Protección contra sobretensiones para turbinas eólicas de 690 V y 1140 V: selección de dispositivos de protección contra sobretensiones para sistemas de corriente alterna de alta tensión

1. Por qué los aerogeneradores constituyen un entorno de sobretensiones severas

Una turbina eólica concentra en un mismo lugar la altura, las estructuras metálicas expuestas y los largos tendidos de cables, lo que la convierte en un receptor casi ideal para los rayos. Dado que las palas y la torre suelen ser los objetos más altos en un radio de varios kilómetros, las descargas directas y las cercanas constituyen una consideración habitual en el diseño.   Protección contra sobretensiones para turbinas eólicas   Por lo tanto, parte del supuesto de que la exposición es elevada y de que el sistema eléctrico estará sometido tanto al residuo conducido de una descarga directa como a los efectos inducidos por descargas cercanas.

Dos características distinguen a las turbinas de las plantas industriales convencionales. En primer lugar, la cadena física es vertical: una sobretensión que ingresa por la pala o la góndola se propaga hacia abajo a lo largo de la torre hasta el cuadro de base antes de alcanzar el transformador, de modo que varios equipos se encuentran en serie con la perturbación. En segundo lugar, los equipos protegidos son costosos y su reemplazo resulta lento en un emplazamiento remoto.

La referencia del sector para este entorno es   IEC 61400-24 , la norma sobre sistemas de generación de energía eólica para la protección contra rayos. Establece el entorno de descargas atmosféricas para los aerogeneradores, la evaluación del riesgo en dicho entorno y los requisitos para proteger las palas, los componentes estructurales y los sistemas eléctricos y de control frente a los efectos directos e indirectos. Los dispositivos supresores de sobretensiones (SPD) constituyen una de las capas dentro de ese esquema; este artículo se centra en su selección para el lado de corriente alterna de alta tensión.

2. Comience con la tensión del sistema: 690 V y 1140 V

El parámetro de selección más determinante es también el más sencillo: la tensión real del sistema en el punto donde se instalará el SPD. Las turbinas modernas suelen emplear 690 V CA en el circuito del generador y del convertidor, y algunos diseños utilizan 1140 V CA en determinadas secciones del camino de potencia. Ambas tensiones se encuentran en aplicaciones eólicas y no son intercambiables desde el punto de vista del SPD.

Para cada   Protector contra sobretensiones de 690 V   o   1140V SPD , el primer valor de la hoja de datos que debe verificarse es Uc, el voltaje máximo de operación continua. Uc debe ser superior al voltaje del sistema, con un margen para acomodar las tolerancias, el aumento del voltaje en el lado del generador durante la operación y cualquier sobretensión permanente que el circuito pueda soportar. Un SPD cuyo Uc sea demasiado bajo podría degradarse o desconectarse durante el servicio normal; por el contrario, uno cuyo Uc sea excesivamente alto podría permitir que el nivel de protección frente a sobretensiones (Up) se eleve más allá de lo que los equipos aguas abajo pueden soportar. Existe un rango adecuado, y este se determina en la hoja de datos, no mediante reglas empíricas.

Esta diferencia de rango es la razón por la cual las dos clases de voltaje requieren un tratamiento separado en lugar de una única categoría de “alto voltaje”. El   IEC 61643-11 norma para dispositivos de protección contra sobretensiones de CA   Es la referencia que normalmente se cita para dispositivos de 690 V y, por su propio alcance, no lo es para los de 1140 V. Esto no significa que los sistemas de 1140 V queden desprotegidos; implica que la base de ensayo, las clasificaciones y los informes correspondientes a cualquier SPD de 1140 V ofrecido deben verificarse para el modelo específico antes de su aprobación.

3. Las cuatro posiciones de protección: góndola, torre, convertidor, cuadro de control

La protección contra sobretensiones en turbinas eólicas suele analizarse caso por caso, ya que cada punto presenta un circuito, una tensión y unas consecuencias de fallo distintos.

Nacelle

La góndola alberga el generador, parte del sistema de conversión de energía y una alta densidad de sensores. Los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) instalados en la línea de alimentación del generador y en las líneas de señal de la góndola constituyen la primera barrera eléctrica. En este entorno, el espacio, las vibraciones y el acceso para el mantenimiento son limitados; por ello, el tamaño del dispositivo y el método de montaje forman parte del proceso de selección.

Carrera de la torre

Los cables de alimentación y de comunicación descienden conjuntamente a lo largo de la torre, recorriendo una gran distancia vertical, y los tramos paralelos prolongados favorecen la inducción: un rayo que impacte en cualquier punto de la estructura puede provocar sobretensiones en ambos tipos de cables. Los dispositivos supresores de sobretensiones (SPD) se instalan habitualmente en el punto donde estos cables ingresan a los armarios situados en la base de la torre, con la conexión a tierra más corta posible.

Convertidor y gabinete de potencia

La etapa de conversión de potencia suele ser el conjunto más valioso del sistema eléctrico. A   Protector contra sobretensiones de 690 V   en el bus de CA del convertidor — o un   1140V SPD   donde el sistema opera a ese nivel — es el dispositivo principal del lado de la alimentación, y sus especificaciones merecen un examen minucioso.

