Szybkodziałające przełączniki uziemiające w farmach wiatrowych: Korzyści
Integracja szybko działających przełączników uziemiających z wyłącznikami łączy wykrywanie usterek z uziemieniem obwodu, usprawniając instalację, obsługę i koordynację ochrony.
Motywacja do poprawy
W typowej instalacji źródło zasilania niskiego napięcia (NN) (tj. farma wiatrowa z grupami N generatorów turbin wiatrowych) jest podłączone do sieci wysokiego napięcia (HV), jak pokazano na rysunku 1. Każda turbina wiatrowa ma transformator niskiego napięcia/średniego napięcia (LV/MV), a każda grupa generatorów turbin wiatrowych jest podłączona za pomocą wyłącznika SN (MV CB) do magistrali podstacji HV/MV.
W większości instalacji oba neutralne transformatora HV/MV są solidnie uziemione. Z tego powodu koordynacja izolacji z ogranicznikami przepięć opiera się na solidnie uziemionych systemach neutralnych dla strony SN i po stronie HV sieci. W przypadku uszkodzenia uziemienia między transformatorem napięciowym LV/MV a wyłącznikiem SN (strona „B” wyłącznika SN na rysunku 1), otwarcie tego wyłącznika spowoduje odłączenie obwodu od sieci.
Spowoduje to również usunięcie odniesienia do uziemienia dla tego obwodu, podczas gdy generatory turbin wiatrowych będą nadal działać ze względu na ich obrotową bezwładność. Ze względu na połączenie delta uzwojeń transformatora skokowego LV/MV po stronie SN napięcie fazy do ziemi w niezmienionych fazach wzrośnie do napięcia stacjonarnego 1,73 razy więcej niż pierwotna wartość. Przed osiągnięciem napięcia stacjonarnego, ze względu na pojemności izolowanego podajnika, można również oczekiwać tymczasowych przepięć o jeszcze wyższej wartości.
Wyzwanie — i rozwiązanie
Te przepięcia mogą uszkodzić odsłonięte elementy instalacji (tj. ograniczniki przepięć, kable itp.). Należy tego unikać, mimo że nieodłączna zdolność TOV i RRRV przerywaczy próżniowych może pomóc zmniejszyć lub wyeliminować potrzebę stosowania dodatkowych komponentów, takich jak kondensatory przepięciowe do zwiększonego tłumienia, kondensatory tłumiące itp.
Preferowanym rozwiązaniem, aby uniknąć tego warunku, jest użycie przełącznika szybkiego uziemienia (GS) w połączeniu z wyłącznikiem SN. Przełącznik uziemiający jest umieszczony po stronie „B” odpowiedniego wyłącznika, aby zamknąć przełącznik uziemiający bezpośrednio po otwartym działaniu wyłącznika automatycznego (rysunek 2) w celu uziemienia obwodu.
Po zamknięciu uziemienia prąd awaryjny będzie płynął napędzany przez izolowany podajnik, ponieważ turbina wiatrowa nadal wytwarza energię. Jednak wartość tego prądu awaryjnego będzie mniejsza niż jednofazowy prąd awaryjny dostępny z sieci. Dlatego znamionowa przełącznika uziemiającego może być niższa niż znamionowy prąd zwarciowy wyłącznika.
Dwa kluczowe elementy do rozważenia
Przy określaniu różnicy czasu między otwarciem wyłącznika automatycznego a zamknięciem uziemienia należy wziąć pod uwagę dwie kluczowe elementy:
- Ze względu na szybkość wzrostu przepięcia po przerwaniu usterki jednofazowej różnica czasu powinna być krótka.
- Zamknięcie przełącznika uziemiającego następuje, gdy wyłącznik wyczyści jednofazowy prąd awaryjny, nawet przez długi czas łuku (najgorsza sytuacja: asymetryczna, jednofazowa awaria).
Aby odpowiednio pokryć obie okoliczności, różnicę czasu między stykową częścią styków wyłącznika a stykiem styków przełącznika uziemiającego powinna być utrzymywana w zakresie od 12 do 16 ms.
