Rychle působící uzemňovací spínače ve větrných farmách: Výhody
Integrace rychle působících uzemňovacích spínačů do jističů kombinuje detekci poruch s uzemněním obvodu, zjednodušuje instalaci, provoz a koordinaci ochrany.
Motivace ke zlepšení
V typickém zařízení je nízkonapěťový (NN) zdroj energie (tj. větrná farma s N skupinami generátorů větrných turbín) připojen k vysokonapěťové (HV) síti, jak je znázorněno na obrázku 1. Každá větrná turbína má nízkonapěťový/středonapěťový (LV/MV) stupňovitý transformátor a každá skupina generátorů větrných turbín je připojena přes MV jistič (MV CB) ke sběrnici rozvodny HV/MV.
Ve většině instalací jsou obě neutrály HV/MV transformátoru pevně uzemněny. Z tohoto důvodu je koordinace izolace se svodiči přepětí založena na pevně uzemněných neutrálních systémech pro stranu MV a HV stranu mřížky. V případě uzemnění mezi zesilovacím transformátorem LV/MV a jističem VN (strana „B“ jističe VN na obrázku 1), přerušení tohoto jističe odpojí obvod od sítě.
Tím se také odstraní kostrovací reference pro tento obvod, zatímco generátory větrných turbín nadále pracují kvůli jejich rotující setrvačnosti. Vzhledem k delta-připojení vinutí zesilovacího transformátoru LV/MV na straně MV se napětí fáze na zem v neovlivněných fázích zvýší na stacionární napětí 1,73násobek původní hodnoty. Před dosažením stacionárního napětí lze v důsledku kapacit izolovaného podavače očekávat také dočasné přepětí s ještě vyšší hodnotou.
Výzva — a řešení
Tato přepětí může poškodit exponované součásti instalace (tj. svodiče přepětí, kabely atd.). Tomu je třeba se vyhnout, i když inherentní schopnost TOV a RRRV vakuových přerušovačů může pomoci snížit nebo eliminovat potřebu dalších komponent, jako jsou přepěťové kondenzátory pro zvýšené tlumení, tlumící kondenzátory, atd.
Upřednostňovaným řešením, jak se tomuto stavu vyhnout, je použití rychlého uzemňovacího spínače (GS) v kombinaci s jističem VN. Uzemňovací spínač je umístěn na straně „B“ příslušného jističe, aby se uzemňovací spínač uzavřel bezprostředně po přerušení provozu jističe (obrázek 2), aby se obvod uzemnil.
Po zavření uzemňovacího spínače bude proudit poruchový proud poháněný izolovaným podavačem, protože větrná turbína pokračuje ve výrobě energie. Hodnota tohoto poruchového proudu však bude menší než jednofázový poruchový proud dostupný ze sítě. Proto může být jmenovitý uzemňovací spínač nižší než jmenovitý zkratový proud jističe.
Dvě klíčové body, které je třeba zvážit
Při definování časového rozdílu mezi otevřením jističe a zavřením uzemňovacího spínače je třeba vzít v úvahu dvě klíčové položky:
- Vzhledem k rychlosti nárůstu přepětí po přerušení jednofázové poruchy by časový rozdíl měl být krátký.
- Uzavření uzemňovacího spínače musí nastat, když jistič uvolnil jednofázový poruchový proud, a to i po dlouhou dobu oblouku (nejhorší situace: asymetrická, jednofázová porucha).
Pro adekvátní pokrytí obou okolností by měl být časový rozdíl mezi kontaktní částí kontaktů jističe a dotykovým dotykem kontaktů uzemňovacího spínače udržován v rozmezí 12 až 16 ms.
Mechanické spojení
Vakuový jistič se skládá z ovládacího modulu instalovaného v krytu odolném proti povětrnostním vlivům se střešními pouzdry pro připojení primárního obvodu nahoře a svorkovnice pro uzemňovací připojení na spodní straně. Obvodové svorky obsluhy jsou připojeny k pouzdrům pomocí měděných stoupaček sběrnice, zatímco uzemňovací svorky jsou spojeny zkratovací měděnou sběrnicí, která je také připojena k uzemňovací svorkovnici.
Operátorský modul má tři póly, každý s vakuovými přerušovači a primárními izolátory namontovanými na společném krytu ovládacího mechanismu. Každý pól je připevněn ke kanálu pro montáž na sloup čtyřmi izolátory z lité pryskyřice. Izolátory se také připojují k hlavám pólů s pevným koncem operátora a zemnícího spínače a ke skříni konektorů s pohyblivým koncem, která zase podporuje vakuový přerušovač.
Ovládací mechanismus a všechna ovládací a ovládací zařízení jsou instalována v krytu mechanismu. Mechanismus je pružinového typu s uloženou energií a je mechanicky i elektricky bez vypínání. Pevné kontakty vakuového přerušovače jističe jsou přišroubovány k horním hlavám pólů s pevným koncem, zatímco pohyblivé kontaktní konce vakuových přerušovačů jsou připojeny k krabici konektoru.
Stejná spojovací skříňka je připojena k pohyblivým kontaktním koncům vakuového přerušovače zemnícího spínače s pevnými hlavami pólů připojenými k pevným kontaktním koncům přerušovačů. Toto uspořádání stabilizuje přerušovače proti bočním silám prostřednictvím středících kroužků na krabici konektoru.
Validace prostřednictvím testování návrhu podle průmyslových norem
Pro ověření řešení byly provedeny nejen kvalifikační zkoušky klíčových prvků (tj. zkoušky jističe a uzemňovacího spínače), ale také další testy zaměřené na kombinaci obou prvků.
