Διακόπτες γείωσης ταχείας δράσης σε αιολικά πάρκα: Οφέλη
Η ενσωμάτωση διακοπτών γείωσης ταχείας δράσης σε διακόπτες κυκλώματος συνδυάζει την ανίχνευση σφαλμάτων με τη γείωση κυκλώματος, τον εξορθολογισμό της εγκατάστασης, της λειτουργίας και του συντονισμού προστασίας.
Το κίνητρο για βελτίωση
Σε μια τυπική εγκατάσταση, η πηγή ισχύος χαμηλής τάσης (LV) (δηλαδή, αιολικό πάρκο με ομάδες N ανεμογεννήτριων) συνδέεται με το δίκτυο υψηλής τάσης (HV), όπως φαίνεται στο σχήμα 1. Κάθε ανεμογεννήτρια διαθέτει μετασχηματιστή χαμηλής τάσης/μέσης τάσης (LV/MV) και κάθε ομάδα γεννητριών ανεμογεννήτριας συνδέεται μέσω ενός διακόπτη MV (MV CB) στο δίαυλο του υποσταθμού HV/MV.
Στις περισσότερες εγκαταστάσεις, και τα δύο ουδέτερα του μετασχηματιστή HV/MV είναι σταθερά γειωμένα. Εξαιτίας αυτού, ο συντονισμός μόνωσης με τους απαγωγείς υπερτάσεων βασίζεται στα σταθερά γειωμένα ουδέτερα συστήματα για την πλευρά MV και την πλευρά HV του δικτύου. Σε περίπτωση βλάβης γείωσης μεταξύ του μετασχηματιστή κλιμάκωσης LV/MV και του διακόπτη MV (πλευρά «Β» του διακόπτη MV στο σχήμα 1), το άνοιγμα αυτού του διακόπτη θα αποσυνδέσει το κύκλωμα από το δίκτυο.
Αυτό θα αφαιρέσει επίσης την αναφορά γείωσης για αυτό το κύκλωμα ενώ οι γεννήτριες ανεμογεννητριών συνεχίζουν να λειτουργούν λόγω της περιστρεφόμενης αδράνειας τους. Λόγω της σύνδεσης δέλτα των περιελίξεων του μετασχηματιστή κλιμάκωσης LV/MV στην πλευρά MV, η τάση φάσης-γείωσης στις μη επηρεασμένες φάσεις θα αυξηθεί σε σταθερή τάση 1,73 φορές την αρχική τιμή. Πριν επιτευχθεί η σταθερή τάση, λόγω των χωρητικοτήτων του απομονωμένου τροφοδότη, μπορούν επίσης να αναμένονται προσωρινές υπερβολικές τάσεις με ακόμη υψηλότερη τιμή.
Η πρόκληση — και η λύση
Αυτές οι υπερβολικές τάσεις ενδέχεται να βλάψουν τα εκτεθειμένα εξαρτήματα της εγκατάστασης (π.χ. απαγωγείς υπερτάσεων, καλώδια κ.λπ.). Αυτό πρέπει να αποφευχθεί παρόλο που η εγγενής ικανότητα TOV και RRRV των διακοπτών κενού μπορεί να βοηθήσει στη μείωση ή την εξάλειψη της ανάγκης για πρόσθετα εξαρτήματα, όπως πυκνωτές υπερτάσεων για αυξημένη απόσβεση, πυκνωτές απόσβεσης κ.λπ.
Η προτιμώμενη λύση για την αποφυγή αυτής της κατάστασης είναι η χρήση ενός διακόπτη γρήγορης γείωσης (GS) σε συνδυασμό με τον διακόπτη MV. Ο διακόπτης γείωσης τοποθετείται στην πλευρά «Β» του αντίστοιχου διακόπτη κυκλώματος για να κλείσει το διακόπτη γείωσης αμέσως μετά την ανοικτή λειτουργία του διακόπτη κυκλώματος (Εικόνα 2) για τη γείωση του κυκλώματος.
Μετά το κλείσιμο του διακόπτη γείωσης, το ρεύμα σφάλματος θα ρέει οδηγούμενο από τον απομονωμένο τροφοδότη καθώς η ανεμογεννήτρια συνεχίζει να παράγει ενέργεια. Ωστόσο, η τιμή αυτού του ρεύματος σφάλματος θα είναι μικρότερη από το μονοφασικό ρεύμα σφάλματος που διατίθεται από το δίκτυο. Επομένως, η ονομαστική τιμή του διακόπτη γείωσης μπορεί να είναι χαμηλότερη από το ονομαστικό ρεύμα βραχυκυκλώματος του διακόπτη.
