Пожарозащита на вятърни генератори

Част I: Рискове, причини и щети от пожар

В последните години, подкрепяно от политическата воля за повишаване на дела на ВЕИ в енергетиката, производството на енергия от вятърни турбини реализира забележително развитие, като паралелно с непрекъснато нарастващия брой на обектите процесът се характеризира и с постоянно нарастване на размера на вятърните генератори и на тяхната мощност, понастоящем достигаща до 6MW. Всичко това обаче доведе и до неблагоприятната тенденция за нарастване на загубите от пожари, поради все по-голямата единична стойност на отделните генератори. В този брой на списание ЕНЕРГИЯ ще бъдат разгледани типичните рискове за възникване на пожар при специфичните условия на вятърните генератори и на базата на анализ на риска от пожари ще бъдат предложени мерки за минимизиране на количеството на инцидентите и намаляване на потенциалните щети.

Вятърните генератори се различават от другите системи за енергопроизводство с оглед на реалния риск от пълно погиване на гондолата в следствие на пожар. Главните характеристики на риска при пожар в гондолата са концентрация на оборудване с висока стойност, концентрация на източници на запалване, повишен риск от мълнии, опериране без надзор, невъзможност за гасене от пожарната поради височината и отдалеченото и трудно достъпно разположение. Също така с нарастване на мощността нарастват както разходите за възстановяване, така и пропуснатите ползи от престой.

Рискове от имуществени щети. Пожарът във вятърен генератор може да доведе до щети в гондолата, кулата, подстанцията на генератора, а също така и на инвертора, комутационното оборудване, управлението и трансформатора, които при повечето нови генератори също са разположени в гондолата. Също така поради високата степен на уплътняване на пространството и поради наличието на възпламеняеми материали в гондолата пожарите се развиват много бързо, а съществува и риск от повреждане на горната част на кулата. Всичко това са предпоставки за тотална щета, когато разходите за възстановяване са равни на разходите за нов генератор. Особено неблагоприятни са нещата при морските вятърни паркове, където дори и за частични ремонти са нужни скъпи съоръжения като плаващи кранове, кораби за полагане на кабели и пр.

Уязвимост от прекъсване на работа. Опитът сочи, че при повреда на вятърен генератор ремонтни дейности от по няколко месеца са съвсем нормални, а при тотална щета този срок може да достигне и 9 – 12 месеца. Компонентите с най-дълъг срок на доставка са редуктор, генератор и трансформатор. При морските вятърни паркове допълнителен фактор за забавяне са лошото време и необходимостта от свободен плаващ кран или кораб за кабели. В допълнение към това, ако щетата е пълна и е икономически обосновано да не се ремонтира, а да се построи нова генератор, операторът среща и определени ограничения. Има се предвид, че първоначалното разрешение за строеж обикновено указва точния тип на генератора и затова операторът може да няма възможност да монтира модернизиран вариант на генератор с по-добри показатели, а старият модел може вече да не е в производство. В резултат ще се наложи да се премине през нова процедура по одобряване и ще се загуби още време. Ако пък пожарът засегне главната подстанция на парка, то всички генератори ще се окажат изолирани от електропреносната мрежа, а пропуснатите ползи и глобите ще са пропорционални на общия брой генератори. При морските вятърни паркове проблемът е още по-остър.

Горски пожари. Падащи на земята горящи елементи от гондолата могат да причинят и вторични пожари на терена около генератора. При неблагоприятни обстоятелства може да се стигне и до горски пожар, който принципно е труден за потушаване, а отдалечеността от противопожарна служба, сухото време и силният вятър може да допринесат за разрастване на бедствието. В този случай освен преките щети следва да се имат предвид и щетите за околната среда.

Примери за щети от пожари
Щети от пожар, причинен от мълния. Лопатката на вятърен генератор с мощност 2MW е ударена от мълния. Генераторът е спрян автоматично и лопатките са завъртени в неутрално положение, ударената лопатка застава във вертикално положение и постепенно изгаря напълно, като падащи горящи отломки предизвикват вторичен пожар в гондолата. Разследването показва, че причина за пожара е лошо изпълнено винтово съединение на гръмоотводната система, в следствие на което възниква волтова дъга, която запалва маслени отлагания по роторната лопатка. В резултат роторът и гондолата са претърпели тотална щета, а и горната част на кулата е унищожена от високата температура.

Щети от пожар, причинен от машинна повреда. Гондолата на вятърен генератор с мощност 1,5MW изгаря напълно в следствие на счупване на вентилатора на индукционния генератор с двойно захранване. В следствие на искренето се запалва филтърната тъкан на филтърния шкаф, а след това и цялата гондола.

Щети от пожар, причинен от повреда в електрическата инсталация. В гондолата на вятърен генератор с мощност 1MW е инсталиран разпределителен шкаф НН. Винтовата връзка на една от клемите на прекъсвач НН не е затегната достатъчно в следствие на което повишеното контактно съпротивление довежда до повишаване на температурата и запалването на запалими материали в шкафа. Шкафът за управление, инверторът и разпределителният шкаф са унищожени напълно, а интериорът на гондолата е изпълнен със сажди.

Щети от пожар, причинен от резонансна верига. Щети са нанесени от паралелни резонансни контури, възникнали между кондензаторите на компенсатор за реактивна енергия или някой филтър и индуктивностите в генератора, трансформатора, силовите дросели или друго оборудване, които не са били отчетени при проектирането. Определени висши хармоници пораждат резонанс и се пораждат силни токове, които повреждат кондензаторите. Пробивите в диелектрика на повредените кондензатори водят до нагряване и експлозия на контейнерите на кондензаторите, а последвалият пожар води до пълно унищожаване на инвертора и компенсатора на реактивна енергия.

