Công tắc nối đất hoạt động nhanh trong các trang trại gió: Lợi ích
Tích hợp các công tắc nối đất tác động nhanh vào bộ ngắt mạch kết hợp phát hiện lỗi với nối đất mạch, hợp lý hóa việc lắp đặt, vận hành và phối hợp bảo vệ.
Động lực để cải thiện
Trong một cài đặt điển hình, nguồn điện hạ thế (LV) (tức là trang trại gió với N nhóm máy phát tuabin gió) được kết nối với lưới điện cao áp (HV), như thể hiện trong Hình 1. Mỗi tuabin gió có một máy biến áp thấp/trung thế (LV/MV) tăng áp thấp và mỗi nhóm máy phát tuabin gió được kết nối thông qua bộ ngắt mạch MV (MV CB) với bus của trạm biến áp HV/MV.
Trong hầu hết các cài đặt, cả hai trung tính của máy biến áp HV/MV đều được nối đất chắc chắn. Do đó, sự phối hợp cách điện với bộ chống sét lan truyền dựa trên các hệ thống trung tính nối đất vững chắc cho phía MV và phía HV của lưới điện. Trong trường hợp có lỗi nối đất giữa máy biến áp tăng LV/MV và bộ ngắt mạch MV (bên “B” của bộ ngắt mạch MV trong Hình 1), việc mở bộ ngắt mạch này sẽ ngắt kết nối mạch khỏi lưới.
Điều này cũng sẽ loại bỏ tham chiếu mặt đất cho mạch đó trong khi các máy phát tuabin gió tiếp tục hoạt động do quán tính quay của chúng. Do kết nối delta của các cuộn dây của máy biến áp tăng LV/MV ở phía MV, điện áp pha với mặt đất trong các pha không bị ảnh hưởng sẽ tăng lên điện áp tĩnh gấp 1,73 lần giá trị ban đầu. Trước khi đạt đến điện áp tĩnh, do điện dung của bộ nạp cô lập, cũng có thể mong đợi quá điện áp tạm thời với giá trị thậm chí cao hơn.
Thách thức - và giải pháp
Những điện áp quá mức này có thể làm hỏng các thành phần tiếp xúc của hệ thống lắp đặt (tức là thiết bị chống sét lan truyền, cáp, v.v.). Điều này phải tránh mặc dù khả năng TOV và RRRV vốn có của bộ ngắt chân không có thể giúp giảm hoặc loại bỏ nhu cầu về các thành phần bổ sung, như tụ điện tăng áp để tăng giảm xóc, giảm xóc tụ điện, v.v.
Giải pháp ưa thích để tránh tình trạng này là sử dụng công tắc nối đất nhanh (GS) kết hợp với bộ ngắt mạch MV. Công tắc nối đất được đặt ở bên “B” của bộ ngắt mạch tương ứng để đóng công tắc nối đất trực tiếp sau khi hoạt động mở của bộ ngắt mạch (Hình 2) để nối đất mạch.
Sau khi đóng công tắc nối đất, dòng điện lỗi sẽ chảy được điều khiển bởi bộ cấp liệu cách ly khi tuabin gió tiếp tục tạo ra năng lượng. Tuy nhiên, giá trị của dòng lỗi này sẽ nhỏ hơn dòng điện lỗi một pha có sẵn từ lưới điện. Do đó, định mức công tắc nối đất có thể thấp hơn dòng ngắn mạch định mức của bộ ngắt mạch.
Hai mục chính cần xem xét
Hai mục chính phải được xem xét khi xác định chênh lệch thời gian giữa việc mở bộ ngắt mạch và đóng công tắc nối đất:
- Do tốc độ tăng quá áp sau khi gián đoạn lỗi một pha, chênh lệch thời gian phải ngắn.
- Việc đóng công tắc nối đất sẽ xảy ra khi bộ ngắt mạch đã xóa dòng điện lỗi một pha, ngay cả trong thời gian dài cung (trường hợp xấu nhất: lỗi không đối xứng, một pha).
Để đáp ứng đầy đủ cả hai trường hợp, chênh lệch thời gian giữa phần tiếp xúc của tiếp điểm ngắt mạch và cảm ứng tiếp xúc của các tiếp điểm công tắc nối đất phải được giữ trong phạm vi từ 12 đến 16 ms.
