Interruptores de puesta a tierra de acción rápida en parques eólicos: Beneficios
La integración de interruptores de puesta a tierra de acción rápida en los disyuntores combina la detección de fallas con la conexión a tierra del circuito, la optimización de la instalación, la operación y la coordinación de protección.
La motivación para mejorar
En una instalación típica, la fuente de energía de bajo voltaje (LV) (es decir, un parque eólico con N grupos de generadores de turbinas eólicas) está conectada a la red de alto voltaje (HV), como se muestra en la Figura 1. Cada turbina eólica tiene un transformador elevador de baja voltaje/media tensión (LV/MV) y cada grupo de generadores de turbina eólica está conectado a través de un disyuntor MV (MV CB) al bus de la subestación HV/MV.
En la mayoría de las instalaciones, ambos neutrales del transformador HV/MV están sólidamente conectados a tierra. Debido a esto, la coordinación del aislamiento con los eliminadores de sobretensiones se basa en los sistemas neutros sólidamente conectados a tierra para el lado MV y el lado HV de la red. En caso de una falla a tierra entre el transformador elevador LV/MV y el disyuntor MV (lado “B” del disyuntor MV en la Figura 1), abrir este disyuntor desconectará el circuito de la red.
Esto también eliminará la referencia a tierra para ese circuito mientras los generadores de turbinas eólicas continúen funcionando debido a su inercia giratoria. Debido a la conexión delta de los devanados del transformador elevador LV/MV en el lado MV, el voltaje de fase a tierra en las fases no afectadas aumentará a un voltaje estacionario de 1,73 veces el valor original. Antes de que se alcance el voltaje estacionario, debido a las capacitancias del alimentador aislado, también se pueden esperar sobretensiones temporales con un valor aún mayor.
El desafío y la solución
Estos sobrevoltajes pueden dañar los componentes expuestos de la instalación (es decir, eliminadores de sobretensiones, cables, etc.). Esto debe evitarse aunque la capacidad inherente de TOV y RRRV de los interruptores de vacío puede ayudar a reducir o eliminar la necesidad de componentes adicionales, como condensadores de sobretensión para mayor amortiguación, condensadores de amortiguación, etc.
La solución preferida para evitar esta condición es el uso de un interruptor de puesta a tierra rápida (GS) en combinación con el disyuntor MV. El interruptor de puesta a tierra se coloca en el lado “B” del disyuntor respectivo para cerrar el interruptor de conexión a tierra directamente después de la operación abierta del disyuntor (Figura 2) para conectar a tierra el circuito.
Después de cerrar el interruptor de puesta a tierra, la corriente de falla fluirá impulsada por el alimentador aislado a medida que la turbina eólica continúe generando energía. Sin embargo, el valor de esta corriente de falla será menor que la corriente de falla monofásica disponible en la red. Por lo tanto, la clasificación del interruptor de conexión a tierra puede ser menor que la corriente de cortocircuito nominal del disyuntor.
Dos puntos clave a considerar
Se deben tener en cuenta dos elementos clave al definir la diferencia de tiempo entre la apertura del disyuntor y el cierre del interruptor de puesta a tierra:
- Debido a la tasa de aumento de la sobretensión después de una interrupción de la falla monofásica, la diferencia de tiempo debe ser corta.
- El cierre del interruptor de puesta a tierra se producirá cuando el disyuntor haya limpiado la corriente de falla monofásica, incluso durante largos tiempos de arcado (peor situación: falla asimétrica, monofásica).
Para cubrir ambas circunstancias adecuadamente, la diferencia de tiempo entre la parte de contacto de los contactos del disyuntor y el contacto de los contactos del interruptor de conexión a tierra debe mantenerse en el rango de 12 a 16 ms.
El eslabón mecánico
El disyuntor de vacío consiste en un módulo de operador instalado en una carcasa resistente a la intemperie con casquillos de techo para conexiones de circuito primario en la parte superior y una almohadilla de terminal para una conexión a tierra en la parte inferior. Los terminales del circuito del operador están conectados a los casquillos con elevadores de bus de cobre, mientras que los terminales de conexión a tierra están conectados junto con una barra colectora de cobre de cortocircuito que también está conectada a la almohadilla del terminal de conexión a tierra.
El módulo del operador tiene tres polos, cada uno con sus interruptores de vacío y aisladores primarios montados en una carcasa de mecanismo operativo común. Cada poste está conectado a un canal de montaje en poste mediante cuatro aisladores de resina fundida. Los aisladores también se conectan a los cabezales de polo de extremo fijo del operador y del interruptor de tierra y a la caja del conector de extremo móvil que a su vez soporta el interruptor de vacío.
El mecanismo operativo y todos los dispositivos de control y accionamiento están instalados en la carcasa del mecanismo. El mecanismo es del tipo de energía almacenada por resorte y no se dispara tanto mecánica como eléctricamente. Los contactos fijos del interruptor de vacío del disyuntor están atornillados a los cabezales de polo superior de extremo fijo mientras que los extremos de contacto móviles de los interruptores de vacío están conectados a la caja del conector.
La misma caja de conectores está conectada a los extremos de contacto móvil del interruptor de vacío del interruptor de tierra con los cabezales de polo de extremo fijo conectados a los extremos de contacto fijos de los interruptores. Esta disposición estabiliza los interruptores contra las fuerzas laterales a través de anillos de centrado en la caja del conector.
Validación mediante pruebas de diseño según los estándares de la industria
Para validar la solución, no solo se requirieron pruebas de calificación para los elementos clave (es decir, pruebas de disyuntor e interruptor de conexión a tierra) sino que también se realizaron pruebas adicionales centradas en la combinación de los dos elementos.
