Snelwerkende aardingsschakelaars in windparken: voordelen

De motivatie om te verbeteren

In een typische installatie is de laagspanningsbron (LV) (d.w.z. een windpark met N-groepen windturbinegeneratoren) aangesloten op het hoogspanningsnet (HV), zoals weergegeven in figuur 1. Elke windturbine heeft een laagspannings- en middenspanningstransformator (LV/MV) en elke groep windturbinegeneratoren is via een MV-stroomonderbreker (MV CB) verbonden met de bus van het HV/MV-substation.

In de meeste installaties zijn beide neutralen van de HV/MV-transformator stevig geaard. Daarom is de coördinatie van de isolatie met de overspanningsbeveiligingen gebaseerd op de stevig geaarde neutrale systemen voor de MV-zijde en de HV-zijde van het elektriciteitsnet. In het geval van een aardlek tussen de LV/MV-transformator en de MV-stroomonderbreker (kant „B” van de MV-stroomonderbreker in figuur 1), wordt het circuit losgekoppeld van het elektriciteitsnet als u deze stroomonderbreker opent.

Hierdoor wordt ook de grondreferentie voor dat circuit verwijderd terwijl de windturbinegeneratoren blijven werken vanwege hun roterende inertie. Door de delta-aansluiting van de wikkelingen van de LV/MV-step-up transformator aan de MV-zijde zal de fase-naar-aardspanning in de niet-beïnvloede fasen stijgen tot een stationaire spanning van 1,73 keer de oorspronkelijke waarde. Voordat de stationaire spanning is bereikt, kunnen vanwege de capaciteiten van de geïsoleerde voeding ook tijdelijke overspanningen met een nog hogere waarde worden verwacht.

De uitdaging — en de oplossing

Deze overspanningen kunnen schade toebrengen aan blootgestelde onderdelen van de installatie (zoals overspanningsbeveiligingen, kabels, enz.). Dit moet worden vermeden, ook al kan de inherente TOV- en RRRV-capaciteit van de vacuümonderbrekers helpen om de behoefte aan extra componenten te verminderen of te elimineren, zoals overspanningscondensatoren voor verhoogde demping, dempingscondensatoren, enz.

De beste oplossing om deze situatie te vermijden is het gebruik van een snelle aardingsschakelaar (GS) in combinatie met de MV-stroomonderbreker. De aardingsschakelaar is aan de kant „B” van de betreffende stroomonderbreker geplaatst om de aardingsschakelaar te sluiten direct na de open werking van de stroomonderbreker (figuur 2) om het circuit te aarden.

Na het sluiten van de aardingsschakelaar zal er foutstroom vloeien, aangedreven door de geïsoleerde aanvoer, terwijl de windturbine stroom blijft genereren. De waarde van deze foutstroom zal echter lager zijn dan de enkelfasige foutstroom die beschikbaar is op het elektriciteitsnet. Daarom kan de nominale waarde van de aardingsschakelaar lager zijn dan de nominale kortsluitstroom van de stroomonderbreker.

Twee belangrijke punten om te overwegen

Bij het bepalen van het tijdsverschil tussen het openen van de stroomonderbreker en het sluiten van de aardingsschakelaar moet rekening worden gehouden met twee belangrijke punten:

• Vanwege de snelheid waarmee de overspanning stijgt na een onderbreking van de enkelfasige fout, zou het tijdsverschil kort moeten zijn.
• De aardingsschakelaar moet worden gesloten wanneer de stroomonderbreker de enkelfasige foutstroom heeft verwijderd, zelfs bij lange boogtijden (in het ergste geval: asymmetrische, enkelfasige fout).

Om aan beide omstandigheden voldoende tegemoet te komen, moet een tijdsverschil tussen het contactgedeelte van de contacten van de stroomonderbreker en de contactaanraking van de contacten van de aardingsschakelaar binnen het bereik van 12 tot 16 ms worden gehouden.

De mechanische link

De vacuümstroomonderbreker bestaat uit een bedieningsmodule die is geïnstalleerd in een weerbestendige behuizing met dakbussen voor aansluitingen op het primaire circuit aan de bovenkant en een klemmenblok voor een aardingsaansluiting aan de onderkant. De circuitklemmen van de operator zijn verbonden met de bussen met koperen busverhogers, terwijl de aardingsklemmen zijn verbonden met een koperen kortsluitrail die ook is aangesloten op het aardingsterminalpad.

