Rýchlo pôsobiace uzemňovacie spínače vo veterných farmách: výhody
Integrácia rýchlo pôsobiacich uzemňovacích spínačov do ističov kombinuje detekciu porúch s uzemnením obvodu, zefektívnenie inštalácie, prevádzky a koordinácie ochrany.
Motivácia zlepšovať
V typickej inštalácii je nízkonapäťový (NN) zdroj energie (t. j. veterná farma s N skupinami generátorov veterných turbín) pripojený k vysokonapäťovej (HV) sieti, ako je znázornené na obrázku 1. Každá veterná turbína má zosilňovací transformátor nízke/stredného napätia (LV/MV) a každá skupina generátorov veterných turbín je pripojená cez MV istič (MV CB) k zbernici rozvodnej stanice HV/MV.
Vo väčšine inštalácií sú obe neutrály transformátora HV/MV pevne uzemnené. Z tohto dôvodu je izolačná koordinácia so zvodičmi prepätia založená na pevne uzemnených neutrálnych systémoch pre stranu MV a HV stranu mriežky. V prípade poruchy uzemnenia medzi zosilňovacím transformátorom LV/MV a ističom MV (strana „B“ MV ističa na obrázku 1), otvorením tohto ističa sa odpojte obvod od siete.
Tým sa tiež odstráni referenčná hodnota pre tento obvod, zatiaľ čo generátory veterných turbín budú pokračovať v prevádzke kvôli svojej rotačnej zotrvačnosti. V dôsledku delta pripojenia vinutia zosilňovacieho transformátora LV/MV na strane MV sa napätie fázy k zemi v neovplyvnených fázach zvýši na stacionárne napätie 1,73-násobok pôvodnej hodnoty. Pred dosiahnutím stacionárneho napätia možno v dôsledku kapacít izolovaného podávača očakávať aj dočasné prepätia s ešte vyššou hodnotou.
Výzva — a riešenie
Tieto nadmerné napätia môžu poškodiť exponované komponenty zariadenia (napr. prepäťové zvodiče, káble atď.). Tomu sa treba vyhnúť, aj keď inherentná schopnosť TOV a RRRV vákuových prerušovačov môže pomôcť znížiť alebo eliminovať potrebu ďalších komponentov, ako sú prepäťové kondenzátory pre zvýšené tlmenie, tlmenie kondenzátorov atď.
Preferovaným riešením, aby sa zabránilo tejto podmienke, je použitie rýchleho uzemňovacieho spínača (GS) v kombinácii s ističom MV. Uzemňovací spínač je umiestnený na strane „B“ príslušného ističa, aby sa uzemňovací spínač uzavrel priamo po otvorenej prevádzke ističa (obrázok 2) na uzemnenie obvodu.
Po zatvorení uzemňovacieho spínača bude prúdiť poruchový prúd poháňaný izolovaným podávačom, pretože veterná turbína pokračuje vo výrobe energie. Hodnota tohto poruchového prúdu však bude nižšia ako jednofázový poruchový prúd dostupný z siete. Preto môže byť hodnotenie uzemňovacieho spínača nižšie ako menovitý skratový prúd ističa.
Dve kľúčové položky, ktoré je potrebné zvážiť
Pri definovaní časového rozdielu medzi otvorením ističa a zatvorením uzemňovacieho spínača sa musia brať do úvahy dve kľúčové položky:
- Vzhľadom na rýchlosť nárastu prepätia po prerušení jednofázovej poruchy by mal byť časový rozdiel krátky.
- Zatvorenie uzemňovacieho spínača nastane, keď istič vyčistí jednofázový poruchový prúd, a to aj počas dlhých oblúkových časov (najhoršia situácia: asymetrická, jednofázová porucha).
Aby sa obe okolnosti primerane pokryli, časový rozdiel medzi kontaktnou časťou kontaktov ističa a kontaktným dotykom kontaktov uzemňovacieho spínača by mal byť udržiavaný v rozsahu 12 až 16 ms.
