Hurtigvirkende jordforbindelsesafbrydere i vindmølleparker: Fordele

Motivationen til at forbedre

I en typisk installation er lavspændingsstrømkilden (dvs. vindmølleparken med N-grupper af vindmøllegeneratorer) forbundet til højspændingsnettet (HV) som vist i figur 1. Hver vindmølle har en lavspændings-/mellemspændingstransformator (LV/MV), og hver gruppe vindmøllegeneratorer er forbundet via en MV-afbryder (MV CB) til bussen på HV/MV-transformatoren.

I de fleste installationer er begge neutraler af HV/MV-transformeren solidt jordet. På grund af dette er isoleringskoordinationen med overspændingsafbryderne baseret på de solidt jordede neutrale systemer til MV-siden og HV-siden af nettet. I tilfælde af jordfejl mellem LV/MV-optrapningstransformatoren og MV-afbryderen (side „B“ af MV-afbryderen i figur 1), vil åbning af denne afbryder afbryde kredsløbet fra nettet.

Dette fjerner også jordreferencen for det kredsløb, mens vindmøllegeneratorerne fortsætter med at fungere på grund af deres roterende inerti. På grund af delta-forbindelsen af viklingerne i LV/MV-op-transformatoren på MV-siden vil fase-til-jordspændingen i de upåvirkede faser stige til en stationær spænding på 1,73 gange den oprindelige værdi. Inden den stationære spænding nås på grund af kapacitanser fra den isolerede feeder, kan der også forventes midlertidige overspændinger med en endnu højere værdi.

Udfordringen — og løsningen

Disse overspændinger kan beskadige udsatte komponenter i installationen (dvs. overspændingsafledere, kabler osv.). Dette skal undgås, selvom vakuumafbrydernes iboende TOV- og RRRV-kapacitet kan hjælpe med at reducere eller eliminere behovet for yderligere komponenter, som overspændingskondensatorer til øget dæmpning, dæmpningskondensatorer, etc.

Den foretrukne løsning for at undgå denne tilstand er brugen af en hurtig jordforbindelse (GS) i kombination med MV-afbryderen. Jordforbindelseskontakten er placeret på siden „B“ af den respektive afbryder for at lukke jordforbindelseskontakten direkte efter den åbne drift af afbryderen (figur 2) for at jorde kredsløbet.

Efter lukning af jordforbindelseskontakten vil fejlstrømmen strømme drevet af den isolerede feeder, når vindmøllen fortsætter med at generere strøm. Værdien af denne fejlstrøm vil dog være mindre end den enfasede fejlstrøm, der er tilgængelig fra nettet. Derfor kan jordforbindelsesafbryderens nominelle kortslutningsstrøm være lavere end afbryderens nominelle kortslutningsstrøm.

To vigtige punkter at overveje

To nøgleelementer skal overvejes, når tidsforskellen mellem åbning af afbryderen og lukning af jordforbindelseskontakten defineres:

• På grund af stigningshastigheden for overspændingen efter en afbrydelse af enfasefejlen, bør tidsforskellen være kort.
• Lukningen af jordforbindelseskontakten skal ske, når afbryderen har fjernet enfaset fejlstrøm, selv i lange buetider (værste tilfælde: asymmetrisk, enfaset fejl).

For at dække begge omstændigheder tilstrækkeligt skal en tidsforskel mellem kontaktdelen af afbryderkontakterne og kontaktberøringen af jordforbindelseskontakterne holdes i området 12 til 16 ms.

Det mekaniske link

Vakuumafbryderen består af et betjeningsmodul installeret i et vejrbestandigt kabinet med tagbøsninger til primære kredsløbsforbindelser ovenpå og en terminalpude til en jordforbindelse i bunden. Operatørens kredsløbsterminaler er forbundet til bøsningerne med kobberbusstigerør, mens jordforbindelsesterminalerne er forbundet sammen med en kortsluttende kobberbusstang, der også er forbundet til jordforbindelsesklemmen.

Operatørmodulet har tre poler, hver med sine vakuumafbrydere og primære isolatorer monteret på et fælles betjeningsmekanismehus. Hver stang er fastgjort til en stangmonteringskanal med fire støbeharpiksisolatorer. Isolatorerne forbindes også til operatør- og jordafbryderens faste polhoveder og til den bevægelige endeforbindelsesboks, der igen understøtter vakuumafbryderen.

Betjeningsmekanismen og alle kontrol- og aktiveringsanordninger er installeret i mekanismehuset. Mekanismen er af typen fjederlagret energi og er både mekanisk og elektrisk udløsningsfri. De faste kontakter til afbryderens vakuumafbryder er boltet til de øverste polhoveder med fast ende, mens de bevægelige kontaktender af vakuumafbryderne er fastgjort til stikboksen.

Den samme stikboks er fastgjort til jordafbryderens vakuumafbryderens bevægelige kontaktender med de faste polhoveder forbundet til afbrydernes faste kontaktender. Dette arrangement stabiliserer afbryderne mod laterale kræfter via centreringsringe på forbindelsesboksen.

Validering via designtest til branchestandarder

For at validere løsningen blev der ikke kun krævet kvalifikationstest for nøgleelementerne (dvs. afbryder- og jordforbindelsestest), men også yderligere tests med fokus på kombinationen af de to elementer blev udført.

