Snabbverkande jordbrytare i vindkraftsparker: Fördelar

Motivationen att förbättra

I en typisk installation är lågspänningskällan (dvs. vindkraftpark med N grupper av vindkraftverk) ansluten till högspänningsnätet (HV), som visas i figur 1. Varje vindkraftverk har en lågspännings-/mellanspänningstransformator (LV/MV) och varje grupp vindkraftverk är ansluten via en MV strömbrytare (MV CB) till bussen i HV/MV-transformatorstationen.

I de flesta installationer är båda neutralerna i HV/MV-transformatorn solidt jordade. På grund av detta är isoleringskoordinationen med överspänningsavledare baserad på de solidjordade neutrala systemen för MV-sidan och HV-sidan av nätet. I händelse av ett jordfel mellan LV/MV-stegtransformatorn och MV-strömbrytaren (sidan ”B” av MV-brytaren i figur 1), kommer öppning av denna strömbrytare att koppla bort kretsen från nätet.

Detta kommer också att ta bort jordreferensen för den kretsen medan vindturbingeneratorerna fortsätter att fungera på grund av deras roterande tröghet. På grund av delta-anslutningen av lindningarna på LV/MV-stegtransformatorn på MV-sidan kommer fas-till-jordspänningen i de opåverkade faserna att stiga till en stationär spänning på 1,73 gånger det ursprungliga värdet. Innan den stationära spänningen uppnås, på grund av kapacitanser hos den isolerade mataren, kan tillfälliga överspänningar med ett ännu högre värde också förväntas.

Utmaningen — och lösningen

Dessa överspänningar kan skada exponerade komponenter i installationen (dvs. överspänningsavledare, kablar etc.). Detta måste undvikas även om vakuumavbrytarnas inneboende TOV- och RRRV-kapacitet kan bidra till att minska eller eliminera behovet av ytterligare komponenter, som överspänningskondensatorer för ökad dämpning, dämpningskondensatorer, etc.

Den föredragna lösningen för att undvika detta tillstånd är användningen av en snabbjordningsbrytare (GS) i kombination med MV-brytaren. Jordningsomkopplaren är placerad på sidan ”B” på respektive strömbrytare för att stänga jordningsomkopplaren direkt efter den öppna driften av strömbrytaren (Figur 2) för att jorda kretsen.

Efter stängning av jordningsomkopplaren kommer felströmmen att strömma driven av den isolerade mataren när vindkraftverket fortsätter att generera ström. Värdet på denna felström kommer emellertid att vara mindre än den enfasiga felströmmen som är tillgänglig från nätet. Därför kan jordningsbrytarens betyg vara lägre än strömbrytarens nominella kortslutningsström.

Två viktiga saker att tänka på

Två viktiga punkter måste beaktas när man definierar tidsskillnaden mellan öppning av strömbrytaren och stängning av jordningsomkopplaren:

• På grund av ökningshastigheten för överspänningen efter ett avbrott i enfasfelet bör tidsskillnaden vara kort.
• Stängningen av jordningsomkopplaren ska ske när strömbrytaren har rensat enfasfelströmmen, även under långa bågtider (värsta fall: asymmetrisk, enfas fel).

För att täcka båda omständigheterna på ett adekvat sätt bör en tidsskillnad mellan kontaktdelen av strömbrytarkontakterna och kontaktberöring av jordningskontakterna hållas inom intervallet 12 till 16 ms.

Den mekaniska länken

Vakuumbrytaren består av en operatörsmodul installerad i ett väderbeständigt hölje med takbussningar för primärkretsanslutningar ovanpå och en kopplingsplatta för en jordanslutning på botten. Operatörens kretsterminaler är anslutna till bussningarna med kopparbussstigare medan jordanslutningarna är anslutna tillsammans med en kortslutande kopparbusstång som också är ansluten till jordningsplinten.

Operatörsmodulen har tre poler, var och en med sina vakuumbrytare och primära isolatorer monterade på ett gemensamt manövermekanismhus. Varje pol är fäst vid en stolpmonteringskanal med fyra gjutna hartsisolatorer. Isolatorerna ansluts också till operatörens och jordbrytarens fasta polhuvuden och till anslutningsboxen med rörlig ände som i sin tur stöder vakuumavbrytaren.

Manövermekanismen och alla styr- och manövreringsanordningar är installerade i mekanismens hus. Mekanismen är av fjäderlagrad energityp och är både mekaniskt och elektriskt utlösningsfri. Strömbrytarens vakuumavbrytarens fasta kontakter är bultade till de övre fasta polhuvudena medan de rörliga kontaktändarna på vakuumavbrytarna är fästa vid anslutningsboxen.

Samma anslutningslåda är fäst vid jordbrytarens vakuumbrytare, rörliga kontaktändar med de fasta polhuvudena anslutna till avbrytarens fasta kontaktändar. Detta arrangemang stabiliserar avbrytarna mot sidokrafter via centreringsringar på anslutningsboxen.

Validering via konstruktionstestning enligt branschstandarder

För att validera lösningen krävdes inte bara kvalifikationstester för nyckelelementen (dvs. strömbrytare och jordningsomkopplare) utan även ytterligare tester fokuserade på kombinationen av de två elementen utfördes.

