風力発電所の高速接地スイッチ：利点
高速動作の接地スイッチを回路ブレーカーに統合することで、障害検出と回路の接地を組み合わせて、設置、運用、保護の調整を合理化します。
改善する動機
一般的な設備では、図1に示すように、低電圧（LV）電源（つまり、Nグループの風力タービン発電機を備えた風力発電所）は高電圧（HV）グリッドに接続されています。各風力タービンには低電圧/中電圧（LV/MV）昇圧変圧器があり、風力タービン発電機の各グループはMVサーキットブレーカー（MV CB）を介してHV/MV変電所のバスに接続されています。
ほとんどの設備では、HV/MV変圧器の両方のニュートラルがしっかりと接地されています。このため、サージアレスタとの絶縁調整は、グリッドのMV側とHV側のしっかり接地されたニュートラルシステムに基づいています。LV/MV昇圧トランスとMVサーキットブレーカー（図1のMVサーキットブレーカーの「B」側）の間に地絡が発生した場合、このサーキットブレーカーを開くと回路がグリッドから切り離されます。
これにより、風力タービン発電機が回転慣性により稼働し続けている間、その回路の接地基準も削除されます。MV側のLV/MV昇圧トランスの巻線がデルタ接続されているため、影響を受けていない相の相から接地への電圧は、元の値の1.73倍の定常電圧に上昇します。定常電圧に達する前に、絶縁フィーダーの静電容量により、さらに高い値の一時的な過電圧も予想されます。
課題と解決策
これらの過電圧は、設備の露出したコンポーネント（サージアレスタ、ケーブルなど）を損傷する可能性があります。真空遮断器に固有のTOVおよびRRRV機能により、ダンピングを強化するためのサージコンデンサ、ダンピングコンデンサなどの追加コンポーネントの必要性を減らすか、なくすことができますが、これは避けなければなりません。
この状態を回避するための推奨ソリューションは、高速接地スイッチ（GS）とMVサーキットブレーカーを組み合わせて使用することです。接地スイッチはそれぞれの回路ブレーカーの「B」側に配置され、回路ブレーカーが開いた直後に接地スイッチを閉じて回路を接地します（図2）。
接地スイッチを閉じた後、風力タービンが発電を続けると、絶縁されたフィーダーによって障害電流が流れます。ただし、この障害電流の値は、グリッドから供給される単相障害電流よりも小さくなります。したがって、接地スイッチの定格は、回路ブレーカーの定格短絡電流よりも低くなる可能性があります。
考慮すべき2つの重要な項目
サーキットブレーカーが開いてから接地スイッチが閉まるまでの時間差を定義する際には、2つの重要な項目を考慮する必要があります。
- 単相障害の中断後の過電圧の上昇率のため、時間差は短いはずです。
- 接地スイッチの閉鎖は、回路ブレーカーが単相障害電流をクリアしたときに発生します。アーキング時間が長くなると（最悪の状況：非対称の単相障害）。
両方の状況を適切にカバーするには、回路ブレーカーの接点の接触部分と接地スイッチ接点の接触部の時間差を12〜16ミリ秒の範囲に保つ必要があります。
メカニカルリンク
真空回路ブレーカーは、上部に一次回路接続用のルーフブッシュ、下部に接地接続用の端子パッドを備えた耐候性エンクロージャーに取り付けられたオペレーターモジュールで構成されています。オペレーターの回路端子は銅バスライザーでブッシングに接続され、接地端子は接地端子パッドにも接続されているショート銅バスバーで接続されます。
オペレーターモジュールには3本の極があり、それぞれに真空遮断器と一次絶縁体が共通の操作機構ハウジングに取り付けられています。各ポールは、4つのキャスト樹脂絶縁体によってポール取り付けチャネルに接続されています。絶縁体は、オペレーターと接地スイッチの固定端ポールヘッド、および真空遮断器を支える可動端コネクタボックスにも接続します。
操作機構とすべての制御装置と作動装置は、機構ハウジングに取り付けられています。メカニズムはバネ貯蔵エネルギータイプで、機械的にも電気的にもトリップフリーです。サーキットブレーカーの真空遮断器の固定接点は上部の固定端ポールヘッドにボルトで固定され、真空遮断器の可動接点端はコネクタボックスに取り付けられます。
接地スイッチの真空遮断器にも同じコネクタボックスが取り付けられており、固定端のポールヘッドは遮断器の固定接点端に接続されています。この配置は、コネクタボックスのセンタリングリングを介して、横方向の力に対して遮断器を安定させます。
業界標準への設計テストによる検証
ソリューションを検証するために、必要な主要要素（サーキットブレーカーと接地スイッチのテストなど）の認定テストだけでなく、2つの要素の組み合わせに焦点を当てた追加テストも実施されました。
割り込み機能