Причини за щетите от пожар
Повишен риск от пожар поради удар на мълния. Многобройни инциденти са доказали, че ударът на мълния е сред най-честите причини за пожар при вятърни генератори. Специфичният риск е висок заради откритото местоположение на генераторите и височината на конструкцията. Рискът нараства особено, ако мълниезащитните мерки не са осъществени правилно.

Електрически инсталации. Сред най-честите причини за пожар са повредите в електрическите инсталации. Пожарите възникват най-често от прегряване при претоварване, къси съединения/ земни токове и електрически дъги. Типичните повреди са: лошо оразмерени елементи от силовата верига; повреди на прекъсвачи, повреди в управляващата електроника, високо контактно съпротивление при електрически връзки, концептуални пропуски в електрическата защита с оглед на селективността на защитите, неизключване на електрическия генератор в случай на повреда или спиране; липса на катодна защита и резонансни явления в RC контури на линейни филтри и компенсатори на реактивна мощност.

Горещи повърхности. Ако откажат всички аеродинамични спирачки, то механичните спирачки за забавяне на ротора може да се нагорещят до температура на запалване. При подобно аварийно спиране опасност представляват и искрите от открити механични спирачки. Друг източник на риск е лошото смазване на генератора и редуктора, което при претоварване може да доведе до силно повишаване на температурата. Рискът се повишава от течове на масло или акумулиране на замърсявания, защото контактът между гореща повърхност или искри и запалим материал води до запалване.

Работи, представляващи пожарна опасност. Заваряване, абразивно рязане, запояване и пламъчно рязане често водят до пожар, ако не се спазват предпазните мерки. При заварки, рязане и шлайфане искрите могат да подпалят запалими материали отдалечени до 10m. Особено коварни са случаите, когато по време на работа се получи само тлеене, а пожарът започне часове по-късно.

Запалими материали. В гондолите на генераторите се използват най-разнообразни пожароопасни материали като вътрешна шумоизолация от пяна (особено ако е замърсена с маслени отлагания), пластмасови корпуси, маслото в хидравличните системи (при спукване пулверизирано от високото налягане масло може да изпълни целия обем на гондолата и да предизвика взривно запалване), масла и греси, трансформаторно масло, изолации и пр.

Силно ограничен достъп за борба с огъня. Със стандартното си оборудване противопожарните служби нямат никакви възможности да се борят с пожари в гондолата или на ротора, най-малкото защото стълбите им не стигат толкова високо, а подхождане по сервизната стълба или с асансьор е изключително опасно. В добавка, поради концентрацията на силово електрооборудване в гондолата, пожарникарите трябва да внимават и за рискове от високо напрежение. От тук следва, че пожар в гондолата не може да се гаси отвън и опитът сочи, че пожарните служби се концентрират само върху ограничаване на разпространението на огъня към съседни обекти или горски масиви. Както обикновено, при морските вятърни паркове нещата са още по-сложни.

Ограничения по отношение на обслужването. Поради силно ограниченото пространство в гондолата сервизният персонал е силно затруднен да извършва максимално добре дейностите по обслужване и често се стига до компромиси по отношение на качеството на работа.

Цели на защитата и защитна концепция
За осигуряване на изискваното ниво на безопасност следва концепцията за пожарна безопасност да се изготвя след консултация с всички намесени страни, особено застрахователите, като концепцията трябва да цели взаимно допълване на мерките и да изключва всякакво понижаване на сигурността поради взаимодействие между различните системи. Най-общо рисковете от избухване на пожар, както и пораженията от вече избухнал такъв, следва да се ограничават посредством използване на негорими и трудно запалими материали, ранно откриване на огнища на запалване, автоматична сигнализация и автоматично гасене, редовно и професионално обслужване, автоматично изключване и изолиране от мрежата, обучение на персонала за действие в опасни ситуации и вътрешни организационни мерки по отношение на опасните дейности. В допълнение трябва да се изготви и авариен план за ограничаване на щетите, а неговото изпълнение да се подсигури с редовни тренировки на персонала. Много важно е да бъде инсталирана и система за следене на състоянието на елементите на кинематичната верига (CMS) като така ще се елиминира рискът от избухване на пожар поради износване. В случай, че се предприеме ревизиране на мерките за защита на съществуващи генератори, следва предварително да се уточни с компетентните власти, с производителя, със сертифициращия орган и със застрахователя дали е необходимо да се поднови/издаде ново разрешение за работа поради измененията в генератора.

Като цяло е разумно обемът на защитните мерки да се съобрази с параметрите на риска, като се вземат под внимание натрупания опит с щети при различните видове генератори и техните компоненти, мощността на генератора, конструкцията и взаимовръзките между рисковите компоненти, локацията на генератора (суша/море), условията на застраховката и пр. Необходимият обем на защита може да варира и с оглед на обектно-специфичния риск и застрахователните рискове. В таблицата е показан пример за степенуване на мерките за защита, организиран на принципа на нива на защита, които не зависят от локацията или мощността.

Разбира се, има и други варианти, главно според изискванията на застрахователя. Като цяло винаги се прилагат защитата от мълнии, катодната защита и общи електрически защити. Цялостната концепция за пожарозащита трябва да се одобри от утвърдена независима организация, евентуално след консултация със застрахователя, с оглед на това дали е постигната нужната защита за конкретния генератор.