Schnell wirkende Erdungsschalter in Windparks: Vorteile
Die Integration von schnell wirkenden Erdungsschaltern in Leistungsschalter kombiniert Fehlererkennung mit Stromkreiserdung und optimiert Installation, Betrieb und Schutzkoordination.
Die Motivation, sich zu verbessern
In einer typischen Installation ist die Niederspannungsquelle (LV) (d. h. ein Windpark mit N Gruppen von Windturbinengeneratoren) an das Hochspannungsnetz (HV) angeschlossen, wie in Abbildung 1 dargestellt. Jede Windturbine hat einen Niederspannungs-/Mittelspannungstransformator (LV/MV), und jede Gruppe von Windturbinengeneratoren ist über einen MV-Leistungsschalter (MV CB) mit dem Bus der HV/MV-Umspannstation verbunden.
In den meisten Anlagen sind beide Neutralleiter des HV/MV-Transformators fest geerdet. Aus diesem Grund basiert die Isolationskoordination mit den Überspannungsableitern auf den fest geerdeten Neutralsystemen für die Mittelspannungs- und die Hochspannungsseite des Netzes. Im Falle eines Erdschlusses zwischen dem Nieder- und Mittelspannungstransformator und dem Mittelspannungsschalter (Seite „B“ des Mittelspannungsschalters in Abbildung 1) trennt das Öffnen dieses Leistungsschalters den Stromkreis vom Netz.
Dadurch wird auch die Bodenreferenz für diesen Stromkreis entfernt, während die Windturbinengeneratoren aufgrund ihrer rotierenden Trägheit weiterlaufen. Aufgrund der Delta-Verbindung der Wicklungen des LV/MV-Aufwärtstransformators auf der MV-Seite wird die Phase-Erde-Spannung in den nicht betroffenen Phasen auf eine stationäre Spannung ansteigen, die das 1,73-fache des ursprünglichen Werts beträgt. Bevor die stationäre Spannung erreicht ist, können aufgrund der Kapazitäten der isolierten Einspeisung auch vorübergehende Überspannungen mit einem noch höheren Wert erwartet werden.
Die Herausforderung — und die Lösung
Diese Überspannungen können exponierte Komponenten der Anlage beschädigen (z. B. Überspannungsableiter, Kabel usw.). Dies muss vermieden werden, obwohl die inhärente TOV- und RRRV-Fähigkeit der Vakuumschaltröhren dazu beitragen kann, den Bedarf an zusätzlichen Komponenten wie Überspannungskondensatoren für erhöhte Dämpfung, Dämpfungskondensatoren usw. zu reduzieren oder zu eliminieren.
Die bevorzugte Lösung, um diesen Zustand zu vermeiden, ist die Verwendung eines Schnellerdungsschalters (GS) in Kombination mit dem MV-Leistungsschalter. Der Erdungsschalter befindet sich auf der Seite „B“ des jeweiligen Leistungsschalters, um den Erdungsschalter direkt nach dem Öffnen des Leistungsschalters zu schließen (Abbildung 2), um den Stromkreis zu erden.
Nach dem Schließen des Erdungsschalters fließt ein Fehlerstrom, der von der isolierten Einspeisung angetrieben wird, während die Windturbine weiterhin Strom erzeugt. Der Wert dieses Fehlerstroms wird jedoch geringer sein als der einphasige Fehlerstrom, der im Netz verfügbar ist. Daher kann die Nennleistung des Erdungsschalters niedriger sein als der Nennkurzschlussstrom des Leistungsschalters.
Zwei wichtige Punkte, die Sie berücksichtigen sollten
Bei der Definition des Zeitunterschieds zwischen dem Öffnen des Leistungsschalters und dem Schließen des Erdungsschalters müssen zwei wichtige Punkte berücksichtigt werden:
- Aufgrund der Geschwindigkeit, mit der die Überspannung nach einer Unterbrechung des einphasigen Fehlers ansteigt, sollte der Zeitunterschied kurz sein.
- Das Schließen des Erdungsschalters muss erfolgen, wenn der Leistungsschalter den einphasigen Fehlerstrom gelöscht hat, auch bei langen Lichtbogenzeiten (schlimmster Fall: asymmetrischer, einphasiger Fehler).
Um beide Umstände angemessen abzudecken, sollte die Zeitdifferenz zwischen dem Kontaktteil der Schutzschalterkontakte und der Kontaktberührung der Kontakte des Erdungsschalters im Bereich von 12 bis 16 ms gehalten werden.