Armario de control

El armario de control principal suele alimentarse con una fuente auxiliar de 230/400 V y alberga las interfaces de SCADA y de comunicación. Las tensiones son más bajas, pero la pérdida de una tarjeta de control debido a una sobretensión puede paralizar la máquina por completo, igual que un fallo en el convertidor. Los SPD de la alimentación auxiliar y de señal instalados en este punto son de dimensiones reducidas en comparación con los dispositivos del lado de potencia, pero no por ello menos importantes.

4. Selección de un protector contra sobretensiones de 690 V en el lado de corriente alterna del convertidor

Para un circuito de 690 V, la secuencia de selección suele ser: confirmar el voltaje de operación real en el punto de instalación, elegir dispositivos con Uc superior a dicho voltaje y con margen, y luego verificar la capacidad de descarga y el nivel de protección frente a la tensión, teniendo en cuenta la exposición y el aislamiento del equipo. Las clasificaciones de descarga (In e Imax) se seleccionan de modo que el dispositivo pueda absorber las solicitaciones previstas sin alcanzar prematuramente su vida útil, mientras que el valor Up se verifica en función de la resistencia a la sobretensión diseñada del equipo situado aguas abajo.

Dos verificaciones adicionales derivan de la coordinación: el SPD debe estar coordinado con la protección contra sobrecorrientes aguas arriba, de modo que un dispositivo sometido a esfuerzos se desconecte de forma segura, y con cualquier protección más fina situada aguas abajo, para que las etapas compartan la sobretensión. Los valores de coordinación se determinan a partir del diagrama unifilar de la turbina.

Como ejemplo representativo, un dispositivo de clase de potencia para esta aplicación podría tener una tensión nominal Uc de 800 V CA y una corriente de impulso In de 20 kA (8/20 μs). Valores como estos ilustran los datos que deben compararse en las hojas de datos: las cifras correspondientes a cada producto específico provienen de su propia hoja de datos y de su informe de ensayo, y la adecuación para una turbina determinada se confirma mediante una revisión técnica.

5. ¿Qué cambios a 1140V?

A 1140 V, la física no cambia —el margen de tensión de operación, la clasificación de descarga y la tensión de impulso siguen siendo los factores determinantes—, pero la carga documental aumenta. Dado que el circuito se encuentra por encima del ámbito de baja tensión establecido en la norma IEC 61643‑11, la primera pregunta del comprador al proveedor es contra qué norma y qué base de ensayo está certificado el dispositivo, y la segunda es el informe de ensayos específico del modelo. Cuando un fabricante ofrece ambas clases de tensión, las versiones de 690 V y de 1140 V constituyen productos independientes; por lo tanto, una clasificación de 690 V no constituye evidencia respecto a un modelo de 1140 V.

Las verificaciones a nivel de sistema también adquieren mayor importancia a 1140 V. Las sobretensiones transitorias (TOV), los niveles de corriente de falla y el esquema de puesta a tierra en el punto de instalación interactúan todos con el comportamiento del SPD, y cada uno de ellos es específico del sitio. El enfoque práctico adoptado por la mayoría de los equipos de proyecto consiste en remitir al proveedor la tensión del sistema, la ubicación de la instalación y el diagrama unifilar, y esperar que se le envíe una selección documentada del modelo.

6. Tabla de verificación de parámetros 690 V / 1140 V

La tabla a continuación recopila los parámetros que normalmente se verifican antes de un/a energía eólica SPD está aprobado; la columna «ejemplo» muestra únicamente formatos representativos.

7. Requisitos de entornos severos

Los dispositivos ubicados en el interior de una turbina trabajan con mayor exigencia que los instalados en una sala de subestación. Las posiciones de la góndola y la torre están sometidas a vibraciones continuas provenientes del tren de transmisión, a amplias variaciones de temperatura y, en emplazamientos offshore o costeros, a un aire cargado de sal y altamente húmedo. Las clasificaciones ambientales de un SPD —rango de temperatura, grado de protección del recinto en la posición de instalación y adecuación a las vibraciones— deben ajustarse a la ubicación de manera análoga a como se determinan sus características eléctricas.

En la práctica, esto implica leer dos secciones de la hoja de datos en lugar de una: el rendimiento eléctrico (Uc, In, Up) determina si el dispositivo puede cumplir con la función eléctrica, y el rendimiento ambiental decide si seguirá desempeñando esa función tras varias temporadas de servicio. Para ubicaciones de difícil acceso, los módulos reemplazables por enchufe reducen el tiempo de sustitución.

8. Líneas de comunicación y señal

Los dispositivos del lado de la potencia acaparan la mayor parte de la atención, pero la capa de control de la turbina se conecta con el mundo exterior mediante líneas de comunicación: el SCADA se enlaza con el controlador del parque eólico, el Ethernet recorre la torre y los buses de sensores rodean la góndola y los sistemas de paso de pala. Cada línea metálica que abandona la zona protegida reintroduce el problema de las sobretensiones; por ello, los protectores de señal se instalan en los puntos donde la línea entra en un armario o sale de la estructura.

