1

Marko Braje Milan Kovačević Končar - KET d.d. Končar - IET d.d. marko.braje@koncar-ket.hr mkovac@koncar-institut.hr

MJERENJE ELEKTRI ČNIH KARAKTERISTIKA ENERGETSKOG KABELA U VJETROAGREGATU 2,5 MW NAKON POVEZIVANJA

SAŽETAK

Prijenos električne energije u vjetroagregatu od generatora u gondoli do frekvencijskog pretvarača koji se nalazi u dnu tornja vrši se specijalnim kabelima koji moraju biti projektirani i izrađeni da mogu podnijeti velika opterećenja. Prilikom normalnog pogona kabel je opterećen torzijski zbog zakretanja gondole (tri puna okreta u smjeru kazaljke na satu i obrnuto) te aksijalno zbog svoje vlastite težine. Dosadašnji princip montaže spojnog kabela u jednom komadu za vođenje električne energije između generatora i frekvencijskog pretvarača na vjetroagregatu KO-VA 57/1 pokazao se neprikladnim za primjenu i kod većeg vjetroagregata tipske oznake K80 snage 2.5 MW. Prilikom montaže, dosad se kabel u cijeloj svojoj duljini spuštao od gondole prema dnu tornja te učvršćivao na stijenku tornja što je prilikom većih duljina kabela izuzetno težak fizički posao koji zahtijeva puno vremena.

Za olakšanje poslova montaže spojnog kabela na vjetroagregatu K80 može se napraviti priprema u smislu rezanja energetskog kabela i ugradnje dijelova energetskih kabela u segmente tornja prije postavljanja kompletnog tornja na gradilištu uz naknadno povezivanje pomoću čahura te izolaciju novonastalih spojeva pomoću toploskupljajućeg kabelskog pribora čime se u pravilu uštedi puno vremena. Takav način ugradnje zahtijeva provjeru kako tehnologije izrade tako i električne karakteristike s obzirom na karakter promjene napona ovisno o vremenu (dU/dt karakteristika).

Energetski pretvarači imaju nelinearnu U-I karakteristiku pa svojim radom u sustav injektiraju više harmonijske članove struje. Mjerenjem je potrebno dokazati da razina povratnog djelovanja (nove refleksije) između generatora i frekvencijskog pretvarača spojne točke neće uzrokovati prekoračenje planirane razine valnog oblika napona, odnosno cilj je da pritom ne dođe do pogoršanja naponskih prilika na stezaljkama generatora uslijed refleksije PWM napona iz frekvencijskog pretvarača. Za ispitivanja je korišten frekvencijski pretvarač KONwert1500-LC11S snage 1500 kVA, a sama mjerenja su provedena na jednom istovrsnom uzorku kabela presjeka 3x95 + 3x25 mm2 u laboratoriju Končar IET-a. U opsegu ovog rada prezentiran je postupak ispitivanja te komentar dobivenih rezultata mjerenja.

Klju čne rije či: vjetroagregat, vjetroelektrane, sinkroni generator, razvoj, projekt, K80, mjerenje,

frekvencijski pretvarač, PWM modulacija

MEASURING WIND TURBINE K80 CABLE ELECTRICAL CHARACT ERISTICS AFTER SEGMENTING AND BINDING BACK TOGETHER

SUMMARY Electric power transmission inside the wind turbine, from the generator in the nacelle to the

frequency converter at the tower bottom is carried out by special cables designe so that they can withstand heavy loads. During normal run the cable is torsionally loaded due to the roration of the nacelle (three full turns in each direction) and further on, cable is axially loaded due to its own weight. Former way of mounting electric power transmission cables without segmenting (applied for the 1MW wind

10. savjetov anje HRO CIGRÉ Cavtat, 10. – 13. studenoga 2013.

HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNOG VIJEĆA ZA VELIKE ELEKTROENERGETSKE SUSTAVE – CIGRÉ

A1-3

2

turbine KO-VA 57/1) is proved to be inappropriate for use in the longer towers (e.g. 80m as in Koncar K80 wind turbine). During assembling, so far the cable has been lowered from the nacelle to the tower bottom and tightened to the tower wall which is extreme physical work especially when it comes to dealing with the longer cable lengths.

