Interruptores de aterramento de ação rápida em parques eólicos: Benefícios
A integração de interruptores de aterramento de ação rápida nos disjuntores combina a detecção de falhas com o aterramento do circuito, simplificando a instalação, operação e coordenação de proteção.
A motivação para melhorar
Numa instalação típica, a fonte de energia de baixa tensão (LV) (isto é, parque eólico com N grupos de geradores de turbinas eólicas) está ligada à rede de alta tensão (HV), como mostrado na Figura 1. Cada turbina eólica tem um transformador step-up de baixa tensão/média tensão (LV/MV) e cada grupo de geradores de turbinas eólicas é ligado através de um disjuntor MV (MV CB) ao autocarro da subestação HV/MV.
Na maioria das instalações, ambos os neutros do transformador HV/MV estão solidamente aterrados. Por causa disso, a coordenação do isolamento com os para-sobretensões baseia-se nos sistemas neutros solidamente aterrados para o lado MV e o lado HV da rede. Em caso de falha de aterramento entre o transformador de elevação LV/MV e o disjuntor MV (lado “B” do disjuntor MV na Figura 1), abrir este disjuntor irá desligar o circuito da rede.
Isso também removerá a referência de solo para esse circuito enquanto os geradores de turbinas eólicas continuam a operar devido à sua inércia rotativa. Por causa da conexão delta dos enrolamentos do transformador step-up LV/MV no lado do MV, a tensão fase-terra nas fases não afetadas aumentará para uma tensão estacionária de 1,73 vezes o valor original. Antes de atingir a tensão estacionária, devido às capacitâncias do alimentador isolado, também podem ser esperadas sobretensões temporárias com um valor ainda mais alto.
O desafio — e a solução
Estas sobretensões podem danificar os componentes expostos da instalação (ou seja, dispositivos de proteção contra sobretensão, cabos, etc.). Isto deve ser evitado mesmo que a capacidade inerente de TOV e RRRV dos interruptores de vácuo possa ajudar a reduzir ou eliminar a necessidade de componentes adicionais, como capacitores de sobretensão para amortecimento aumentado, condensadores de amortecimento, etc.
A solução preferida para evitar esta condição é o uso de um interruptor de aterramento rápido (GS) em combinação com o disjuntor MV. O interruptor de aterramento é colocado no lado “B” do respectivo disjuntor para fechar o interruptor de aterramento diretamente após a operação aberta do disjuntor (Figura 2) para aterrar o circuito.
Após o fecho do interruptor de aterramento, a corrente de falha fluirá conduzida pelo alimentador isolado à medida que a turbina eólica continua a gerar energia. No entanto, o valor desta corrente de falha será menor do que a corrente de falha monofásica disponível na rede. Portanto, a classificação do interruptor de aterramento pode ser inferior à corrente nominal de curto-circuito do disjuntor.
Dois itens principais a considerar
Dois itens principais devem ser considerados ao definir a diferença de tempo entre a abertura do disjuntor e o fecho do interruptor de aterramento:
- Devido à taxa de aumento da sobretensão após uma interrupção da falha monofásica, a diferença horária deve ser curta.
- O fecho do interruptor de aterramento deve ocorrer quando o disjuntor tiver eliminado a corrente de falha monofásica, mesmo para longos tempos de arcos (pior situação: assimétrica, falha monofásica).
Para cobrir ambas as circunstâncias adequadamente, uma diferença horária entre a parte de contato dos contatos do disjuntor e o toque de contato dos contatos do interruptor de aterramento deve ser mantida no intervalo de 12 a 16 ms.
A ligação mecânica
O disjuntor a vácuo consiste num módulo de operador instalado num compartimento à prova de intempéries com buchas de tejadilho para ligações de circuito primário na parte superior e uma almofada de terminais para uma ligação à terra na parte inferior. Os terminais de circuito do operador estão ligados às buchas com tirantes de barramento de cobre enquanto os terminais de aterramento estão ligados em conjunto com uma barra de barramento de cobre com curto-circuito que também está ligada ao terminal de aterramento.
O módulo do operador tem três pólos, cada um com os seus interruptores de vácuo e isoladores primários montados numa caixa de mecanismo de funcionamento comum. Cada poste é ligado a um canal de montagem em poste por quatro isoladores de resina fundida. Os isoladores também se conectam às cabeças de poste de extremidade fixa do operador e do interruptor de terra e à caixa de conectores de extremidade móvel que, por sua vez, suporta o interruptor de vácuo.
O mecanismo de funcionamento e todos os dispositivos de controlo e actuação estão instalados no compartimento do mecanismo. O mecanismo é do tipo mola de energia armazenada e é tanto mecânica como eletricamente livre de deslocamento. Os contactos fixos do interruptor de vácuo do disjuntor do disjuntor são aparafusos às cabeças dos postes de extremidade fixa superiores enquanto as extremidades de contacto móveis dos interruptores de vácuo estão ligadas à caixa do conector.
A mesma caixa de conectores está ligada às extremidades de contato móvel do interruptor de vácuo do interruptor de aterramento com as cabeças de poste de extremidade fixa conectadas às extremidades de contato fixas dos interruptores. Este arranjo estabiliza os interruptores contra as forças laterais através de anéis de centralização na caixa do conector.