Mechanické spojenie
Vákuový istič pozostáva z operačného modulu inštalovaného v kryte odolnom voči poveternostným vplyvom so strešnými puzdrami pre pripojenie primárneho okruhu na vrchu a svorkovnicou pre uzemňovacie pripojenie na spodnej strane. Svorky obvodu obsluhy sú pripojené k puzdrám pomocou medených stúpačok zbernice, zatiaľ čo uzemňovacie svorky sú spojené spolu so skratovacou medenou zbernicou, ktorá je tiež pripojená k uzemňovacej svorkovnici.
Modul obsluhy má tri póly, každý s vákuovými prerušovačmi a primárnymi izolátormi namontovanými na spoločnom kryte ovládacieho mechanizmu. Každý stĺp je pripevnený k kanálu na montáž na stĺp pomocou štyroch izolátorov z liatej živice. Izolátory sa tiež pripájajú k hlavám stĺpov s pevným koncom obsluhy a uzemňovača a k konektorovej skrinke s pohyblivým koncom, ktorá zase podporuje vákuový prerušovač.
Prevádzkový mechanizmus a všetky ovládacie a ovládacie zariadenia sú inštalované v kryte mechanizmu. Mechanizmus je typu s pružinou uloženou energiou a je mechanicky aj elektricky bez výstupu. Pevné kontakty vákuového prerušovača ističa sú priskrutkované k horným hlavám stĺpov s pevným koncom, zatiaľ čo pohyblivé kontaktné konce vákuových prerušovačov sú pripevnené k konektorovej skrinke.
Rovnaká konektorová skrinka je pripevnená k vákuovému prerušovaču uzemňovača pohybujúcim sa kontaktnými koncami s pevnými koncovými hlavami stĺpov pripojenými k pevným kontaktným koncom prerušovačov. Toto usporiadanie stabilizuje prerušovače proti bočným silám prostredníctvom centrovacích krúžkov na konektorovej skrinke.
Validácia prostredníctvom testovania návrhu podľa priemyselných noriem
Na overenie riešenia boli vykonané nielen kvalifikačné testy požadovaných kľúčových prvkov (t.j. skúšky ističa a uzemňovača), ale boli vykonané aj ďalšie testy zamerané na kombináciu týchto dvoch prvkov.
Možnosť prerušenia
Schopnosť prerušenia časti ističa riešenia bola testovaná v súlade s IEC 62271-100 a IEEE Std C37.09 pri 50 Hz s výkonovým faktorom 2,6 na vyhodnotenie výkonu v najhorších podmienkach v dôsledku dlhších časov oblúkov. Krátko pred nulou prúdu a prerušením je okrajový rozdiel v uhle stúpania prúdu. Avšak pri prerušení pomocou vákuových prerušovačov je tento účinok zanedbateľný.
Ďalšie aspekty výkonnosti
Najhoršie parametre na demonštráciu ďalších aspektov výkonu ističa, ako je nabíjanie káblov, nepretržitý prúd, dielektrika a elektrická aj mechanická odolnosť, boli podobne vybrané z oboch štandardov.
Časť uzemňovacieho spínača riešenia bola testovaná v súlade s IEC 62271-102 a IEEE Std C37.20.4 podobným spôsobom, kde boli použité najhoršie parametre. Pretože istič a uzemňovací spínač sú priamo spojené, skúška mechanickej vytrvalosti uzemňovacieho spínača sa vykonala s 10 000 cyklami, aby zodpovedala hodnoteniu ističa M2. V prípade uzemňovacieho spínača táto povinnosť presahuje obvyklú požiadavku o faktor päť.
Testovanie teploty
Okrem toho bol uzemňovací spínač podrobený rovnakej skúške pri nízkej teplote, aby sa preukázal výkon až do mínus 50° C (mínus 58° F).
Kombinované testy
Po dokončení konštrukčných skúšok v súlade s príslušnými priemyselnými normami sa vykonali ďalšie testy na preukázanie výkonnosti kombinácie. Najkritickejší test potvrdil načasovanie medzi otvorením ističa a zatvorením uzemňovacieho spínača.
