الحسابات التصميمية لخطط توصيل المحايد والتقييس المحول الأرضي في محطات الطاقة الشمسية الضوئية ذات المستوى المرتفع

1 تصنيف طرق توصيل الأرض المحايدة لمحطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية

تتأثر طرق توصيل الأرض المحايدة لنظم الطاقة بتفاوت مستويات الجهد وهياكل الشبكة بين المناطق، وتُصنف بشكل أساسي إلى التوصيل غير الفعال والتوصيل الفعال. يتضمن التوصيل غير الفعال توصيل الأرض عبر مكثفات القمع والأنظمة غير المتصلة بالأرض، بينما يتضمن التوصيل الفعال توصيل الأرض الصلب وتوصيل الأرض عبر المقاومات. اختيار طريقة توصيل الأرض المحايدة هو قضية شاملة تتطلب النظر في حساسية الحماية بالترابط، مستويات عزل المعدات، تكاليف الاستثمار، استمرارية تزويد الطاقة، صعوبة التشغيل والصيانة، نطاق الأعطال، وأثرها على استقرار النظام.

1.1 التوصيل غير الفعال
1.1.1 توصيل الأرض عبر مكثفات القمع

يتم تركيب مكثف القمع عند نقطة الوسط المحايدة للنظام. خلال الأعطال، يعوض التيار الاستدراكي التيار السعة للنظام، ويكون تيار العطل عند نقطة التوصيل بالأرض هو التيار الاستدراكي المتبقي بعد التعويض. عندما يحدث عطل في مرحلة واحدة، يقوم المكثف بتقديم تعويض للتيار السعة لإطفاء قوس التوصيل بالأرض بسرعة، مما يمنع الأقواس المتقطعة والجهد الزائد. يمكن للنظام الاستمرار في العمل لفترة قصيرة بعد العطل، مما يجعله مناسبًا للمواقف التي تتطلب تزويد طاقة عالي الموثوقية.

خصائص رئيسية:

• الحماية والتشغيل: التيار الصغير للتوصيل بالأرض يجعل حماية التيار الصفرية التقليدية تفتقر للحساسية، مما يتطلب حماية توصيل مرحلة واحدة معقدة. يجب أن يعمل المكثف في وضع التعويض الزائد؛ يحتاج المشغلون إلى ضبط المعلمات بانتظام مع تغييرات الشبكة، مما يعقد الصيانة.

• التكوين: تجنب التركيب المركزي لمجموعة من المكثفات أو تركيب مكثف واحد لتجنب فشل التعويض.

• التطبيق والقيود: مناسب لنظم ذات تيارات سعة كبيرة لتوصيل مرحلة واحدة، مما يقلل من التأثير الحراري للمعدات ويجعل إمداد الطاقة المستمر قصير الأمد ممكنًا. لكن حماية الترابط لا يمكنها قطع الأعطال بسرعة في محطات الطاقة الشمسية الكبيرة والمتوسطة. لذا، فإنه يستخدم بشكل أقل في محطات الطاقة الشمسية ذات المستوى MW وما فوق وحافز 10 كيلوفولت/35 كيلوفولت، مع إعادة تجهيز أنظمة مكثفات القمع القديمة.

1.1.2 عدم توصيل الأرض المحايدة

تشمل النظم غير المتصلة بالأرض (التوصيل غير الفعال) تيارات عطل من التداخل السعتي للأجهزة/الخطوط أثناء أخطاء مرحلة واحدة، بدون حلقة قصر. هذا يسمح بالعمل لمدة 1-2 ساعة بعد العطل بسبب التيارات المنخفضة والجهود بين المراحل المستمرة، ولكن يعرض لخطر إعادة تشغيل القوس والجهد الزائد مما يتطلب عزلًا عاليًا. مناسب للتيارات السعة الصغيرة (مثل الجانب المتردد للمحوّل الضوئي للطاقة الشمسية، المحولات ذات الجهد المنخفض).

1.2 التوصيل الفعال
1.2.1 توصيل الأرض الصلب

يوفر تيار عطل عالي، حماية حساسة، جهد زائد منخفض، وعزل مرتاح، ولكنه يشكل خطرًا على الموثوقية بسبب التيارات الأرضية الزائدة وتداخل الاتصال الشديد. شائع في محطات الطاقة الشمسية ≥50 MW ومحوّلات الجهد العالي ≥110 kV، مع مفاتيح عزل الأرض/مكبحات الصواعق لتحقيق التوصيل المرنة بالأرض.

1.2.2 توصيل الأرض عبر المقاومة

يحقن تيارًا نشطًا > التيار السعة عبر مقاومات الأرض، مما يمكّن حماية التيار الصفرية عالية الحساسية لعزل العطل بسرعة. المزايا:

• استقرار المعلمات: لا يتطلب تعديلات خلال التشغيل الأولي.

