Càlculs de disseny per a esquemes de puesta a tierra neutra i dimensionament de transformadors de puesta a tierra en plantes solars fotovoltaiques a escala d'útilització

1 Classificació dels mètodes de puesta a tierra neutral per a les estacions fotovoltaiques

Influenciats per les diferències en els nivells de tensió i les estructures de xarxa entre regions, els mètodes de puesta a tierra neutral dels sistemes elèctrics es classifiquen principalment en no efectius i efectius. Els no efectius inclouen la puesta a tierra neutral mitjançant bobines de supressió d'arc i sistemes amb neutre no connectat, mentre que els efectius inclouen la puesta a tierra solidària del neutre i la puesta a tierra neutral mitjançant resistors. La selecció d'un mètode de puesta a tierra neutral és una qüestió integral que implica consideracions com la sensibilitat de la protecció relè, els nivells d'aislament dels equips, els costos d'inversió, la continuïtat de l'abastament, la dificultat d'operació i manteniment, l'àmbit de falla i l'impacte en la estabilitat del sistema.

1.1 Puesta a tierra no efectiva
1.1.1 Puesta a tierra neutral mitjançant bobines de supressió d'arc

Una bobina de supressió d'arc s'instal·la al punt neutral del sistema. En cas de falla, la corrent inductiva compensa la corrent capacitiva del sistema, i la corrent de falla al punt de puesta a tierra és la corrent inductiva residual post-compensada. Quan ocorre una falla de fàsica única, la bobina compensa la corrent capacitiva per apagar ràpidament l'arc de puesta a tierra, suprimint arcs intermitents i sobretensions. El sistema pot continuar funcionant un temps després de la falla, adequant-se a escenaris d'abastament altament fiable.

Característiques principals:

• Protecció & Operació: Una corrent de puesta a tierra petita fa que la protecció de corrent zero seqüencial convencional manqui de sensibilitat, necessitant proteccions complexes de fàsica única. La bobina ha de funcionar en mode de sobrecòmpensació; els operadors han de ajustar els paràmetres a temps amb canvis en la xarxa, complicant el manteniment.

• Configuració: S'ha d'evitar l'instal·lació concentrada de diverses bobines o configuracions de sola bobina per prevenir faltes de compensació.

• Adequació & Limitacions: Adecuat per a sistemes amb grans corrents capacitivas de fàsica única, reduint els efectes tèrmics dels equips i permetent un abastament continu a curt termini. Però, la protecció relè no pot tallar ràpidament les fallades en estacions fotovoltaiques de mitjana-gran magnitud. Així, s'utilitza menys en estacions fotovoltaiques de MW i superiors i en barras de 10 kV/35 kV, amb sistemes antics de bobines de supressió d'arc que es retrofitegen.

1.1.2 Neutre sense connectar

Els sistemes amb neutre sense connectar (no efectius) tenen corrents de falla provenients del couplament capacitiv de línia/equipament durant les fallades de fàsica única, sense circuit de curtcircuït. Això permet una operació amb falla de 1–2 hores degut a les corrents baixes i les tensions entre fases mantenides, però comporta un risc d'arc renaixent amb sobretensió que requereix un aislament elevat. Adequat per a corrents capacitivas petites (per exemple, costats AC d'inversors fotovoltaics, transformadors LV amb neutre no 引出).

1.2 Puesta a tierra efectiva
1.2.1 Puesta a tierra solidària del neutre

Proporciona una corrent de falla alta, protecció sensible, sobretensió baixa i aislament relaxat, però comporta un risc de reducció de la fiabilitat per corrents de puesta a tierra excessives i interferència de comunicació severa. Comú en transformadors HV de 110 kV o superiors en estacions fotovoltaiques de 50 MW o més, amb interruptors d'isolament del neutre i parafulminants per una puesta a tierra flexible.

1.2.2 Puesta a tierra neutral mitjançant resistors

Injecta una corrent activa > corrent capacitiva mitjançant resistors neutrals, permetent una protecció de zero seqüencial de alta sensibilitat per a l'aïllament ràpid de fallades. Avantatges:

• Paràmetres estables: No calen ajustos durant l'operació inicial.

