Быстродействующие заземлители в ветряных электростанциях: преимущества
Интеграция быстродействующих заземлителей в автоматические выключатели сочетает обнаружение неисправностей с заземлением цепи, упрощает установку, эксплуатацию и координацию защиты.
Мотивация к совершенствованию
В типичной установке низковольтный источник питания (например, ветряная электростанция с N группами ветрогенераторов) подключен к высоковольтной (HV) сети, как показано на рисунке 1. Каждая ветротурбина оснащена повышающим трансформатором низкого/среднего напряжения (LV/MV), а каждая группа ветрогенераторов подключена через автоматический выключатель среднего напряжения (MV CB) к шине подстанции HV/MV.
В большинстве установок обе нейтрали трансформатора высокого и среднего напряжения надежно заземлены. Поэтому координация изоляции с ограничителями перенапряжения основана на прочно заземленных нейтральных системах на стороне среднего и высокого напряжения сети. В случае замыкания на землю между повышающим трансформатором низкого и среднего напряжения и автоматическим выключателем среднего напряжения (сторона «B» автоматического выключателя среднего напряжения на рис. 1) открытие этого автоматического выключателя отключит цепь от сети.
Это также устранит опорную точку заземления этого контура, пока ветрогенераторы продолжат работать из-за инерции вращения. Из-за дельта-соединения обмоток повышающего трансформатора низкого и среднего напряжения на стороне среднего напряжения напряжение между фазами и землей в незатронутых фазах вырастет до стационарного напряжения, в 1,73 раза превышающего исходное значение. До достижения стационарного напряжения из-за емкости изолированного фидера также можно ожидать временного перенапряжения с еще большим значением.
Проблема — и решение
Такое перенапряжение может привести к повреждению открытых компонентов установки (например, ограничителей перенапряжения, кабелей и т. д.). Этого следует избегать, несмотря на то, что присущие вакуумным прерывателям возможности TOV и RRRV могут помочь уменьшить или устранить необходимость в дополнительных компонентах, таких как импульсные конденсаторы для повышения демпфирования, демпфирующие конденсаторы и т. д.
Предпочтительным решением, позволяющим избежать этого состояния, является использование переключателя быстрого заземления (GS) в сочетании с автоматическим выключателем среднего напряжения. Заземляющий выключатель расположен на стороне «B» соответствующего автоматического выключателя, чтобы закрыть заземляющий выключатель сразу после разомкнутого режима работы автоматического выключателя (рис. 2) для заземления цепи.
После закрытия заземлителя ток замыкания будет течь от изолированного фидера, поскольку ветряная турбина продолжает вырабатывать энергию. Однако значение этого тока замыкания будет меньше однофазного тока замыкания, поступающего из сети. Следовательно, номинальное значение заземляющего выключателя может быть ниже номинального тока короткого замыкания автоматического выключателя.
Два ключевых вопроса для рассмотрения
При определении разницы во времени между открытием автоматического выключателя и замыканием заземлителя необходимо учитывать два ключевых момента:
- Из-за скорости нарастания перенапряжения после прерывания однофазной неисправности разница во времени должна быть небольшой.
- Замыкание заземлителя должно происходить после того, как автоматический выключатель устраняет однофазный ток замыкания, даже при длительном замыкании дуги (в худшем случае — асимметричная однофазная неисправность).
Для адекватного учета обоих обстоятельств разницу во времени между контактной частью контактов автоматического выключателя и контактом контактов заземляющего выключателя следует поддерживать в диапазоне от 12 до 16 мс.
Механическое звено
Вакуумный выключатель состоит из модуля управления, установленного в защищенном от атмосферных воздействий корпусе с крышными втулками для соединений первичной цепи сверху и клеммной колодкой для заземления в нижней части. Клеммы оператора подключены к втулкам медными стояками шин, а клеммы заземления соединены вместе с замыкающей медной шиной, которая также подключена к заземляющей клеммной колодке.
Операторский модуль состоит из трех полюсов, на каждом из которых расположены вакуумные прерыватели и первичные изоляторы, установленные в общем корпусе рабочего механизма. Каждый столб прикреплен к каналу для крепления к столбу с помощью четырех изоляторов из литой смолы. Изоляторы также подключаются к стационарным полюсным головкам оператора и заземлителя, а также к соединительной коробке с подвижным концом, которая, в свою очередь, поддерживает вакуумный прерыватель.
Рабочий механизм и все управляющие и исполнительные устройства установлены в корпусе механизма. Механизм представляет собой пружинный накопитель энергии и не имеет механического и электрического срабатывания. Неподвижные контакты вакуумного выключателя крепятся болтами к верхним головкам неподвижных полюсов, а подвижные концы вакуумных прерывателей прикреплены к соединительной коробке.
Эта же соединительная коробка прикреплена к вакуумному прерывателю заземления, перемещая концы контактов с головками неподвижных полюсов, подключенными к неподвижным контактным концам прерывателей. Такое расположение стабилизирует прерыватели от боковых нагрузок с помощью центрирующих колец на соединительной коробке.
Валидация путем тестирования конструкции в соответствии с отраслевыми стандартами
Для подтверждения решения были проведены не только квалификационные испытания необходимых ключевых элементов (например, автоматические выключатели и выключатели заземления), но и дополнительные испытания, посвященные сочетанию этих двух элементов.
