Analysis of mitigation methods for sheath voltages and sheath circulating currents on medium voltage wind farm collector system

Abstract

Installed power on wind farms as well as their energy production are constantly increasing in order to achieve efficient utilization of the location where they are constructed. As a result, the power transferred in the wind farm collector systems is growing. This has resulted in excessively high sheath circulating currents and sheath voltages in the power cables. In addition to this, issues with problematical sheath connections are leading to insulation failures inside cable joints within wind farm medium voltage collector systems. The objective of this thesis was to review and to develop methods to determine the magnitudes of sheath circulating currents and voltages. Furthermore, other goals were to determine the technical withstand limit of the collector system to these sheath circulating currents and to evaluate methods to decide if mitigation methods are required. This thesis presents the current status for the problems dealing with the sheath connections and introduces the theoretical background of sheath circulating currents and sheath voltages. Methods to determine the magnitudes of these undesirable phenomena are presented, implemented, and evaluated. Two case study wind farms based on actual design layouts were used to evaluate the results for the proposed calculation methods of sheath voltages and currents on power cables. Main focus was concentrated on the determination of the impact exerted on the power cable system through the implementation of mitigation methods or so-called cable screen bonding methods. This impact is numerically translated into resulting sheath voltages and currents, under different operational conditions, for instance with or without bonding systems. Furthermore, the sheath circulating currents were calculated before and after implementing cross-bonding by using DIgSILENT PowerFactory simulation tool. With this tool, a more detailed model of the power cable can be done based on the cable structure and geometrical dimensions. In addition, this tool enables the consideration of the results from the power flow calculations done for different operational settings such as reactive power settings. One key finding using this grid simulation tool has been the influence of capacitive currents on the power cable to the resulting total sheath currents. In addition, a sheath current measurement campaign was commissioned for the first case study wind farm before the integration of mitigation methods and obtained data were presented. A peak value of 60 A for the sheath current was observed, followed by a 40 A sheath current flow for a two-hour period. After this period, the cable experienced a joint failure leading to a total outage for the whole wind farm. Moreover, external laboratory investigations were performed on these failed joints. The results indicated that the joints have experienced high sheath circulating currents. According to the findings, impurities have been left inside the joints resulting in oxidization within its metallic layers leading to insufficient contact between the cable sheaths and the joint braids. Based on the measurements and laboratory results presented in this thesis, a recommended maximum sheath circulating current level of 40 A is proposed. By exceeding this proposed limit, the design for a wind farm collector system shall integrate cable sheath bonding methods as mitigation measures.

Tuulivoimapuistojen asennettu teho ja niiden energiantuotanto kasvavat jatkuvasti, jotta niiden sijainti voidaan hyödyntää tehokkaasti. Tuulivoimapuistojen kehityksen tuloksena niiden keskijännitekaapelijärjestelmissä siirretty teho on kasvussa. Tämä on johtanut liian suuriin kosketussuo-jien kiertäviin virtoihin sekä jännitteisiin kaapeleissa. Yhdessä ongelmallisten kosketussuojien liitäntöjen kanssa, suuret kosketussuojien kiertävät virrat aiheuttavat eristysvikoja tuulivoimapuistojen keskijännitekaapelijärjestelmien jatkoksissa. Tämän diplomityön tavoitteena on tarkastella ja kehittää menetelmiä kosketussuojien kiertävien virtojen ja jännitteiden määrittämiseksi. Lisäksi tavoitteina on määrittää keskijännitekaapelijärjestelmän tekninen kestoraja kosketussuojien kiertäville virroille ja arvioida menetelmiä, joiden perusteella päätetään, tarvitaanko järjestelmässä erityisiä menetelmiä näiden virtojen ja jännitteiden rajoittamiselle. Tämä diplomityö esittelee kosketussuojien liitosten ongelmallisen nykytilan sekä kosketussuojien jännitteiden ja kiertävien virtojen teoreettiset taustat. Lisäksi diplomityössä esitellään, käytetään ja arvioidaan näiden ei-toivottujen ilmiöiden määrittämismenetelmiä. Kahta tuulivoimapuistoa, jotka perustuvat todellisiin suunnitelmiin, käytettiin arvioimaan kaapelien kosketussuojien jännitteiden ja kiertävien virtojen ehdotettujen laskentamenetelmien tuloksia. Pääpainona oli kosketussuojien jännitteiden ja kiertävien virtojen rajoittamismenetelmien eli kosketussuojien maadoitusmenetelmien toteuttamisen vaikutukset kaapelien kosketussuojien kiertävien virtojen ja jännitteiden suuruuteen. Nämä vaikutukset määritettiin laskemalla. Kosketussuojien kiertävät virrat laskettiin ennen kosketussuojien vuorottelun toteuttamista sekä toteuttamisen jälkeen käyttämällä DIgSILENT PowerFactory simulointityökalua. Tämän simulointityökalun avulla kaapelijärjestelmän tarkan mallin luominen on mahdollista, käyttämällä kaapelin todellista rakennetta ja geometrisia mittoja. Simulointityökalu mahdollistaa myös tehonjaon laskennan eri käyttöasetuksilla, esimerkiksi loistehoasettelulla. Simulointityökalulla saavutettiin yksi diplomityön tärkeimmistä havainnoista, joka oli kaapelin kapasitiivisten virtojen vaikutus kosketussuojien kiertävien virtojen suuruuteen. Käytössä olevalle tuulivoimapuistolle toteutettiin kosketussuojien virtamittaukset ennen kosketussuojien vuorottelun asentamista ja näiden mittausten tulokset esiteltiin tässä diplomityössä. Mittausjakson aikana kosketussuojan virta saavutti 60 A huippuarvon. Mittausjakson lopulla kosketussuojan virta ylitti 40 A yhtäjaksoisesti kahden tunnin ajan, jolloin kaapelin yksi jatkoksista vioittui. Tämä vika johti koko tuulivoimapuiston tuotannon pysähtymiseen. Rikkoutuneelle jatkokselle suoritettiin tutkimukset ulkopuolisessa laboratoriossa. Näiden tutkimusten tulokset osoittivat, että jatkoksessa on kulkenut korkeita kosketussuojien kiertäviä virtoja. Lisäksi jatkoksen sisältä löydettiin epäpuhtauksia, jotka olivat aiheuttaneet jatkoksen metallisten kerrosten hapettumista. Hapettumisesta takia, kaapelin kosketussuojien ja jatkoksen liitospunosten välinen johtavuus oli heikentynyt. Mittausten ja laboratoriotutkimusten tuloksien perusteella kosketussuojien kiertävien virtojen tekniseksi kestorajaksi ehdotetaan 40 A. Tämän rajan ylittyessä on suositeltavaa asentaa kosketussuojien maadoituksen erikoismenetelmä tuulivoimapuiston keskijännitekaapelijärjestelmään, joka sisältää jatkoksia.