風力發電場的快速作用接地開關：優點

改進的動機

在典型的安裝中，低電壓 (LV) 電源（即帶有 N 組風力發電機發電機的風力發電場）連接到高壓（高壓）電網，如圖 1 所示。每個風力發電機都有一個低壓/中壓 (LV/MV) 升壓變壓器，每組風力發電機都通過 MV 斷路器（MV CB）連接到高壓變壓站的總線。

在大多數安裝中，高/MV 變壓器的兩種中性都是固定接地。因此，與突波阻隔器的絕緣協調是基於 MV 側和高壓電網側的堅固接地中性系統。如果 LV/MV 升壓變壓器和 MV 斷路器（圖 1 中 MV 斷路斷路器的「B」側）之間出現接地故障，打開此斷路器將斷開電路與網格。

這也會移除該電路的接地參考，當風力渦輪發電機由於其旋轉慣性而繼續運行。由於 MV 側的 LV/MV 升級變壓器繞組的三角連接，因此不受影響的相位對接地電壓將提高到原始值的 1.73 倍的靜態電壓。在達到固定電壓之前，由於隔離式輸送器的電容，也可以預期具有更高值的臨時過電壓。

挑戰 — 和解決方案

這些過電壓可能會損壞安裝中暴露的組件（例如突波阻斷器，電纜等）。儘管真空中斷器的固有 TOV 和 RRRRV 能力可以幫助減少或消除額外的組件的需求，例如增加阻尼的突波電容器、阻尼電容器等，也必須避免這種情況。

避免這種情況的首選解決方案是使用快速接地開關 (GS) 與 MV 斷路器結合使用。接地開關放置在各自斷路器的「B」側，在斷路斷路器開啟操作後直接關閉接地開關（圖 2）以接地電路。

關閉接地開關後，風力發電機繼續產生電力時，故障電流將由隔離式送料驅動。但是，此故障電流的值將小於來自網格可用的單相故障電流。因此，接地開關額定值可以低於斷路器的額定短路電流。

需要考慮的兩個關鍵事項

在定義斷路斷路器和關閉接地開關之間的時間差時，必須考慮兩個關鍵項目：

• 由於單相故障中斷後過壓上升速率，時差應短。
• 當斷路器清除單相故障電流時，即使在長弧時間（最壞情況：不對稱，單相故障）也應該關閉接地開關。

為了充分滿足兩種情況，斷路斷路器觸點的接觸部分與接地開關觸點的接觸點之間的時間差應保持在 12 至 16 毫秒的範圍內。

機械連結

真空斷路器由安裝在防風雨外殼中的操作模塊組成，頂部帶有用於主電路連接的屋頂襯套，以及底部用於接地連接的端子墊組成。操作員的電路端子用銅母線升降器連接到襯套，而接地端子則用短路銅母線桿連接在一起，該接地端子也連接到接地端子墊。

操作模組有三個極，每個極都有其真空中斷器和主絕緣體安裝在一個通用操作機構外殼上。每個柱都通過四個鑄樹脂絕緣子連接到一個柱安裝通道。絕緣體還連接到操作員和接地開關的固定端極頭，以及移動端連接器盒，該連接器則支持真空中斷器。

操作機構和所有控制和驅動裝置安裝在機構外殼中。該機構採用彈簧儲能類型，無機械和電氣釋放。斷路器真空中斷器固定接點固定於上方固定端極頭，而真空中斷器的移動接點端則連接到連接器盒上。

相同的連接器盒連接到接地開關真空中斷器移動接點端，固定端極頭連接到中斷器的固定接點端。這種安排通過連接器盒上的中心環來穩定中斷器抵禦橫向力。

通過設計測試以行業標準進行驗證

為了驗證解決方案，不僅對所需的關鍵元素（例如斷路器和接地開關測試）進行了認證測試，還進行了重點對兩個元件的組合進行額外測試。

中斷能力

解決方案中斷路器部分的中斷能力已根據 IEC 62271-100 和 IEEE Std C37.09 的 50 Hz 測試，功率係數為 2.6，以評估因為弧形時間較長而導致的最壞情況下的性能。在電流零和中斷之前不久，電流的上升角度有微差。但是，對於使用真空中斷器的中斷，這種效果是不足道的。

表現的其他方面

用於展示斷路斷路器性能的其他方面的最壞情況參數，例如電纜充電，連續電流，介電以及電氣和機械耐久性，都從兩種標準類似地選擇。

該解決方案的接地開關部分已根據 IEC 62271-102 和 IEEE 標準 C37.20.4 進行了相似的方式，在使用最壞情況參數的情況下進行了相似的方式。由於斷路器和接地開關是直接連接的，因此接地開關的機械耐久性測試是以 10,000 次循環進行，以匹配斷路器 M2 額定值。對於接地開關，此工作超過常規要求的五倍。

溫度測試

此外，接地開關經過相同的低溫測試，以展示低至 -50°C（減 58°F）的性能。

組合測試

根據相關產業標準的設計測試完成後，進行額外的測試以證明組合的性能。最關鍵的測試驗證了開啟斷路器和接地開關之間的時間。

測量時間參數

斷路器觸點的接觸部分與接地開關觸點的接觸之間的時間對於組合的正常運行至關重要。如果設計時間太短，故障電流可能在接地開關關閉之前不會中斷，儘管接地開關會根據需要關閉，但由於接觸焊接可能無法重新打開。

或者，如果時間太長，中斷後的過電壓可能會發生超過突波阻擋器容忍的時間長，從而導致阻擋器損壞。在允許的製造公差範圍和各種環境條件下，我們特別注意測量此時間參數。

接地開關操作任務

另一項證明的能力是在中斷最大額定故障電流時，接地開關的操作職能不會受到斷路器的影響。在某些情況下，真空中斷器可能無法清除主迴路後第一個電流零的故障，但在下一個次要迴路後中斷。測試證明接地開關在沒有接觸式焊接的情況下執行此工作。

風力發電場的好處

當中壓斷路器打開時，系統會失去開路斷路器和 LV/MV 變壓器中壓側之間的接地連接。

如前所述，隨著風力發電機繼續將電源輸入系統，健康相位的電壓會增加到多達 1.73 PU。這種高電壓的作用就像永久性高點測試，對突波阻斷器尤其困難。在這種過高的電壓下長時間可能縮短了壽命，甚至損壞突波阻斷器。由於地面參考遺失導致這些問題，因此恢復接地連接可以消除它們。

如本文所述，使用接地開關的傳統替代方法是改用接地變壓器。此變壓器將連接到 MV 斷路器的 B 側，並設置以使在正常運行期間具有高阻抗接地，但在線路到接地故障期間提供低阻抗路徑給出故障電流。

使用接地變壓器的缺點是設備的安裝和維護成本以及與溢出相關的環境風險。儘管接地變壓器只需要大約為連接負載大小的 5%，但這仍可能需要 MVA 範圍內的變壓器。此外，連接到接地變壓器的電纜會增加了很大的費用。最後，變壓器的維護，尤其是對於油絕緣變壓器，在風力發電場的使用壽命中，成本可能會很大。

相比之下，帶有集成接地開關的斷路器是一個相對簡單的設備，在設計和施工方面與傳統的斷路器非常相似。將接地開關集成到斷路器中，將故障檢測功能與電路接地結合起來，簡化了系統的安裝和操作。

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