Interruttori di messa a terra ad azione rapida nei parchi eolici: vantaggi
L'integrazione degli interruttori di messa a terra ad azione rapida negli interruttori automatici combina il rilevamento dei guasti con la messa a terra del circuito, semplificando l'installazione, il funzionamento e il coordinamento della protezione.
La motivazione a migliorare
In un'installazione tipica, la fonte di energia a bassa tensione (BT) (cioè un parco eolico con N gruppi di generatori di turbine eoliche) è collegata alla rete ad alta tensione (HV), come mostrato nella Figura 1. Ogni turbina eolica ha un trasformatore elevatore a bassa tensione/media tensione (LV/MV) e ogni gruppo di generatori eolici è collegato tramite un interruttore automatico MV (MV CB) al bus della sottostazione HV/MV.
Nella maggior parte delle installazioni, entrambi i neutri del trasformatore HV/MV sono saldamente collegati a terra. Per questo motivo, il coordinamento dell'isolamento con gli scaricatori di sovratensione si basa sui sistemi neutri con solida messa a terra per il lato MV e il lato HV della rete. In caso di guasto a terra tra il trasformatore elevatore LV/MV e l'interruttore automatico MV (lato «B» dell'interruttore MV nella Figura 1), l'apertura di questo interruttore disconnetterà il circuito dalla rete.
Ciò rimuoverà anche il riferimento di terra per quel circuito mentre i generatori delle turbine eoliche continuano a funzionare a causa della loro inerzia rotante. Grazie alla connessione delta degli avvolgimenti del trasformatore elevatore LV/MV sul lato MV, la tensione fase-terra nelle fasi non interessate salirà a una tensione fissa di 1,73 volte il valore originale. Prima che venga raggiunta la tensione stazionaria, a causa delle capacità dell'alimentatore isolato, ci si possono aspettare anche sovratensioni temporanee con un valore ancora più elevato.
La sfida e la soluzione
Queste sovratensioni possono danneggiare i componenti esposti dell'impianto (ad esempio scaricatori di sovratensione, cavi, ecc.). Questo deve essere evitato anche se la capacità intrinseca di TOV e RRRV degli interruttori a vuoto può aiutare a ridurre o eliminare la necessità di componenti aggiuntivi, come condensatori di sovratensione per un maggiore smorzamento, condensatori di smorzamento, ecc.
La soluzione preferita per evitare questa condizione è l'uso di un interruttore di messa a terra rapida (GS) in combinazione con l'interruttore automatico MV. L'interruttore di messa a terra è posizionato sul lato «B» del rispettivo interruttore automatico per chiudere l'interruttore di messa a terra direttamente dopo il funzionamento aperto dell'interruttore automatico (Figura 2) per mettere a terra il circuito.
Dopo la chiusura dell'interruttore di messa a terra, la corrente di guasto fluirà guidata dall'alimentatore isolato mentre la turbina eolica continua a generare energia. Tuttavia, il valore di questa corrente di guasto sarà inferiore alla corrente di guasto monofase disponibile dalla rete. Pertanto, la potenza nominale dell'interruttore di messa a terra può essere inferiore alla corrente nominale di cortocircuito dell'interruttore automatico.
Due elementi chiave da considerare
Due elementi chiave devono essere considerati quando si definisce la differenza di tempo tra l'apertura dell'interruttore automatico e la chiusura dell'interruttore di messa a terra:
- A causa della velocità di aumento della sovratensione dopo un'interruzione del guasto monofase, la differenza di tempo dovrebbe essere breve.
- La chiusura dell'interruttore di messa a terra avviene quando l'interruttore automatico ha eliminato la corrente di guasto monofase, anche per lunghi tempi di arco (situazione peggiore: guasto asimmetrico, monofase).
Per coprire adeguatamente entrambe le circostanze, una differenza di tempo tra la parte di contatto dei contatti dell'interruttore automatico e il contatto a contatto dei contatti dell'interruttore di messa a terra deve essere mantenuta nell'intervallo da 12 a 16 ms.
