Gyorsan működő földelő kapcsolók szélerőművekben: Előnyök
A gyors működésű földelő kapcsolók beépítése az áramköri megszakítókba ötvözi a hibajelzést az áramkör földelésével, a telepítés, a működés és a védelem koordinációjának egyszerűsítésével.
A javulás motivációja
Egy tipikus létesítményben az alacsony feszültségű (LV) áramforrást (azaz szélturbina-generátorok N csoportját tartalmazó szélerőmű) a nagyfeszültségű (HV) hálózathoz csatlakozik az 1. ábrán látható módon. Minden szélturbina kisfeszültség/közepes feszültségű (LV/MV) fokozattranszformátorral rendelkezik, és a szélturbina-generátorok minden csoportját MV megszakítóval (MV CB) csatlakoztatják a HV/MV alállomás buszához.
A legtöbb berendezésben a HV/MV transzformátor mindkét semleges része szilárdan földelt. Emiatt a túlfeszültség-levezetőkkel való szigetelés koordinációja a hálózat MV oldalának és HV oldalának szilárdan földelt semleges rendszerein alapul. Földelési hiba esetén az LV/MV fokozattranszformátor és az MV megszakító között (az MV megszakító „B” oldala az 1. ábrán), a megszakító kinyitása leválasztja az áramkört a hálózatról.
Ez az áramkör talajreferenciáját is eltávolítja, miközben a szélturbina-generátorok forgó tehetetlenségük miatt továbbra is működnek. Az LV/MV fokozattranszformátor tekercseinek delta-csatlakozása miatt az MV oldalon a fázis—földfeszültség az érintett fázisokban az eredeti érték 1,73-szorosa álló feszültségre emelkedik. A helyhez kötött feszültség elérése előtt az elszigetelt adagoló kapacitása miatt még nagyobb értékű átmeneti túlfeszültségek is várhatók.
A kihívás - és a megoldás
Ezek a túlfeszültségek károsíthatják a berendezés kitett alkatrészeit (azaz túlfeszültség-levezetőket, kábeleket stb.). Ezt kerülni kell annak ellenére, hogy a vákuummegszakítók velejáró TOV és RRRV képessége segíthet csökkenteni vagy kiküszöbölni a további alkatrészek szükségességét, például túlfeszültség-kondenzátorok fokozott csillapításhoz, csillapító kondenzátorok stb.
A feltétel elkerülésére az előnyben részesített megoldás egy gyorsföldelő kapcsoló (GS) használata az MV megszakítóval kombinálva. A földelőkapcsolót az adott megszakító „B” oldalán helyezzük el, hogy közvetlenül a megszakító nyitott működése után (2. ábra) zárja be a földelőkapcsolót az áramkör földeléséhez.
A földelő kapcsoló bezárása után az elszigetelt adagoló által meghajtott hibaáram áramlik, miközben a szélturbina továbbra is energiát termel. Ennek a hibaáramnak az értéke azonban kisebb lesz, mint a hálózatból elérhető egyfázisú hibaáram. Ezért a földelőkapcsoló névleges értéke alacsonyabb lehet, mint a megszakító névleges rövidzárlati áramát.
Két kulcsfontosságú szempont, amelyet figyelembe kell venni
A megszakító kinyitása és a földelőkapcsoló bezárása közötti időkülönbség meghatározásakor két kulcsfontosságú elemet kell figyelembe venni:
- Az egyfázisú hiba megszakítása után a túlfeszültség emelkedésének sebessége miatt az időkülönbségnek rövidnek kell lennie.
- A földelőkapcsoló bezárása akkor történik, amikor a megszakító kiürítette az egyfázisú hibaáramot, még hosszú ívelési idő alatt is (a legrosszabb helyzet: aszimmetrikus, egyfázisú hiba).
Mindkét körülmény megfelelő lefedése érdekében a megszakító érintkezőinek érintkező része és a földelőkapcsoló érintkezőinek érintkezése közötti időkülönbséget 12—16 ms tartományban kell tartani.
