Comutatoare de împământare cu acțiune rapidă în parcurile eoliene: Beneficii
Integrarea comutatoarelor de împământare cu acțiune rapidă în întrerupătoare combină detectarea defecțiunilor cu împământarea circuitului, eficientizarea instalării, funcționării și coordonării protecției.
Motivația de îmbunătățire
Într-o instalație tipică, sursa de energie de joasă tensiune (LV) (adică parcul eolian cu grupe N de generatoare de turbine eoliene) este conectată la rețeaua de înaltă tensiune (HV), așa cum se arată în figura 1. Fiecare turbină eoliană are un transformator de joasă tensiune/medie tensiune (LV/MV) și fiecare grup de generatoare de turbine eoliene este conectat printr-un întrerupător MV (MV CB) la magistrala stației HV/MV.
În majoritatea instalațiilor, ambele neutrale ale transformatorului HV/MV sunt solid împământate. Din acest motiv, coordonarea izolației cu dispozitivele de protecție a supratensiunii se bazează pe sistemele neutre solid împământate pentru partea MV și partea HV a rețelei. În cazul unei defecțiuni la sol între transformatorul de creștere LV/MV și întrerupătorul MV (partea „B” a întrerupătorului MV din figura 1), deschiderea acestui întreruptor va deconecta circuitul de la rețea.
Acest lucru va elimina, de asemenea, referința la sol pentru acel circuit în timp ce generatoarele de turbine eoliene continuă să funcționeze datorită inerției lor rotative. Datorită conexiunii delta a înfășurărilor transformatorului de creștere LV/MV pe partea MV, tensiunea fază-masă în fazele neafectate va crește la o tensiune staționară de 1,73 ori valoarea inițială. Înainte de atingerea tensiunii staționare, datorită capacităților alimentatorului izolat, se pot aștepta și tensiuni temporare cu o valoare și mai mare.
Provocarea — și soluția
Aceste supratensiuni pot deteriora componentele expuse ale instalației (de exemplu, opritoare de supratensiune, cabluri etc.). Acest lucru trebuie evitat chiar dacă capacitatea inerentă TOV și RRRV a întreruptoarelor de vid poate ajuta la reducerea sau eliminarea necesității de componente suplimentare, cum ar fi condensatoarele de supratensiune pentru amortizare crescută, condensatoare de amortizare etc.
Soluția preferată pentru a evita această condiție este utilizarea unui comutator de împământare rapidă (GS) în combinație cu întrerupătorul MV. Comutatorul de împământare este plasat pe partea „B” a întrerupătorului respectiv pentru a închide comutatorul de împământare imediat după funcționarea deschisă a întrerupătorului (Figura 2) pentru a împământa circuitul.
După închiderea comutatorului de împământare, curentul de eroare va curge acționat de alimentatorul izolat pe măsură ce turbina eoliană continuă să genereze energie. Cu toate acestea, valoarea acestui curent de eroare va fi mai mică decât curentul de eroare monofazat disponibil din rețea. Prin urmare, valoarea comutatorului de împământare poate fi mai mică decât curentul nominal de scurtcircuit al întrerupătorului.
Două elemente cheie de luat în considerare
Două elemente cheie trebuie luate în considerare la definirea diferenței de timp dintre deschiderea întrerupătorului și închiderea comutatorului de împământare:
- Datorită ratei de creștere a supratensiunii după o întrerupere a defecțiunii monofazate, diferența de timp ar trebui să fie scurtă.
- Închiderea comutatorului de împământare trebuie să aibă loc atunci când întrerupătorul a eliminat curentul de eroare monofazat, chiar și pentru perioade lungi de arcare (cel mai rău caz: defectare asimetrică, monofazată).
Pentru a acoperi ambele circumstanțe în mod adecvat, o diferență de timp între partea de contact a contactelor întrerupătorului și atingerea de contact a contactelor comutatorului de împământare trebuie menținută în intervalul de 12 până la 16 ms.