De bedieningsmodule heeft drie polen, elk met vacuümonderbrekers en primaire isolatoren die zijn gemonteerd op een behuizing van een gemeenschappelijk bedieningsmechanisme. Elke pool is bevestigd aan een montagekanaal voor palen door middel van vier isolatoren van giethars. De isolatoren kunnen ook worden aangesloten op de vaste poolkoppen van de operator en de grondschakelaar en op de aansluitdoos met bewegend uiteinde die op zijn beurt de vacuümonderbreker ondersteunt.

Het bedieningsmechanisme en alle bedienings- en bedieningsapparaten zijn geïnstalleerd in de behuizing van het mechanisme. Het mechanisme is van het type met opgeslagen veerenergie en is zowel mechanisch als elektrisch uitschakelvrij. De vaste contacten van de vacuümonderbreker van de stroomonderbreker zijn met bouten bevestigd aan de bovenste poolkoppen met vast uiteinde, terwijl de bewegende contacteinden van de vacuümonderbrekers op de aansluitdoos zijn bevestigd.

Dezelfde aansluitdoos is bevestigd aan de vacuümonderbreker van de aardschakelaar. De bewegende contacteinden zijn met de poolkoppen met vast uiteinde verbonden met de vaste contacteinden van de onderbrekers. Deze opstelling stabiliseert de onderbrekers tegen zijdelingse krachten via centreerringen op de connectordoos.

Validatie via ontwerptests volgens industriestandaarden

Om de oplossing te valideren, werden niet alleen kwalificatietests uitgevoerd voor de belangrijkste elementen (zoals tests voor stroomonderbrekers en aardingsschakelaars), maar werden ook aanvullende tests uitgevoerd die gericht waren op de combinatie van de twee elementen.

Onderbrekingsvermogen

De onderbrekingscapaciteit van het stroomonderbrekergedeelte van de oplossing werd getest in overeenstemming met zowel IEC 62271-100 als IEEE Std C37.09 bij 50 Hz met een vermogensfactor 2,6 om de prestaties in het slechtste geval te evalueren als gevolg van langere boogtijden. Er is een marginaal verschil in de stijghoek van de stroom kort voor de stroomonderbreking en de stroomonderbreking. Voor onderbrekingen met behulp van vacuümonderbrekers is dit effect echter niet significant.

Andere aspecten van prestaties

De parameters in het slechtste geval om andere aspecten van de prestaties van de stroomonderbreker aan te tonen, zoals opladen via de kabel, continue stroom, diëlektricum en zowel elektrische als mechanische duurzaamheid, werden op dezelfde manier gekozen uit beide standaarden.

Het gedeelte van de oplossing met de aardingsschakelaar werd getest in overeenstemming met zowel IEC 62271-102 als IEEE Std C37.20.4, op vergelijkbare wijze waarbij de parameters in het slechtste geval werden gebruikt. Aangezien de stroomonderbreker en de aardingsschakelaar rechtstreeks met elkaar verbonden zijn, werd de mechanische duurzaamheidstest van de aardingsschakelaar uitgevoerd met 10.000 cycli om overeen te komen met de M2-classificatie van de stroomonderbreker. Voor de aardingsschakelaar overschrijdt deze belasting de gebruikelijke vereiste met een factor vijf.

Temperatuurtests

Bovendien werd de aardingsschakelaar aan dezelfde test bij lage temperaturen onderworpen om de prestaties aan te tonen tot min 50 °C (min 58 °F).

Combinatietests

Nadat de ontwerptests volgens de relevante industrienormen waren voltooid, werden aanvullende tests uitgevoerd om de prestaties van de combinatie aan te tonen. De meest kritieke test bevestigde het tijdstip tussen het openen van de stroomonderbreker en het sluiten van de aardingsschakelaar.

Tijdparameters meten

De tijd tussen het contactgedeelte van de contacten van de stroomonderbreker en de contactaanraking van de contacten van de aardingsschakelaar is cruciaal voor de goede werking van de combinatie. Als de tijd te kort is, wordt de foutstroom mogelijk niet onderbroken voordat de aardingsschakelaar wordt gesloten, en hoewel de aardingsschakelaar naar behoefte wordt gesloten, wordt deze mogelijk niet opnieuw geopend vanwege contactlassen.