Возможность прерывания
Прерывающая способность части решения, включающей автоматический выключатель, была протестирована в соответствии со стандартами IEC 62271-100 и IEEE Std C37.09 при частоте 50 Гц с коэффициентом мощности 2,6 для оценки производительности в наихудших условиях из-за увеличения времени срабатывания дуги. Существует незначительная разница в угле нарастания тока незадолго до нуля тока и прерывания. Однако для прерывания с использованием вакуумных прерывателей этот эффект незначителен.
Другие аспекты производительности
Из обоих стандартов были выбраны наихудшие параметры для демонстрации других характеристик выключателя, таких как зарядка кабеля, постоянный ток, диэлектрическая прочность, а также электрическая и механическая прочность.
Часть решения, предназначенная для заземления, была протестирована в соответствии со стандартами IEC 62271-102 и IEEE Std C37.20.4 аналогичным образом, где использовались наихудшие параметры. Поскольку автоматический выключатель и заземлитель напрямую связаны между собой, испытание на механическую прочность заземляющего выключателя было проведено с 10 000 тактов, чтобы соответствовать номиналу автоматического выключателя M2. Для заземляющего выключателя эта нагрузка превышает обычное требование в пять раз.
Температурное тестирование
Кроме того, заземляющий выключатель был подвергнут тому же низкотемпературному испытанию, чтобы продемонстрировать работоспособность при температуре до минус 50°C (минус 58°F).
Комбинированные тесты
После завершения проектных испытаний в соответствии с соответствующими отраслевыми стандартами были проведены дополнительные испытания для демонстрации производительности комбинации. Самое важное испытание подтвердило время между открытием автоматического выключателя и замыканием заземляющего выключателя.
Измерение временных параметров
Время между контактной частью контактов автоматического выключателя и контактом контактов заземляющего выключателя имеет решающее значение для правильного функционирования комбинации. Если заданное время рассчитано слишком мало, ток неисправности не может быть прерван до закрытия заземляющего выключателя, и хотя заземляющий выключатель закроется по мере необходимости, он может не возобновиться из-за контактной сварки.
В качестве альтернативы, если время слишком велико, перенапряжение после прерывания может продолжаться дольше, чем могут выдержать ограничители перенапряжения, что приведет к повреждению ограничителей перенапряжения. Особое внимание уделялось измерению этого временного параметра во всем диапазоне допустимых производственных допусков и в различных условиях окружающей среды.
Режим работы заземляющего выключателя
Еще одна продемонстрированная возможность заключалась в том, что автоматический выключатель не влиял на режим работы заземляющего выключателя при прерывании максимального номинального тока неисправности. При определенных условиях вакуумный прерыватель может не устранить неисправность при первом нулевом токе после основного контура, но прерывается после следующего вспомогательного контура. Испытания показали, что заземляющий выключатель выполняет эту функцию без контактной сварки.
Преимущества ветряных электростанций
Когда выключатель среднего напряжения открывается, система теряет заземление между разомкнутым автоматическим выключателем и стороной среднего напряжения трансформатора низкого и среднего напряжения.
Как описано ранее, напряжение в здоровых фазах возрастает до 1,73 PU по мере того, как ветряные турбины продолжают подавать энергию в систему. Это высокое напряжение действует как постоянное испытание на высокую температуру, что особенно тяжело для ограничителей перенапряжения. Длительное время работы при таком избыточном напряжении может сократить срок службы или даже привести к повреждению ограничителей перенапряжения. Поскольку потеря опорного сигнала заземления приводит к этим проблемам, восстановление заземления может их устранить.
Обычной альтернативой использованию заземляющего выключателя, как описано в этом документе, было бы использование заземляющего трансформатора. Этот трансформатор должен быть подключен на стороне B автоматического выключателя среднего напряжения и настроен так, чтобы в нормальном режиме он имел высокое сопротивление заземлению, а во время замыкания между линией и землей обеспечивал низкоимпедансный канал для тока замыкания.
Недостатками использования заземляющего трансформатора являются затраты на установку и техническое обслуживание оборудования и экологические риски, связанные с разливами. Хотя размер заземляющего трансформатора должен составлять всего около 5% от размера подключенной нагрузки, для этого все же может потребоваться трансформатор в диапазоне MVA. Кроме того, кабели, подключенные к заземляющему трансформатору, требуют значительных затрат. Наконец, затраты на техническое обслуживание трансформатора, особенно трансформаторов с масляной изоляцией, могут быть значительными в течение всего срока службы ветроэлектростанции.
Для сравнения, автоматический выключатель со встроенным заземляющим выключателем является относительно простым устройством, которое по конструкции и конструкции очень похоже на обычный автоматический выключатель. Интеграция заземляющего выключателя в автоматический выключатель сочетает в себе возможности обнаружения неисправностей с заземлением цепи, что упрощает установку и эксплуатацию системы.
Узнайте больше о наших автоматических выключателях среднего напряжения
Конструкция автоматических выключателей семейства SDV7 характеризуется значительным уменьшением размера корпуса по сравнению с предыдущими моделями и, следовательно, общей занимаемой площади. Линейка продуктов типа SDV7 включает группы напряжения 15,5 кВ, 17,5 кВ, 27,6 кВ и 38,0 кВ. Каждая группа специально разработана для оптимизации пространства и материалов в соответствии с классом напряжения при сохранении общих характеристик всей линейки продуктов.