ソリューションのサーキットブレーカー部分の遮断機能は、IEC 62271-100とIEEE Std C37.09の両方に従って、アーキング時間が長くなることによる最悪の状況での性能を評価するために、50 Hz、2.6の力率でテストされました。電流がゼロになって遮断される直前に、電流の立ち上がり角にわずかな違いがあります。ただし、真空遮断器を使用して中断した場合、この影響はわずかです。
パフォーマンスの他の側面
ケーブル充電、連続電流、誘電体、電気的および機械的耐久性など、サーキットブレーカーの性能の他の側面を実証するための最悪のパラメータは、両方の規格から同様に選択されました。
ソリューションの接地スイッチ部分は、最悪の場合のパラメータを使用した場合と同様に、IEC 62271-102とIEEE Std C37.20.4の両方に従ってテストされました。サーキットブレーカーと接地スイッチは直接リンクしているので、接地スイッチの機械的耐久試験は、サーキットブレーカーのM2定格に合わせて10,000サイクルで行われました。接地スイッチの場合、この負荷は通常の要件を5倍上回ります。
温度テスト
さらに、接地スイッチも同じ低温テストを受けて、マイナス50°C（マイナス58°F）までの性能を実証しました。
コンビネーションテスト
関連する業界標準に従った設計テストが完了した後、組み合わせの性能を実証するための追加テストが行われました。最も重要なテストは、回路ブレーカーが開いてから接地スイッチが閉じるまでのタイミングを検証しました。
時間パラメータの測定
サーキットブレーカーの接点の接触部分と接地スイッチ接点の接触の間の時間は、組み合わせが正しく機能するために重要です。設計時間が短すぎると、接地スイッチが閉じる前に障害電流が遮断されないことがあります。接地スイッチは必要に応じて閉じますが、接地溶接により再び開かないことがあります。
また、時間が長すぎると、遮断後の過電圧がサージアレスタが許容できる時間を超えて発生し、避雷器が損傷する可能性があります。この時間パラメータは、製造上の許容誤差の範囲全体にわたって、さまざまな環境条件下で測定するように特別な注意が払われました。
接地スイッチの操作義務
実証されたもう1つの機能は、最大定格障害電流を遮断しても、接地スイッチの動作デューティが回路ブレーカーの影響を受けないということでした。特定の条件下では、真空遮断器はメジャーループの後の最初の電流ゼロで障害を解消せず、次のマイナーループの後に遮断することがあります。テストでは、接地スイッチが接触溶接なしでこの役割を果たすことが実証されました。
風力発電所にとってのメリット
中電圧回路ブレーカーが開くと、システムは開回路ブレーカーとLV/MV変圧器の中電圧側との間の接地接続を失います。
先に説明したように、風力タービンがシステムに電力を供給し続けると、健全期の電圧は1.73 PUまで上昇します。この高電圧は恒久的なハイポットテストのように機能しますが、これはサージアレスタでは特に難しいです。この高電圧が長時間続くと、寿命が短くなったり、サージアレスタが損傷したりする可能性があります。接地リファレンスを失うとこれらの問題が発生するので、接地接続を復元することで問題を解決できます。
このホワイトペーパーで説明したように、接地スイッチを使用する従来の代替手段は、代わりに接地変圧器を使用することです。この変圧器は、MV回路ブレーカーのB側に接続し、通常の動作ではグランドへのインピーダンスが高くなりますが、ラインからグラウンドへの障害時には、障害電流の低インピーダンス経路を提供するように設定します。
接地用変圧器を使用する場合の欠点は、機器の設置とメンテナンスのコストと、流出に伴う環境リスクです。接地用変圧器は接続負荷のサイズの約5％で十分ですが、それでもMVA範囲の変圧器が必要になる場合があります。さらに、接地用変圧器に接続されているケーブルにはかなりの費用がかかります。最後に、変圧器のメンテナンス、特に油絶縁変圧器の場合、風力発電所の寿命全体にわたって多額の費用がかかる可能性があります。
それに比べて、接地スイッチが組み込まれたサーキットブレーカーは比較的シンプルなデバイスで、設計と構造が従来のサーキットブレーカーと非常によく似ています。接地スイッチを回路ブレーカーに統合すると、障害検出機能と回路接地機能が組み合わされ、システムの設置と運用が簡単になります。
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タイプSDV7ファミリーのサーキットブレーカーの設計は、以前のモデルと比較してエンクロージャーのサイズが大幅に縮小され、その結果、全体的な設置面積も小さくなっています。SDV7タイプの製品ラインには、15.5kV、17.5kV、27.6kV、38.0kVの電圧グループが含まれます。各グループは、製品ライン全体に共通する機能を維持しながら、電圧クラスに合わせてスペースと材質を最適化するように特別に設計されています。
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