Legătura mecanică
Întrerupătorul de vid constă dintr-un modul de operare instalat într-o carcasă rezistentă la intemperii, cu bucșe de acoperiș pentru conexiunile circuitului primar deasupra și un suport terminal pentru o conexiune la împământare în partea inferioară. Terminalele de circuit ale operatorului sunt conectate la bucșe cu șanțuri de cupru, în timp ce bornele de împământare sunt conectate împreună cu o bară de cupru de scurtcircuit care este conectată și la placa terminală de împământare.
Modulul de operare are trei poli, fiecare cu întreruptoarele de vid și izolatoarele primare montate pe o carcasă comună a mecanismului de operare. Fiecare stâlp este atașat la un canal de montare a stâlpului de patru izolatori din rășină turnată. Izolatoarele se conectează, de asemenea, la capetele stâlpilor fixe ale operatorului și comutatorului de masă și la cutia de conector cu capăt mobil care, la rândul său, susține întrerupătorul de vid.
Mecanismul de operare și toate dispozitivele de control și acționare sunt instalate în carcasa mecanismului. Mecanismul este de tip cu energie stocată în arc și este atât mecanic, cât și electric fără declanșare. Contactele fixe ale întrerupătorului de vid sunt înșurubate la capetele superioare ale stâlpilor fixi, în timp ce capetele de contact mobile ale întreruptoarelor de vid sunt atașate la cutia conectorului.
Aceeași cutie de conector este atașată la întrerupătorul de vid al comutatorului de masă, capetele de contact care mișcă cu capetele stâlpilor fixi conectate la capetele de contact fixe ale întreruptoarelor. Acest aranjament stabilizează întreruptoarele împotriva forțelor laterale prin intermediul inelelor de centrare pe cutia conectorului.
Validare prin testarea proiectării la standardele industriei
Pentru validarea soluției, nu numai că au fost necesare teste de calificare pentru elementele cheie (adică teste de întrerupător și comutator de împământare), dar au fost efectuate și teste suplimentare axate pe combinația celor două elemente.
Capacitate de întrerupere
Capacitatea de întrerupere a porțiunii întrerupătorului de circuit a soluției a fost testată în conformitate atât cu IEC 62271-100, cât și cu IEEE Std C37.09 la 50 Hz cu un factor de putere de 2,6 pentru a evalua performanța în cele mai grave condiții din cauza timpilor mai lungi de arc. Există o diferență marginală în unghiul de creștere al curentului cu puțin timp înainte de zero curent și întrerupere. Cu toate acestea, pentru întreruperea utilizării întreruptoarelor de vid, acest efect este nesemnificativ.
Alte aspecte ale performanței
Parametrii din cel mai rău caz pentru demonstrarea altor aspecte ale performanței întrerupătorului, cum ar fi încărcarea cablurilor, curentul continuu, dielectricul și rezistența electrică și mecanică, au fost selectați în mod similar din ambele standarde.
Porțiunea comutatorului de împământare a soluției a fost testată în conformitate atât cu IEC 62271-102, cât și cu IEEE Std C37.20.4 în mod similar, unde au fost utilizați parametrii de cel mai rău caz. Deoarece întrerupătorul de circuit și comutatorul de împământare sunt direct legate, testul de rezistență mecanică al comutatorului de împământare a fost efectuat cu 10.000 de cicluri pentru a se potrivi cu ratingul întrerupătorului M2. Pentru comutatorul de împământare, această taxă depășește cerința obișnuită cu un factor de cinci.
Testarea temperaturii
În plus, comutatorul de împământare a fost supus aceluiași test la temperatură scăzută pentru a demonstra performanța până la minus 50° C (minus 58° F).
Teste combinate
După finalizarea testelor de proiectare în conformitate cu standardele industriale relevante, au fost efectuate teste suplimentare pentru a demonstra performanța combinației. Cel mai critic test a validat sincronizarea dintre deschiderea întrerupătorului și închiderea comutatorului de împământare.
