Toenemende kracht van maritieme power systems vereist up-to-date storingsbeveiliging
Moderne energiesystemen voor maritieme en offshore-toepassingen worden steeds groter en krachtiger. Fabrikanten van deze systemen staan voor verschillende uitdagingen, zoals hoge systeemvermogens, interconnectie van meerdere bussen om gesloten bus- of ringsystemen te vormen en het omgaan met hoge-capaciteit energieopslagsystemen. Ultrasnelle solid-state breakers vormen de sleutel naar een up-to-date storingsbeveiliging.
De traditionele manier om het vermogen van een systeem te vergroten is het verhogen van de systeemspanning (690 V, 3,3 kV, 6,6 kV, 11 kV,…). Daarmee worden de capaciteitsbeperkingen van de bus, bekabeling en breakers opgelost. De huidige trend is om meer vermogenscapaciteit met elkaar te verbinden door stroombronnen toe te voegen, onder andere door systemen parallel te laten draaien met behoud van een lagere systeemspanning. Dit heeft tot op zekere hoogte de voorkeur boven andere opties vanwege beschikbaarheid van power electronics drives en energie-opslagsystemen (ESS’s) van de vereiste capaciteit.
De afgelopen jaren zijn power systems die geen transformatoren gebruiken populair geworden in maritieme toepassingen, vanwege hun compacte formaat en beperkt gewicht. Technische ruimte op schepen is kostbaar omdat deze ten koste gaat van de laad- of passagiersruimte. Een belangrijke uitdaging bij deze systemen is de hoge ‘prospective short current’, de maximale stroom die bij een kortsluiting zal vloeien. De beschikbaarheid van traditionele, mechanische DC-breakers met een capaciteit van 800-1.000 V in het bereik van 30-50 kA (of hoger bij lagere spanningen) is zeer beperkt, terwijl potentiële systeemfoutniveaus meestal hoger dan 100 kA zijn. Zonder zekeringen of solid-state breakers is het bijna onmogelijk om de vereiste beveiliging tegen kortsluiting te realiseren.
Gesloten-bus- of ringsystemen
Het gebruik van multibus-interconnectie om gesloten-bus- of ringsystemen te vormen, zorgt voor een grotere energie-efficiëntie in het systeem. Het aantal in gebruik zijnde verbrandingsgeneratoren kan immers elk moment worden geminimaliseerd, met behoud van systeemintegriteit en bescherming tegen fouten. Gesloten-bus systemen moeten snelle foutisolatie en een snel systeemherstel mogelijk maken om een fouttolerant systeem te realiseren.
Een belangrijk kenmerk van een onderling verbonden gesloten-bussysteem, met een goede afscherming tegen fouten en storingen, is volledige of gedeeltelijke selectiviteit zodat het systeem de beveiligings-devices coördineert. Deze beschermingsmethoden zijn relatief eenvoudig te bereiken met AC-systemen. Een breed scala aan soorten en merken van beveiligingsrelais is beschikbaar: differentiële beveiliging van busbar, transformator en kabelzones, vlamboogbeveiliging van schakelpanelen, zone- en tijdgerichte beveiliging, in verschillende combinaties.
Selectiviteit
Het belangrijkste probleem met de coördinatie van selectief trippen bij AC-systemen is tijd, in relatie tot de snelheid waarmee de breakers een storing kunnen afschakelen. Zelfs bij de snelste selectieve beveiligingssystemen, zoals differentiële stroombeveiliging en vlamboogbeveiliging, duurt het ongeveer 50-80 ms voordat de storing is verholpen. Selectiviteit op basis van tijd bereikt gemakkelijk storingsonderbrekingsscenario’s van 300-500 ms of meer. Naast de afschakeltijd moet de ontwerper rekening houden met onder andere de tijd die nodig is om een fout te detecteren, relaisuitvaltijd, contactschakeltijd en tijdstip van uitschakelen van de spoel.