• Economia d'aislament: Requisits d'aislament baixos gràcies a la rapida eliminació de fallades.

• Aplicació: Sistemes de cables llargs, transformadors/motors de gran capacitat, i estacions fotovoltaiques amb corrents capacitivas altes.

• Hierarquia de tensions:

• ≥220 kV: puesta a tierra solidària

• 66–110 kV: majoritàriament solidària, minoritàriament no solidària

• 6–35 kV: majoritàriament no solidària, minoritàriament solidària

2 Càlcul de la capacitat del transformador de puesta a tierra

Per a les estacions fotovoltaiques de MW en barras de 10/35 kV (puesta a tierra mitjançant resistor), són necessaris transformadors de puesta a tierra dedicats si el neutre no està 引出. Passos de càlcul:

• Tensió primària: Coincideix amb la tensió de la barra del sistema.

• Corrent capacitiva: Suma de les corrents de cable/línia aèria més els efectes dels equips de subestació.

• Valor del resistor: Assegura l'activació ràpida de la protecció de zero seqüencial.

• Capacitat del transformador: Té en compte la classificació del resistor de puesta a tierra; inclou les càrregues secundàries si serveix com a energia de la subestació.

3 Exemple de càlcul de la capacitat del transformador de puesta a tierra
3.1 Visió general del projecte
Una estació fotovoltaica centralitzada de 50 MW amb suports fixos a 1340 m d'altitud (mig anual 3°C) no requereix derates per a l'altitud o humitat. Comprengut per 50×1 MW sub - arrays, DC es converteix i es potencia localment a 35 kV. Deu sub - arrays formen una línia col·lectora que alimenta un sistema de barra única de 35 kV, després escalat a 110 kV (neutre solidàriament a tierra). La subestació de 35 kV inclou un transformador principal de BT, 5 línies col·lectoras de PV, un transformador de puesta a tierra, un transformador de servei de la subestació, compensació reactiva i circuits de PT, amb puesta a tierra mitjançant resistor per al neutre.

3.2 Càlcul de la capacitat del transformador de puesta a tierra
3.2.1 Mètode de puesta a tierra

La tensió nominal primària del transformador de puesta a tierra coincideix amb la tensió del sistema de 35 kV. Les línies col·lectoras de 35 kV són principalment cables enterrats (34 km total), amb 2 km de línia aèria.

• Corrent capacitiva de puesta a tierra de fàsica única per a línies aèries de 35 kV:Ic1=3.3×U_L×L×10−3=0.231A

• Corrent capacitiva de puesta a tierra de fàsica única per a línies de cable de 35 kV:Ic2=0.1×U_L×L=119A

( U_L): tensió entre línies de la xarxa (kV); L: longitud de la línia (km))

Amb un increment del 13% en la corrent capacitiva de la subestació de 35 kV, la corrent capacitiva de puesta a tierra de fàsica única calculada de l'estació fotovoltaica excedeix 10 A. Així, el punt neutral de la barra de 35 kV utilitza puesta a tierra mitjançant resistor.

3.2.2 Capacitat del transformador de puesta a tierra

Per al resistor de puesta a tierra, la tensió primària U_R≥21.21kV. En cas de falla de fàsica única, la corrent de terra s'estableix a 150–500 A, així I_R=400A, i amb R=50.5Ω，P_R≥U_R×I_R.En sistemes de puesta a tierra de baixa resistència, la capacitat del transformador de puesta a tierra és 1/10 de la capacitat corresponent a la corrent de falla. Com que existeix un transformador de servei de subestació separat, les càrregues secundàries s'ignoren. Considerant factors tècnico-econòmics, condicions meteorològiques i altitud, la capacitat s'estableix a 1000 kVA.

4.Conclusió

El desenvolupament de l'energia renovable, com ara la fotovoltaica, concorda amb les polítiques de desenvolupament industrial de països arreu del món. El mètode de puesta a tierra neutral té un impacte en aspectes com el disseny i l'operació del sistema elèctric. Al seleccionar el mètode de puesta a tierra neutral per al sistema, s'han de considerar de manera integral els impactes en la fiabilitat de l'abastament elèctric del sistema, el nivell d'aislament dels equips, i la dificultat de implementar la protecció relè.