Hurtigvirkende jordingsbrytere i vindparker: Fordeler

Motivasjonen til å forbedre

I en typisk installasjon er lavspent (LV) kraftkilden (dvs. vindpark med N-grupper av vindturbingeneratorer) koblet til høyspenningsnettet (HV), som vist i figur 1. Hver vindturbin har en lavspenning/mellomspenning (LV/MV) opptrappingstransformator, og hver gruppe vindturbingeneratorer er koblet via en MV effektbryter (MV CB) til bussen til HV/MV-transformatorstasjonen.

I de fleste installasjoner er begge nøytralene til HV/MV-transformatoren solid jordet. På grunn av dette er isolasjonskoordinasjonen med overspenningsavlederne basert på de solid jordede nøytrale systemene for MV-siden og HV-siden av gitteret. I tilfelle en jordfeil mellom LV/MV-opptrappingstransformatoren og MV-bryteren (side «B» av MV-bryteren i figur 1), vil åpning av denne effektbryteren koble kretsen fra nettet.

Dette vil også fjerne jordreferansen for den kretsen mens vindturbingeneratorene fortsetter å operere på grunn av deres roterende treghet. På grunn av delta-tilkoblingen av viklingene til LV/MV-opptrappingstransformatoren på MV-siden, vil fase-til-jord-spenningen i de upåvirkede fasene stige til en stasjonær spenning på 1,73 ganger den opprinnelige verdien. Før den stasjonære spenningen er nådd, kan det på grunn av kapasitansene til den isolerte materen også forventes midlertidige overspenninger med en enda høyere verdi.

Utfordringen — og løsningen

Disse overspenningene kan skade eksponerte komponenter i installasjonen (dvs. overspenningsavledere, kabler osv.). Dette må unngås selv om den iboende TOV- og RRRV-evnen til vakuumavbryterne kan bidra til å redusere eller eliminere behovet for tilleggskomponenter, som overspenningskondensatorer for økt demping, dempekondensatorer, etc.

Den foretrukne løsningen for å unngå denne tilstanden er bruken av en hurtigjordingsbryter (GS) i kombinasjon med MV-bryteren. Jordingsbryteren er plassert på siden «B» av den respektive strømbryteren for å lukke jordingsbryteren rett etter åpen drift av strømbryteren (figur 2) for å jorde kretsen.

Etter lukking av jordingsbryteren vil feilstrømmen strømme drevet av den isolerte materen når vindturbinen fortsetter å generere strøm. Verdien av denne feilstrømmen vil imidlertid være mindre enn den enfasede feilstrømmen som er tilgjengelig fra rutenettet. Derfor kan jordingsbryterens vurdering være lavere enn den nominelle kortslutningsstrømmen til strømbryteren.

To viktige elementer å vurdere

To viktige elementer må vurderes når du definerer tidsforskjellen mellom åpning av strømbryteren og lukking av jordingsbryteren:

• På grunn av stigningshastigheten til overspenningen etter et avbrudd av enfasefeilen, bør tidsforskjellen være kort.
• Lukking av jordingsbryteren skal skje når strømbryteren har fjernet enfaset feilstrøm, selv i lange lysbuetider (verste tilfelle: asymmetrisk, enfaset feil).

For å dekke begge omstendighetene tilstrekkelig, bør en tidsforskjell mellom kontaktdelen av effektbryterkontaktene og kontaktberøringen av jordingsbryterkontaktene holdes i området 12 til 16 ms.

Den mekaniske lenken

Vakuumbryteren består av en operatørmodul installert i et værbestandig kabinett med takbøsninger for primærkretsforbindelser på toppen og en terminalpute for en jordforbindelse på bunnen. Operatørens kretsterminaler er koblet til gjennomføringene med kobberbusstigerør mens jordingsklemmene er koblet sammen med en kortsluttende kobberbussstang som også er koblet til jordingsterminalputen.

Operatørmodulen har tre poler, hver med sine vakuumavbrytere og primære isolatorer montert på et felles betjeningsmekanismehus. Hver pol er festet til en stolpmonteringskanal med fire støpte harpiksisolatorer. Isolatorene kobles også til operatør- og jordbryterens faste polhoder og til koblingsboksen med bevegelig ende som igjen støtter vakuumavbryteren.

Betjeningsmekanismen og alle kontroll- og aktiveringsanordningene er installert i mekanismehuset. Mekanismen er av fjærlagret energitypen og er både mekanisk og elektrisk utløpsfri. De faste kontaktene til strømbryterens vakuumavbrytere er boltet til de øvre polhodene med fast ende mens de bevegelige kontaktendene til vakuumavbryterne er festet til koblingsboksen.

Den samme koblingsboksen er festet til jordbryterens vakuumavbryterens bevegelige kontaktender med polhodene med fast ende koblet til de faste kontaktendene på avbryterne. Dette arrangement stabiliserer avbryterne mot sidekrefter via sentreringsringer på koplingsboksen.

Validering via designtesting til bransjestandarder

For å validere løsningen ble det ikke bare nødvendig med kvalifikasjonstester for nøkkelelementene (dvs. effektbryter- og jordingsbrytertester), men også ytterligere tester fokusert på kombinasjonen av de to elementene ble utført.

