Turbina eolica - Photo: Energy.govUn analizzatore di cavi e antenne può rivelarsi molto utile per garantire l'integrità di un sistema di protezione dai fulmini, ad esempio in un impianto di generazione di energia rinnovabile eolico.

Infatti, le turbine eoliche presentano una sfida unica per i team di manutenzione. Data l’altezza delle turbine e le località remote in cui sono installata, spesso in località montane, le turbine eoliche sono soggette ad un elevato rischio di essere colpite da fulmini, in particolare sulle pale.

I fulmini producono un campo elettromagnetico che può danneggiare gli elementi conduttori interni alle pale, come ad esempio sensori e luci di segnalazione, e per questa ragione le turbine necessitano di protezione dagli effetti diretti ed indiretti che i fulmini hanno su queste strutture.

Un sistema di protezione dai fulmini per le turbine eoliche è generalmente costituito da un cavo conduttore metallico, che ha il compito di condurre la corrente dall’apice delle pale fino a terra, nelle fondamenta.

Nel tempo, questo cavo può danneggiarsi, aumentando il rischio di perdita di funzioni della turbina, che trascinerebbero con se effetti negativi anche sulla produzione di energia e sulla conseguente redditività.

Gli analizzatori di cavi e antenne offrono una soluzione unica e ottimale per testare il sistema principale di protezione dai fulmini delle turbine eoliche.

In particolare, uno strumento portatile come il modello Site Master S331L di Anritsu, può rivelarsi molto adatto effettuare la manutenzione di questi vitali sistemi di sicurezza utilizzati nei parchi eolici.

I sistemi di protezione dai fulmini nelle turbine eoliche

Una caratteristica comune a tutte le installazioni di turbine eoliche è che solitamente tendono ad essere realizzati in spazi aperti, liberi, spesso sulla sommità di colline o montagne, e sempre più frequentemente posizionati anche in mare aperto.

In entrambi i casi, non ci sono altre strutture nelle vicinanze o elementi in una posizione più elevata, il che le rende perfette per essere colpite da un fulmine.

L’evoluzione della tecnologia delle turbine eoliche, insieme alla continua crescita della quantità di potenza generata, ha portato a nuove generazioni di turbine il cui sviluppo dell’architettura si è tradotto anche in un aumento dell’altezza delle torri e del diametro dei rotori.

Questo progressivo allungamento delle pale porta con se la necessità di una maggiore rigidità, che richiede a sua volta l’uso di una maggior quantità di laminati a base di fibra di carbonio nella produzione delle pale, al fine di raggiungere questa rigidità.

Tuttavia, i laminati in fibra di carbonio hanno proprietà conduttive e devono quindi essere connesse in parallelo ai cavi conduttori dei sistemi di protezione dai fulmini al fine di prevenire cortocircuiti interni tra cavo e laminato. Inconvenienti di questo genere potrebbero danneggiare la turbina, potenzialmente causando guasti.

I sistemi di protezione dai fulmini si basano sul principio della cattura della carica anziché sull'evitare del tutto i fulmini.

Speciali ricettori dei fulmini, progettati appositamente e posti sulle pale, ricevono la scarica dal fulmine e la trasportano in modo sicuro attraverso il sistema di conduttori delle pale, un pesante cavo di acciaio che arriva fino alla base delle pale, senza creare calore in eccesso che danneggerebbe sia componenti che laminati.

La base delle pale è connessa al sistema di messa a terra per portare la carica al suolo e garantire che la struttura non ne sia danneggiata.

Sistema di protezione dai fulmini sulla pala eolicaFigura 1: Esempio di protezione da fulmini (Fonte: LM Wind Power)

Ruolo di uno strumento come Site Master nella manutenzione dei sistemi antifulmine

Il ruolo svolto da uno strumento analizzatore di cavi e antenne come Site Master S331L in questo scenario è piuttosto inusuale, ma si rivela adatto allo scopo, dato che un sistema di protezione dai fulmini è semplicemente un cavo che necessita regolari controlli e manutenzioni perché garantisca nel tempo le sue proprietà di conducibilità, proprio come nel caso di un cavo per telecomunicazioni.

Lo strumento Site Master S331L può essere connesso al sistema di protezione dai fulmini per raccogliere dati grafici e descrivere le proprietà elettriche del cavo e verificare lo stato dell’intero sistema di protezione. Si tratta di misure indispensabili per essere certi che il cavo si mantenga conduttivo e, quindi, possa proteggere la turbina qualora essa fosse colpita da un fulmine.