Die mechanische Verbindung
Der Vakuum-Leistungsschalter besteht aus einem Bedienmodul, das in einem wetterfesten Gehäuse mit Dachdurchführungen für Primärkreisanschlüsse an der Oberseite und einer Anschlussleiste für einen Erdungsanschluss an der Unterseite installiert ist. Die Stromkreisklemmen des Bedieners sind mit Kupferbusanschlüssen an die Buchsen angeschlossen, während die Erdungsklemmen zusammen mit einer Kupfer-Sammelschiene mit Kurzschluss verbunden sind, die ebenfalls mit der Erdungsklemme verbunden ist.
Das Bedienmodul hat drei Pole, von denen jeder seine Vakuumschaltröhren und Primärisolatoren an einem gemeinsamen Gehäuse für den Betriebsmechanismus montiert ist. Jeder Pol ist mit vier Isolatoren aus Gießharz an einem Masthalterungskanal befestigt. Die Isolatoren sind auch mit den festen Polköpfen des Bedieners und des Bodenschalters sowie mit der Verbindungsbox mit beweglichem Ende verbunden, die wiederum die Vakuumschaltröhre trägt.
Der Betriebsmechanismus und alle Steuerungs- und Betätigungseinrichtungen sind im Mechanikgehäuse installiert. Der Mechanismus ist vom Typ Federspeicher und ist sowohl mechanisch als auch elektrisch auslösungsfrei. Die festen Kontakte der Vakuumschaltröhre des Leistungsschalters sind mit den oberen Polköpfen mit festen Enden verschraubt, während die beweglichen Kontaktenden der Vakuumschaltröhren an der Anschlussbox befestigt sind.
Dieselbe Anschlussbox ist an den beweglichen Kontaktenden des Bodenschalters befestigt, wobei die Polköpfe mit den festen Enden mit den festen Kontaktenden der Unterbrecher verbunden sind. Diese Anordnung stabilisiert die Unterbrecher über Zentrierringe an der Anschlussbox gegen Seitenkräfte.
Validierung durch Designtests nach Industriestandards
Um die Lösung zu validieren, waren nicht nur Qualifikationstests für die wichtigsten Elemente erforderlich (d. h. Tests von Leistungsschaltern und Erdungsschaltern), sondern es wurden auch zusätzliche Tests durchgeführt, die sich auf die Kombination der beiden Elemente konzentrierten.
Unterbrechungsfunktion
Die Unterbrechungsfähigkeit des Leistungsschalters, der Teil der Lösung ist, wurde sowohl gemäß IEC 62271-100 als auch gemäß IEEE Std C37.09 bei 50 Hz mit einem Leistungsfaktor von 2,6 getestet, um die Leistung auch unter ungünstigen Bedingungen aufgrund längerer Lichtbogenzeiten zu bewerten. Kurz vor Stromnullpunkt und Stromunterbrechung besteht ein geringfügiger Unterschied im Anstiegswinkel des Stroms. Bei Unterbrechungen mit Vakuumschaltröhren ist dieser Effekt jedoch unbedeutend.
Andere Aspekte der Leistung
Die Worst-Case-Parameter für den Nachweis anderer Aspekte der Leistung des Leistungsschalters, wie Kabelaufladung, Dauerstrom, Dielektrikum und sowohl elektrische als auch mechanische Lebensdauer, wurden in ähnlicher Weise aus beiden Standards ausgewählt.
Der Erdungsschalterteil der Lösung wurde sowohl gemäß IEC 62271-102 als auch gemäß IEEE Std C37.20.4 auf ähnliche Weise getestet, wobei die Worst-Case-Parameter verwendet wurden. Da der Leistungsschalter und der Erdungsschalter direkt miteinander verbunden sind, wurde der mechanische Dauertest des Erdungsschalters mit 10.000 Zyklen durchgeführt, um der Nennleistung M2 des Leistungsschalters zu entsprechen. Für den Erdungsschalter übersteigt diese Leistung die übliche Anforderung um den Faktor fünf.
Temperaturtests
Zusätzlich wurde der Erdungsschalter demselben Tieftemperaturtest unterzogen, um die Leistung bis zu minus 50 °C (minus 58 °F) nachzuweisen.
Kombinationstests
Nachdem die Konstruktionstests gemäß den relevanten Industriestandards abgeschlossen waren, wurden zusätzliche Tests durchgeführt, um die Leistung der Kombination nachzuweisen. Der kritischste Test bestätigte den Zeitpunkt zwischen dem Öffnen des Leistungsschalters und dem Schließen des Erdungsschalters.