Avbrottsförmåga

Avbrottsförmågan hos effektbrytardelen av lösningen testades i enlighet med både IEC 62271-100 och IEEE Std C37.09 vid 50 Hz med en effektfaktor på 2,6 för att utvärdera prestanda under de värsta förhållandena på grund av längre bågtider. Det finns en marginell skillnad i stigningsvinkeln för strömmen strax före nuvarande noll och avbrott. För avbrott med vakuumbrytare är denna effekt emellertid obetydlig.

Andra aspekter av prestanda

De värsta parametrarna för att demonstrera andra aspekter av effektbrytarens prestanda, som kabelladdning, kontinuerlig ström, dielektrisk och både elektrisk och mekanisk uthållighet, valdes på samma sätt från båda standarderna.

Jordningsbrytardelen av lösningen testades i enlighet med både IEC 62271-102 och IEEE Std C37.20.4 på liknande sätt där de värsta parametrarna användes. Eftersom strömbrytaren och jordningsomkopplaren är direkt kopplade, utfördes det mekaniska uthållighetstestet för jordningsomkopplaren med 10 000 cykler för att matcha strömbrytarens M2-klassificering. För jordningsomkopplaren överstiger denna plikt det vanliga kravet med en faktor fem.

Temperaturprovning

Dessutom utsattes jordningsomkopplaren för samma lågtemperaturtest för att visa prestanda ner till minus 50° C (minus 58° F).

Kombinationstester

Efter att konstruktionstesterna i enlighet med relevanta branschstandarder hade slutförts utfördes ytterligare tester för att visa kombinationens prestanda. Det mest kritiska testet validerade tidpunkten mellan öppningen av strömbrytaren och stängningen av jordningsomkopplaren.

Mättidsparametrar

Tiden mellan kontaktdelen av effektbrytarkontakterna och kontaktberöringen av jordningskontakterna är avgörande för att kombinationen ska fungera korrekt. Om tiden är konstruerad för liten kan felströmmen inte avbrytas innan jordningsomkopplaren stängs, och även om jordningsomkopplaren stängs vid behov kanske den inte öppnas igen på grund av kontaktsvetsning.

Alternativt, om tiden är för lång, en överspänning efter avbrott kan uppstå längre än överspänningsavledarna kan tolerera vilket leder till skador på avledarna. Särskild försiktighet vidtogs för att mäta denna tidsparameter över hela intervallet av tillåtna tillverkningstoleranser och under en mängd olika miljöförhållanden.

Jordningsomkopplarens arbetsuppgifter

En annan förmåga som visades var att jordningsbrytarens drift inte påverkades av strömbrytaren när den maximala nominella felströmmen avbröts. Under vissa förhållanden, vakuumavbrytaren kanske inte rensar felet vid den första strömnoll efter en större slinga men avbryter efter nästa mindre slinga. Testningen visade att jordningsomkopplaren utför denna uppgift utan kontaktsvetsning.

Fördelar för vindkraftsparker

När mellanspänningsbrytaren öppnas förlorar systemet jordanslutningen mellan den öppna strömbrytaren och mellanspänningssidan på LV/MV-transformatorn.

Som beskrivits tidigare ökar spänningen i de friska faserna till så mycket som 1,73 PU när vindkraftverken fortsätter att sätta ström i systemet. Denna högspänning fungerar som ett permanent hi-pot-test, vilket är särskilt svårt för överspänningsavledare. Långa perioder vid denna överdrivna spänning kan förkorta livslängden eller till och med skada överspänningsavledarna. Eftersom förlusten av markreferensen leder till dessa problem kan återställning av en jordanslutning eliminera dem.

Det konventionella alternativet till att använda en jordningsomkopplare, som beskrivs i detta dokument, skulle vara att använda en jordningstransformator istället. Denna transformator skulle anslutas på B-sidan av MV-brytaren och ställas in så att den under normal drift har en hög impedans till jord men under ett linje-till-jord-fel ger en lågimpedansväg för felströmmen.

Nackdelarna med att använda en jordningstransformator är installations- och underhållskostnaderna för utrustningen och miljöriskerna i samband med spill. Även om jordningstransformatorn bara behöver vara ungefär 5% av storleken på den anslutna lasten, kan detta fortfarande kräva en transformator i MVA-området. Dessutom lägger kablarna som är anslutna till jordningstransformatorn en betydande kostnad. Slutligen kan kostnaderna för underhåll av transformatorn, särskilt för oljeisolerade transformatorer, vara betydande under vindparkens livslängd.

Som jämförelse är en strömbrytare med en integrerad jordningsomkopplare en relativt enkel enhet, som mycket liknar en konventionell strömbrytare i design och konstruktion. Integrering av en jordningsomkopplare i en strömbrytare kombinerar feldetekteringsfunktionerna med kretsjordning, vilket förenklar installationen och driften av systemet.

Läs mer om våra mellanspänningsbrytare

Utformningen av SDV7-familjen av effektbrytare har en betydande minskning av kapslingens storlek jämfört med tidigare modeller och följaktligen i det totala fotavtrycket. Produktlinjen av typen SDV7 omfattar spänningsgrupperna 15,5 kV, 17,5 kV, 27,6 kV och 38,0 kV. Varje grupp är speciellt utformad för att optimera utrymme och material för spänningsklassen samtidigt som gemensamma funktioner bibehålls över hela produktlinjen.

Läs mer >