Cavo parafulmine in acciaio intrecciatoFigura 2: Cavo parafulmine in acciaio intrecciato

Una delle principali società mondiali attiva nel settore delle energie rinnovabili ed uno dei più importanti produttori a livello mondiale di turbine eoliche, con centrali distribuite in tutto il mondo, sta già utilizzando il Site Master S331L come soluzione per testare i danni causati dai fulmini sulle loro turbine.

In precedenza erano state studiate soluzioni alternative per affrontare questa applicazione così specializzata ma, grazie alla precisione e facilità d’uso, è stato scelto lo strumento Site Master di Anritsu.

Il cavo in acciaio, dalla sezione generosa, utilizzato nei sistemi di sicurezza per realizzare la messa a terra delle turbine è molto diverso dagli abituali cavi coassiali per RF misurati normalmente dagli analizzatori per applicazioni nell'ambito delle telecomunicazioni.

Tuttavia, una chiara idea di come si possa utilizzare lo strumento Site Master S331L in questo tipo di applicazioni inusuali viene descritta nei seguenti paragrafi.

Il primo passo da effettuare è sempre quello di disconnettere il cavo in acciaio dall'attacco della pala per poterne misurare le caratteristiche elettriche. Si deve tenere presente che il cavo deve essere in grado di sostenere forti correnti ed elevate tensioni, quindi la sezione del cavo sarà rilevante.

In questi primi test il cavo utilizzato è era costituito da una treccia in acciaio del diametro di 10 mm, cui sono stati quindi applicati due pinze a coccodrillo per connettere la porta di uscita RF dello strumento Site Master al sistema di protezione dai fulmini.

Una delle pinze è stata applicata direttamente al cavo a treccia, mentre l’altra è stata connessa al sistema di terra della pala. Entrambe le pinze sono saldate a cavi RF standard connettorizzati N, terminati e quindi connessi alla porta di uscita RF dello strumento Site Master RF.

Questo primo passo nelle misure non rappresenta il normale iter di funzionamento, bensì una verifica iniziale si rende necessaria al fine di comprendere se le rilevazioni saranno valide anche per le successive misure che avranno luogo.

Una volta ottenuta una buona lettura, è necessario predisorre una configurazione di misura per garantire risultati stabili che aiutino a limitare le imprecisioni e ridurre al minimo possibile le eventuali interferenze esterne.

Le misure effettuate dallo strumento Site Master sono normali misure di perdita per riflessione (Return Loss, RL) con limitati requisiti in termini di frequenza, dato che la frequenza operativa di questo scenario è piuttosto bassa.

La configurazione utilizzata per questo test era un intervallo di frequenze di 48 MHz (da 2 MHz a 50 MHz). Con un cosi basso intervallo di frequenza, è anche vero che l’errore di risoluzione poteva esserne influenzato ma, in questo caso, i grafici della distanza dal punto di guasto (Distance-to-Fault, DTF) non sarebbero stati cosi utili quanto le misure di perdita per riflessione, quindi questa tipologia di grafico è stata scartata.

Al contrario, il valore limitato delle frequenze in gioco offriva la la possibilità di utilizzare cavi più lunghi, cosa che si dimostra utile con le lunghe pale delle turbine.

Il grafico di Figura 3 mostra i tipici lobi nel valore di RL con avvallamenti e picchi a certe frequenze.

Perdite di riflessione su cavo parafulmineFigura 3: Misurazioni perdita per riflessione (RL) su una pala G58


Questo grafico è indicativo di un cavo sano. Se cosi non fosse, un cavo danneggiato sarebbe stato identificato grazie ad un grafico senza picchi ed avvallamenti.

E’ importante notare che la rappresentazione grafica sarà leggermente diversa a seconda del tipo di pala, della sezione e lunghezza del cavo, e persino della posizione della pala sulla turbina.

L’utilizzo dell'analizzatore Anritsu Site Master SS31L rende facili le operazioni di testing grazie alle dimensioni e peso contenuti del kit, mentre la possibilità di effettuare letture frequenti significa che le misure possono essere comparate con regolarità dal team ingegneristico, diversi schemi possono essere analizzati e una pala danneggiata potrà essere facilmente identificata.

Conclusioni

Nei parchi eolici c’è una notevole richiesta affinchè tramite gli analizzatori di cavi si eseguano regolari attività di manutenzione delle turbine.

In queste inusuali contesti, le verifiche necessarie dovranno essere effettuate manualmente e, considerando che le misure andranno effettuate in ambienti ad altezza elevata, uno strumento come Site Master SS31L gioca un ruolo importante, date le piccole dimensioni ed il peso contenuto, rendendolo una soluzione particolarmente adatta per facilitare questa complessa operazione di manutenzione.

*José María Pindado Buendía è Field Application Engineer in Anritsu

Categoria: Misure Analogiche

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