Hitro delujoča ozemljitvena stikala v vetrnih elektrarnah: Prednosti
Vključitev hitro delujočih ozemljitvenih stikal v odklopnike združuje zaznavanje napak z ozemljitvijo vezja, racionalizacijo namestitve, delovanja in koordinacije zaščite.
Motivacija za izboljšanje
V tipični napravi je nizkonapetostni (LV) vir energije (tj. vetrna elektrarna z N skupinami generatorjev vetrnih turbin) priključen na visokonapetostno (HV) omrežje, kot je prikazano na sliki 1. Vsaka vetrna turbina ima nizkonapetostni/srednje napetostni (LV/MV) stopniški transformator in vsaka skupina generatorjev vetrnih turbin je prek odklopnika MV (MV CB) priključena na vodilo podpostaje HV/MV.
V večini naprav sta oba nevtrala HV/MV transformatorja trdno ozemljena. Zaradi tega koordinacija izolacije z odvodniki prenapetosti temelji na trdno ozemljenih nevtralnih sistemih za MV stran in HV stran mreže. V primeru napake pri ozemljitvi med dvižnim transformatorjem LV/MV in odklopnikom MV (stran »B« odklopnika MV na sliki 1), odpiranje tega odklopnika odklopi tokokrog iz omrežja.
To bo odstranilo tudi referenčno vrednost ozemlja za to vezje, medtem ko bodo generatorji vetrnih turbin še naprej delovali zaradi svoje vrtljive vztrajnosti. Zaradi delta povezave navitij LV/MV stopničnega transformatorja na strani MV se napetost od faze do zemlje v neprizadetih fazah dvigne na stacionarno napetost 1,73 krat večjo od prvotne vrednosti. Pred doseganjem stacionarne napetosti lahko zaradi kapacitivnosti izoliranega podajalnika pričakujemo tudi začasne prenapetosti s še višjo vrednostjo.
Izziv — in rešitev
Te prenapetosti lahko poškodujejo izpostavljene komponente naprave (npr. odvodnike prenapetosti, kable itd.). Temu se je treba izogibati, čeprav lahko inherentna zmogljivost TOV in RRRV vakuumskih prekinjevalcev pomaga zmanjšati ali odpraviti potrebo po dodatnih komponentah, kot so prenapetostni kondenzatorji za povečano dušenje, dušilni kondenzatorji itd.
Najprimernejša rešitev za preprečevanje tega stanja je uporaba hitro ozemljitvenega stikala (GS) v kombinaciji z odklopnikom MV. Ozemljitveno stikalo je nameščeno na strani »B« ustreznega odklopnika, da zapre ozemljitveno stikalo neposredno po odprtem delovanju odklopnika (slika 2) za ozemljitev vezja.
Po zaprtju ozemljitvenega stikala bo tok napake tekel, ki ga poganja izolirani podajalnik, saj vetrna turbina še naprej proizvaja energijo. Vendar pa bo vrednost tega napačnega toka manjša od enofaznega napačnega toka, ki je na voljo v omrežju. Zato je lahko nazivna ozemljitvena stikala nižja od nazivnega toka kratkega stika odklopnika.
Dve ključni elementi, ki jih je treba upoštevati
Pri določanju časovne razlike med odpiranjem odklopnika in zapiranjem ozemljitvenega stikala je treba upoštevati dve ključni elementi:
- Zaradi hitrosti dviga prenapetosti po prekinitvi enofazne napake mora biti časovna razlika kratka.
- Ozemljitveno stikalo se zapre, ko odklopnik odklopi enofazni tok napake, tudi za daljše ločne čase (najslabši primer: asimetrična, enofazna napaka).
Za ustrezno pokrivanje obeh okoliščin je treba časovno razliko med kontaktnim delom kontaktov odklopnika in kontaktnim dotikom kontaktov ozemljitvenega stikala hraniti v območju od 12 do 16 ms.
