Debido a su altura y ubicación geográfica expuesta, los aerogeneradores son objetivos naturales de los rayos. Un sistema integral de protección contra rayos es una inversión necesaria para garantizar el funcionamiento seguro de los aerogeneradores.

1. Panorama general de las pérdidas causadas por rayos

Dependiendo de la ubicación geográfica, una sola turbina eólica recibe un promedio de aproximadamente 10 rayos al año. Las estadísticas de más de 75 000 turbinas eólicas en Estados Unidos muestran que cada turbina detecta más de un rayo en promedio. Los daños causados ​​por rayos afectan entre el 4 % y el 8 % de las turbinas eólicas anualmente. Estos daños representan hasta el 60 % de las pérdidas operativas relacionadas con las palas. En Alemania, las reclamaciones relacionadas con rayos constituyen un asombroso 80 % de todas las reclamaciones de seguros para turbinas eólicas.

2. Diseño del sistema de protección contra rayos

2.1 Terminales aéreas (receptores)

Los pararrayos de las palas constituyen la primera línea de defensa para la protección contra rayos de las turbinas eólicas. Suelen instalarse en las puntas de las palas y a lo largo de los bordes de ataque. Estos pararrayos utilizan puntos receptores de cobre o aluminio para interceptar activamente las descargas eléctricas. Es necesario realizar inspecciones periódicas para comprobar su desgaste y garantizar así su eficacia continua.

2.2 Conductores descendentes

Los conductores de bajada transportan la corriente del rayo de forma segura desde los terminales aéreos hasta el sistema de puesta a tierra. Se instalan a lo largo del interior de las aspas. Estos conductores requieren conexiones de impedancia extremadamente baja, generalmente inferior a 0.01 Ω . Asimismo, deben adoptarse medidas eficaces para prevenir roturas y corrosión. Esto garantiza la fiabilidad a largo plazo de la vía de descarga de la corriente del rayo.

2.3 Enlace equipotencial

Todos los componentes metálicos dentro de la góndola deben estar conectados equipotencialmente. Esto evita descargas secundarias causadas por diferencias de potencial. En consecuencia, esta medida protege eficazmente los sistemas eléctricos y de control de los daños provocados por sobretensiones de rayos.

2.4 Sistema de puesta a tierra

El sistema de puesta a tierra dispersa la corriente del rayo en la tierra. Generalmente, se utiliza una configuración de electrodos de tierra en anillo combinada con varillas de puesta a tierra verticales. La resistencia de puesta a tierra debe mantenerse por debajo de 4 Ω. Esto garantiza que la corriente del rayo se disipe de forma rápida y segura en el suelo.

3. Protección de componentes clave

3.1 Protección contra rayos de las aspas

Las palas son los componentes más susceptibles a sufrir daños por rayos en una turbina eólica. Su diseño de protección contra rayos requiere la optimización del número y la ubicación de los pararrayos. Los diseñadores también integran los conductores de bajada con la estructura de las palas. Durante el funcionamiento y el mantenimiento, se realizan mediciones periódicas de resistencia para verificar la continuidad del canal de protección contra rayos.

3.2 Protección del sistema de control

La protección del sistema de control se basa principalmente en la instalación de dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) en las líneas de señal. También utiliza cables blindados para suprimir las interferencias electromagnéticas. Además, el aislamiento mediante fibra óptica proporciona separación eléctrica. Estas medidas, en conjunto, garantizan el funcionamiento seguro de los sistemas de baja tensión durante descargas atmosféricas.

3.3 Protección del generador

La protección del generador incluye principalmente la protección contra sobretensiones en los devanados del estator. También incorpora medidas para prevenir las corrientes en los cojinetes. Estas precauciones evitan los daños por corrosión eléctrica en los cojinetes causados ​​por las corrientes en el eje. En consecuencia, garantizan la fiabilidad a largo plazo del generador en condiciones de tormenta eléctrica.

4. Elementos esenciales de mantenimiento

4.1 Inspecciones periódicas

Las inspecciones periódicas del sistema de protección contra rayos siguen ciclos diferentes y deben realizarse rigurosamente. Anualmente se comprueba el estado de los terminales aéreos, la resistencia de los conductores de bajada, la resistencia de puesta a tierra y el funcionamiento de los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD). Estas comprobaciones anuales abarcan el desgaste y la corrosión, la resistencia entre extremos, los valores de resistencia de la rejilla de puesta a tierra y las indicaciones de corriente de fuga. La conexión equipotencial se inspecciona cada dos años, prestando especial atención a la estanqueidad de las fijaciones y a la corrosión.

4.2 Inspecciones posteriores a la huelga

Tras cada impacto de rayo, debe realizarse una inspección especial de inmediato. Esta incluye una inspección visual de las superficies de las aspas para detectar posibles ablaciones o grietas. También implica confirmar la integridad de los terminales aéreos y los conductores de bajada. Las pruebas de funcionamiento del sistema de control verifican si el equipo opera con normalidad. Además, la medición de la resistencia de aislamiento garantiza que el impacto del rayo no haya causado daños ocultos en el aislamiento eléctrico.

5. Problemas comunes

5.1 Fractura del conductor descendente

Los conductores de bajada dentro de las aspas pueden fracturarse con el tiempo. Esto se debe a la combinación de la flexión repetida a largo plazo y el impacto de las altas corrientes de los rayos. Este problema es difícil de detectar sin mediciones de resistencia in situ. Sin embargo, una vez que ocurre, provoca directamente la falla de todo el sistema de protección contra rayos, creando un grave riesgo para la seguridad.

5.2 Corrosión en la puesta a tierra

En el caso de las turbinas eólicas marinas, el entorno salino es altamente corrosivo para el sistema de puesta a tierra. Como consecuencia, la resistencia de la puesta a tierra puede aumentar año tras año durante su vida útil. Esto reduce la eficacia de la disipación de la corriente de los rayos. Por lo tanto, es fundamental prestar especial atención a la protección contra la corrosión de la puesta a tierra y realizar pruebas periódicas en las unidades marinas.

6. Conclusión

El coste de un sistema de protección contra rayos representa menos del 1 % de la inversión total en una turbina eólica. Sin embargo, puede prevenir pérdidas significativas causadas por descargas eléctricas. Desde el diseño de las terminales aéreas hasta el mantenimiento del sistema de puesta a tierra, y desde las inspecciones periódicas hasta la respuesta posterior a una descarga, una gestión sistemática de la protección contra rayos es fundamental. Garantiza el funcionamiento seguro de las turbinas eólicas durante sus 25 años de vida útil.