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풍력 발전 단지에서 빠르게 작동하는 접지 스위치: 이점

빠르게 작동하는 접지 스위치를 회로 차단기에 통합하면 오류 감지와 회로 접지가 결합되어 설치, 작동 및 보호 조정이 간소화돼요.

A wind turbine with a large rotor blade is standing on a grassy field in Germany.

발전하려는 동기가 있어요.

일반적인 설치에서는 그림 1처럼 저전압 (LV) 전원 (즉, N 그룹의 풍력 터빈 발전기가 있는 풍력 발전 단지) 이 고전압 (HV) 그리드에 연결돼요.각 풍력 터빈에는 저전압/중전압 (LV/MV) 승압 변압기가 있고 각 풍력 터빈 발전기 그룹은 MV 회로 차단기 (MV CB) 를 통해 HV/MV 변전소의 버스에 연결돼요.

대부분의 설치에서 HV/MV 변압기의 중성선 둘 다 단단히 접지돼요.이 때문에 서지 방지기와의 절연 조정은 전력망의 MV 쪽과 HV 쪽의 견고하게 접지된 중립 시스템을 기반으로 해요.LV/MV 승압 변압기와 MV 회로 차단기 (그림 1의 MV 회로 차단기 “B” 쪽) 사이에 접지 오류가 발생한 경우, 이 회로 차단기를 열면 계통 연결이 끊깁니다.

이렇게 하면 풍력 터빈 발전기가 회전 관성으로 계속 작동하는 동안 해당 회로의 접지 기준도 제거돼요.MV 측 LV/MV 승압 변압기 권선의 델타 연결 때문에 영향을 받지 않는 위상의 상 대 접지 전압이 원래 값의 1.73배인 정상 전압으로 상승해요.절연 공급 장치의 커패시턴스 때문에 정상 전압에 도달하기 전에는 일시적인 과전압이 더 많이 발생할 수도 있어요.

A wind turbine is standing on a grassy field with a clear blue sky in the background.

당면 과제—그리고 해결책

이러한 과전압은 설비의 노출된 부품 (예: 서지 어레스터, 케이블 등) 을 손상시킬 수 있어요.진공 차단기의 고유한 TOV 및 RRRV 기능이 댐핑 증가를 위한 서지 커패시터, 댐핑 커패시터 등과 같은 추가 부품의 필요성을 줄이거나 없애는 데 도움이 될 수 있지만 이런 상황은 피해야 해요.

이런 상황을 피하기 위해 선호되는 해결책은 고속 접지 스위치 (GS) 를 MV 회로 차단기와 함께 사용하는 거예요.접지 스위치는 각 회로 차단기 “B”쪽에 있어 회로 차단기 (그림 2) 를 연 후 바로 접지 스위치를 닫아 회로를 접지해요.

접지 스위치를 닫으면 풍력 터빈이 계속 전력을 생산하면서 절연 피더에 의해 고장 전류가 흐를 거예요.하지만 이 고장 전류 값은 전력망에서 사용할 수 있는 단상 고장 전류보다 작을 거예요.따라서 접지 스위치 정격이 회로 차단기의 정격 단락 전류보다 낮을 수 있어요.

Person in black shirt and hat holding a camera, casting a shadow on a white wall behind them.

고려해야 할 두 가지 핵심 항목

회로 차단기 열기와 접지 스위치 닫기 사이의 시간 차이를 정의할 때 두 가지 핵심 항목을 고려해야 해요.

단상 고장 중단 후 과전압 상승 속도 때문에 시간 차이가 짧을 거예요.
긴 아크 시간에도 회로 차단기가 단상 고장 전류를 제거하면 접지 스위치가 닫힙니다 (최악의 경우: 비대칭, 단상 고장).

두 상황을 모두 적절하게 다루려면 회로 차단기 접점 접점 부분과 접지 스위치 접점 접촉 간의 시간 차이를 12~16밀리초 범위로 유지해야 해요.

A diagram showing the benefits of a wind farm grounding switch in a distribution circuit breaker.