Liên kết cơ học
Bộ ngắt mạch chân không bao gồm một mô-đun vận hành được lắp đặt trong vỏ chống thời tiết với ống lót mái cho các kết nối mạch sơ cấp ở trên cùng và một miếng đệm đầu cuối cho kết nối nối đất ở phía dưới. Các thiết bị đầu cuối mạch của người vận hành được kết nối với ống lót bằng ống nối bus đồng trong khi các cực nối đất được kết nối với nhau bằng thanh bus đồng ngắn cũng được kết nối với đệm đầu cuối nối đất.
Mô-đun vận hành có ba cực, mỗi cực có bộ ngắt chân không và bộ cách điện chính được gắn vào vỏ cơ chế hoạt động chung. Mỗi cực được gắn vào một kênh gắn cực bằng bốn chất cách điện nhựa đúc. Các chất cách điện cũng kết nối với đầu cực cố định của bộ điều khiển và công tắc nối đất và với hộp đầu nối đầu chuyển động, từ đó hỗ trợ bộ ngắt chân không.
Cơ chế vận hành và tất cả các thiết bị điều khiển và truyền động được lắp đặt trong vỏ cơ chế. Cơ chế này thuộc loại năng lượng lưu trữ lò xo và không bị ngắt cả về cơ học và điện. Các tiếp điểm cố định của bộ ngắt chân không của bộ ngắt mạch được bắt vít vào các đầu cực cố định phía trên trong khi các đầu tiếp xúc chuyển động của bộ ngắt chân không được gắn vào hộp đầu nối.
Hộp đầu nối tương tự được gắn vào bộ ngắt chân không chuyển động của công tắc nối đất với các đầu cực cố định được kết nối với các đầu tiếp xúc cố định của bộ ngắt. Sự sắp xếp này ổn định các bộ ngắt chống lại các lực bên thông qua các vòng định tâm trên hộp đầu nối.
Xác nhận thông qua thử nghiệm thiết kế theo tiêu chuẩn công nghiệp
Để xác nhận giải pháp, không chỉ các bài kiểm tra trình độ đối với các yếu tố chính được yêu cầu (tức là kiểm tra bộ ngắt mạch và công tắc nối đất) mà còn các thử nghiệm bổ sung tập trung vào sự kết hợp của hai yếu tố được thực hiện.
Khả năng gián đoạn
Khả năng ngắt của phần ngắt mạch của dung dịch đã được thử nghiệm theo cả IEC 62271-100 và IEEE Std C37.09 ở 50 Hz với hệ số công suất 2,6 để đánh giá hiệu suất trong điều kiện xấu nhất do thời gian cung dài hơn. Có một sự khác biệt cận biên về góc tăng của dòng điện ngay trước khi dòng không và gián đoạn. Tuy nhiên, đối với sự gián đoạn bằng cách sử dụng bộ ngắt chân không, hiệu ứng này là không đáng kể.
Các khía cạnh khác của hiệu suất
Các thông số trường hợp xấu nhất để chứng minh các khía cạnh khác của hiệu suất bộ ngắt mạch, như sạc cáp, dòng điện liên tục, điện môi và cả độ bền điện và cơ học, được chọn tương tự từ cả hai tiêu chuẩn.
Phần công tắc nối đất của giải pháp đã được thử nghiệm theo cả IEC 62271-102 và IEEE Std C37.20.4 theo cách tương tự trong đó các thông số trường hợp xấu nhất được sử dụng. Vì bộ ngắt mạch và công tắc nối đất được liên kết trực tiếp, nên thử nghiệm độ bền cơ học của công tắc nối đất được thực hiện với 10.000 chu kỳ để phù hợp với định mức M2 của bộ ngắt mạch. Đối với công tắc nối đất, nhiệm vụ này vượt quá yêu cầu thông thường bằng hệ số năm.
Kiểm tra nhiệt độ
Ngoài ra, công tắc nối đất đã trải qua cùng một thử nghiệm nhiệt độ thấp để chứng minh hiệu suất xuống âm 50° C (trừ 58° F).
Kiểm tra kết hợp
Sau khi các thử nghiệm thiết kế phù hợp với các tiêu chuẩn ngành liên quan được hoàn thành, các thử nghiệm bổ sung để chứng minh hiệu suất của sự kết hợp đã được thực hiện. Thử nghiệm quan trọng nhất đã xác nhận thời gian giữa việc mở bộ ngắt mạch và đóng công tắc nối đất.
