comme le montrent la figure 2 et la figure 3.
Figure 2 : Éolienne simplifiée, LPZ externe
Figure 3 : Systèmes de terminaison d'air installés pour la nacelle d'une éolienne
Zones internes
- La LPZ 1 est la zone où le courant de surtension est limité par des interfaces de partage et d'isolation du courant et/ou par des dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) à la frontière. Le blindage spatial peut atténuer le champ électromagnétique de la foudre.
- Les zones LPZ 2 à LPZ n sont les zones où le courant de surtension peut être encore limité par le partage du courant et les interfaces d'isolation et/ou par des dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) supplémentaires à la frontière. Un blindage spatial supplémentaire peut être utilisé pour atténuer davantage le champ électromagnétique de la foudre. Le LPS fonctionne essentiellement en fournissant un chemin de faible résistance vers la terre. Ce chemin va de l'extrémité de la pale à la base de l'éolienne. Ce chemin est illustré dans les figures 4 et 5.
(DROITE) Figure 4 : Trajet du courant pour les décharges de foudre
Figure 5 : Electrode de terre de fondation à la base de l'éolienne
En cas de coup de foudre, le courant s'écoulera vers la terre par l'intermédiaire de l'électrode de terre de fondation, et non par l'équipement sensible de l'éolienne. Comme le courant de foudre est dissipé par le système de mise à la terre, il est important qu'il ne provoque pas de dommages thermiques ou mécaniques, ni d'arcs électriques susceptibles de provoquer des incendies ou de blesser le personnel. Pour s'assurer que la protection fonctionnera efficacement en cas de besoin, la résistance du chemin de mise à la terre doit être mesurée à intervalles réguliers pour vérifier qu'elle respecte les limites spécifiées par le fabricant de l'éolienne (généralement limitées à 15 à 30 mΩ, en fonction de la taille de l'éolienne). Pour ces tests, il est recommandé d'utiliser un ohmmètre à faible résistance.
Méthodes de vérification des systèmes de protection contre la foudre
La mesure de la faible résistance est influencée par des facteurs tels que le type de mesure, l'intensité du courant d'essai, la longueur des fils d'essai et l'emplacement des fils/sondes.
Méthode à quatre fils
La méthode à quatre fils (figure 6) est la plus appropriée car elle utilise des sondes de courant séparées pour injecter du courant continu (CC) et des sondes de potentiel séparées pour mesurer la chute de tension dans l'échantillon testé.
Dans certains cas pratiques, une mesure Kelvin, où les sondes de courant et de potentiel sont séparées de 180°, est également utilisée pour mesurer les faibles valeurs de résistance. L'utilisation d'autres méthodes, telles que la méthode à deux fils, peut ne pas convenir, car la mesure inclura les valeurs de résistance de contact des sondes, ce qui rend les résultats moins sûrs.
Figure 6 : Méthode à quatre fils
Test de la protection contre la foudre des éoliennes
Le test le plus important sur un LPS consiste à tester le conducteur allant de l'extrémité de la pale au conducteur de descente à l'intérieur du moyeu, qui se connecte finalement au réseau de terre, comme le montre la figure 5 et comme le montrent les figures 7 et 8.
Figure 7 : Mesure de la résistance du paratonnerre à l'extrémité de la lame
Figure 8 : Mesure de la résistance du paratonnerre au niveau du moyeu de l'éolienne
Ce conducteur est soumis à des contraintes importantes lorsque la pale fléchit sous l'effet du vent en fonctionnement normal. Sous l'effet de la tension, le conducteur peut se rompre. Malheureusement, il ne suffit pas de vérifier la continuité, car si le conducteur fracturé touche le point de rupture lors d'un test de continuité, le résultat du test sera trompeur. C'est pourquoi il est recommandé d'utiliser un courant d'essai de 1 A ou plus pour ce test.
La longueur d'une pale d'éolienne typique est illustrée à la figure 9. La taille des éoliennes pose un problème car les cordons de test des ohmmètres à faible résistance sont généralement très courts. En raison de la taille des éoliennes, des cordons extralongs sont nécessaires, souvent jusqu'à 100 m. Il s'agit d'une augmentation considérable de la longueur par rapport aux cordons de test standard pour les ohmmètres à faible résistance. Les longs cordons doivent être conçus avec une résistance suffisamment faible pour qu'une mesure soit toujours possible. Pour ce faire, il est important de comprendre la conception de l'instrument de test.
Figure 9 : Pale d'éolienne avant l'installation
Certains instruments sont dotés d'un facteur de compensation pour tenir compte de la perte de puissance dans les fils d'essai standard. Lorsque l'on utilise de longs cordons de mesure, cette compensation n'est plus suffisante et la plage de mesure de l'instrument est réduite. Lorsque la résistance des cordons de mesure est augmentée, la valeur de R dans l'équation suivante augmente également.
P = I2R
Où ?