A mechanikus kapcsolat
A vákuummegszakító egy időjárásálló házba szerelt kezelőmodulból áll, amelynek tetőperselyei az elsődleges áramköri csatlakozásokhoz a tetején, az alján pedig egy sorkapcsapka a földelési csatlakozáshoz. A kezelő áramköri csatlakozói rézbusz emelőkkel vannak csatlakoztatva a perselyekhez, míg a földelő csatlakozók egy rövidítő rézbuszrúddal vannak összekötve, amely szintén csatlakozik a földelő sorkapcshoz.
A kezelőmodulnak három pólusa van, mindegyik vákuummegszakítókkal és elsődleges szigetelőkkel van felszerelve egy közös működtető mechanizmus házhoz. Mindegyik oszlop négy öntött gyanta szigetelővel van rögzítve egy oszloprögzítő csatornához. A szigetelők csatlakoznak a kezelő és a földelő kapcsoló rögzített végű pólusfejekhez, valamint a mozgó végű csatlakozódobozhoz is, amely viszont támogatja a vákuummegszakítót.
A kezelőmechanizmus, valamint az összes vezérlő- és működtető eszköz a mechanizmus házba van felszerelve. A mechanizmus rugótároló energiatípusú, és mechanikusan és elektromosan egyaránt mentes. A megszakító vákuummegszakító rögzített érintkezőit a felső rögzített végű pólusfejekhez csavarozzák, míg a vákuummegszakítók mozgó érintkezővégei a csatlakozódobozhoz vannak rögzítve.
Ugyanez a csatlakozódoboz van rögzítve a földelőkapcsoló vákuummegszakítójához, mozgó érintkezési végekhez, a rögzített végű pólusfejekkel a megszakítók rögzített érintkezési végéhez csatlakoztatva. Ez az elrendezés stabilizálja a megszakítókat az oldalirányú erőkkel szemben a csatlakozódobozon lévő központosító gyűrűkkel.
Érvényesítés az ipari szabványoknak megfelelő tervezési teszteléssel
A megoldás érvényesítéséhez nemcsak a szükséges kulcselemek minősítési tesztjeit végezték (pl. megszakító és földelő kapcsoló teszteket), hanem további vizsgálatokat is végeztek a két elem kombinációjára összpontosítva.
Megszakítási képesség
Az oldat megszakító részének megszakítási képességét mind az IEC 62271-100, mind az IEEE Std C37.09 szabványnak megfelelően teszteltük 50 Hz-en 2,6 teljesítménytényezővel, hogy a hosszabb ívelkedési idő miatt a legrosszabb körülmények között is értékeljék a teljesítményt. Az áram emelkedési szögében marginális különbség van röviddel az áram nulla és a megszakítás előtt. A vákuummegszakítókkal történő megszakítás esetén azonban ez a hatás jelentéktelen.
A teljesítmény egyéb aspektusai
A megszakító teljesítményének egyéb aspektusainak bemutatására szolgáló legrosszabb paramétereket, mint például a kábeltöltés, a folyamatos áram, a dielektromos, valamint az elektromos és mechanikai állóképesség egyaránt, hasonlóan választották ki mindkét szabvány közül.
Az oldat földelő kapcsoló részét mind az IEC 62271-102, mind az IEEE Std C37.20.4 szabványnak megfelelően teszteltük hasonló módon, ahol a legrosszabb esetben alkalmazták a legrosszabb paramétereket. Mivel a megszakító és a földelő kapcsoló közvetlenül kapcsolódik, a földelő kapcsoló mechanikai állóképességi tesztjét 10 000 ciklussal végeztük el, hogy megfeleljen az M2 megszakító besorolásának. A földelő kapcsoló esetében ez a feladat ötszörösen meghaladja a szokásos követelményt.
Hőmérséklet tesztelés
Ezenkívül a földelő kapcsolót ugyanazon alacsony hőmérsékletű tesztnek vetették alá, hogy mínusz 50° C-ig (mínusz 58° F) teljesítményt mutassuk be.
Kombinált tesztek
A vonatkozó iparági szabványoknak megfelelő tervezési tesztek befejezése után további vizsgálatokat végeztek a kombináció teljesítményének bizonyítására. A legkritikusabb teszt igazolta a megszakító kinyitása és a földelő kapcsoló bezárása közötti időzítést.
