风力发电场的快速接地开关：优点

改进的动机

在典型的安装中，低压 (LV) 电源（即具有 N 组风力涡轮发电机的风力发电场）连接到高压 (HV) 电网，如图 1 所示。每台风力涡轮机都有一个低压/中压 (LV/MV) 升压变压器，每组风力涡轮发电机通过中压断路器 (MV CB) 连接到高压/中压变电站的总线。

在大多数装置中，高压/中压变压器的两个中性线都牢固接地。因此，与电涌放电器的绝缘协调基于电网中压侧和高压侧牢固接地的中性系统。如果低压/中压升压变压器与中压断路器（图 1 中压断路器的 “B” 面）之间出现接地故障，则打开该断路器将断开电路与电网的连接。

这也将移除该电路的接地基准，同时风力涡轮发电机由于其旋转惯性而继续运行。由于低压侧的低压/中压升压变压器的绕组采用三角形连接，未受影响相位的相位对地电压将升至原始值1.73倍的固定电压。在达到固定电压之前，由于隔离馈线的电容，还可能出现暂时性的过电压，其值甚至更高。

挑战和解决方案

这些过压可能会损坏设备中暴露的组件（即避雷器、电缆等）。尽管真空断路器固有的TOV和RRV能力可以帮助减少或消除对额外组件的需求，例如用于增加阻尼的浪涌电容器、阻尼电容器等，但必须避免这种情况。

避免这种情况的首选解决方案是将快速接地开关 (GS) 与中压断路器结合使用。接地开关位于相应断路器的 “B” 侧，以便在断路器（图 2）的开路操作后直接关闭接地开关，将电路接地。

关闭接地开关后，随着风力涡轮机继续发电，故障电流将由隔离的馈线驱动。但是，该故障电流的值将小于电网提供的单相故障电流。因此，接地开关额定值可以低于断路器的额定短路电流。

需要考虑的两个关键事项

在定义断路器开启和关闭接地开关之间的时间差时，必须考虑两个关键因素：

• 由于单相故障中断后过压的上升速率，因此时差应该很短。
• 当断路器清除了单相故障电流时，即使是长电弧时间（最坏的情况：非对称的单相故障），也应关闭接地开关。

为了充分涵盖这两种情况，断路器触点的触点部分与接地开关触点的触点之间的时间差应保持在 12 到 16 ms 的范围内。

机械环节

真空断路器由安装在防风雨外壳中的操作模块组成，顶部有用于主电路连接的顶部衬套，底部有一个用于接地连接的端子板。运营商的电路端子通过铜总线立管连接到套管上，而接地端子则通过短路铜母线连接在一起，后者也连接到接地端子板。

操作模块有三极，每极都将真空断路器和主绝缘体安装在通用操作机构外壳上。每根极子都通过四个浇铸树脂绝缘体连接到电极安装通道上。绝缘体还连接到操作员和接地开关的固定端杆头以及移动端接头盒，后者反过来支撑真空断路器。

操作机构以及所有控制和驱动装置都安装在机构外壳中。该机构属于弹簧储能型，在机械和电气上均无跳动。断路器真空断路器的固定触点用螺栓固定在上部固定端的极头上，而真空断路器的移动触点端则连接到连接器盒上。

相同的接头盒连接到接地开关真空断路器移动触点端，固定端极头连接到断路器的固定接触端。这种布置通过连接器盒上的中心环来稳定断路器免受侧向力的影响。

通过设计测试进行验证，符合行业标准

为了验证该解决方案，不仅对所需关键元件进行了资格测试（即断路器和接地开关测试），还进行了针对这两个元件组合的额外测试。

中断能力

该解决方案中断路器部分的中断能力是根据IEC 62271-100和IEEE Std C37.09在50 Hz下测试的，功率因数为2.6，用于评估由于电弧时间较长而在最坏条件下的性能。在电流归零和中断之前不久，电流的上升角度存在微小差异。但是，对于使用真空断路器的中断，这种影响微不足道。

业绩的其他方面

用于演示断路器其他方面的性能（例如电缆充电、连续电流、介电以及电气和机械耐久性）的最坏情况参数是从这两个标准中同样选择的。

该解决方案的接地开关部分的测试符合 IEC 62271-102 和 IEEE 标准 C37.20.4 标准，采用了与最坏情况参数相似的方式。由于断路器和接地开关是直接连接的，因此接地开关的机械耐久性测试以 10,000 个周期进行，以匹配断路器 M2 的额定值。对于接地开关，该占空比通常要求高出五倍。

温度测试

此外，接地开关还进行了同样的低温测试，以证明其在零下 50°C（零下 58°F）下的性能。

组合测试

根据相关行业标准完成设计测试后，进行了额外的测试以证明组合的性能。最关键的测试验证了断路器开启和接地开关关闭之间的时机。

测量时间参数

断路器触点的接触部分与接地开关触点的触摸之间的时间对于组合的正常运行至关重要。如果设计时间太短，则在接地开关关闭之前故障电流可能不会中断，尽管接地开关将按要求关闭，但由于接触式焊接，它可能无法重新打开。

或者，如果时间过长，中断后的过压发生的时间可能会超过电涌放电器的承受时间，从而损坏避雷器。在允许的制造公差范围内，在各种环境条件下特别注意测量该时间参数。

接地开关的工作负荷

证明的另一种能力是，在中断最大额定故障电流时，接地开关的工作负荷不受断路器的影响。在某些条件下，真空断路器可能无法清除主回路之后的第一个电流零点处的故障，但在下一个小回路之后会中断。测试表明，接地开关无需接触式焊接即可执行此任务。

风力发电场的好处

当中压断路器开启时，系统将失去开路断路器与 LV/MV 变压器中压侧之间的接地连接。

如前所述，随着风力涡轮机继续向系统供电，处于健康阶段的电压会增加到高达1.73 PU。这种高电压就像永久的高压测试，这对于电涌放电器来说尤其困难。在这种过高的电压下长时间使用会缩短使用寿命，甚至会损坏避雷器。由于接地基准的丢失会导致这些问题，因此恢复接地连接可以消除这些问题。

如本文所述，使用接地开关的传统替代方法是改用接地变压器。该变压器将连接在中压断路器的B端，并进行设置，使其在正常运行期间具有较高的接地阻抗，但在线对地故障期间为故障电流提供低阻抗路径。

使用接地变压器的缺点是设备的安装和维护成本以及与泄漏相关的环境风险。尽管接地变压器只需要达到所连接负载大小的5％左右，但这仍然需要MVA范围内的变压器。此外，连接到接地变压器的电缆增加了大量开支。最后，变压器的维护，尤其是油绝缘变压器的维护，在风力发电场的整个生命周期中可能会有很大的成本。

相比之下，带有集成接地开关的断路器是一种相对简单的设备，在设计和结构上与传统断路器非常相似。将接地开关集成到断路器中将故障检测功能与电路接地相结合，从而简化了系统的安装和操作。

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