Δύο βασικά στοιχεία που πρέπει να λάβετε υπόψη
Δύο βασικά στοιχεία πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά τον καθορισμό της χρονικής διαφοράς μεταξύ του ανοίγματος του διακόπτη και του κλεισίματος του διακόπτη γείωσης:
- Λόγω του ρυθμού αύξησης της υπέρτασης μετά από διακοπή της μονοφασικής βλάβης, η διαφορά ώρας πρέπει να είναι μικρή.
- Το κλείσιμο του διακόπτη γείωσης πρέπει να συμβεί όταν ο διακόπτης έχει καθαρίσει το μονοφασικό ρεύμα σφάλματος, ακόμη και για μεγάλους χρόνους τόξου (χειρότερη περίπτωση: ασύμμετρο, μονοφασικό σφάλμα).
Για να καλυφθούν επαρκώς και οι δύο περιστάσεις, μια διαφορά ώρας μεταξύ του τμήματος επαφής των επαφών του διακόπτη και της επαφής επαφής των επαφών του διακόπτη γείωσης πρέπει να διατηρείται στην περιοχή από 12 έως 16 ms.
Ο μηχανικός σύνδεσμος
Ο διακόπτης κενού αποτελείται από μια μονάδα χειριστή εγκατεστημένη σε ανθεκτικό στις καιρικές συνθήκες περίβλημα με δακτυλίους οροφής για συνδέσεις πρωτογενούς κυκλώματος στην κορυφή και ένα τερματικό για σύνδεση γείωσης στο κάτω μέρος. Οι ακροδέκτες κυκλώματος του χειριστή συνδέονται με τους δακτυλίους με ανυψωτήρες διαύλου χαλκού ενώ οι ακροδέκτες γείωσης συνδέονται μαζί με μια ράβδο διαύλου χαλκού βραχυκυκλώματος που συνδέεται επίσης με το ακροδέκτη γείωσης.
Η μονάδα χειριστή έχει τρεις πόλους, ο καθένας με τους διακόπτες κενού και τους κύριους μονωτές τοποθετημένους σε ένα κοινό περίβλημα μηχανισμού λειτουργίας. Κάθε πόλος συνδέεται με ένα κανάλι στερέωσης πόλων από τέσσερις μονωτές χυτορητίνης. Οι μονωτές συνδέονται επίσης με τις κεφαλές πόλου σταθερού άκρου του χειριστή και του διακόπτη γείωσης και στο κουτί σύνδεσης κινούμενου άκρου που με τη σειρά του υποστηρίζει τον διακόπτη κενού.
Ο μηχανισμός λειτουργίας και όλες οι συσκευές ελέγχου και ενεργοποίησης εγκαθίστανται στο περίβλημα του μηχανισμού. Ο μηχανισμός είναι τύπου με ελατήριο αποθηκευμένη ενέργεια και είναι τόσο μηχανικά όσο και ηλεκτρικά ελεύθερος. Οι σταθερές επαφές του διακόπτη κενού του διακόπτη κυκλώματος βιδώνονται στις άνω κεφαλές πόλων σταθερού άκρου ενώ τα κινούμενα άκρα επαφής των διακοπτών κενού είναι προσαρτημένα στο κουτί σύνδεσης.
Το ίδιο κουτί σύνδεσης είναι προσαρτημένο στο διακόπτη κενού του διακόπτη γείωσης που κινούνται στα άκρα επαφής με τις κεφαλές πόλων σταθερού άκρου συνδεδεμένες με τα σταθερά άκρα επαφής των διακοπτών. Αυτή η διάταξη σταθεροποιεί τους διακόπτες έναντι πλευρικών δυνάμεων μέσω δακτυλίων κεντραρίσματος στο κουτί σύνδεσης.
Επικύρωση μέσω δοκιμών σχεδιασμού σύμφωνα με τα βιομηχανικά πρότυπα
Για την επικύρωση της λύσης, πραγματοποιήθηκαν όχι μόνο δοκιμές προσόντων για τα βασικά στοιχεία (π.χ. δοκιμές διακόπτη και διακόπτη γείωσης) αλλά και πρόσθετες δοκιμές που επικεντρώθηκαν στο συνδυασμό των δύο στοιχείων.