Mehanska povezava
Vakuumski odklopnik je sestavljen iz upravljavskega modula, nameščenega v vremensko odpornem ohišju s strešnimi puši za priključke primarnega vezja na vrhu in priključno ploščico za ozemljitveni priključek na dnu. Vezni priključki operaterja so priključeni na puše z bakrenimi dvižniki vodila, medtem ko so ozemljitvene sponke povezane skupaj s kratkim bakrenim vodilom, ki je priključen tudi na ozemljitveno priključno ploščo.
Upravljavski modul ima tri pole, vsak s svojimi vakuumskimi prekinitvami in primarnimi izolatorji, nameščenimi na skupno ohišje delovnega mehanizma. Vsak drog je pritrjen na kanal za pritrditev na drog s štirimi izolatorji iz litine smole. Izolatorji se povežejo tudi z glavami s fiksnim polom upravljavca in ozemljitvenega stikala ter na priključno škatlo s premičnim koncem, ki nato podpira vakuumski prekinjevalnik.
Delovni mehanizem ter vse krmilne in aktivirajoče naprave so nameščene v ohišju mehanizma. Mehanizem je vzmetno shranjenega energijskega tipa in je mehansko in električno brez izklopa. Fiksni kontakti vakuumskega prekinjevalnika odklopnika so pritrjeni na zgornje glave polov s fiksnim koncem, medtem ko so gibljivi kontaktni konci vakuumskih prekinjevalnikov pritrjeni na priključno škatlo.
Ista priključna škatla je pritrjena na ozemljitveni stikalnik vakuumskega prekinjevalnika, ki premika kontaktne konce z glavami polov s fiksnim koncem, ki so priključene na fiksne kontaktne konce prekinjevalnikov. Ta razporeditev stabilizira prekinjevalce proti stranskim silam prek centrirnih obročev na priključni škatli.
Validacija s preskušanjem konstrukcije po industrijskih standardih
Za potrditev rešitve niso bili opravljeni le kvalifikacijski testi potrebnih ključnih elementov (tj. preskusi odklopnika in ozemljitvenega stikala), temveč so bili izvedeni tudi dodatni testi, osredotočeni na kombinacijo obeh elementov.
Zmogljivost prekinitve
Zmogljivost prekinitve dela odklopnika raztopine je bila preizkušena v skladu z IEC 62271-100 in IEEE Std C37.09 pri 50 Hz s faktorjem moči 2,6 za oceno delovanja v najslabših pogojih zaradi daljših časov ločenja. Obstaja mejna razlika v kotu dviga toka tik pred trenutno ničlo in prekinitvijo. Vendar pa je za prekinitev z uporabo vakuumskih prekinjevalcev ta učinek nepomemben.
Drugi vidiki uspešnosti
Najslabši parametri za prikaz drugih vidikov delovanja odklopnika, kot so polnjenje kablov, neprekinjeni tok, dielektrična in električna in mehanska vzdržljivost, so bili podobno izbrani iz obeh standardov.
Del raztopine za ozemljitev je bil preizkušen v skladu z IEC 62271-102 in IEEE Std C37.20.4 na podoben način, kjer so bili uporabljeni najslabši parametri. Ker sta odklopnik in ozemljitveno stikalo neposredno povezana, je bil mehanski preskus vzdržljivosti ozemljitvenega stikala izveden z 10.000 cikli, da bi se ujemal z oceno odklopnika M2. Za ozemljitveno stikalo ta dajatev presega običajno zahtevo za petkrat.
Temperaturno testiranje
Poleg tega je bilo ozemljitveno stikalo podvrženo istemu preskusu pri nizki temperaturi, da bi dokazali delovanje do minus 50° C (minus 58° F).
Kombinirani testi
Po zaključku projektnih preskusov v skladu z ustreznimi industrijskimi standardi so bili izvedeni dodatni preskusi za dokazovanje učinkovitosti kombinacije. Najbolj kritičen test je potrdil čas med odpiranjem odklopnika in zapiranjem ozemljitvenega stikala.