Meranie časových parametrov
Čas medzi kontaktnou časťou kontaktov ističa a kontaktným dotykom kontaktov uzemňovacieho spínača je rozhodujúci pre správne fungovanie kombinácie. Ak je čas navrhnutý príliš malý, poruchový prúd sa nesmie prerušiť pred zatvorením uzemňovacieho spínača, a hoci sa uzemňovací spínač podľa potreby zatvorí, nemusí sa znova otvoriť v dôsledku kontaktného zvárania.
Alternatívne, ak je čas príliš dlhý, môže dôjsť k prepätiu po prerušení dlhšie, ako môžu zvodiče prepätia tolerovať, čo vedie k poškodeniu zvodičov. Osobitná pozornosť bola venovaná meraniu tohto časového parametra v celom rozsahu povolených výrobných tolerancií a za rôznych podmienok prostredia.
Prevádzková funkcia uzemňovacieho spínača
Ďalšou preukázanou schopnosťou bolo, že prevádzková funkcia uzemňovacieho spínača nebola ovplyvnená ističom pri prerušení maximálneho menovitého poruchového prúdu. Za určitých podmienok nemusí vákuový prerušovač vymazať poruchu pri prvej prúdovej nule po hlavnej slučke, ale preruší sa po ďalšej menšej slučke. Testovanie preukázalo, že uzemňovací spínač vykonáva túto úlohu bez kontaktného zvárania.
Výhody veterných fariem
Keď sa otvorí istič stredného napätia, systém stráca uzemňovacie spojenie medzi otvoreným ističom a stranou stredného napätia transformátora LV/MV.
Ako bolo opísané vyššie, napätie v zdravých fázach sa zvyšuje až na 1,73 PU, pretože veterné turbíny naďalej dodávajú energiu do systému. Toto vysoké napätie pôsobí ako trvalý hi-pot test, ktorý je obzvlášť náročný na zvodiče prepätia. Dlhé obdobia pri tomto nadmernom napätí môžu skrátiť životnosť alebo dokonca poškodiť zvodiče prepätia. Pretože strata referencie na zemi vedie k týmto problémom, obnovenie uzemňovacieho spojenia ich môže odstrániť.
Bežnou alternatívou použitia uzemňovacieho spínača, ako je opísané v tomto dokumente, by bolo použiť namiesto toho uzemňovací transformátor. Tento transformátor by bol pripojený na strane B ističa MV a nastavený tak, aby počas normálnej prevádzky mal vysokú impedanciu voči zemi, ale počas poruchy linky k zemi poskytoval nízku impedanciu pre poruchový prúd.
Nevýhodou použitia uzemňovacieho transformátora sú náklady na inštaláciu a údržbu zariadenia a environmentálne riziká spojené s rozliatím. Aj keď uzemňovací transformátor musí byť iba zhruba 5% veľkosti pripojeného zaťaženia, môže to stále vyžadovať transformátor v rozsahu MVA. Káble pripojené k uzemňovacemu transformátoru navyše predstavujú značné náklady. Nakoniec, náklady na údržbu transformátora, najmä pre transformátory izolované olejom, môžu byť počas životnosti veternej farmy značné.
Na porovnanie, istič s integrovaným uzemňovacím spínačom je relatívne jednoduché zariadenie, ktoré je v dizajne a konštrukcii veľmi podobné bežnému ističu. Integrácia uzemňovacieho spínača do ističa kombinuje možnosti detekcie porúch s uzemnením obvodu, čo zjednodušuje inštaláciu a prevádzku systému.
Prečítajte si viac o našich ističoch stredného napätia
Konštrukcia rodiny ističov typu SDV7 sa vyznačuje výrazným znížením veľkosti krytu v porovnaní s predchádzajúcimi modelmi a následne aj celkovej stopy. Produktová linka typu SDV7 zahŕňa napäťové skupiny 15,5 kV, 17,5 kV, 27,6 kV a 38,0 kV. Každá skupina je špeciálne navrhnutá tak, aby optimalizovala priestor a materiál pre triedu napätia pri zachovaní spoločných vlastností v celej produktovej rade.