• اقتصاد العزل: متطلبات عزل منخفضة من خلال إزالة العطل بسرعة.

• التطبيق: أنظمة الكابلات الطويلة، المحولات/المحركات ذات السعة العالية، ومحطات الطاقة الشمسية ذات التيارات السعة العالية.

• مستوى الجهد:

• ≥220 kV: توصيل الأرض الصلب

• 66-110 kV: معظمها توصيل الأرض الصلب، بعضها غير صلب

• 6-35 kV: معظمها غير صلب، بعضها صلب

2 حساب سعة محول التوصيل بالأرض

للحافز 10/35 kV في محطات الطاقة الشمسية ذات المستوى MW (توصيل الأرض عبر المقاومة)، يتم الحاجة إلى محولات توصيل بالأرض متخصصة إذا كانت الأرضيات غير متصفة. خطوات الحساب:

• الجهد الأساسي: يتطابق مع جهد حافز النظام.

• التيار السعة: مجموع تيارات الكابلات/الخطوط الهوائية بالإضافة إلى تأثيرات المعدات في المحطة.

• قيمة المقاومة: تضمن تنشيط حماية التيار الصفرية بسرعة.

• سعة المحول: تعتبر تصنيف مقاومة الأرض؛ تشمل الأحمال الثانوية إذا كانت تعمل كقوة المحطة.

3 مثال على حساب سعة محول التوصيل بالأرض
3.1 نظرة عامة على المشروع
محطة طاقة شمسية مركزية بقدرة 50 MW مع دعامات ثابتة على ارتفاع 1340 م (متوسط درجة الحرارة السنوي 3°C) ولا تتطلب تخفيض القدرة بسبب الارتفاع أو الرطوبة. تتكون من 50 × 1 MW من المصفوفات الفرعية، يتم تحويل التيار المباشر ورفعه إلى 35 kV محليًا. تشكل عشر مصفوفات فرعية خط جامع يغذي نظام حافز 35 kV أحادي الخط، ثم يتم رفعه إلى 110 kV (الأرض المحايدة متصلة بشكل صلب). تشمل محطة الرفع 35 kV المحول الرئيسي ذو الجهد المنخفض، 5 خطوط جامع للطاقة الشمسية، محول التوصيل بالأرض، محول الخدمة المحطوية، تعويض التفاعل، ودوائر PT، مع توصيل الأرض عبر المقاومة للأرض المحايدة.

3.2 حساب سعة محول التوصيل بالأرض
3.2.1 طريقة التوصيل بالأرض

يتطابق الجهد الأساسي المقنن لمحول التوصيل بالأرض مع جهد النظام 35 kV. الخطوط الجامعة 35 kV هي أساسًا كابلات مدفونة مباشرة (إجمالي 34 كم)، مع 2 كم من الخطوط الهوائية.

• التيار السعة للتوصيل بمرحلة واحدة لخطوط الجامع الهوائية 35 kV: Ic1=3.3×U_L×L×10−3=0.231A

• التيار السعة للتوصيل بمرحلة واحدة لخطوط الجامع الكابلية 35 kV: Ic2=0.1×U_L×L=119A

( U_L): جهد الخط إلى الخط (kV)؛ L: طول الخط (كم))

مع زيادة 13% في التيار السعة لمحطة 35 kV، يتجاوز التيار السعة المحسوب للتوصيل بمرحلة واحدة لمحطة الطاقة الشمسية 10 A. لذلك، يتم استخدام توصيل الأرض عبر المقاومة لنقطة الوسط المحايدة لحافز 35 kV.

3.2.2 سعة محول التوصيل بالأرض

لمقاومة الأرض، يكون الجهد الأساسي U_R≥21.21kV. في حالة عطل مرحلة واحدة، يتم تحديد تيار العطل الأرضي ليكون 150-500 A، بحيث يكون I_R=400A، ومع R=50.5Ω، P_R≥U_R×I_R. في أنظمة التوصيل بالأرض ذات المقاومة المنخفضة، تكون سعة محول التوصيل بالأرض 1/10 من سعة التيار العطل المقابل. بما أنه يوجد محول خدمة محطوي منفصل، يتم تجاهل الأحمال الثانوية. باعتبار العوامل التقنية والاقتصادية، والظروف الجوية، والارتفاع، يتم تحديد السعة على أنها 1000 kVA.

4. الخلاصة

تنمية الطاقات المتجددة مثل الطاقة الشمسية تتوافق مع سياسات التنمية الصناعية في جميع أنحاء العالم. طريقة توصيل الأرض المحايدة لها تأثير على جوانب مثل تصميم وتشغيل النظام الكهربائي. عند اختيار طريقة توصيل الأرض المحايدة للنظام، يجب النظر بشكل شامل في تأثيراتها على موثوقية تزويد الطاقة بالنظام ومستوى عزل المعدات، وكذلك صعوبة تنفيذ حماية الترابط.