Chaves de aterramento de ação rápida em parques eólicos: benefícios
A integração de chaves de aterramento de ação rápida em disjuntores combina a detecção de falhas com o aterramento do circuito, simplificando a coordenação de instalação, operação e proteção.
A motivação para melhorar
Em uma instalação típica, a fonte de energia de baixa tensão (LV) (ou seja, parque eólico com N grupos de geradores de turbinas eólicas) é conectada à rede de alta tensão (HV), conforme mostrado na Figura 1. Cada turbina eólica tem um transformador elevador de baixa tensão/média tensão (LV/MV) e cada grupo de geradores de turbina eólica é conectado por meio de um disjuntor de MV (MV CB) ao barramento da subestação de HV/MV.
Na maioria das instalações, os dois neutros do transformador HV/MV são solidamente aterrados. Por causa disso, a coordenação de isolamento com os pára-raios é baseada nos sistemas neutros solidamente aterrados para o lado de MV e o lado de alta tensão da rede. No caso de uma falha de aterramento entre o transformador elevador LV/MV e o disjuntor de MV (lado “B” do disjuntor de MV na Figura 1), a abertura desse disjuntor desconectará o circuito da rede.
Isso também removerá a referência de aterramento desse circuito enquanto os geradores de turbinas eólicas continuarem operando devido à sua inércia rotativa. Devido à conexão delta dos enrolamentos do transformador elevador LV/MV no lado MV, a tensão fase-terra nas fases não afetadas aumentará para uma tensão estacionária de 1,73 vezes o valor original. Antes que a tensão estacionária seja atingida, devido às capacitâncias do alimentador isolado, também podem ser esperadas sobretensões temporárias com um valor ainda maior.
O desafio — e a solução
Essas sobretensões podem danificar os componentes expostos da instalação (ou seja, pára-raios, cabos etc.). Isso deve ser evitado, embora a capacidade inerente de TOV e RRRV dos interruptores a vácuo possa ajudar a reduzir ou eliminar a necessidade de componentes adicionais, como capacitores de sobretensão para maior amortecimento, capacitores de amortecimento, etc.
A solução preferida para evitar essa condição é o uso de uma chave de aterramento rápido (GS) em combinação com o disjuntor de média tensão. A chave de aterramento é colocada no lado “B” do respectivo disjuntor para fechar a chave de aterramento diretamente após a operação aberta do disjuntor (Figura 2) para aterrar o circuito.
Após o fechamento da chave de aterramento, a corrente de falha fluirá impulsionada pelo alimentador isolado enquanto a turbina eólica continua gerando energia. No entanto, o valor dessa corrente de falha será menor que a corrente de falha monofásica disponível na rede. Portanto, a classificação do interruptor de aterramento pode ser menor do que a corrente nominal de curto-circuito do disjuntor.
Dois itens principais a serem considerados
Dois itens principais devem ser considerados ao definir a diferença de tempo entre a abertura do disjuntor e o fechamento da chave de aterramento:
- Devido à taxa de aumento da sobretensão após a interrupção da falha monofásica, a diferença de tempo deve ser curta.
- O fechamento da chave de aterramento deve ocorrer quando o disjuntor tiver eliminado a corrente de falha monofásica, mesmo por longos tempos de arco (pior situação: falha assimétrica, monofásica).
Para cobrir ambas as circunstâncias adequadamente, uma diferença de tempo entre a parte de contato dos contatos do disjuntor e o toque de contato dos contatos da chave de aterramento deve ser mantida na faixa de 12 a 16 ms.
O link mecânico
O disjuntor a vácuo consiste em um módulo de operação instalado em um gabinete à prova de intempéries com buchas de teto para conexões do circuito primário na parte superior e um terminal para uma conexão de aterramento na parte inferior. Os terminais do circuito do operador são conectados às buchas com tirantes de barramento de cobre, enquanto os terminais de aterramento são conectados a uma barra de barramento de cobre em curto-circuito que também é conectada ao terminal de aterramento.
O módulo do operador tem três polos, cada um com seus interruptores de vácuo e isoladores primários montados em um compartimento de mecanismo operacional comum. Cada poste é conectado a um canal de montagem em poste por quatro isoladores de resina fundida. Os isoladores também se conectam às cabeças de pólo fixo do operador e do interruptor de aterramento e à caixa de conectores de extremidade móvel que, por sua vez, suporta o interruptor a vácuo.
O mecanismo operacional e todos os dispositivos de controle e atuação são instalados no compartimento do mecanismo. O mecanismo é do tipo de energia armazenada por mola e não dispensa acionamentos mecânicos e elétricos. Os contatos fixos do interruptor a vácuo do disjuntor são aparafusados às cabeças superiores dos pólos fixos, enquanto as extremidades de contato móveis dos interruptores a vácuo são conectadas à caixa de conectores.
A mesma caixa de conectores é conectada às extremidades de contato móveis do interruptor de vácuo do interruptor de aterramento com as cabeças dos pólos fixos conectadas às extremidades de contato fixas dos interruptores. Esse arranjo estabiliza os interruptores contra forças laterais por meio de anéis de centralização na caixa de conectores.
Validação por meio de testes de projeto de acordo com padrões do setor
Para validar a solução, não só foram realizados testes de qualificação para os principais elementos necessários (ou seja, testes de disjuntores e chaves de aterramento), mas também testes adicionais focados na combinação dos dois elementos.