Időparaméterek mérése
A megszakító érintkezőinek érintkező része és a földelőkapcsoló érintkezőinek érintkezése közötti idő kulcsfontosságú a kombináció megfelelő működéséhez. Ha az idő túl kicsi, előfordulhat, hogy a hibaáram nem szakad meg a földelő kapcsoló bezárása előtt, és bár a földelő kapcsoló igény szerint bezáródik, előfordulhat, hogy az érintkezési hegesztés miatt nem nyílik meg újra.
Alternatív megoldásként, ha az idő túl hosszú, a megszakítás utáni túlfeszültség hosszabb ideig léphet fel, mint amennyit a túlfeszültség-levezetők képesek elviselni, ami a levezetők károsodásához vezet. Különös figyelmet fordítottak arra, hogy ezt az időparamétert a megengedett gyártási tűrések teljes tartományában és különféle környezeti feltételek mellett mérjék.
Földelő kapcsoló működési feladata
Egy másik bizonyított képesség az volt, hogy a földelő kapcsoló működési feladatát a megszakító nem befolyásolta a maximális névleges hibaáram megszakításakor. Bizonyos körülmények között előfordulhat, hogy a vákuummegszakító nem törli a hibát a nagyobb hurok után az első áramnullánál, de a következő kisebb hurok után megszakad. A vizsgálat kimutatta, hogy a földelő kapcsoló ezt a feladatot érintkezési hegesztés nélkül végzi.
A szélerőművek előnyei
Amikor a középfeszültségű megszakító kinyílik, a rendszer elveszíti a földelési kapcsolatot a nyitott megszakító és az LV/MV transzformátor közepes feszültségű oldala között.
Amint azt korábban leírtuk, az egészséges fázisokban a feszültség akár 1,73 PU-ra nő, mivel a szélturbinák továbbra is energiát juttatnak a rendszerbe. Ez a nagyfeszültség állandó hi-pot tesztként működik, ami különösen nehéz a túlfeszültség-levezetők számára. A túlzott feszültség hosszú időtartama lerövidítheti az élettartamot, vagy akár károsíthatja a túlfeszültség-levezetőket. Mivel a talajreferencia elvesztése ezekhez a problémákhoz vezet, a földkapcsolat helyreállítása kiküszöbölheti azokat.
A földelő kapcsoló használatának hagyományos alternatívája, amint azt ebben a cikkben leírtuk, helyette földelő transzformátor használata lenne. Ezt a transzformátort az MV megszakító B oldalán kell csatlakoztatni, és úgy kell beállítani, hogy normál működés közben nagy impedanciával rendelkezzen a talajhoz, de a vonal-föld hiba esetén alacsony impedanciás utat biztosítson a hibaáram számára.
A földelő transzformátor használatának hátrányai a berendezés telepítési és karbantartási költségei, valamint a kiömléssel kapcsolatos környezeti kockázatok. Bár a földelő transzformátornak csak nagyjából 5% -ának kell lennie a csatlakoztatott terhelés méretének, ehhez továbbra is szükség lehet egy MVA tartományban lévő transzformátorra. Ezenkívül a földelő transzformátorhoz csatlakoztatott kábelek jelentős költségeket jelentenek. Végül, a transzformátor karbantartása, különösen az olajszigetelt transzformátorok esetében, a szélerőmű élettartama alatt jelentős költségek lehetnek.
Összehasonlításképpen: az integrált földelő kapcsolóval ellátott megszakító viszonylag egyszerű eszköz, tervezésben és kivitelben nagyon hasonlít a hagyományos megszakítóhoz. A földelő kapcsoló beépítése megszakítóba ötvözi a hibaérzékelési képességeket az áramköri földeléssel, ami leegyszerűsíti a rendszer telepítését és működését.
Tudjon meg többet középfeszültségű megszakítóinkról
Az SDV7 típusú megszakítócsalád kialakítása jelentősen csökkenti a burkolat méretét a korábbi modellekhez képest, következésképpen a teljes lábnyomot. Az SDV7 típusú termékcsalád a 15,5 kV, 17,5 kV, 27,6 kV és 38,0 kV feszültségcsoportokat foglalja magában. Mindegyik csoportot kifejezetten úgy tervezték, hogy optimalizálja a helyet és az anyagot a feszültségosztály számára, miközben megtartja a közös jellemzőket a teljes termékcsaládon belül.