To get the works for the assembling of the wind turbine done easier, preparations like segmenting and fixing of each segment in each tower part can be made, of course before complete tower is mounted on the site. Later on, the cables can be binded together with suitable cable bindings protected with heat shrinkable tubes. This way, it is assumed that also a lot of the time can be saved on the construction site. In order to implement this way of cable assembly it’s necessary to perform measurement of the electrical conditions after the binding of the cable endings considering variation of voltage in time.

Frequency converters have non linear U-I characteristic, and during normal operating status they inject into the system higher current harmonics. With obtained measurement results it’s necessary to prove that effect of wave reflection is not causing voltage waveform increase i.e. is within permissive boundaries of the cable properties (because the PWM modulation is causing increased voltage reflections). For the measurement we have used frequency converter KONwert1500-LC11S, 1500 kVA (used in the wind turbine), and the special wind turbine cable with cross diameter 3x95 + 3x25 also used in Končar wind turbines. Within this paper will be presented gained results along with measurement procedure.

Key words: wind farm, wind turbine, synchronous generator, development, project, cable, binding, frequency converter, PWM modulation 1. UVOD

Sinkroni generator za vjetroagregat K80 projektiran je na nazivnu snagu od 2,6 MW. Napajanje

uzbude se ostvaruje iz mreže preko glavnog transformatora 20/0.69 kV, 2500 kVA, te uzbudnog transformatora 690/400 V, 50 Hz, snage 125 kVA. Generator je povezan specijalnim kabelom za vjetroagregate s frekvencijskim pretvaračem koji se nalazi u dnu gondole gdje se proizvedena električna energija modulira na napon 690 V i frekvenciju 50 Hz.

Povezivanje generatora u gondoli vjetroagregata s frekvencijskim pretvaračem za vjetroagregat KO-VA 57/1 vrši se pomoću 4 kabela (3x95+3x25 mm2). Navedeni kabeli su postavljaju u komadu tako da se nakon motaže kompletnog tornja spuštaju i povezuju što fizički izuzetno težak posao te zahtjevan u pogledu resursa vremena.

Slika 1. Shema postrojenja ispitivanja kabela 3x95 + 3x25 mm2

3

Za olakšavanje navedenih poslova poslova (a pogotovo kod vjetroagregata K80 gdje je duljina kabela kojeg treba spustiti iz gondole gotovo 100 metara) zahtijeva se rezanje spomenutih kabela na tri dijela te se onda pristupa učvršćivanju svakog segmenta po tornju da bi se nakon dovršetka montaže tornja vjetroagregata pristupilo naknadnom povezivanju pomoću čahura i izoliranje spojeva s termički izolacijskim stiskajućim cijevima. Prije pristupanja takvom načinu montaže potrebno je obaviti ispitivanje na istovrsnom uzorku u laboratoriju. Naknadno povezivanje zahtijeva kako tehnologije izrade tako i električne karakteristike s obzirom na karakter promjene napona u ovisno o vremenu (dU/dt). Dosadašnja tehnologija montaže učvršćenja kabela u tornju, da se namotan kabel u trećem segmentu tornja spušta niz montiran stup i učvršćuje uz stijenku tornju bi se zamijenila s tehnologijom prethodno na tlu učvršćenim kabelima i tako montirani električki bi se spojili nakon završetka montaže tornja. Potencijalni problem nastaje zbog principa rada energetskog pretvarača koji ima nelinearnu U-I karakteristiku pa svojim radom u sustav injektira više harmonijske članove struje. Mjerenjem je potrebno dokazati da razina povratnog djelovanja (nove refleksije) između generatora i frekvencijskog pretvarača spojne točke neće uzrokovati prekoračenje planirane razine valnog oblika napona generatora uslijed refleksije PWM napona iz frekvencijskog pretvarača. Zbog toga je na jednom istovrsnom uzorku kabela u laboratoriju Končar lET-a na pogonu ispitivanja pretvarača vjetroagregata provedeno mjerenje funkcionalnih i tehnoloških karakteristika radi dobivanja dokaza da je vodič u cijeloj svojoj duljini zadržao ista svojstva i da ne utječe na normalan rad sustava. Kabel je presjeka 3x95+3x25 mm2, a tehnologija spajanja žila je pomoću čahura i Raychem termo stiskajuće izolacije. Uz izolaciju pojedinih žila kabela Raychem termo stiskajućim cijevima izoliran je i cijeli kabel. Korištena su tri promjera Raychem termo stiskajućih cijevi.