Als alternatief, als de tijd te lang is, kan na een onderbreking een overspanning optreden die langer duurt dan de overspanningsbeveiligingen kunnen verdragen, wat kan leiden tot schade aan de afleiders. Speciale aandacht werd besteed aan het meten van deze tijdsparameter over het volledige bereik van toegestane productietoleranties en onder verschillende omgevingsomstandigheden.

Functie voor gebruik van de aardingsschakelaar

Een andere mogelijkheid die werd aangetoond, was dat de werking van de aardingsschakelaar niet werd beïnvloed door de stroomonderbreker bij het onderbreken van de maximale nominale foutstroom. Onder bepaalde omstandigheden is het mogelijk dat de vacuümonderbreker de fout niet verhelpt bij de eerste stroomnul na een grote lus, maar onderbreekt deze na de volgende kleine lus. Uit de tests is gebleken dat de aardingsschakelaar deze taak uitvoert zonder contactlassen.

Voordelen voor windparken

Wanneer de middenspanningsschakelaar wordt geopend, verliest het systeem de aardverbinding tussen de open stroomonderbreker en de middenspanningszijde van de LV/MV-transformator.

Zoals eerder beschreven, stijgt de spanning in de gezonde fasen tot maar liefst 1,73 PU naarmate de windturbines stroom blijven leveren aan het systeem. Deze hoogspanning werkt als een permanente hi-pot-test, die bijzonder moeilijk is voor overspanningsbeveiligingen. Langdurige periodes bij deze te hoge spanning kunnen de levensduur verkorten of zelfs de overspanningsbeveiligingen beschadigen. Aangezien het verlies van de aardreferentie tot deze problemen leidt, kan het herstellen van een aardverbinding deze problemen verhelpen.

Het conventionele alternatief voor het gebruik van een aardingsschakelaar, zoals beschreven in dit artikel, zou zijn om in plaats daarvan een aardingstransformator te gebruiken. Deze transformator zou aan de B-kant van de MV-stroomonderbreker worden aangesloten en zo worden ingesteld dat hij bij normaal gebruik een hoge impedantie heeft ten opzichte van de aarde, maar tijdens een fout van lijn naar aarde een pad met lage impedantie biedt voor de foutstroom.

De nadelen van het gebruik van een aardingstransformator zijn de installatie- en onderhoudskosten van de apparatuur en de milieurisico's die gepaard gaan met lekkages. Hoewel de aardingstransformator slechts ongeveer 5% van de grootte van de aangesloten belasting hoeft te zijn, kan hiervoor nog steeds een transformator in het MVA-bereik nodig zijn. Bovendien brengen de kabels die zijn aangesloten op de aardingstransformator aanzienlijke kosten met zich mee. Tot slot kunnen de kosten voor het onderhoud van de transformator, met name voor oliegeïsoleerde transformatoren, aanzienlijk zijn gedurende de levensduur van het windpark.

Ter vergelijking: een stroomonderbreker met een geïntegreerde aardingsschakelaar is een relatief eenvoudig apparaat, dat qua ontwerp en constructie sterk lijkt op een conventionele stroomonderbreker. De integratie van een aardingsschakelaar in een stroomonderbreker combineert de foutdetectiemogelijkheden met de aarding van het circuit, wat de installatie en bediening van het systeem vereenvoudigt.

Meer informatie over onze middenspanningsstroomonderbrekers

Het ontwerp van de stroomonderbrekers uit de SDV7-familie heeft een aanzienlijke verkleining van de behuizing ten opzichte van eerdere modellen tot gevolg gehad, wat betekent dat de totale omvang van de behuizing aanzienlijk kleiner is. De productlijn van het type SDV7 omvat de spanningsgroepen 15,5 kV, 17,5 kV, 27,6 kV en 38,0 kV. Elke groep is specifiek ontworpen om ruimte en materiaal te optimaliseren voor de spanningsklasse, met behoud van de gemeenschappelijke kenmerken van de hele productlijn.

⇒ Meer informatie >