Il collegamento meccanico
L'interruttore automatico a vuoto è costituito da un modulo operatore installato in un involucro resistente alle intemperie con boccole sul tetto per i collegamenti del circuito primario nella parte superiore e una morsettiera per una connessione di messa a terra nella parte inferiore. I terminali del circuito dell'operatore sono collegati alle boccole con montanti bus in rame mentre i terminali di messa a terra sono collegati tra loro con una barra collettrice in rame in cortocircuito che è anche collegata alla morsettiera di messa a terra.
Il modulo operatore ha tre poli, ciascuno con i suoi interruttori a vuoto e isolatori primari montati su un alloggiamento del meccanismo operativo comune. Ogni palo è fissato a un canale di montaggio su palo da quattro isolatori in resina colata. Gli isolatori si collegano anche alle teste polari fisse dell'operatore e dell'interruttore di terra e alla scatola dei connettori con estremità mobile che a sua volta supporta l'interruttore a vuoto.
Il meccanismo di comando e tutti i dispositivi di controllo e azionamento sono installati nell'alloggiamento del meccanismo. Il meccanismo è del tipo a energia immagazzinata a molla e non inciampa sia meccanicamente che elettricamente. I contatti fissi dell'interruttore a vuoto dell'interruttore automatico sono imbullonati alle teste dei poli fissi superiori mentre le estremità mobili dei contatti degli interruttori a vuoto sono fissate alla scatola dei connettori.
La stessa scatola di connettori è collegata all'interruttore di terra dell'interruttore a vuoto che sposta le estremità dei contatti con le teste polari ad estremità fissa collegate alle estremità di contatto fisse degli interruttori. Questa disposizione stabilizza gli interruttori contro le forze laterali tramite anelli di centraggio sulla scatola dei connettori.
Convalida tramite test di progettazione secondo gli standard del settore
Per convalidare la soluzione, non solo sono stati richiesti test di qualificazione per gli elementi chiave (ad esempio, test sugli interruttori automatici e sugli interruttori di messa a terra), ma sono stati eseguiti anche test aggiuntivi incentrati sulla combinazione dei due elementi.
Capacità di interruzione
La capacità di interruzione della parte con interruttore automatico della soluzione è stata testata in conformità con IEC 62271-100 e IEEE Std C37.09 a 50 Hz con un fattore di potenza di 2,6 per valutare le prestazioni nelle condizioni peggiori a causa di tempi di arco più lunghi. C'è una differenza marginale nell'angolo di salita della corrente poco prima dello zero della corrente e dell'interruzione. Tuttavia, per l'interruzione mediante interruttori a vuoto, questo effetto è insignificante.
Altri aspetti delle prestazioni
I parametri peggiori per dimostrare altri aspetti delle prestazioni degli interruttori automatici, come la ricarica via cavo, la corrente continua, il dielettrico e la resistenza elettrica e meccanica, sono stati selezionati in modo simile da entrambi gli standard.
La parte relativa all'interruttore di messa a terra della soluzione è stata testata in conformità con IEC 62271-102 e IEEE Std C37.20.4 in modo simile, utilizzando i parametri peggiori. Poiché l'interruttore automatico e l'interruttore di messa a terra sono collegati direttamente, il test di resistenza meccanica dell'interruttore di messa a terra è stato eseguito con 10.000 cicli per corrispondere alla classificazione M2 dell'interruttore automatico. Per l'interruttore di messa a terra, questa funzione supera il normale requisito di cinque volte.
Test di temperatura
Inoltre, l'interruttore di messa a terra è stato sottoposto allo stesso test a bassa temperatura per dimostrare prestazioni fino a meno 50°C (meno 58°F).
Test combinati
Dopo il completamento dei test di progettazione in conformità con gli standard di settore pertinenti, sono stati eseguiti ulteriori test per dimostrare le prestazioni della combinazione. Il test più critico ha convalidato i tempi tra l'apertura dell'interruttore automatico e la chiusura dell'interruttore di messa a terra.