Capacidad de interrupción
La capacidad de interrupción de la parte del disyuntor de la solución se probó de acuerdo con IEC 62271-100 e IEEE Std C37.09 a 50 Hz con un factor de potencia de 2,6 para evaluar el rendimiento en las peores condiciones de los casos debido a tiempos de arceo más largos. Hay una diferencia marginal en el ángulo de subida de la corriente poco antes de la corriente cero y la interrupción. Sin embargo, para la interrupción usando interruptores de vacío, este efecto es insignificante.
Otros aspectos del desempeño
Los parámetros en el peor de los casos para demostrar otros aspectos del rendimiento del disyuntor, como carga por cable, corriente continua, dieléctrica y resistencia eléctrica y mecánica, se seleccionaron de manera similar de ambos estándares.
La porción del interruptor de puesta a tierra de la solución se probó de acuerdo con IEC 62271-102 e IEEE Std C37.20.4 de manera similar donde se usaron los peores parámetros de los casos. Dado que el disyuntor y el interruptor de conexión a tierra están directamente vinculados, la prueba de resistencia mecánica del interruptor de conexión a tierra se realizó con 10.000 ciclos para que coincidiera con la clasificación M2 del disyuntor. Para el interruptor de puesta a tierra, esta función excede el requisito habitual en un factor de cinco.
Prueba de temperatura
Además, el interruptor de puesta a tierra se sometió a la misma prueba de baja temperatura para demostrar un rendimiento de hasta menos 50° C (menos 58° F).
Pruebas de combinación
Después de que se completaron las pruebas de diseño de acuerdo con los estándares relevantes de la industria, se realizaron pruebas adicionales para demostrar el rendimiento de la combinación. La prueba más crítica validó la sincronización entre la apertura del disyuntor y el cierre del interruptor de puesta a tierra.
Medición de parámetros de tiempo
El tiempo entre la parte de contacto de los contactos del disyuntor y el contacto de contacto de los contactos del interruptor de puesta a tierra es crucial para el correcto funcionamiento de la combinación. Si el tiempo está diseñado demasiado pequeño, es posible que la corriente de falla no se interrumpa antes de que se cierre el interruptor de conexión a tierra y, aunque el interruptor de conexión a tierra se cerrará según sea necesario, es posible que no se vuelva a abrir debido a la soldadura por contacto.
Alternativamente, si el tiempo es demasiado largo, una sobretensión después de la interrupción puede ocurrir durante más tiempo del que los pararrayos pueden tolerar y provocar daños en los pararrayos. Se tuvo especial cuidado al medir este parámetro de tiempo en toda la gama de tolerancias de fabricación permitidas y bajo una variedad de condiciones ambientales.
Servicio de funcionamiento del interruptor de puesta a tierra
Otra capacidad demostrada fue que la función de funcionamiento del interruptor de puesta a tierra no se vio influenciada por el disyuntor al interrumpir la corriente de falla nominal máxima. Bajo ciertas condiciones, es posible que el interruptor de vacío no borre la falla en la primera corriente cero después de un bucle mayor, pero interrumpe después del siguiente bucle menor. Las pruebas demostraron que el interruptor de puesta a tierra realiza esta tarea sin soldadura por contacto.
Beneficios para los parques eólicos
Cuando se abre el disyuntor de media tensión, el sistema pierde la conexión a tierra entre el disyuntor abierto y el lado de media tensión del transformador LV/MV.
Como se describió anteriormente, el voltaje en las fases saludables aumenta hasta 1,73 PU a medida que las turbinas eólicas continúan poniendo energía en el sistema. Este alto voltaje actúa como una prueba permanente de alta olla, que es particularmente difícil para los pararrayos de sobretensión. Los períodos prolongados con este voltaje excesivo pueden acortar la vida útil o incluso dañar los pararrayos. Dado que la pérdida de la referencia a tierra conduce a estos problemas, restaurar una conexión a tierra puede eliminarlos.
La alternativa convencional al uso de un interruptor de puesta a tierra, como se describe en este documento, sería usar un transformador de puesta a tierra en su lugar. Este transformador se conectaría en el lado B del disyuntor MV y se configuraría de modo que durante el funcionamiento normal tenga una alta impedancia a tierra, pero durante una falla de línea a tierra proporcione una ruta de baja impedancia para la corriente de falla.
Las desventajas de usar un transformador de puesta a tierra son los costos de instalación y mantenimiento del equipo y los riesgos ambientales asociados con los derrames. Aunque el transformador de puesta a tierra debe ser solo aproximadamente el 5% del tamaño de la carga conectada, esto aún puede requerir un transformador en el rango MVA. Además, los cables conectados al transformador de puesta a tierra agregan un gasto significativo. Finalmente, los costos de mantenimiento del transformador, particularmente para transformadores con aislamiento de aceite, pueden ser significativos durante la vida útil del parque eólico.
En comparación, un disyuntor con un interruptor de conexión a tierra integral es un dispositivo relativamente simple, siendo muy similar a un disyuntor convencional en diseño y construcción. La integración de un interruptor de puesta a tierra en un disyuntor combina las capacidades de detección de fallas con la conexión a tierra del circuito, lo que simplifica la instalación y el funcionamiento del sistema.
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El diseño de la familia de disyuntores tipo SDV7 presenta una reducción significativa en el tamaño del gabinete en comparación con los modelos anteriores y, en consecuencia, en la huella general. La línea de productos tipo SDV7 abarca los grupos de voltaje 15,5 kV, 17,5 kV, 27,6 kV y 38,0 kV. Cada grupo está diseñado específicamente para optimizar el espacio y el material para la clase de voltaje, al tiempo que conserva las características comunes en toda la línea de productos.