Možnost přerušení
Přerušovací schopnost části jističe řešení byla testována v souladu s normami IEC 62271-100 a IEEE Std C37.09 při 50 Hz s výkonovým faktorem 2,6 pro vyhodnocení výkonu v nejhorších podmínkách kvůli delším dobám oblouku. Krátce před nulou proudu a přerušením je mezní rozdíl v úhlu stoupání proudu. Pro přerušení pomocí vakuových přerušovačů je však tento účinek zanedbatelný.
Další aspekty výkonu
Parametry nejhoršího případu pro demonstraci dalších aspektů výkonu jističe, jako je nabíjení kabelů, nepřetržitý proud, dielektrikum a elektrická i mechanická odolnost, byly podobně vybrány z obou standardů.
Část uzemňovacího spínače řešení byla testována v souladu s normami IEC 62271-102 a IEEE Std C37.20.4 podobným způsobem, kde byly použity nejhorší parametry. Vzhledem k tomu, že jistič a uzemňovací spínač jsou přímo propojeny, byla provedena zkouška mechanické odolnosti uzemňovacího spínače s 10 000 cykly, aby odpovídala jmenovitému jističi M2. U uzemňovacího spínače tato povinnost překračuje obvyklý požadavek o faktor pět.
Testování teploty
Kromě toho byl uzemňovací spínač podroben stejnému testu při nízké teplotě, aby se prokázal výkon až do minus 50° C (minus 58° F).
Kombinované testy
Po dokončení konstrukčních zkoušek v souladu s příslušnými průmyslovými normami byly provedeny další zkoušky k prokázání účinnosti kombinace. Nejkritičtější test ověřil časování mezi otevřením jističe a zavřením uzemňovacího spínače.
Měření časových parametrů
Čas mezi kontaktní částí kontaktů jističe a dotykovým dotykem kontaktů uzemňovacího spínače je rozhodující pro správné fungování kombinace. Pokud je čas navržen příliš malý, nemusí být poruchový proud přerušen před uzavřením uzemňovacího spínače, a přestože se uzemňovací spínač podle potřeby zavře, nemusí se znovu otevřít kvůli kontaktnímu svařování.
Alternativně, pokud je doba příliš dlouhá, může dojít k přepětí po přerušení déle, než mohou svodiče přepětí tolerovat, což vede k poškození svodičů. Zvláštní pozornost byla věnována měření tohoto časového parametru v celém rozsahu přípustných výrobních tolerancí a za různých podmínek prostředí.
Provozní výkon uzemňovacího spínače
Další prokázanou schopností bylo, že provozní výkon uzemňovacího spínače nebyl jističem ovlivněn při přerušení maximálního jmenovitého poruchového proudu. Za určitých podmínek nemusí vakuový přerušovač odstranit poruchu na první nulové proudu po hlavní smyčce, ale přeruší se po další vedlejší smyčce. Testování prokázalo, že uzemňovací spínač plní tuto funkci bez kontaktního svařování.
Výhody větrných elektráren
Když se středonapěťový jistič otevře, systém ztratí uzemnění mezi otevřeným jističem a stranou středního napětí transformátoru LV/MV.
Jak již bylo popsáno dříve, napětí ve zdravých fázích se zvyšuje až na 1,73 PU, protože větrné turbíny nadále dodávají energii do systému. Toto vysoké napětí funguje jako trvalý hi-pot test, který je obzvláště tvrdý pro svodiče přepětí. Dlouhé doby při tomto nadměrném napětí mohou zkrátit životnost nebo dokonce poškodit svodiče přepětí. Vzhledem k tomu, že ztráta zemního odkazu vede k těmto problémům, obnovení uzemňovacího spojení je může eliminovat.
Konvenční alternativou k použití uzemňovacího spínače, jak je popsáno v tomto článku, by bylo místo toho použít zemnící transformátor. Tento transformátor by byl připojen na straně B jističe VN a nastaven tak, aby během normálního provozu měl vysokou impedanci k zemi, ale během poruchy vedení na zem poskytuje nízkoimpedanční cestu pro poruchový proud.
Nevýhodou použití uzemňovacího transformátoru jsou náklady na instalaci a údržbu zařízení a environmentální rizika spojená s rozlitím. Přestože zemnící transformátor musí být pouze zhruba 5% velikosti připojeného zatížení, může to stále vyžadovat transformátor v rozsahu MVA. Kabely připojené k uzemňovacímu transformátoru navíc přidávají značné náklady. A konečně, náklady na údržbu transformátoru, zejména u transformátorů s olejovou izolací, mohou být značné po celou dobu životnosti větrné farmy.
Ve srovnání, jistič s integrovaným uzemňovacím spínačem je relativně jednoduché zařízení, které je velmi podobné konvenčnímu jističi v konstrukci. Integrace uzemňovacího spínače do jističe kombinuje možnosti detekce poruch s uzemněním obvodu, což zjednodušuje instalaci a provoz systému.
Zjistěte více o našich středněnapěťových jističích
Konstrukce řady jističů typu SDV7 se vyznačuje výrazným zmenšením velikosti skříně ve srovnání s předchozími modely a tím i celkové rozlohy. Produktová řada typu SDV7 zahrnuje napěťové skupiny 15,5 kV, 17,5 kV, 27,6 kV a 38,0 kV. Každá skupina je speciálně navržena tak, aby optimalizovala prostor a materiál pro třídu napětí při zachování společných vlastností v celé produktové řadě.