기계식 링크

진공 회로 차단기는 비바람에 견디는 인클로저에 설치된 작동 모듈로 구성되어 있고 상단에는 1차 회로 연결용 루프 부싱이 있고 하단에 접지 연결용 터미널 패드가 있어요.오퍼레이터의 회로 단자는 구리 버스 라이저로 부싱에 연결되고 접지 단자는 접지 단자 패드에도 연결된 단락 구리 버스 바와 함께 연결돼요.

오퍼레이터 모듈에는 세 개의 극이 있는데, 각 기둥에는 진공 차단기와 1차 절연체가 공통 작동 메커니즘 하우징에 장착되어 있어요.각 기둥은 네 개의 캐스트 수지 절연체로 폴 마운팅 채널에 부착돼요.절연체는 또한 오퍼레이터와 접지 스위치 고정단 폴 헤드에 연결되고 진공 차단기를 지원하는 무빙 엔드 커넥터 박스에도 연결돼요.

작동 메커니즘과 모든 제어 및 작동 장치가 메커니즘 하우징에 설치되어 있어요.그 메커니즘은 스프링 저장 에너지 방식이고 기계적으로나 전기적으로 트립이 없어요.회로 차단기 진공 차단기 고정 접점은 상단 고정단 폴 헤드에 볼트로 고정되고 진공 차단기의 움직이는 접점 끝은 커넥터 박스에 연결돼요.

접지 스위치 진공 차단기에 동일한 커넥터 박스가 부착되어 있고 접점 끝이 차단기의 고정 접점 끝에 연결되고 고정단 극 헤드가 차단기의 고정 접점 끝에 연결되어 있어요.이 배열은 커넥터 박스의 센터링 링을 통해 발생하는 횡력으로부터 차단기를 안정화해요.

A short circuit test setup with a device connected to a power source, showing a close-up of the device's terminals and wires.

산업 표준에 따른 설계 테스트를 통한 검증

솔루션을 검증하려면 핵심 요소에 대한 자격 테스트 (예: 회로 차단기 및 접지 스위치 테스트) 가 필요했을 뿐만 아니라 두 요소의 조합에 초점을 맞춘 추가 테스트도 수행했어요.

The image shows a graph illustrating the benefits of a wind farm grounding switch in testing peak and short-time current.

인터럽트 기능

솔루션의 회로 차단기 부분의 차단 기능은 50Hz에서 IEC 62271-100과 IEEE Std C37.09에 따라 2.6 역률로 테스트되어 아크 시간이 길어져 최악의 상황에서도 성능을 평가했어요.전류 영점 직전 전류의 상승 각도와 중단에는 미미한 차이가 있어요.하지만 진공 차단기를 사용하여 중단하는 경우, 이 영향은 미미해요.

성능의 다른 측면들

케이블 충전, 연속 전류, 유전체, 전기 및 기계적 내구성 같은 회로 차단기 성능의 다른 측면을 시연하기 위한 최악의 파라미터도 두 표준에서 비슷하게 선택됐어요.

솔루션의 접지 스위치 부분은 최악의 파라미터를 사용한 것과 비슷한 방식으로 IEC 62271-102와 IEEE Std C37.20.4에 따라 테스트됐어요.회로 차단기와 접지 스위치가 직접 연결되어 있기 때문에 접지 스위치의 기계적 내구성 테스트를 10,000회 사이클로 수행하여 회로 차단기 M2 등급에 맞췄어요.접지 스위치의 경우, 이 의무는 보통 요구 사항을 5배 초과해요.

A wind farm with grounding switches and a high and low temperature test setup.

온도 테스트

게다가 접지 스위치도 동일한 저온 테스트를 거쳐 영하 50°C (영하 58°F) 까지의 성능을 입증했어요.

A person is closing a door with a key in their hand.

콤비네이션 테스트

관련 업계 표준에 따른 설계 테스트가 완료된 후, 조합의 성능을 입증하기 위한 추가 테스트가 수행되었어요.가장 중요한 테스트로 회로 차단기 열림과 접지 스위치 닫기 사이의 타이밍을 검증했어요.