Avbrytende evne

Avbrytelsesevnen til kretsbryterdelen av løsningen ble testet i samsvar med både IEC 62271-100 og IEEE Std C37.09 ved 50 Hz med en effektfaktor på 2,6 for å evaluere ytelsen under de verste omstendighetene på grunn av lengre lysbuetider. Det er en marginal forskjell i stigningsvinkelen til strømmen kort tid før strøm null og avbrudd. For avbrudd ved bruk av vakuumavbrytere er denne effekten imidlertid ubetydelig.

Andre aspekter av ytelse

De verste mulige parametrene for å demonstrere andre aspekter av effektbryterens ytelse, som kabellading, kontinuerlig strøm, dielektrisk og både elektrisk og mekanisk utholdenhet, ble på samme måte valgt fra begge standarder.

Jordingsbryterdelen av løsningen ble testet i samsvar med både IEC 62271-102 og IEEE Std C37.20.4 på lignende måte der parametrene i verste fall ble brukt. Siden effektbryteren og jordingsbryteren er direkte koblet, ble den mekaniske utholdenhetstesten til jordingsbryteren utført med 10.000 sykluser for å matche effektbryteren M2-klassifisering. For jordingsbryteren overstiger denne plikten det vanlige kravet med en faktor på fem.

Temperaturtesting

I tillegg ble jordingsbryteren utsatt for den samme lavtemperaturtesten for å demonstrere ytelse ned til minus 50° C (minus 58° F).

Kombinasjonstester

Etter at designtestene i samsvar med relevante industristandarder var fullført, ble det utført ytterligere tester for å demonstrere ytelsen til kombinasjonen. Den mest kritiske testen validerte timingen mellom åpningen av strømbryteren og lukking av jordingsbryteren.

Måling av tidsparametere

Tiden mellom kontaktdelen av effektbryterkontaktene og kontaktberøring av jordingsbryterkontaktene er avgjørende for at kombinasjonen skal fungere riktig. Hvis tiden er designet for liten, kan det hende at feilstrømmen ikke blir avbrutt før jordingsbryteren lukkes, og selv om jordingsbryteren lukkes etter behov, kan det hende at den ikke åpnes igjen på grunn av kontaktsveising.

Alternativt, hvis tiden er for lang, kan en overspenning etter avbrudd forekomme lenger enn overspenningsavlederne kan tåle, noe som fører til skade på avlederne. Spesiell forsiktighet ble tatt for å måle denne tidsparameteren over hele spekteret av tillatte produksjonstoleranser og under en rekke miljøforhold.

Jordingsbryterens driftsfunksjon

En annen evne som ble demonstrert var at jordingsbryterens driftsfunksjon ikke ble påvirket av effektbryteren når den maksimale nominelle feilstrømmen ble avbrutt. Under visse betingelser kan vakuumavbryteren ikke fjerne feilen ved den første strøm null etter en hovedsløyfe, men avbryter etter neste mindre sløyfe. Testingen viste at jordingsbryteren utfører denne oppgaven uten kontaktsveising.

Fordeler med vindparker

Når mellomspenningsbryteren åpnes, mister systemet jordforbindelsen mellom den åpne effektbryteren og mellomspenningssiden av LV/MV-transformatoren.

Som beskrevet tidligere øker spenningen i de sunne fasene til så mye som 1,73 PU ettersom vindturbinene fortsetter å sette strøm inn i systemet. Denne høyspenningen fungerer som en permanent hi-pot-test, noe som er spesielt vanskelig for overspenningsavledere. Lange perioder med denne overdrevne spenningen kan forkorte levetiden eller til og med skade overspenningsavlederne. Siden tapet av jordreferansen fører til disse problemene, kan gjenoppretting av en jordforbindelse eliminere dem.

Det konvensjonelle alternativet til å bruke en jordingsbryter, som beskrevet i denne artikkelen, ville være å bruke en jordingstransformator i stedet. Denne transformatoren vil være koblet på B-siden av MV-bryteren og satt opp slik at den under normal drift har en høy impedans til jord, men under en linje-til-jord-feil gir en lavimpedansbane for feilstrømmen.

Ulempene med å bruke en jordingstransformator er installasjons- og vedlikeholdskostnadene til utstyret og miljørisikoen forbundet med søl. Selv om jordingstransformatoren bare trenger å være omtrent 5% av størrelsen på den tilkoblede belastningen, kan dette fortsatt kreve en transformator i MVA-området. I tillegg legger kablene som er koblet til jordingstransformatoren, en betydelig kostnad. Til slutt kan vedlikeholdskostnadene av transformatoren, spesielt for oljeisolerte transformatorer, være betydelige i løpet av vindparkens levetid.

Til sammenligning er en effektbryter med en integrert jordingsbryter en relativt enkel enhet, som er veldig lik en konvensjonell effektbryter i design og konstruksjon. Integrering av en jordingsbryter i en effektbryter kombinerer feildeteksjonsfunksjonene med kretsjording, noe som forenkler installasjonen og driften av systemet.

Lær mer om våre mellomspenningsbrytere

Utformingen av typen SDV7-serien av effektbrytere har en betydelig reduksjon i kabinettstørrelse sammenlignet med tidligere modeller og følgelig i det totale fotavtrykket. Produktlinjen av typen SDV7 omfatter spenningsgruppene 15,5 kV, 17,5 kV, 27,6 kV og 38,0 kV. Hver gruppe er spesielt designet for å optimalisere plass og materiale for spenningsklassen, samtidig som de beholder felles funksjoner over hele produktlinjen.

Lær mer >