- R est (résistance de la charge) + (résistance des fils d'essai)
- P est la puissance de sortie de l'instrument d'essai
- I est le courant de sortie de l'instrument d'essai
Étant donné que la puissance de sortie maximale (P) de l'équipement de test ne peut pas changer, l'augmentation de la résistance du cordon de test entraînera une réduction du courant maximal (I). Le tableau 1 montre l'impact de la longueur du cordon sur la capacité d'un instrument à mesurer de faibles résistances. Il est clair que des mesures précises et reproductibles dépendront d'une combinaison de courant de test, de longueur de cordon et de résolution.
Comme le montre la figure 10, les performances du testeur de faible résistance à 1 A (2,5 W) sont les plus adaptées aux longueurs de câble généralement utilisées pour tester les LPS des éoliennes. Pour les applications éoliennes, il est important d'utiliser une gamme et un courant d'essai appropriés, car il est essentiel que la longueur des cordons d'essai corresponde à la longueur des pales de l'éolienne.
Résultats
Dans l'un de ces exemples, le LPS d'une éolienne dotée de pales de 32 m a été testé à l'aide d'un ohmmètre à faible résistance. L'instrument a été utilisé en mode "long test lead", qui applique un courant de test de 1 A et peut mesurer avec précision jusqu'à 0,01 mΩ en utilisant des fils de test de 100 m de long (330 ft). Les essais ont consisté à mesurer la résistance du système depuis l'extrémité de chaque pale jusqu'au moyeu, et depuis le moyeu jusqu'à la base. Dans ce cas, le système de foudre se terminait par des tiges de terre interconnectées à la base de la tour de l'éolienne.
Tableau 1 : Plage de résistance pour des amplitudes de courant d'essai variables pour un testeur populaire à faible résistance
Chaque mesure a été prise trois fois pour évaluer la répétabilité. Le variomètre de l'instrument a automatiquement enregistré trois mesures d'affilée et calculé leur variance. Les résultats bruts de ce test sont présentés dans le tableau 2 ; les résultats totaux sont présentés dans le tableau 3.
Tableau 2 : Mesures brutes, variance et moyennes
Tableau 3 : Valeurs de résistance totale et résultats
La faible variance donne confiance dans la mesure. Sur le terrain, les ingénieurs d'essai doivent prendre toutes les précautions nécessaires pour rester en sécurité et suivre les meilleures pratiques. Cela permettra d'obtenir les meilleures mesures possibles.
Le fabricant de cette éolienne prescrit un niveau de passage pour le système de foudre de 20 mΩ ou moins. Ce test prouve que le système de foudre a été installé correctement et qu'il fonctionne bien. Par conséquent, cette éolienne dispose d'une bonne protection contre la foudre, conformément aux spécifications du fabricant.
Conclusion
La foudre est une menace extrêmement dommageable pour les éoliennes et, comme les installations d'énergie éolienne continuent à se répandre dans le monde, la nécessité de protéger ces actifs devient de plus en plus importante.
Les fabricants d'éoliennes prennent grand soin de concevoir des systèmes de protection contre la foudre, mais les propriétaires et les exploitants d'éoliennes doivent s'assurer que ces systèmes ont été installés correctement. En outre, les propriétaires et les exploitants doivent vérifier régulièrement le système de protection contre la foudre dans le cadre du programme de maintenance.
Le test et la vérification du système de protection contre la foudre reposent principalement sur des mesures de faible résistance. La mesure de résistances au niveau du milliohm pose certains problèmes lorsqu'il s'agit de grandes structures telles qu'une éolienne. Il faut donc trouver un équilibre entre l'énergie de test, la précision, la résolution et la longueur du cordon de test. Cependant, les outils appropriés à cette tâche en font un travail simple.
Il est fortement recommandé aux propriétaires et aux exploitants d'éoliennes de faire de la maintenance de leur système de protection contre la foudre une tâche régulière essentielle. Cela permettra de minimiser le risque de dommages causés par la foudre et de garantir que ces biens précieux sont correctement protégés.
À propos des auteurs
Sameer Kulkarni, PE, est ingénieur d'application chez Megger. Il a précédemment travaillé pour Entergy à la centrale nucléaire de River Bend en tant qu'ingénieur système responsable de la distribution d'énergie, des grands transformateurs de puissance et du NERC. Sameer a obtenu une licence à Mumbai, en Inde, et un master en génie électrique à l'université d'État de l'Arizona. Il a obtenu sa licence d'ingénieur en juin 2019 et est membre de l'IEEE.
Le Dr Ahmed El-Rasheed est directeur du développement commercial chez Megger et a plus de 14 ans d'expérience dans le domaine de l'ingénierie électrique. Il est membre de plusieurs organisations internationales de normalisation et a publié des articles sur les essais au sol, les essais d'isolation et l'intégration multi-capteurs à l'aide de l'IA.
BIBLIOGRAPHIE
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