De laatste selectieve generatoronderbreker moet daarom afschakelen binnen het maximale vlamboog foutniveau van het schakelpaneel (maximaal één seconde). Binnen dit tijdsbestek kan het vlamboogniveau al extreem hoog zijn. Om veiligheidsredenen wordt daarom vlamboogbescherming of differentiële bus-bar bescherming gebruikt om de zone-selectiviteit van het schakelpaneel zo veel mogelijk te verbeteren. Dit om blootstelling aan de vlamboog zoveel mogelijk in te perken.
DC versus AC
In DC-systemen worden vaak zekeringen gebruikt. In vergelijking met AC-systemen wordt in zeer beperkte mate selectiviteit bereikt. Bij AC-systemen zijn situaties met vlambogen minder problematisch omdat zekeringen de storing binnen een halve wisselstroom-cyclus, in de orde van milliseconden, kunnen onderbreken.
Storingscoördinatie met zekeringen is alleen te realiseren wanneer zekeringen met verschillende kenmerken worden gebruikt. Bij frequentieomvormers moet de ontwerper snelle zekeringen toepassen om de gevoelige vermogenselektronica-componenten te beschermen. Ultrasnelle solid-state breakers kunnen de voordelen van zowel AC- als DC- (multibus)systemen combineren, omdat deze technologie de stroom in microseconden (μs) kan onderbreken, terwijl selectiviteit tussen andere solid-state breakers en DC- of AC-zekeringen behouden blijft. Terwijl zekeringen milliseconden nodig hebben om kortsluitstromen af te schakelen en deze niet kunnen worden geprogrammeerd of vertraagd, zijn solid-state breakers in staat om lagere energieniveaus te detecteren dan de smeltintegraal van een zekering voordat deze het stroomcircuit onderbreekt. Door deze technologie toe te passen, voorkomt men dat zekeringen beschadigen tijdens de fout en blijft het systeem in bedrijf.
Selectiviteit zonder solid-state breakers?
In DC-systemen worden vaak zekeringen gebruikt. In vergelijking met AC-systemen wordt in zeer beperkte mate selectiviteit bereikt. Bij AC-systemen zijn situaties met vlambogen minder problematisch omdat zekeringen de storing binnen een halve wisselstroom-cyclus, in de orde van milliseconden, kunnen onderbreken.
Storingscoördinatie met zekeringen is alleen te realiseren wanneer zekeringen met verschillende kenmerken worden gebruikt. Bij frequentieomvormers moet de ontwerper snelle zekeringen toepassen om de gevoelige vermogenselektronica-componenten te beschermen. Ultrasnelle solid-state breakers kunnen de voordelen van zowel AC- als DC- (multibus)systemen combineren, omdat deze technologie de stroom in microseconden (μs) kan onderbreken, terwijl selectiviteit tussen andere solid-state breakers en DC- of AC-zekeringen behouden blijft. Terwijl zekeringen milliseconden nodig hebben om kortsluitstromen af te schakelen en deze niet kunnen worden geprogrammeerd of vertraagd, zijn solid-state breakers in staat om lagere energieniveaus te detecteren dan de smeltintegraal van een zekering voordat deze het stroomcircuit onderbreekt. Door deze technologie toe te passen, voorkomt men dat zekeringen beschadigen tijdens de fout en blijft het systeem in bedrijf.
Reactiesnelheid
De systeemontwerper moet ervoor zorgen dat alle apparatuur in het onderling verbonden systeem niet kan trippen of wordt onderbroken tijdens een storing. Dit geldt ook tijdens of na storingen in een andere zone. Hoe meer tijd het systeem nodig heeft om de storing te verhelpen, hoe uitdagender de FRT (‘fault ride-through’) wordt. Dit is belangrijk voor de meeste systeemapparatuur. Bijvoorbeeld motoraandrijvingen kunnen gedurende een beperkte tijd spanning in een DC-link leveren. Dit hangt af van de terugwinning van kinetische energie uit de roterende massa (als deze met voldoende toeren draait); de generator onder de fout is onderhevig aan enorme krachten en astrillingen bij de koppeling. Bekrachtiging van het systeem levert een zeer hoge stroom en de automatische spanningsregelaar moet worden ingesteld om overspanning te voorkomen in het tijdsbereik na de fout, omdat overspanning schade en/of oncontroleerbare tripping van verschillende beveiligingsonderdelen kan veroorzaken.
