Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Kabely a vodiče pro větrné elektrárny

Kabely a vodiče pro větrné elektrárny

Větrné elektrárny kladou mimořádně vysoké požadavky na kabely a vodiče. Známé standardní produkty, které se osvědčily v jiných aplikacích, narážejí v této oblasti na hranice svých možností. Technické problémy narůstají s velikostí zařízení a jejich řešení často vyžaduje speciální komponenty.

Teplotní a mechanické požadavky na kabely

Výška přes 100 m a silové kabely o hmotnosti až 14 t ve stožáru elektrárny s výkonem více než 1 MW – tyto parametry názorně demonstrují, jaké požadavky klade provoz elektrárny na používané kabely a vodiče. Nejen silové, ale i měřicí, datové a řídicí kabely musí za všech provozních podmínek zajišťovat bezpečné spojení. Ve stožáru musí kabely kopírovat natočení gondoly podle převládajícího směru větru – v extrémním případě musí snést až tři plné otáčky na jednu i na druhou stranu. To není snadný úkol, zvláště když konstrukce používaných kabelů není primárně navržena pro kombinaci namáhání na tah a otáčivý pohyb. Dosud se problém řeší nákladnými úpravami konstrukce. Nevyhnutelné zmenšení délky kabelů při torzním namáhání je např. kompenzováno vratnými kladkami.

Obr. 1.

Obr. 1. Větrné elektrárny

U speciálně konstruovaných řídicích kabelů s mnoha žilami jsou poměry trochu jiné. Konstrukčně si požadavky na odolnost kabelu při torzním a ohybovém namáhání odporují. Aby kabel dlouhodobě dobře fungoval při namáhání ohybem (např. ve vlečných řetězech), k tomu kromě výběru vhodných materiálů přispívají také malé délky zkrutu. Při vhodných konstrukčních opatřeních již nejsou výjimkou miliony ohybových cyklů. Zcela jinak se však kabel chová při torzním namáhání. Malé délky zkrutu a částečně protisměrné stáčení mnoha vrstev žil přímo brání torznímu pohybu. Velké délky zkrutu jsou však nevhodné zvláště při namáhání ohybem o malém poloměru. Při návrhu kabelu, který lze použít stejně dobře pro ohyb jako pro torzní natáčení, je nezbytné intenzivně prozkoumat podmínky konkrétního případu použití.

Kvalitní datové a sběrnicové kabely

Narůstajícímu množství přenášených dat a informací musí odpovídat kvalitní datové a sběrnicové kabely. Pro datové kabely, které jsou citlivé na tah, je značným problémem výška větrných elektráren. Často jsou tyto kabely malé tloušťky navrženy pouze pro síly v tahu, které vznikají při uložení v kabelovém kanálu nebo při použití ve vlečných řetězech. Už vlastní hmotnost kabelu by ve větrné elektrárně překročila nejvyšší povolené tahové zatížení. Při plánování uchycení kabelu na několika místech stožáru je třeba brát zvláště velký ohled na datové kabely, které jsou citlivé na příčný tlak. Při současném výskytu tažných sil, příčného a torzního namáhání je třeba standardní kabely optimalizovat podle daného případu použití. Firma Lapp Group společně s významným výrobcem větrných elektráren vyvinula speciální sběrnicový kabel Unitronic® CAN, který tyto požadavky splňuje.

Požadavky EMC

U větrných elektráren je také často požadována ochrana před elektromagnetickým rušením, stejně jako u jiných citlivých aplikací. Pro nezbytné stínění kabelu je zpravidla využit stínicí oplet z jemných měděných drátů. Avšak kabely s velkým úhlem stínicího opletu nejsou vhodné při torzním namáhání. Pak už v mnoha případech zbývá jen obložení vodičů měděnými dráty, které jsou položeny okolo žil ve stejném směru stáčení. Před použitím kabelu musí být jeho výsledná konstrukce podrobena zkouškám na firemním testovacím zařízení, kde se ověří projektované vlastnosti kabelu v reálných podmínkách.