Łącznik mechaniczny
Wyłącznik próżniowy składa się z modułu operatora zainstalowanego w obudowie odpornej na warunki atmosferyczne z tulejami dachowymi do połączeń obwodów pierwotnych na górze i podkładki zaciskowej do połączenia uziemiającego na dole. Zaciski obwodowe operatora są połączone z tulejami za pomocą miedzianych pionów magistrali, podczas gdy zaciski uziemiające są połączone ze zwarcianą miedzianą szyną magistralną, która jest również połączona z listwą zaciskową uziemiającą.
Moduł operatora ma trzy bieguny, każdy z przerywnikami próżniowymi i izolatorami pierwotnymi zamontowanymi we wspólnej obudowie mechanizmu operacyjnego. Każdy słup jest przymocowany do kanału montażowego na słupie za pomocą czterech izolatorów z żywicy odlewanej. Izolatory łączą się również z głowicami słupów stałych operatora i przełącznika uziemiającego oraz do skrzynki złącza ruchomego, która z kolei obsługuje przerywnik próżniowy.
Mechanizm operacyjny oraz wszystkie urządzenia sterujące i uruchamiające są zainstalowane w obudowie mechanizmu. Mechanizm jest typu sprężynowego i jest wolny zarówno mechanicznie, jak i elektrycznie. Stałe styki wyłącznika próżniowego wyłącznika są przykręcane do górnych stałych głowic biegunów, podczas gdy ruchome końce styków przerywników próżniowych są przymocowane do skrzynki złącza.
Ta sama skrzynka złącza jest przymocowana do przerywacza próżniowego przełącznika uziemiającego, przesuwającego końce styków z głowicami słupów stałych połączonymi ze stałymi końcami styków przerywników. Ten układ stabilizuje przerywniki przed siłami bocznymi za pomocą pierścieni centrowych na skrzynce złącza.
Walidacja poprzez testowanie projektu zgodnie ze standardami branżowymi
Aby zweryfikować rozwiązanie, przeprowadzono nie tylko testy kwalifikacyjne dla kluczowych elementów (tj. testy wyłącznika i uziemienia), ale także dodatkowe testy skoncentrowane na połączeniu tych dwóch elementów.
Możliwość przerywania
Zdolność przerywania części wyłącznika automatycznego roztworu została przetestowana zgodnie z normą IEC 62271-100 i IEEE Std C37.09 przy 50 Hz ze współczynnikiem mocy 2,6 w celu oceny wydajności w najgorszych warunkach ze względu na dłuższy czas łuku. Istnieje krańcowa różnica w kącie wzrostu prądu na krótko przed zerem prądu i przerwą. Jednak w przypadku przerwania przy użyciu przerywaczy próżniowych efekt ten jest nieznaczny.
Inne aspekty wydajności
Najgorsze parametry do wykazania innych aspektów wydajności wyłącznika, takich jak ładowanie kabli, prąd ciągły, dielektryk oraz wytrzymałość elektryczna i mechaniczna, zostały podobnie wybrane z obu standardów.
Część uziemienia roztworu została przetestowana zgodnie z normą IEC 62271-102 i IEEE Std C37.20.4 w podobny sposób, gdzie zastosowano najgorsze parametry. Ponieważ wyłącznik automatyczny i przełącznik uziemiający są bezpośrednio połączone, test wytrzymałości mechanicznej przełącznika uziemiającego wykonano z 10 000 cyklami, aby dopasować wartość znamionową wyłącznika M2. W przypadku przełącznika uziemiającego obowiązek ten przekracza zwykły wymóg pięciokrotnie.
Testowanie temperatury
Dodatkowo przełącznik uziemiający poddano temu samemu testowi w niskiej temperaturze, aby wykazać wydajność do minus 50° C (minus 58° F).
Testy kombinowane
Po zakończeniu testów projektowych zgodnie z odpowiednimi normami branżowymi przeprowadzono dodatkowe badania w celu wykazania wydajności kombinacji. Najbardziej krytyczny test potwierdził czas między otwarciem wyłącznika a zamknięciem uziemienia.