Δυνατότητα διακοπής
Η ικανότητα διακοπής του τμήματος του διακόπτη του διαλύματος δοκιμάστηκε σύμφωνα με το IEC 62271-100 και το IEEE Std C37.09 στα 50 Hz με συντελεστή ισχύος 2,6 για την αξιολόγηση της απόδοσης κατά τη χειρότερη περίπτωση λόγω μεγαλύτερων χρόνων τόξου. Υπάρχει μια οριακή διαφορά στη γωνία ανόδου του ρεύματος λίγο πριν από το τρέχον μηδέν και τη διακοπή. Ωστόσο, για διακοπή χρησιμοποιώντας διακόπτες κενού, αυτό το αποτέλεσμα είναι ασήμαντο.
Άλλες πτυχές της απόδοσης
Οι παράμετροι της χειρότερης περίπτωσης για την επίδειξη άλλων πτυχών της απόδοσης του διακόπτη, όπως η φόρτιση καλωδίου, το συνεχές ρεύμα, το διηλεκτρικό και τόσο η ηλεκτρική όσο και η μηχανική αντοχή, επιλέχθηκαν ομοίως και από τα δύο πρότυπα.
Το τμήμα του διακόπτη γείωσης του διαλύματος δοκιμάστηκε σύμφωνα με το IEC 62271-102 και το IEEE Std C37.20.4 με παρόμοιο τρόπο όπου χρησιμοποιήθηκαν οι παράμετροι της χειρότερης περίπτωσης. Δεδομένου ότι ο διακόπτης κυκλώματος και ο διακόπτης γείωσης συνδέονται άμεσα, η δοκιμή μηχανικής αντοχής του διακόπτη γείωσης πραγματοποιήθηκε με 10.000 κύκλους για να ταιριάζει με την βαθμολογία του διακόπτη M2. Για το διακόπτη γείωσης, αυτό το καθήκον υπερβαίνει τη συνήθη απαίτηση κατά συντελεστή πέντε.
Δοκιμή θερμοκρασίας
Επιπλέον, ο διακόπτης γείωσης υποβλήθηκε στην ίδια δοκιμή χαμηλής θερμοκρασίας για να αποδείξει την απόδοση έως τους μείον 50° C (μείον 58° F).
Δοκιμές συνδυασμού
Μετά την ολοκλήρωση των δοκιμών σχεδιασμού σύμφωνα με τα σχετικά βιομηχανικά πρότυπα, πραγματοποιήθηκαν πρόσθετες δοκιμές για να αποδειχθεί η απόδοση του συνδυασμού. Η πιο κρίσιμη δοκιμή επικύρωσε το χρονισμό μεταξύ του ανοίγματος του διακόπτη και του κλεισίματος του διακόπτη γείωσης.
Μέτρηση παραμέτρων χρόνου
Ο χρόνος μεταξύ του τμήματος επαφής των επαφών του διακόπτη και της επαφής επαφής των επαφών του διακόπτη γείωσης είναι ζωτικής σημασίας για την καλή λειτουργία του συνδυασμού. Εάν ο χρόνος έχει σχεδιαστεί πολύ μικρός, το ρεύμα σφάλματος ενδέχεται να μην διακοπεί πριν κλείσει ο διακόπτης γείωσης και παρόλο που ο διακόπτης γείωσης θα κλείσει όπως απαιτείται, ενδέχεται να μην ανοίξει ξανά λόγω συγκόλλησης επαφής.
Εναλλακτικά, εάν ο χρόνος είναι πολύ μεγάλος, μπορεί να εμφανιστεί υπέρταση μετά από διακοπή για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα από ό, τι μπορούν να ανεχθούν οι απαγωγείς υπερτάσεων οδηγώντας σε βλάβη στους απαγωγείς. Ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε για τη μέτρηση αυτής της χρονικής παραμέτρου σε όλο το φάσμα των επιτρεπόμενων ανοχών κατασκευής και υπό ποικίλες περιβαλλοντικές συνθήκες.
Λειτουργία διακόπτη γείωσης
Μια άλλη ικανότητα που αποδείχθηκε ήταν ότι η λειτουργία λειτουργίας του διακόπτη γείωσης δεν επηρεάστηκε από τον διακόπτη κατά τη διακοπή του μέγιστου ονομαστικού ρεύματος σφάλματος. Υπό ορισμένες συνθήκες, ο διακόπτης κενού μπορεί να μην καθαρίσει το σφάλμα στο πρώτο ρεύμα μηδέν μετά από έναν κύριο βρόχο, αλλά διακόπτει μετά τον επόμενο δευτερεύοντα βρόχο. Η δοκιμή έδειξε ότι ο διακόπτης γείωσης εκτελεί αυτό το καθήκον χωρίς συγκόλληση επαφής.