2. OPREMA Za primjenu postupka montaže kabela u stup koji se reže na komade i montira u segmente stupa na tlu koji se nakon podizanja tornja spajaju pomoću čahura sa stiskanjem te izoliraju pomoću termički stiskajućih cijevi korišteni su:

• Kabel Nexans - presjek 3x95+3x25 mm2 i duljine 75 m, • Čahure - GPH pocinčani bakar 95 mm2 i 25 m2, • Raychem toplinski stiskajuće cijevi - WCSM 110/30, WCSM33/8 i WCSM 20/6.

Slika 2. Shema spajanja kabelskih segmenata

Za ispitivanje je korištena sljedeća mjerna oprema:

• Memorijski osciloskop Tektronix TDS 3054C, • VN sonda, Tektronix, TEK P5100 • Instrument za mjerenje otpora izolacije (DlN VDE 0413(1)) • Kontrolnik izolacije (0 - 3350 V), • Kliješta za stiskanje čahura 95 mm2 i 25 mm2 • Industrijski fen.

lspitivanja su provedena na:

• Frekvencijski pretvarač KONvertW1500-LC1 1S, snage 1500 kVA, INEM, • Generator 400 kVA iz ispitne stanice Zavoda 21570 lET, • Na izvodima generatora spojen je RC 6lan kao du/dt filtar u spoju zvijezda izolirana od mase

R=11Ω i 0,235pF.

4

3. ISPITIVANJE

Najprije je izvršeno ispitivanje izolacijskih svojstava Raychem-a (Slika 3). Rezultati kontrolnih ispitivanja izolacijskih svojstava Raychem termički stiskajuće cijevi prikazani su u Tablici 1. Za dokazivanje kvalitete izolacije Raychem cijevi provedeno je ispitivanje poprečnog otpora cijevi i naponske izdržljivosti. Tablica 1. Ispitivanje izolacijskih svojstava Raychem-a R. br. Tip cijevi Otpor izolacije prije

naponske izdržljivosti (Ω) Naponska izdržljivost

50 Hz Otpor izolacije poslije naponske izdržljivosti (Ω)

1. WCSM 110/30 >3.3 G Ω 3.3 kV, AC 5 min >3.3 G Ω 2. WCSM 33/8 >3.3 G Ω 3.3 kV, AC 5 min >3.3 G Ω 3. WCSM 20/6 >3.3 G Ω 3.3 kV, AC 5 min >3.3 G Ω

Prema rezultatima izvršenih mjerenja izolacijska svojstva su zadovoljavajuća. lzolacijski otpor je prije i poslije primjene povišenog napona zadovoljavajući.

Slika 3: Ispitivanje izolacijskih svojstava toplo stiskajućih Raychem cijevi

Na standardnu konfiguraciju ispitivanja frekvencijskog pretvarača KONvertW1500-LC11S,1500

kVA zamijenjen je ispitni kabel izmedu generatora i frekvencijskog pretvarača sa kabelom Nexans presjeka 3x95+3x25 mm2. Riječ je o specijalnom kabelu proizvedenom za vjetroagregate s puno većom otpornošću na torzijska i vlačna naprezanja.

Najprije je provedeno ispitivanje s kabelom od jednog dijela (ukupna duljina 75m) kako bi se utvrdilo početno stanje za ocjenu utjecaja tehnološkog postupka koji slijedi. Za vrijeme mjerenja iz generatora je u pretvarač tekla struja cca 200A po fazama kabela. Oscilogram PWM impulsa polaznog stanja je prikazan na Slici 3. Dobiveni dU/dt linijskog napona nakon konfekcioniranja spoja iznosi cca 190 V/µs.