Pomiar parametrów czasu
Czas między stykową częścią styków wyłącznika a stykiem styków przełącznika uziemiającego ma kluczowe znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania kombinacji. Jeśli czas jest zaprojektowany zbyt mały, prąd awaryjny nie może zostać przerwany przed zamknięciem uziemienia i chociaż przełącznik uziemiający zamknie się zgodnie z wymaganiami, może nie otworzyć się ponownie z powodu spawania stykowego.
Alternatywnie, jeśli czas jest zbyt długi, przepięcie po przerwie może wystąpić dłużej niż ograniczniki przepięć mogą tolerować, co prowadzi do uszkodzenia ograniczników. Szczególną uwagę zwrócono na pomiar tego parametru czasu w pełnym zakresie dopuszczalnych tolerancji produkcyjnych oraz w różnych warunkach środowiskowych.
Obowiązek pracy przełącznika uziemiającego
Inną wykazaną możliwością było to, że wyłącznik nie miał wpływu na działanie przełącznika uziemiającego podczas przerywania maksymalnego znamionowego prądu awaryjnego. W pewnych warunkach przerywacz próżniowy może nie usunąć błędu przy pierwszym zerowym prądzie po głównej pętli, ale przerywa się po następnej pętli mniejszej. Badanie wykazało, że przełącznik uziemiający wykonuje ten obowiązek bez spawania stykowego.
Korzyści dla farm wiatrowych
Po otwarciu wyłącznika średniego napięcia system traci połączenie uziemiające między wyłącznikiem otwartym a stroną średniego napięcia transformatora LV/MV.
Jak opisano wcześniej, napięcie w zdrowych fazach wzrasta nawet do 1,73 PU, ponieważ turbiny wiatrowe nadal dostarczają energię do systemu. To wysokie napięcie działa jak stały test hi-pot, co jest szczególnie trudne w przypadku ograniczników przepięć. Długie okresy przy tym nadmiernym napięciu mogą skrócić żywotność, a nawet uszkodzić ograniczniki przepięć. Ponieważ utrata odniesienia do podłoża prowadzi do tych problemów, przywrócenie połączenia uziemienia może je wyeliminować.
Konwencjonalną alternatywą dla użycia przełącznika uziemiającego, jak opisano w tym artykule, byłoby użycie zamiast tego transformatora uziemiającego. Transformator ten byłby podłączony po stronie B wyłącznika SN i skonfigurowany tak, aby podczas normalnej pracy miał wysoką impedancję do uziemienia, ale podczas awarii linii do ziemi zapewniał ścieżkę o niskiej impedancji dla prądu awaryjnego.
Wadami zastosowania transformatora uziemiającego są koszty instalacji i konserwacji sprzętu oraz zagrożenia środowiskowe związane z wyciekami. Chociaż transformator uziemiający musi wynosić tylko około 5% wielkości podłączonego obciążenia, nadal może to wymagać transformatora w zakresie MVA. Dodatkowo kable podłączone do transformatora uziemiającego wiążą się ze znacznym wydatkiem. Wreszcie, koszty utrzymania transformatora, szczególnie w przypadku transformatorów izolowanych olejem, mogą być znaczne przez cały okres eksploatacji farmy wiatrowej.
Dla porównania wyłącznik automatyczny ze zintegrowanym przełącznikiem uziemiającym jest stosunkowo prostym urządzeniem, bardzo podobnym do konwencjonalnego wyłącznika automatycznego pod względem konstrukcji i konstrukcji. Zintegrowanie przełącznika uziemiającego z wyłącznikiem łączy możliwości wykrywania usterek z uziemieniem obwodu, co upraszcza instalację i obsługę systemu.
Dowiedz się więcej o naszych wyłącznikach średniego napięcia
Konstrukcja wyłączników typu SDV7 charakteryzuje się znacznym zmniejszeniem wielkości obudowy w porównaniu z poprzednimi modelami, a co za tym idzie, ogólnej powierzchni. Linia produktów typu SDV7 obejmuje grupy napięć 15,5 kV, 17,5 kV, 27,6 kV i 38,0 kV. Każda grupa została specjalnie zaprojektowana w celu optymalizacji przestrzeni i materiału dla klasy napięcia przy zachowaniu wspólnych cech całej linii produktów.