Capacidade de interrupção
A capacidade de interrupção da parte do disjuntor da solução foi testada de acordo com a IEC 62271-100 e a IEEE Std C37.09 a 50 Hz com um fator de potência de 2,6 para avaliar o desempenho durante as piores condições, devido aos tempos de arco mais longos. Há uma diferença marginal no ângulo de subida da corrente pouco antes da corrente zero e da interrupção. No entanto, para interrupção usando interruptores a vácuo, esse efeito é insignificante.
Outros aspectos do desempenho
Os piores parâmetros para demonstrar outros aspectos do desempenho do disjuntor, como carregamento de cabos, corrente contínua, dielétrica e resistência elétrica e mecânica, foram selecionados de forma semelhante em ambos os padrões.
A parte do interruptor de aterramento da solução foi testada de acordo com a IEC 62271-102 e a IEEE Std C37.20.4 de forma semelhante, quando os piores parâmetros foram usados. Como o disjuntor e a chave de aterramento estão diretamente conectados, o teste de resistência mecânica da chave de aterramento foi realizado com 10.000 ciclos para corresponder à classificação M2 do disjuntor. Para o interruptor de aterramento, esse dever excede o requisito usual em um fator de cinco.
Teste de temperatura
Além disso, a chave de aterramento foi submetida ao mesmo teste de baixa temperatura para demonstrar desempenho abaixo de menos 50° C (menos 58° F).
Testes de combinação
Depois que os testes de projeto de acordo com os padrões relevantes da indústria foram concluídos, testes adicionais para demonstrar o desempenho da combinação foram realizados. O teste mais crítico validou o tempo entre a abertura do disjuntor e o fechamento da chave de aterramento.
Parâmetros de tempo de medição
O tempo entre a parte de contato dos contatos do disjuntor e o contato dos contatos da chave de aterramento é crucial para o funcionamento adequado da combinação. Se o tempo for projetado muito pequeno, a corrente de falha não pode ser interrompida antes que a chave de aterramento se feche e, embora a chave de aterramento feche conforme necessário, ela pode não ser reaberta devido à soldagem por contato.
Como alternativa, se o tempo for muito longo, uma sobretensão após a interrupção pode ocorrer por mais tempo do que os pára-raios podem tolerar, causando danos aos pára-raios. Um cuidado especial foi tomado para medir esse parâmetro de tempo em toda a faixa de tolerâncias de fabricação permitidas e sob uma variedade de condições ambientais.
Serviço de operação do interruptor de aterramento
Outra capacidade demonstrada foi que a função operacional da chave de aterramento não foi influenciada pelo disjuntor ao interromper a corrente nominal máxima de falha. Sob certas condições, o interruptor de vácuo pode não eliminar a falha na primeira corrente zero após um loop principal, mas interrompe após o próximo loop secundário. O teste demonstrou que a chave de aterramento executa essa tarefa sem solda por contato.
Benefícios para parques eólicos
Quando o disjuntor de média tensão se abre, o sistema perde a conexão de terra entre o disjuntor aberto e o lado de média tensão do transformador LV/MV.
Conforme descrito anteriormente, a tensão nas fases saudáveis aumenta para até 1,73 PU à medida que as turbinas eólicas continuam a fornecer energia ao sistema. Essa alta tensão funciona como um teste permanente de alta potência, o que é particularmente difícil em pára-raios. Longos períodos com essa tensão excessiva podem reduzir a vida útil ou até mesmo danificar os pára-raios. Como a perda da referência de aterramento leva a esses problemas, restaurar uma conexão de aterramento pode eliminá-los.
A alternativa convencional ao uso de uma chave de aterramento, conforme descrito neste artigo, seria usar um transformador de aterramento em vez disso. Este transformador seria conectado no lado B do disjuntor de MV e configurado de forma que, durante a operação normal, tenha uma alta impedância de aterramento, mas durante uma falha linha-terra forneça um caminho de baixa impedância para a corrente de falha.
As desvantagens de usar um transformador de aterramento são os custos de instalação e manutenção do equipamento e os riscos ambientais associados a derramamentos. Embora o transformador de aterramento precise ter apenas cerca de 5% do tamanho da carga conectada, isso ainda pode exigir um transformador na faixa de MVA. Além disso, os cabos conectados ao transformador de aterramento adicionam uma despesa significativa. Finalmente, os custos de manutenção do transformador, especialmente para transformadores isolados a óleo, podem ser significativos durante a vida útil do parque eólico.
Em comparação, um disjuntor com uma chave de aterramento integral é um dispositivo relativamente simples, sendo muito semelhante a um disjuntor convencional em design e construção. A integração de uma chave de aterramento em um disjuntor combina os recursos de detecção de falhas com o aterramento do circuito, o que simplifica a instalação e a operação do sistema.
Saiba mais sobre nossos disjuntores de média tensão
O design da família de disjuntores tipo SDV7 apresenta uma redução significativa no tamanho do gabinete em comparação com os modelos anteriores e, consequentemente, na área total. A linha de produtos do tipo SDV7 engloba os grupos de tensão 15,5 kV, 17,5 kV, 27,6 kV e 38,0 kV. Cada grupo foi projetado especificamente para otimizar o espaço e o material para a classe de tensão, mantendo características comuns em toda a linha de produtos.