시간 파라미터 측정

회로 차단기 접점의 접점 부분과 접지 스위치 접점의 접촉 사이의 시간은 조합이 제대로 작동하는 데 매우 중요해요.시간을 너무 짧게 설계하면 접지 스위치가 닫히기 전에 고장 전류가 차단되지 않을 수 있고 필요에 따라 접지 스위치가 닫히더라도 접점 용접으로 인해 다시 열리지 않을 수 있어요.

아니면 시간이 너무 길면 방해 후 과전압이 서지 피뢰기가 견딜 수 있는 시간보다 오래 발생해서 피뢰기가 손상될 수도 있어요.다양한 환경 조건에서 허용 제조 허용 오차 전체 범위에서 이 시간 매개변수를 측정하기 위해 특별히 주의를 기울였어요.

The image shows a graph of current measured commuting from the grid into the ground via a grounding switch in a wind farm.

접지 스위치 작동 의무

입증된 또 다른 기능은 접지 스위치 작동 의무가 최대 정격 고장 전류를 차단할 때 회로 차단기의 영향을 받지 않는다는 거예요.특정 상황에서는 진공 차단기가 메이저 루프 후 첫 번째 전류 0에서는 결함을 제거하지 못하고 다음 마이너 루프 이후에는 인터럽트할 수 있어요.테스트 결과 접지 스위치가 접점 용접 없이 이 역할을 하는 것으로 나타났어요.

Person in black shirt standing against white wall, holding a dark object with blurred background.

풍력 발전 단지의 이점

중전압 회로 차단기가 열리면 시스템은 개방 회로 차단기와 LV/MV 변압기의 중전압 측 사이의 접지 연결이 끊어져요.

앞서 설명했듯이 풍력 터빈이 시스템에 계속 전력을 공급함에 따라 정상 단계의 전압은 최대 1.73PU까지 증가해요.이 고전압은 영구적인 하이팟 테스트처럼 작동하는데, 서지 어레스터에서는 특히 어려워요.이렇게 과도한 전압에 장기간 노출되면 수명이 단축되거나 서지 어레스터가 손상될 수 있어요.접지 레퍼런스가 손실되면 이런 문제가 발생하기 때문에 접지 연결을 복원하면 문제를 해결할 수 있어요.

이 백서에 설명된 대로 접지 스위치를 사용하는 일반적인 대안은 접지 변압기를 대신 사용하는 거예요.이 트랜스포머는 MV 회로 차단기 B쪽에 연결되어 정상 작동 중에는 접지 임피던스가 높지만 선간 고장 시에는 고장 전류에 낮은 임피던스 경로가 제공되도록 설정돼요.

접지 변압기 사용의 단점은 장비 설치 및 유지 비용이 들고 유출로 인한 환경적 위험이에요.접지 변압기가 접속 부하 크기의 약 5% 밖에 안 되더라도 여전히 MVA 범위의 변압기가 필요할 수 있어요.게다가 접지 변압기에 연결된 케이블은 상당한 비용을 추가해요.마지막으로, 변압기 유지 관리, 특히 오일 절연 변압기의 경우 풍력 발전 단지 수명 기간 동안 비용이 많이 들 수 있어요.

그에 비해 접지 스위치가 내장된 회로 차단기는 비교적 간단한 장치이고 설계와 구성 면에서 기존 회로 차단기와 매우 비슷해요.접지 스위치를 회로 차단기에 통합하면 고장 감지 기능과 회로 접지가 결합되어 시스템 설치와 작동이 간소화돼요.

A diagram of a substation showing various circuit breakers and electrical components.

저희 중전압 회로 차단기에 대해 더 알아보기

SDV7형 회로 차단기 제품군의 설계는 이전 모델에 비해 인클로저 크기를 크게 줄여 결과적으로 전체 설치 면적을 줄였어요.타입 SDV7 제품군에는 15.5 kV, 17.5 kV, 27.6 kV 및 38.0 kV의 전압 그룹이 포함돼요.각 그룹은 전체 제품라인의 공통 기능을 유지하면서 전압 등급에 맞게 공간과 재료를 최적화하도록 특별히 설계되었어요.

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