Проекционни изчисления за схеми на нейтрално заземяване и размер на заземяващите трансформатори в утилитарни фотovoltaични станции
1 Класификация на методите за нейтрално заземяване във фотovoltaчни електроцентрали
Под влияние на различията в напрежението и структурата на мрежата в различните региони, методите за нейтрално заземяване на електрическите системи са основно класифицирани като неефективно заземяване и ефективно заземяване. Неефективното заземяване включва заземяване чрез дугови подавачи и незаземена нейтрална система, докато ефективното заземяване включва твърдо заземяване на нейтралния проводник и заземяване чрез резистори. Изборът на метод за нейтрално заземяване е комплексен въпрос, който включва разглеждане на чувствителността на релейната защита, нивата на изолация на оборудването, инвестициите, непрекъснатостта на доставката на енергия, трудността на експлоатация и поддръжка, обхвата на дефектите и въздействието върху стабилността на системата.
1.1 Неефективно заземяване
1.1.1 Заземяване чрез дугови подавачи
Дуговият подавач е инсталиран в нейтралната точка на системата. При дефект, индуктивният ток компенсира капацитивния ток на системата, а токът на дефектната точка е остатъчен индуктивен ток след компенсация. При единофазен дефект, дуговият подавач компенсира капацитивния ток, за да изгаси бързо дугата, подавайки преразходящите дуги и надвишения ток. Системата може да продължи да работи за известно време след дефекта, подходящо за сценарии с висока надеждност на доставката на енергия.
Основни характеристики:
Защита и управление: Малкият ток при заземяване прави обикновената защита с нулев ток недостатъчно чувствителна, изисква сложна защита при единофазен дефект. Подавачът трябва да работи в режим на прекомерна компенсация; операторите трябва да коригират параметрите навреме с промените в мрежата, което усложнява поддръжката.
Конфигурация: Трябва да се избегне концентрираната инсталация на множество подавачи или единствен подавач, за да се предотврати съществуващата компенсация.
Применимост и ограничения: Подхожда за системи с големи капацитивни токове при единофазен дефект, намалява термичните ефекти на оборудването и позволява краткосрочна непрекъсната доставка на енергия. Но релейната защита не може бързо да прекъсне дефектите в средни и големи фотоелектрични станции. Поради това, този метод се използва по-малко в станции от MW-клас и по-горе, както и на шини 10 kV/35 kV, с ранните системи с дугови подавачи, които се модернизират.
1.1.2 Незаземена нейтрала
Системи с незаземена нейтрала (неефективно заземяване) имат токове при дефект от капацитивно свързване на линии/оборудване при единофазен дефект, без краткосречен контур. Това позволява работа с дефект до 1–2 часа поради ниски токове и запазени фазни напрежения, но рискува повторно възпламеняване на дугата и надвишен ток, изискващи висока изолация. Подходящо за малки капацитивни токове (например, AC страни на фотоелектрични инвертори, низковолтови трансформатори).
1.2 Ефективно заземяване
1.2.1 Твърдо заземяване на нейтралния проводник
Предлага висок дефектен ток, чувствителна защита, ниски надвишения ток и по-слаба изолация, но рискува намалена надеждност от прекомерни токове при заземяване и сериозна комуникационна интерференция. Обикновено се среща в фотоелектрични станции от ≥50 MW с високоволтови трансформатори ≥110 kV, с изолационни ключове/гръмоподобни арестири за гъвкаво заземяване.
1.2.2 Заземяване чрез резистори
Вкарва активен ток > капацитивния ток чрез нейтрални резистори, позволяващ високочувствителна защита с нулев ток за бързо изолиране на дефект. Предимства:
Стабилни параметри: Не са необходими корекции по време на първоначалната експлоатация.
Икономика на изолация: Ниски изисквания за изолация благодарение на бързото изолиране на дефектите.
Применение: Дълги кабелни системи, висококапацитни трансформатори/мотори и фотоелектрични станции с високи капацитивни токове.
Хиерархия на напрежението:
≥220 kV: твърдо заземяване
66–110 kV: мнозинството твърдо, малцинството неефективно
6–35 kV: мнозинството неефективно, малцинството твърдо
2 Изчисление на мощността на заземяващия трансформатор
За фотоелектрични станции от MW-клас с шини 10/35 kV (заземяване чрез резистори), са необходими специализирани заземяващи трансформатори, ако нейтралните точки не са изведени. Стъпки за изчисление:
Основно напрежение: Съответства на напрежението на системата.
Капацитивен ток: Сума от токовете на кабели/въздушни линии плюс ефектите от оборудването в подстанцията.
Стойност на резистора: За гарантиране на бързо активиране на защитата с нулев ток.
Мощност на трансформатора: Включва оценка на мощността на заземяващия резистор; ако служи като подстанционен трансформатор, включва вторичните нагрузки.
3 Пример за изчисление на мощността на заземяващия трансформатор
3.1 Описание на проекта
Фотоелектрична станция с централно управление от 50 MW с фиксирани опори на височина 1340 m (годишно средно 3°C), не изисква намаление на мощността за височина или влажност. Състои се от 50 x 1 MW подмассива, DC е инвертиран и повишен до 35 kV на място. Десятък подмассиви формират колекторна линия, която влиза в едносистемна шина 35 kV, след което се повиши до 110 kV (твърдо заземена нейтрала). 35 kV повишаващата подстанция включва нисковолтов трансформатор, 5 колекторни линии, заземяващ трансформатор, подстанционен трансформатор, реактивна компенсация и PT вериги, с заземяване чрез резистори за нейтралната точка.
3.2 Изчисление на мощността на заземяващия трансформатор
3.2.1 Метод за заземяване
Основното номинално напрежение на заземяващия трансформатор съответства на 35 kV системно напрежение. Колекторните линии 35 kV са главно пряко заровени кабели (общо 34 km), с 2 km въздушни линии.
Единофазен капацитивен ток за 35 kV въздушни колекторни линии:Ic1=3.3×UL×L×10−3=0.231A
Единофазен капацитивен ток за 35 kV кабелни колекторни линии:Ic2=0.1×UL×L=119A
( UL): линейно напрежение (kV); L: дължина на линията (km))
С 13% увеличение на капацитивния ток на 35 kV подстанцията, изчислените единофазни капацитивни токове на фотоелектричната станция надхвърлят 10 A. Следователно, нейтралната точка на 35 kV шината използва заземяване чрез резистори.
3.2.2 Мощност на заземяващия трансформатор
За заземяващия резистор, основното напрежение UR≥21.21kV. При единофазен дефект, токът на земен дефект е зададен на 150–500 A, така че IR=400A, и с R=50.5Ω，PR≥UR×IR.В системи с ниско-резистивно заземяване, мощността на заземяващия трансформатор е 1/10 от мощността на дефектния ток. Тъй като съществува отделен подстанционен трансформатор, вторичните нагрузки се игнорират. С оглед техническо-икономически фактори, метеорологични условия и височина, мощността е зададена на 1000 kVA.
4.Заключение
Развитието на възобновяеми източници на енергия, като фотоелектричната, съответства на промишлените политики за развитие на страните по света. Методът за нейтрално заземяване има влияние върху аспекти като проектирането и експлоатацията на електрическата система. При избора на метод за нейтрално заземяване, трябва да се вземат предвид въздействията върху надеждността на доставката на енергия и нивата на изолация на оборудването, както и трудността при прилагането на релейна защита.