Merjenje časovnih parametrov
Čas med kontaktnim delom kontaktov odklopnika in kontaktnim dotikom kontaktov ozemljitvenega stikala je ključnega pomena za pravilno delovanje kombinacije. Če je čas zasnovan premajhen, se tok napake ne sme prekiniti, preden se ozemljitveno stikalo zapre, in čeprav se bo ozemljitveno stikalo po potrebi zaprlo, se morda ne bo ponovno odprlo zaradi kontaktnega varjenja.
Če je čas predolg, se lahko prenapetost po prekinitvi pojavi dlje, kot lahko prenašajo odvodniki prenapetosti, kar povzroči poškodbe odvodnikov. Posebno pozornost je bilo namenjeno merjenju tega časovnega parametra v celotnem obsegu dovoljenih proizvodnih tolerance in v različnih okoljskih pogojih.
Delovna dolžnost ozemljitvenega stikala
Druga dokazana zmožnost je bila, da odklopnik pri prekinitvi največjega nazivnega toka napake ni vplival na delovanje ozemljitvenega stikala. Pod določenimi pogoji vakuumski prekinjevalnik morda ne odstrani napake pri prvi tokovni ničli po večji zanki, ampak se prekine po naslednji manjši zanki. Testiranje je pokazalo, da ozemljitveno stikalo opravlja to nalogo brez kontaktnega varjenja.
Prednosti vetrnih elektrarn
Ko se odpre srednjenapetostni odklopnik, sistem izgubi ozemljitveno povezavo med odprtim odklopnikom in srednjenapetostno stranjo transformatorja LV/MV.
Kot je opisano prej, se napetost v zdravih fazah poveča na kar 1,73 PU, saj vetrne turbine še naprej dajejo energijo v sistem. Ta visoka napetost deluje kot stalni hi-pot test, kar je še posebej težko pri odvodnikih prenapetosti. Dolga obdobja pri tej prekomerni napetosti lahko skrajšajo življenjsko dobo ali celo poškodujejo odvodnike prenapetosti. Ker izguba referenčne vrednosti tal vodi do teh težav, jih lahko obnova ozemljitvene povezave odpravi.
Običajna alternativa uporabi ozemljitvenega stikala, kot je opisano v tem prispevku, bi bila uporaba ozemljitvenega transformatorja. Ta transformator bi bil priključen na strani B odklopnika MV in nastavljen tako, da ima med normalnim delovanjem visoko impedanco do ozemljitve, med napako med črto in zemljo pa zagotavlja pot nizke impedance za tok napake.
Slabosti uporabe ozemljitvenega transformatorja so stroški namestitve in vzdrževanja opreme ter okoljska tveganja, povezana z razlitjem. Čeprav mora biti ozemljitveni transformator le približno 5% velikosti priključene obremenitve, lahko to še vedno zahteva transformator v območju MVA. Poleg tega kabli, priključeni na ozemljitveni transformator, prispevajo znatne stroške. Nazadnje, vzdrževanje transformatorja, zlasti za transformatorje, izolirane z oljno, so lahko stroški znatni v celotni življenjski dobi vetrne elektrarne.
Za primerjavo je odklopnik z vgrajenim ozemljitvenim stikalom razmeroma preprosta naprava, ki je po zasnovi in konstrukciji zelo podobna običajnemu odklopniku. Vključitev ozemljitvenega stikala v odklopnik združuje zmogljivosti zaznavanja napak z ozemljitvijo vezja, kar poenostavlja namestitev in delovanje sistema.
Preberite več o naših srednjenapetostnih odklopnikih
Zasnova družine odklopnikov tipa SDV7 ima znatno zmanjšanje velikosti ohišja v primerjavi s prejšnjimi modeli in posledično celotnega odtisa. Linija izdelkov tipa SDV7 zajema napetostne skupine 15,5 kV, 17,5 kV, 27,6 kV in 38,0 kV. Vsaka skupina je posebej zasnovana za optimizacijo prostora in materiala za napetostni razred, hkrati pa ohranja skupne značilnosti v celotni liniji izdelkov.