Οφέλη για τα αιολικά πάρκα
Όταν ανοίγει ο διακόπτης μέσης τάσης, το σύστημα χάνει τη σύνδεση γείωσης μεταξύ του διακόπτη ανοιχτού κυκλώματος και της πλευράς μέσης τάσης του μετασχηματιστή LV/MV.
Όπως περιγράφηκε προηγουμένως, η τάση στις υγιείς φάσεις αυξάνεται έως και 1,73 PU καθώς οι ανεμογεννήτριες συνεχίζουν να τροφοδοτούν το σύστημα. Αυτή η υψηλή τάση λειτουργεί σαν μια μόνιμη δοκιμή hi-pot, η οποία είναι ιδιαίτερα δύσκολη για τους απαγωγείς υπερτάσεων. Μεγάλες περίοδοι σε αυτήν την υπερβολική τάση μπορούν να μειώσουν τη διάρκεια ζωής ή ακόμη και να βλάψουν τους απαγωγείς υπερτάσεων. Δεδομένου ότι η απώλεια της αναφοράς γείωσης οδηγεί σε αυτά τα προβλήματα, η αποκατάσταση μιας σύνδεσης γείωσης μπορεί να τα εξαλείψει.
Η συμβατική εναλλακτική λύση στη χρήση ενός διακόπτη γείωσης, όπως περιγράφεται σε αυτό το έγγραφο, θα ήταν να χρησιμοποιήσετε έναν μετασχηματιστή γείωσης. Αυτός ο μετασχηματιστής θα συνδεθεί στην πλευρά Β του διακόπτη MV και θα ρυθμιστεί έτσι ώστε κατά την κανονική λειτουργία να έχει υψηλή αντίσταση στη γείωση, αλλά κατά τη διάρκεια σφάλματος γραμμής-γείωσης παρέχει μια διαδρομή χαμηλής σύνθετης αντίστασης για το ρεύμα σφάλματος.
Τα μειονεκτήματα της χρήσης μετασχηματιστή γείωσης είναι το κόστος εγκατάστασης και συντήρησης του εξοπλισμού και οι περιβαλλοντικοί κίνδυνοι που σχετίζονται με διαρροές. Αν και ο μετασχηματιστής γείωσης πρέπει να είναι μόνο περίπου το 5% του μεγέθους του συνδεδεμένου φορτίου, αυτό μπορεί ακόμα να απαιτεί μετασχηματιστή στην περιοχή MVA. Επιπλέον, τα καλώδια που συνδέονται με τον μετασχηματιστή γείωσης προσθέτουν σημαντική δαπάνη. Τέλος, το κόστος συντήρησης του μετασχηματιστή, ιδιαίτερα για μετασχηματιστές με μόνωση πετρελαίου, μπορεί να είναι σημαντικό κατά τη διάρκεια ζωής του αιολικού πάρκου.
Συγκριτικά, ένας διακόπτης κυκλώματος με ενσωματωμένο διακόπτη γείωσης είναι μια σχετικά απλή συσκευή, που είναι πολύ παρόμοια με έναν συμβατικό διακόπτη κυκλώματος στο σχεδιασμό και την κατασκευή. Η ενσωμάτωση ενός διακόπτη γείωσης σε έναν διακόπτη κυκλώματος συνδυάζει τις δυνατότητες ανίχνευσης σφαλμάτων με τη γείωση κυκλώματος, γεγονός που απλοποιεί την εγκατάσταση και τη λειτουργία του συστήματος.
Μάθετε περισσότερα για τους διακόπτες μέσης τάσης
Ο σχεδιασμός της οικογένειας διακοπτών τύπου SDV7 παρουσιάζει σημαντική μείωση του μεγέθους του περιβλήματος σε σύγκριση με τα προηγούμενα μοντέλα και, κατά συνέπεια, στο συνολικό αποτύπωμα. Η σειρά προϊόντων τύπου SDV7 περιλαμβάνει τις ομάδες τάσης 15,5 kV, 17,5 kV, 27,6 kV και 38,0 kV. Κάθε ομάδα έχει σχεδιαστεί ειδικά για να βελτιστοποιεί το χώρο και το υλικό για την κατηγορία τάσης διατηρώντας παράλληλα κοινά χαρακτηριστικά σε ολόκληρη τη σειρά προϊόντων.