Rüzgar türbinleri, aşırı gerilim koruması açısından dünyanın en zorlu uygulamalarından biridir. Yüz metreyi aşan kule yüksekliği, açık arazide ya da deniz üzerinde konumlanma ve sürekli dönen kanatlar, türbini bölgedeki en olası yıldırım hedefi haline getirir. Yapılan saha ölçümleri, büyük türbinlerin yılda birden fazla kez doğrudan yıldırım çarpmasına maruz kaldığını göstermektedir. Üstelik dönen kanatlar, kendi ürettikleri yük birikimiyle yıldırımı adeta davet eder.
Türbinin içi ise hassas elektronik bileşenlerle doludur. Nasel içindeki jeneratör, dönüştürücü, kanat açı kontrol sistemi, yaw motorları, rüzgar ölçüm sensörleri ve kule tabanındaki şebeke bağlantı panosu, tümü aşırı gerilime karşı savunmasız cihazlardır. Kanattan giren bir yıldırım akımı, kanat içindeki iletken sistem üzerinden nasele, oradan kule boyunca toprağa ilerlerken, tüm bu bileşenlerin yanından geçer ve her birinde endüktif darbeler oluşturur.
Bir türbinin arızalanması, sıradan bir tesis arızasından çok daha maliyetlidir. Türbin genellikle ulaşımı güç bir bölgededir; onarım için vinç, uzman ekip ve uygun hava koşulları gerekir. Deniz üstü sahalarda bu süre haftalara uzayabilir. Her gün duran türbin, hem üretim kaybı hem de şebeke işletmecisine karşı taahhüt cezası anlamına gelir. Bu nedenle rüzgar sektöründe koruma yatırımı, doğrudan sahanın karlılık hesabının parçasıdır.
Rüzgar türbinlerinde koruma, dış ve iç koruma olarak iki katmanda ele alınır. Dış koruma, kanat uçlarındaki alıcılar, kanat içindeki iniş iletkenleri, nasel ile kule arasındaki geçiş düzenekleri ve kule temelindeki topraklama sisteminden oluşur. Bu sistem, yıldırım akımını kanattan toprağa kontrollü bir yol üzerinden iletir. İç koruma ise bu akımın yan etkilerinden, yani endüktif ve iletken kuplajla oluşan aşırı gerilimlerden elektronik ekipmanı korumaya yöneliktir.
İç koruma sisteminin merkezinde parafudrlar yer alır. Nasel içindeki dönüştürücü panosu, kanat açı kontrol dolabı ve jeneratör bağlantısı, kule tabanındaki alçak gerilim panosu ve orta gerilim trafo bağlantısı, her biri ayrı koruma noktasıdır. Türbin standartları, bu noktaların her biri için cihaz sınıfını ve deşarj kapasitesini belirler; kanat ve nasel gibi doğrudan yıldırım akımına en yakın bölgelerde Tip 1 cihazlar, kule tabanı ve sonraki kademelerde Tip 2 cihazlar kullanılır.
Kanat açı kontrol sistemi, türbindeki en kritik koruma noktalarından biridir. Bu sistem, hub içinde, yani kanatların döndüğü göbekte bulunur ve yıldırımın giriş noktasına en yakın elektronik ekipmandır. Hub ile nasel arasındaki bağlantı, dönen bir yapı üzerinden slip ring ile sağlanır ve bu bağlantı noktası darbe için doğal bir zayıf halkadır. Hub içindeki kontrol dolabına yerleştirilen koruma cihazları, hem enerji hem de haberleşme hatlarını kapsamalıdır.
Haberleşme ve sensör hatları, türbinin sinir sistemidir. Rüzgar hızı ve yön sensörleri naselin en üst noktasında bulunur ve doğrudan yıldırım hedefidir. Bu sensörlerden gelen sinyal hatları, kanat titreşim sensörleri, sıcaklık ölçümleri ve türbin ile saha kontrol merkezi arasındaki fiber ya da bakır haberleşme hattı, her biri sinyal koruma cihazı gerektirir. SCADA bağlantısının kesilmesi, türbinin güvenlik nedeniyle otomatik olarak durmasına yol açabilir.
Rüzgar türbini gibi karmaşık bir yapıda hangi noktaya hangi sınıf cihazın yerleştirileceğini belirlemek, standart bir bina tesisatından çok daha fazla değişkeni içerir. Ana koruma kademelerinin sınıfını, şebeke ve topraklama yapısına uygun kutup düzenini ve deşarj kapasitesini belirlemek için parafudr seçim aracı, tasarım ekiplerine hızlı bir ön değerlendirme imkanı sunar. Ardından türbin üreticisinin teknik dokümanları ve saha risk analizi ile detaylı koruma konsepti tamamlanır.
Topraklama, rüzgar sahalarında özel bir mühendislik konusudur. Kule temeli genellikle geniş bir halka topraklama ile çevrelenir ve bu halka, sahadaki diğer türbinlerin topraklamaları ile birbirine bağlanarak geniş bir topraklama ağı oluşturur. Kayalık ya da yüksek dirençli zeminlerde istenen topraklama direncine ulaşmak zordur; bu durumlarda derin kazıklı elektrotlar ve iletken dolgu malzemeleri kullanılır. Topraklama direnci yüksek kaldığında, koruma cihazları toprağa aktarması gereken enerjiyi aktaramaz ve iç koruma etkisiz kalır.
Bakım ve izleme, rüzgar türbinlerinde koruma sürekliliğinin anahtarıdır. Türbinlerdeki tüm koruma cihazları uzaktan izleme kontağına sahip olmalı ve bu kontaklar türbin kontrol sistemine bağlanmalıdır. Böylece bir cihaz devre dışı kaldığında saha operatörü anında haberdar olur ve bir sonraki planlı bakımda değişim yapılır. Yıldırım sayaçları, türbinin kaç kez darbe aldığını kaydederek koruma cihazlarının değişim zamanının öngörülmesine yardımcı olur.
Sonuç olarak, rüzgar türbinlerinde aşırı gerilim koruması, dış yıldırımlık sistemi ile iç koruma cihazlarının birlikte planlandığı bütüncül bir yaklaşım gerektirir. Kanattan kule tabanına kadar her kademede doğru sınıfta cihazların kullanılması, haberleşme hatlarının korunması ve güçlü bir topraklama ağı, türbinin yirmi yılı aşan işletme ömrü boyunca kesintisiz üretim yapmasının güvencesidir.