Maximální teploty a vibrace v uchycení

Měděným kabelem, který může mít až 48 žil a průřez až 240 mm2, proudí při plném zatížení z gondoly do transformátoru a napájecích stanic na zemi velké množství energie nízkého napětí. V kabelech přitom vzniká značná energetická ztráta, kterou lze jen těžko odvádět ven jako teplo, zvláště z vnitřních žil. Dosud používané standardní kabely s izolací na bázi pryže smí být podle normy použity pouze při teplotách do 60 oC. Na trhu jsou však dostupné speciální pryžové směsi, které umožňují zvýšit tuto hranici až na 90 °C. Alternativním řešením by bylo zvýšit počet kabelů. Uživatelé však většinou dávají přednost kvalitním kabelům se speciálními pryžovými plášti, které dodává také společnost Lapp Group.

Jako všechna technická zařízení s rotujícími díly, jsou i větrné elektrárny vystaveny silným vibracím. Těm musí trvale odolávat všechny rozebíratelné spoje mezi součástmi zařízení. Kdyby komponenty, jako jsou kabely, konektory a kabelové vývodky, způsobovaly výpadky nebo drahé odstávky, vedlo by to k velkým ztrátám. Proto se zde osvědčilo použití kabelových vývodek Skintop® s integrovanou pojistkou proti překroucení při montáži. Vývodky zajišťují pevné uchycení kabelu. Mimo to jsou prováděny četné testy, které ověřují, zda různé kombinace materiálů kabelů a kabelových vývodek splňují hodnoty pro pevnost uchycení kabelu v tahu za všech podmínek použití, jež jsou předepsané normami.

Výkonné komponenty, které splňují normy

Poměr výrobních nákladů k výkonu zařízení se v posledních letech trvale zmenšuje. Příčinami jsou stále větší zkušenosti výrobců, důsledná optimalizace dodavatelského řetězce a převažující používání standardních produktů. S vývojem zařízení vzrostly také požadavky na všechny dodavatele. Vysokou kvalitu produktů i servisu je třeba zajistit v celém dodavatelském řetězci. Protože konstruktéři při plánování a projektování používají běžně systémy CAD, poskytuje jim Lapp Group program SkinCAD, který je určen pro integrování kabelových vývodek Skintop do výkresů zákazníka. Firma má k dispozici celosvětovou síť expertů a kontaktních partnerů v mnoha průmyslových odvětvích. Aby byla společnost informována o potřebách uživatelů a vývoji norem, je členem organizací, jako je ZVEI, a uživatelských organizací, např. PNO nebo ODVA.

Technická řešení budoucnosti

Odvětví výroby větrných elektráren se bude dále razantně vyvíjet. Ve střednědobém výhledu budou výrobci větrných elektráren přecházet na napětí vyšší než 1 000 V. Nová technická řešení, počínaje jednotlivými součástmi a konče komplexními konstrukčními celky, povedou k lepší hospodárnosti těchto zařízení. Již dnes je každý list rotoru kontrolován samostatným počítačovým modulem a během každého otočení je směrován a optimalizován pro dosažení nejefektivnějšího výkonu. Až 50 mikroprocesorů monitoruje a řídí nová zařízení, přičemž cílem je dále zvyšovat jejich účinnost. Je třeba vyhodnocovat naměřené hodnoty okolního prostředí i mnohé provozní parametry vlastního zařízení. Pro optimální vyladění regulačních obvodů je nezbytné přenášet údaje vysokou rychlostí. Blíží se doba, kdy se budou používat kabely s optickými vlákny. Integrace monitorovacích modulů do řídicích centrál bude klást velké požadavky na rozhraní. Protokoly jako Ethernet umožní snadný a rychlý přenos dat mezi kanceláří, velínem a zařízením. Bude třeba zajistit odolnost kabelů při namáhání na tah způsobený závěsnou výškou až 200 m, což značně zredukuje zřizovací výdaje. S dosavadními standardními komponentami je tento záměr jen těžko realizovatelný. Řešení, která jsou dnes považována za výjimečná, se stanou standardem a firma Lapp Group bude partnerem při hledání optimálních cest.

Ing. Karel Krejza,
produktový manažer Lapp Kabel, s. r. o.