SPDs de señal se seleccionan según la interfaz y la tensión de línea en lugar de según las clasificaciones de potencia, y su referencia normativa es IEC 61643-21 , que abarca los dispositivos de protección contra sobretensiones para redes de tecnologías de la información y la comunicación. Al igual que ocurre con los dispositivos de alimentación, la tasa de datos soportada por un modelo específico es un valor indicado en la hoja de datos; no debe suponerse una tasa únicamente a partir del conector, y la tasa requerida así como el voltaje de línea deben incluirse en la solicitud de información.

9. Puesta a tierra y puesta a tierra de equipos

Cada SPD de una turbina eólica actúa, en última instancia, en contra del sistema de puesta a tierra. La norma IEC 61400‑24 considera la puesta a tierra como parte del sistema de protección contra rayos para toda la estructura: las palas, los tramos de la torre, los apantallamientos de los cables y los terminales de tierra de los SPD se conectan habitualmente a un sistema común, de modo que la corriente de sobretensión sigue un camino definido y los equipos no experimentan grandes diferencias de potencial durante un evento.

Para el instalador, las consecuencias prácticas son la longitud del conductor de tierra y la calidad de la conexión a tierra. Un conductor de tierra largo o con curvaturas pronunciadas introduce inductancia en serie con el dispositivo de protección; por ello, la conexión al punto de puesta a tierra debe mantenerse lo más corta y directa posible, dentro de las limitaciones del diseño del armario. Cuando el emplazamiento emplea un esquema de puesta a tierra aislada, se verifica que el modo de conexión de cada dispositivo de protección sea compatible con dicho esquema antes de su instalación.

10. Mantenimiento y sustitución

Los SPD de las turbinas eólicas suelen inspeccionarse según el mismo calendario que el equipo que protegen. Dos características resultan de gran ayuda cuando están presentes: un indicador local de estado que señala si el dispositivo ha alcanzado el final de su vida útil, y un contacto remoto que informa de la misma condición a la capa SCADA, de modo que un protector deteriorado sea reemplazado durante la próxima visita programada en lugar de detectarse tras una avería.

La sustitución suele ser de igual a igual: el mismo modelo, o un equivalente documentado con las mismas características técnicas y dimensiones de montaje. Conservar la hoja de datos original y el informe de ensayo junto con la documentación de la turbina facilita esta decisión incluso años después.

11. Cómo solicitar la confirmación del modelo

12. Preguntas frecuentes

¿Puede un solo protector contra sobretensiones de 690 V proteger toda la turbina?

Normalmente, no. Una turbina es una cadena de puntos — alimentador de la góndola, tramo de la torre, bus del convertidor, armario de control — cada uno con su propia tensión y tipo de circuito, y cada uno suele contar con su propio dispositivo de protección. Un único dispositivo en el lado de potencia no cubre ni la alimentación auxiliar ni las líneas de comunicación.

¿Por qué 1140 V requiere un tratamiento diferente al de 690 V?

El voltaje del circuito es diferente, por lo que Uc y todas las clasificaciones se escalan en función de él. Además, 1140 V supera el rango de baja tensión de 1000 V establecido en la norma IEC 61643‑11; por ello, la base de certificación de un dispositivo de protección contra sobretensiones (SPD) de 1140 V se confirma según cada modelo, y no se asume a partir de la familia de productos de 690 V.

¿Es Uc igual a la tensión del sistema?

No. Uc es la tensión máxima de operación continua que el SPD puede soportar de manera indefinida; se selecciona superior a la tensión del sistema, con un margen adecuado. La tensión del sistema se obtiene del diagrama unifilar; Uc se extrae de la hoja de datos del dispositivo.

¿Qué norma abarca la protección contra rayos en turbinas eólicas?

La norma IEC 61400‑24 abarca la protección contra rayos de los aerogeneradores y de los sistemas de energía eólica, incluyendo el entorno de descargas atmosféricas, la evaluación del riesgo y los requisitos para las palas, los componentes estructurales y los sistemas eléctricos y de control. Además, los dispositivos de supresión de sobretensiones (SPD) del lado de corriente alterna se seleccionan conforme a la serie IEC 61643, en el ámbito de baja tensión.

¿Las líneas de comunicación en la torre realmente necesitan dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD)?

Normalmente se incluyen en el esquema de protección. Las líneas metálicas que recorren la torre están expuestas a sobretensiones inducidas, y los buses SCADA, Ethernet y de sensores se conectan directamente al equipo de control; por ello, los dispositivos de protección suelen instalarse en los puntos donde las líneas atraviesan los límites de los armarios.

¿Qué información debe incluir una consulta?

El voltaje del sistema (690 V o 1140 V), la posición de instalación, el diagrama unifilar o una descripción del circuito, y las interfaces de comunicación involucradas — el mismo conjunto que solicita la sección de solicitud anterior.