Misurazione dei parametri temporali
Il tempo che intercorre tra la parte di contatto dei contatti dell'interruttore automatico e il contatto dei contatti dell'interruttore di messa a terra è fondamentale per il corretto funzionamento della combinazione. Se il tempo è progettato troppo poco, la corrente di guasto non può essere interrotta prima della chiusura dell'interruttore di messa a terra e, sebbene l'interruttore di messa a terra si chiuda come richiesto, potrebbe non riaprirsi a causa della saldatura a contatto.
In alternativa, se il tempo è troppo lungo, dopo l'interruzione può verificarsi una sovratensione più a lungo di quanto gli scaricatori di sovratensione possano tollerare, con conseguenti danni agli scaricatori. È stata prestata particolare attenzione alla misurazione di questo parametro temporale nell'intera gamma di tolleranze di produzione consentite e in una varietà di condizioni ambientali.
Funzionamento dell'interruttore di messa a terra
Un'altra capacità dimostrata è stata che il funzionamento dell'interruttore di messa a terra non è stato influenzato dall'interruttore automatico durante l'interruzione della corrente di guasto nominale massima. In determinate condizioni, l'interruttore a vuoto potrebbe non risolvere il guasto al primo zero di corrente dopo un ciclo principale ma si interrompe dopo il ciclo minore successivo. I test hanno dimostrato che l'interruttore di messa a terra svolge questa funzione senza saldatura a contatto.
Vantaggi per i parchi eolici
Quando l'interruttore automatico di media tensione si apre, il sistema perde il collegamento di terra tra l'interruttore aperto e il lato di media tensione del trasformatore LV/MV.
Come descritto in precedenza, la tensione nelle fasi sane aumenta fino a 1,73 PU man mano che le turbine eoliche continuano a fornire energia al sistema. Questa alta tensione si comporta come un test hi-pot permanente, che è particolarmente duro per gli scaricatori di sovratensione. Lunghi periodi a questa tensione eccessiva possono ridurre la durata o addirittura danneggiare gli scaricatori di sovratensione. Poiché la perdita del riferimento di terra porta a questi problemi, il ripristino di una connessione di terra può eliminarli.
L'alternativa convenzionale all'utilizzo di un interruttore di messa a terra, come descritto in questo articolo, sarebbe utilizzare invece un trasformatore di messa a terra. Questo trasformatore dovrebbe essere collegato sul lato B dell'interruttore automatico MV e configurato in modo che durante il normale funzionamento abbia un'alta impedenza rispetto alla terra, ma durante un guasto da linea a terra fornisca un percorso a bassa impedenza per la corrente di guasto.
Gli svantaggi dell'utilizzo di un trasformatore di messa a terra sono i costi di installazione e manutenzione delle apparecchiature e i rischi ambientali associati alle fuoriuscite. Sebbene il trasformatore di messa a terra debba essere solo il 5% circa delle dimensioni del carico collegato, ciò può comunque richiedere un trasformatore nell'intervallo MVA. Inoltre, i cavi collegati al trasformatore di messa a terra comportano una spesa significativa. Infine, i costi di manutenzione del trasformatore, in particolare per i trasformatori isolati in olio, possono essere significativi nel corso della vita del parco eolico.
In confronto, un interruttore automatico con interruttore di messa a terra integrato è un dispositivo relativamente semplice, molto simile a un interruttore automatico convenzionale nel design e nella costruzione. L'integrazione di un interruttore di messa a terra in un interruttore automatico combina le funzionalità di rilevamento dei guasti con la messa a terra del circuito, il che semplifica l'installazione e il funzionamento del sistema.
Saperne di più sui nostri interruttori automatici a media tensione
Il design della famiglia di interruttori automatici di tipo SDV7 presenta una significativa riduzione delle dimensioni dell'involucro rispetto ai modelli precedenti e, di conseguenza, dell'ingombro complessivo. La linea di prodotti di tipo SDV7 comprende i gruppi di tensione 15,5 kV, 17,5 kV, 27,6 kV e 38,0 kV. Ogni gruppo è progettato specificamente per ottimizzare lo spazio e il materiale per la classe di tensione mantenendo le caratteristiche comuni all'intera linea di prodotti.