Đo thông số thời gian
Thời gian giữa phần tiếp xúc của các tiếp điểm ngắt mạch và chạm tiếp xúc của các tiếp điểm công tắc nối đất là rất quan trọng đối với hoạt động bình thường của tổ hợp. Nếu thời gian được thiết kế quá nhỏ, dòng lỗi có thể không bị gián đoạn trước khi công tắc nối đất đóng lại và mặc dù công tắc nối đất sẽ đóng theo yêu cầu nhưng nó có thể không mở lại do hàn tiếp xúc.
Ngoài ra, nếu thời gian quá dài, quá áp sau khi bị gián đoạn có thể xảy ra lâu hơn mức bộ chống sét lan truyền có thể chịu đựng được dẫn đến hư hỏng bộ chống sét. Đặc biệt cẩn thận để đo thông số thời gian này trên toàn bộ phạm vi dung sai sản xuất cho phép và trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau.
Nhiệm vụ vận hành công tắc nối đất
Một khả năng khác được chứng minh là nhiệm vụ vận hành của công tắc nối đất không bị ảnh hưởng bởi bộ ngắt mạch khi làm gián đoạn dòng lỗi định mức tối đa. Trong một số điều kiện nhất định, bộ ngắt chân không có thể không xóa lỗi ở dòng điện đầu tiên bằng không sau một vòng lặp chính nhưng ngắt sau vòng nhỏ tiếp theo. Thử nghiệm đã chứng minh công tắc nối đất thực hiện nhiệm vụ này mà không cần hàn tiếp xúc.
Lợi ích cho các trang trại gió
Khi bộ ngắt mạch trung thế mở, hệ thống sẽ mất kết nối đất giữa bộ ngắt mạch hở và phía trung thế của máy biến áp LV/MV.
Như đã mô tả trước đó, điện áp trong các pha lành mạnh tăng lên tới 1,73 PU khi các tuabin gió tiếp tục đưa năng lượng vào hệ thống. Điện áp cao này hoạt động giống như một thử nghiệm hi-pot vĩnh viễn, đặc biệt khó đối với thiết bị chống sét lan truyền. Thời gian dài ở điện áp quá mức này có thể rút ngắn tuổi thọ hoặc thậm chí làm hỏng bộ chống sét lan truyền. Vì việc mất tham chiếu mặt đất dẫn đến những vấn đề này, việc khôi phục kết nối mặt đất có thể loại bỏ chúng.
Thay thế thông thường cho việc sử dụng công tắc nối đất, như được mô tả trong bài báo này, sẽ là sử dụng máy biến áp nối đất thay thế. Máy biến áp này sẽ được kết nối ở phía B của bộ ngắt mạch MV và được thiết lập sao cho trong quá trình hoạt động bình thường có trở kháng cao với mặt đất nhưng trong quá trình lỗi nối đất cung cấp đường dẫn trở kháng thấp cho dòng điện lỗi.
Nhược điểm của việc sử dụng máy biến áp nối đất là chi phí lắp đặt và bảo trì thiết bị và rủi ro môi trường liên quan đến sự cố tràn. Mặc dù máy biến áp nối đất chỉ cần khoảng 5% kích thước của tải được kết nối, điều này vẫn có thể yêu cầu một máy biến áp trong phạm vi MVA. Ngoài ra, các cáp được kết nối với máy biến áp nối đất thêm một chi phí đáng kể. Cuối cùng, việc bảo trì máy biến áp, đặc biệt là đối với máy biến áp cách điện dầu, chi phí có thể đáng kể trong suốt tuổi thọ của trang trại gió.
Trong khi đó, bộ ngắt mạch với công tắc nối đất tích hợp là một thiết bị tương đối đơn giản, rất giống với bộ ngắt mạch thông thường trong thiết kế và xây dựng. Tích hợp công tắc nối đất vào bộ ngắt mạch kết hợp khả năng phát hiện lỗi với nối đất mạch, giúp đơn giản hóa việc lắp đặt và vận hành hệ thống.
Tìm hiểu thêm về bộ ngắt mạch trung thế của chúng tôi
Thiết kế của dòng bộ ngắt mạch loại SDV7 có sự giảm đáng kể kích thước vỏ so với các mẫu trước đó và do đó, về diện tích tổng thể. Dòng sản phẩm loại SDV7 bao gồm các nhóm điện áp 15,5 kV, 17,5 kV, 27,6 kV và 38,0 kV. Mỗi nhóm được thiết kế đặc biệt để tối ưu hóa không gian và vật liệu cho lớp điện áp trong khi vẫn giữ được các tính năng chung trên toàn bộ dòng sản phẩm.