Distributieopwekkers en motoren moeten ook in werking blijven na een storing. Snelle onderbreking van gelijkstroom in μs (of wisselstroom in 1-5 ms, afhankelijk van de stroomsteilheid) maakt het eenvoudig de FRT van het systeem te bereiken. Door deze zeer snelle opheffing van de fout, is de impact ervan op het systeem minimaal. Dit maakt solid-state breakers zeer geschikt voor open-bus- en onderling verbonden gesloten-bussystemen.
Storingsonderbrekingen
Het veilig realiseren van ESS’s met hoge vermogens brengt vele uitdagingen met zich mee. Elke batterijstring of -pack levert doorgaans meer dan 10 kA bijdrage aan de fout. Systemen met 20 strings of meer met een capaciteit van meer dan 3-5 MWh zijn daarom extreem risicovol, maar komen desalniettemin vrij vaak voor.
Het is moeilijk om zekeringen te vinden met adequate afschakelclassificaties omdat deze zekeringen traditioneel zijn ontworpen en getest voor systemen met hogere L/R-tijdconstanten. Moderne ESS’s hebben zeer lage L/R-tijdconstanten en omdat grenswaarden niet toereikend zijn, moeten zekeringsfabrikanten deze waarden bevestigen op systeemniveau. Dit betekent praktisch dat de stijgtijd van de foutstroom extreem kort is en die stroom aanzienlijk kan oplopen binnen 1 ms.
Elco’s
Naast de ESS’s is er een grote hoeveelheid energie aanwezig in de elektrolytische condensatoren in de DC-links van vermogensomvormers. Deze condensatoren reduceren de spanningsrimpel in de DC-bus tot een niveau dat geschikt is voor AC/DC-omvormers. Elektrolytische condensatoren ontladen zeer snel waardoor met een DC-bus verbonden systemen naar nog hogere foutstroomniveaus stijgen.
De L/R-tijdconstante van DC-link condensatoren is lager dan voor een ESS. Dit betekent dat de foutstroom extreem stijgt snel. Hoewel de energie van DC-link condensatoren relatief laag is en afhangt van de grootte van het DC-bus systeem kunnen stroompiekniveaus enorm zijn. Dit kan een ernstig risico vormen in DC-systemen, zelfs zonder ESS. De meeste typische DC-DC-omvormers zijn boost omvormers, en zijn niet in staat om de stroom van de ESS-bron te blokkeren. Dit verhoogt de reeds inherente hoge foutstroomniveaus in DC-systemen.
Veilig voor de operator
Bij AC-systemen zijn er tal van voordelen. Mits de fout kan worden onderbroken binnen enkele milliseconden, wat haalbaar is met solid-state breakers. Het onderbreken van de fout zal veel sneller zijn dan bij vacuüm- of lucht-circuit-breakers. Dit vermindert de kans op storingen aanzienlijk. Dit is goed nieuws voor alle elektrische componenten in het systeem en voor de operator. Het vlamboogniveau en de blootstelling van een operator aan de vlamboog zal minstens 10 keer lager zijn (theoretisch tot 100 keer). Dit maakt de schakelpanelen veel veiliger. Afhankelijk van hoe deze technologie wordt gebruikt, kan het de benodigde persoonlijke beschermingsmiddelen aanzienlijk reduceren. Deze solid-state AC-breaker technologie is voor de meeste systemen tot 11 kV beschikbaar.