Afbrydelsesevne

Afbrydelsesevnen for afbryderdelen af løsningen blev testet i overensstemmelse med både IEC 62271-100 og IEEE Std C37.09 ved 50 Hz med en effektfaktor på 2,6 for at evaluere ydeevnen under de værste tilfælde på grund af længere lysbuetider. Der er en marginal forskel i stigningsvinklen for strømmen kort før nuværende nul og afbrydelse. For afbrydelse ved hjælp af vakuumafbrydere er denne effekt imidlertid ubetydelig.

Andre aspekter af ydeevne

De værst tænkelige parametre til demonstrering af andre aspekter af afbryderens ydeevne, som kabelladning, kontinuerlig strøm, dielektrisk og både elektrisk og mekanisk udholdenhed, blev på samme måde valgt fra begge standarder.

Jordforbindelsesdelen af løsningen blev testet i overensstemmelse med både IEC 62271-102 og IEEE Std C37.20.4 på lignende måde, hvor de værste parametre blev brugt. Da afbryderen og jordforbindelseskontakten er direkte forbundet, blev den mekaniske udholdenhedstest af jordforbindelseskontakten udført med 10.000 cyklusser for at matche afbryderen M2-klassificeringen. For jordforbindelseskontakten overstiger denne pligt det sædvanlige krav med en faktor på fem.

Temperaturprøvning

Derudover blev jordforbindelseskontakten udsat for den samme lavtemperaturtest for at demonstrere ydeevne ned til minus 50° C (minus 58° F).

Kombinationstest

Efter at konstruktionstestene i overensstemmelse med de relevante industristandarder var afsluttet, blev der udført yderligere tests for at demonstrere kombinationens ydeevne. Den mest kritiske test validerede timingen mellem åbningen af afbryderen og lukningen af jordforbindelseskontakten.

Måling af tidsparametre

Tiden mellem kontaktdelen af afbryderkontakterne og kontaktberøring af jordforbindelseskontakterne er afgørende for, at kombinationen fungerer korrekt. Hvis tiden er designet for lille, kan fejlstrømmen muligvis ikke afbrydes, før jordforbindelseskontakten lukkes, og selvom jordforbindelseskontakten lukker efter behov, åbnes den muligvis ikke igen på grund af kontaktsvejsning.

Alternativt, hvis tiden er for lang, kan en overspænding efter afbrydelse forekomme længere, end overspændingsafbryderne kan tolerere, hvilket fører til beskadigelse af aflederne. Der blev udvist særlig omhu for at måle denne tidsparameter over hele spektret af tilladte produktionstolerancer og under forskellige miljøforhold.

Jordforbindelsesafbryderens driftsfunktion

En anden demonstreret evne var, at jordforbindelsesafbryderens driftsfunktion ikke blev påvirket af afbryderen, når den maksimale nominelle fejlstrøm afbrydes. Under visse betingelser kan vakuumafbryderen muligvis ikke fjerne fejlen ved den første strøm nul efter en større sløjfe, men afbryder efter den næste mindre sløjfe. Testen viste, at jordforbindelseskontakten udfører denne opgave uden kontaktsvejsning.

Fordele ved vindmølleparker

Når mellemspændingsafbryderen åbnes, mister systemet jordforbindelsen mellem den åbne afbryder og mellemspændingssiden af LV/MV-transformatoren.

Som beskrevet tidligere stiger spændingen i de sunde faser til så meget som 1,73 PU, efterhånden som vindmøllerne fortsætter med at sætte strøm ind i systemet. Denne højspænding fungerer som en permanent hi-pot-test, hvilket er særligt hårdt for overspændingsafledere. Lange perioder ved denne overdrevne spænding kan forkorte levetiden eller endda beskadige overspændingsafbryderne. Da tabet af jordreferencen fører til disse problemer, kan gendannelse af en jordforbindelse eliminere dem.

Det konventionelle alternativ til at bruge en jordforbindelse, som beskrevet i dette papir, ville være at bruge en jordingstransformator i stedet. Denne transformer ville være forbundet på B-siden af MV-afbryderen og indstillet således, at den under normal drift har en høj impedans til jorden, men under en line-til-jord-fejl tilvejebringes en lavimpedansvej for fejlstrømmen.

Ulemperne ved at bruge en jordforbindelsestransformator er udstyrets installations- og vedligeholdelsesomkostninger og miljørisici forbundet med spild. Selvom jordingstransformatoren kun skal være ca. 5% af størrelsen på den tilsluttede belastning, kan dette stadig kræve en transformer i MVA-området. Derudover tilføjer kablerne, der er tilsluttet jordingstransformatoren, en betydelig udgift. Endelig kan omkostningerne ved vedligeholdelse af transformatoren, især for olieisolerede transformatorer, være betydelige i vindmølleparkens levetid.

Til sammenligning er en afbryder med en integreret jordforbindelse en relativt enkel enhed, der meget ligner en konventionel afbryder i design og konstruktion. Integrering af en jordforbindelse i en afbryder kombinerer fejldetekteringsfunktionerne med kredsløbsjordforbindelse, hvilket forenkler installationen og driften af systemet.

Få mere at vide om vores mellemspændingsafbrydere

Designet af typen SDV7-familien af afbrydere har en betydelig reduktion i kabinetstørrelse sammenlignet med tidligere modeller og følgelig i det samlede fodaftryk. Produktlinjen af typen SDV7 omfatter spændingsgrupperne 15,5 kV, 17,5 kV, 27,6 kV og 38,0 kV. Hver gruppe er specielt designet til at optimere plads og materiale til spændingsklassen og samtidig bevare fælles funktioner på tværs af hele produktlinjen.

Lær mere >