Măsurarea parametrilor de timp
Timpul dintre partea de contact a contactelor întrerupătorului și atingerea de contact a contactelor comutatorului de împământare este crucial pentru buna funcționare a combinației. Dacă timpul este proiectat prea mic, curentul de eroare nu poate fi întrerupt înainte de închiderea comutatorului de împământare și, deși comutatorul de împământare se va închide după cum este necesar, este posibil să nu se redeschidă din cauza sudării prin contact.
Alternativ, dacă timpul este prea lung, o supratensiune după întrerupere poate apărea mai mult decât pot tolera opritoarele de supratensiune, ducând la deteriorarea descărcătoarelor. O atenție deosebită a fost acordată măsurării acestui parametru de timp pe întreaga gamă de toleranțe de fabricație admise și într-o varietate de condiții de mediu.
Funcția de funcționare a comutatorului de împământare
O altă capacitate demonstrată a fost că sarcina de funcționare a comutatorului de împământare nu a fost influențată de întrerupător la întreruperea curentului maxim de eroare nominal. În anumite condiții, întrerupătorul de vid poate să nu elimine defecțiunea la primul curent zero după o buclă majoră, dar se întrerupe după următoarea buclă minoră. Testarea a demonstrat că comutatorul de împământare îndeplinește această sarcină fără sudură prin contact.
Beneficii pentru parcurile eoliene
Când se deschide întrerupătorul de medie tensiune, sistemul pierde conexiunea la sol între întrerupătorul de circuit deschis și partea de medie tensiune a transformatorului LV/MV.
După cum sa descris mai devreme, tensiunea în fazele sănătoase crește până la 1,73 PU pe măsură ce turbinele eoliene continuă să pună energie în sistem. Această tensiune înaltă acționează ca un test permanent hi-pot, care este deosebit de greu pentru opritoarele de supratensiune. Perioadele lungi la această tensiune excesivă pot scurta durata de viață sau chiar pot deteriora dispozitivele de supratensiune. Deoarece pierderea referinței la sol duce la aceste probleme, restabilirea unei conexiuni la sol le poate elimina.
Alternativa convențională la utilizarea unui comutator de împământare, așa cum este descris în această lucrare, ar fi utilizarea unui transformator de împământare în schimb. Acest transformator ar fi conectat pe partea B a întrerupătorului MV și configurat astfel încât, în timpul funcționării normale, să aibă o impedanță ridicată la masă, dar în timpul unei defecțiuni de la linie la sol oferă o cale de impedanță scăzută pentru curentul de eroare.
Dezavantajele utilizării unui transformator de împământare sunt costurile de instalare și întreținere ale echipamentului și riscurile de mediu asociate cu scurgerile. Deși transformatorul de împământare trebuie să fie de doar aproximativ 5% din dimensiunea sarcinii conectate, acest lucru poate necesita în continuare un transformator în gama MVA. În plus, cablurile conectate la transformatorul de împământare adaugă o cheltuială semnificativă. În cele din urmă, costurile de întreținere a transformatorului, în special pentru transformatoarele izolate cu ulei, pot fi semnificative pe durata de viață a parcului eolian.
În comparație, un întrerupător de circuit cu un comutator de împământare integrat este un dispozitiv relativ simplu, fiind foarte asemănător cu un întrerupător convențional în proiectare și construcție. Integrarea unui comutator de împământare într-un întrerupător combină capacitățile de detectare a defecțiunilor cu împământarea circuitului, ceea ce simplifică instalarea și funcționarea sistemului.
Aflați mai multe despre întreruptoarele noastre de medie tensiune
Designul familiei de întrerupătoare tip SDV7 prezintă o reducere semnificativă a dimensiunii carcasei în comparație cu modelele anterioare și, în consecință, a amprentei generale. Linia de produse de tip SDV7 cuprinde grupurile de tensiune 15,5 kV, 17,5 kV, 27,6 kV și 38,0 kV. Fiecare grup este conceput special pentru a optimiza spațiul și materialul pentru clasa de tensiune, păstrând în același timp caracteristicile comune pe întreaga linie de produse.