Nakon mjerenja parametara početnog stanja otvoren je kabel u dužini 60 cm, (tri segmenta duljina redom 17.8, 20.5 i 36.7 m), izvršeno je rezanje vodiča, skidanje izolacije vodiča, stavljanje Raychem cijevi, stiskanje čahura, postavljanje Raychem-a na mjesto pojedinih spojeva i grijanje fenom (Slika 4).

5

Slika 4. Oscilogram napona na stezaljkama generatora (dU/dt linijskog napona) prije obrade

Slika 5: Spojeni vodiči kabela čahurama i pripremljena Raychem izolacija za termičku obradu

Na kraju je na cijelu dužinu otvorenog dijela s preklopom od cca. 200 mm kabela navučena završna cijev Raychem i fenom zagrijana da se zalijepi za vanjski plašt kabela. Važno je napomenuti da je unutarnja strana cijevi Raychema ljepljiva i da pri zagrijavanju i prislanjanju na plašt kabela ima funkciju i hermetičkog brtvljenja.

Kronometrijski je praćen cijeli postupak spajanja kabela. Kompletni postupak jednog spoja kabela 3x95+3x25 mm2 traje cca 1 h za dvojicu dobro uvježbanih elektromontera. Nakon završenog postupka provedeno je po istom postupku ponovno ispitivanje kod struje cca 200A po fazi. Oscilogram PWM impulsa nakon spajanja kabela prikazana je na slici 6. Gdje se vidi da dobiveni dU/dt linijskog napona nakon konfekcioniranja spoja iznosi cca 256 V/µs što je unutar granica tolerancije.

6

Slika 6. Oscilogram napona na stezaljkama generatora (dU/dt linijskog napona) nakon obrade kabela

4. ZAKLJU ČAK

Prilikom razvoja vjetroagregata pojavljuju se mnogi izazovi, kontinuirano se traže nova tehnička rješenja koja se sukladno tome moraju implementirati u konačni proizvod.

U oviru ovog rada je obuhvaćena analiza dobivenog napona na stezaljkama generatora nakon segmentiranja kabela koji povezuje frekvencijski pretvarač i sinkroni generator u vjetroagregatu. lz provedenog postupka spajanja kabela i ispitivanja može se zaključiti da je moguće na taj način kabel prethodno izrezati, konfekcioniri te položiti i fiksirati u dijelove tornja odnosno da se nakon montaže tornja izvrši spajanje i izoliranje vodiča.

Rezultati ispitivanja pokazuju da ne dolazi do novih refleksija PWM impulsa i narušavanja naponskih prilika na stezaljkama generatora.

Treba istaknuti da je sam postupak spajanja kabela vrlo zahtjevan, traži oprez i velike zahtjeve u pogledu resursa vremena no iako je to prilično kompliciran posao (ali i spuštanje kabela iz gondole u dno tornja je također iznimno zahtjevan posao), ukoliko se odradi niz predradnji prije same montaže tornja vjetroagregata ukupni dobitak vremena je jako velik dok istovremeno materijalni troškovi istih predradnji su ekonomski prihvatljivi.

Postupak segementiranja montaže i ponovnog spajanja prvi se puta primjenio na novom Končarevom prototipu generatora, tipske oznake K80, snage 2500 MW, koji je montiran na lokaciji VE Pometeno brdo. Prema dobivenim rezultatima u dosadašnjem radu vjetroagregata vrlo je izvjesno da će se takav način ugradnje primjenjivati i u budućim vjetroagregatima.

5. LITERATURA [1] K. Decker, "Elementi strojeva“, Golden marketing, Zagreb, Hrvatska, 2006. [2] "IEC 1024-1“, International Electrotechnical Commission, 1990. [3] D. Bang, H. Polinder, G. Shretha, J.A. Ferreira, „Review of Generator Systems for Direct-Drive

Wind Turbines“, DUWIND, Deft University of Technology, Delft, Netherlands, 2010. [4] Končar, „Tehnička dokumentacija vjetroagregat K80“, Zagreb, Hrvatska, 2013. [5] D. Ban, D. Žarko, M. Mađerčić, Z. Čulig, M. Petrinić, „Generatori za vjetroelektrane, trendovi u

primjeni i hrvatska proizvodnja“, CIGRE Cavtat, Hrvatska, studeni 2007.