Messung von Zeitparametern
Die Zeit zwischen dem Kontakt eines Teils der Kontakte des Leistungsschalters und der Berührung der Kontakte des Erdungsschalters ist entscheidend für das reibungslose Funktionieren der Kombination. Wenn die Zeit zu klein ausgelegt ist, darf der Fehlerstrom nicht unterbrochen werden, bevor der Erdungsschalter schließt, und obwohl der Erdungsschalter bei Bedarf schließt, öffnet er sich möglicherweise aufgrund des Kontaktschweißens nicht wieder.
Alternativ, wenn die Zeit zu lang ist, kann eine Überspannung nach der Unterbrechung länger auftreten, als die Überspannungsableiter tolerieren können, was zu einer Beschädigung der Ableiter führt. Es wurde besondere Sorgfalt darauf verwendet, diesen Zeitparameter über den gesamten Bereich der zulässigen Fertigungstoleranzen und unter einer Vielzahl von Umgebungsbedingungen zu messen.
Betriebsbetrieb des Erdungsschalters
Eine weitere nachgewiesene Fähigkeit war, dass die Betriebsleistung des Erdungsschalters nicht durch den Leistungsschalter beeinflusst wurde, wenn der maximale Nennfehlerstrom unterbrochen wurde. Unter bestimmten Bedingungen behebt die Vakuumschaltröhre den Fehler möglicherweise nicht bei der ersten Stromnullstelle nach einer Hauptschleife, sondern unterbricht nach der nächsten Nebenschleife. Die Tests haben gezeigt, dass der Erdungsschalter diese Aufgabe ohne Kontaktschweißen erfüllt.
Vorteile für Windparks
Wenn sich der Mittelspannungs-Leistungsschalter öffnet, verliert das System die Masseverbindung zwischen dem offenen Leistungsschalter und der Mittelspannungsseite des Nieder- und Mittelspannungstransformators.
Wie bereits beschrieben, steigt die Spannung in den gesunden Phasen auf bis zu 1,73 PU, wenn die Windturbinen das System weiter mit Strom versorgen. Diese Hochspannung wirkt wie ein permanenter Hochspannungstest, was für Überspannungsableiter besonders schwierig ist. Lange Zeiträume mit dieser zu hohen Spannung können die Lebensdauer verkürzen oder die Überspannungsableiter sogar beschädigen. Da der Verlust der Bodenreferenz zu diesen Problemen führt, können sie durch die Wiederherstellung einer Erdverbindung behoben werden.
Die herkömmliche Alternative zur Verwendung eines Erdungsschalters, wie in diesem Artikel beschrieben, wäre, stattdessen einen Erdungstransformator zu verwenden. Dieser Transformator würde an der B-Seite des MV-Leistungsschalters angeschlossen und so eingerichtet werden, dass er im Normalbetrieb eine hohe Impedanz gegen Erde hat, aber bei einem Leitungsfehler einen niederohmigen Pfad für den Fehlerstrom bietet.
Die Nachteile der Verwendung eines Erdungstransformators sind die Installations- und Wartungskosten der Ausrüstung und die Umweltrisiken, die mit verschütteten Flüssigkeiten verbunden sind. Obwohl der Erdungstransformator nur etwa 5% der Größe der angeschlossenen Last betragen muss, kann dennoch ein Transformator im MVA-Bereich erforderlich sein. Darüber hinaus verursachen die mit dem Erdungstransformator verbundenen Kabel erhebliche Kosten. Schließlich können die Kosten für die Wartung des Transformators, insbesondere bei ölisolierten Transformatoren, über die gesamte Lebensdauer des Windparks erheblich sein.
Im Vergleich dazu ist ein Leistungsschalter mit integriertem Erdungsschalter ein relativ einfaches Gerät, das in Design und Konstruktion einem herkömmlichen Leistungsschalter sehr ähnlich ist. Die Integration eines Erdungsschalters in einen Leistungsschalter kombiniert die Funktionen zur Fehlererkennung mit der Erdung des Stromkreises, was die Installation und den Betrieb des Systems vereinfacht.
Erfahren Sie mehr über unsere Mittelspannungs-Leistungsschalter
Das Design der Schutzschalter-Familie vom Typ SDV7 zeichnet sich im Vergleich zu früheren Modellen durch eine deutliche Reduzierung der Gehäusegröße und damit des gesamten Platzbedarfs aus. Die Produktlinie Typ SDV7 umfasst die Spannungsgruppen 15,5 kV, 17,5 kV, 27,6 kV und 38,0 kV. Jede Gruppe wurde speziell entwickelt, um Platz und Material für die jeweilige Spannungsklasse zu optimieren und gleichzeitig die gemeinsamen Merkmale der gesamten Produktlinie beizubehalten.