Validação através de testes de design para padrões da indústria
Para validar a solução, não só foram necessários testes de qualificação para os elementos-chave (ou seja, testes de disjuntor e interruptor 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 norma IEC 62271-100 e IEEE Std C37.09 a 50 Hz com um fator de potência de 2,6 para avaliar o desempenho nas piores condições devido a tempos de arcos mais longos. Há uma diferença marginal no ângulo de subida da corrente pouco antes do zero atual e da interrupção. No entanto, para a interrupção do uso de interruptores de vácuo, este efeito é insignificante.
Outros aspetos 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 de ambos os padrões.
A parte do interruptor de aterramento da solução foi testada de acordo com a norma IEC 62271-102 e IEEE Std C37.20.4 de forma semelhante onde foram utilizados os parâmetros do pior caso. Uma vez que o disjuntor e o interruptor de aterramento estão diretamente ligados, o teste de resistência mecânica do interruptor de aterramento foi realizado com 10.000 ciclos para corresponder à classificação M2 do disjuntor. Para o interruptor de aterramento, este dever excede o requisito habitual por um fator de cinco.
Testes de temperatura
Além disso, o interruptor de aterramento foi submetido ao mesmo teste de baixa temperatura para demonstrar o desempenho até menos 50° C (menos 58° F).
Testes de combinação
Após a conclusão dos testes de design de acordo com os padrões relevantes da indústria, foram realizados testes adicionais para demonstrar o desempenho da combinação. O teste mais crítico validou o tempo entre a abertura do disjuntor e o fecho do interruptor de aterramento.
Medir parâmetros de tempo
O tempo entre a parte de contato dos contatos do disjuntor e o toque de contato dos contatos do interruptor de aterramento é crucial para o bom funcionamento da combinação. Se o tempo for projetado muito pequeno, a corrente de falha pode não ser interrompida antes que o interruptor de aterramento feche e, embora o interruptor de aterramento feche conforme necessário, pode não reabrir devido à soldagem por contato.
Alternativamente, se o tempo for muito longo, uma sobretensão após a interrupção pode ocorrer por mais tempo do que os para-sobretensões podem tolerar, levando a danos aos paradores. Foi tomado especial cuidado para medir este parâmetro de tempo ao longo de toda a gama de tolerâncias de fabrico permitidas e sob uma variedade de condições ambientais.
Imposto de funcionamento do interruptor de aterramento
Outra capacidade demonstrada foi que o serviço de funcionamento do interruptor de aterramento não foi influenciado pelo disjuntor ao interromper a corrente de falha nominal máxima. Sob certas condições, o interruptor de vácuo pode não limpar a falha no primeiro zero de corrente após um ciclo maior mas interrompe após o próximo ciclo menor. Os testes demonstraram que o interruptor de aterramento executa esta função sem soldadura por contacto.
Benefícios para parques eólicos
Quando o disjuntor de média tensão abre, o sistema perde a ligação à terra entre o disjuntor aberto e o lado de média tensão do transformador LV/MV.
Como descrito anteriormente, a tensão nas fases saudáveis aumenta para até 1.73 PU à medida que as turbinas eólicas continuam a colocar energia no sistema. Esta alta tensão funciona como um teste permanente de hi-pot, o que é particularmente difícil para os dispositivos de proteção contra surtos. Longos períodos com esta tensão excessiva podem encurtar a vida útil ou mesmo danificar os dispositivos de proteção contra surtos. Uma vez que a perda da referência ao solo leva a estes problemas, restaurar uma ligação ao solo pode eliminá-los.
A alternativa convencional para usar um interruptor de aterramento, conforme descrito neste artigo, seria usar um transformador de aterramento em vez disso. Este transformador seria ligado no lado B do disjuntor MV e configurado de modo que durante o funcionamento normal tenha uma elevada impedância ao aterramento mas durante uma falha linha-terra fornece 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 derrames. Embora o transformador de aterramento precise ter apenas cerca de 5% do tamanho da carga conectada, isso ainda pode exigir um transformador na gama MVA. Além disso, os cabos ligados ao transformador de aterramento adicionam uma despesa significativa. Finalmente, a manutenção do transformador, particularmente para transformadores isolados a óleo, os custos podem ser significativos ao longo da vida do parque eólico.
Em comparação, um disjuntor com um interruptor de aterramento integral é um dispositivo relativamente simples, sendo muito semelhante a um disjuntor convencional em design e construção. Integrar um interruptor de aterramento num disjuntor combina as capacidades de detecção de falhas com o aterramento do circuito, o que simplifica a instalação e o funcionamento do sistema.
Saiba mais sobre os nossos disjuntores de média tensão
O design da família de disjuntores tipo SDV7 apresenta uma redução significativa no tamanho do compartimento em comparação com os modelos anteriores e, consequentemente, na pegada geral. A linha de produtos tipo SDV7 engloba os grupos de tensão 15,5 kV, 17,5 kV, 27,6 kV e 38,0 kV. Cada grupo é especificamente concebido para otimizar o espaço e o material para a classe de tensão, mantendo características comuns em toda a linha de produtos.