Návrh výpočtů pro schémata zemlovodivého spojení a rozměrování zemlovodivých transformátorů v solárních fotovoltaických elektrárnách velkého rozsahu

1 Klasifikace metod uzemňování neutrálu fotovoltaických elektráren

Vlivem rozdílů v úrovni napětí a struktuře sítí v různých oblastech jsou metody uzemňování neutrálu elektrických systémů hlavně rozděleny na neúčinné a účinné uzemňování. Neúčinné uzemňování zahrnuje uzemnění neutrálu pomocí čid oblouku a nenuzemněné systémy, zatímco účinné uzemňování zahrnuje pevné uzemnění neutrálu a uzemnění neutrálu pomocí odporu. Výběr metody uzemňování neutrálu je komplexní otázka, která zahrnuje zvážení citlivosti relé ochrany, úrovně izolace zařízení, investičních nákladů, kontinuity dodávky energie, obtížnosti provozu a údržby, rozsahu poruch a dopadu na stabilitu systému.

1.1 Neúčinné uzemňování
1.1.1 Uzemnění neutrálu pomocí čid oblouku

Cid oblouku je instalováno v neutrálním bodu systému. Při poruchách indukční proud kompenzuje kapacitní proud systému a proud při poruchě v místě uzemnění je reziduální indukční proud po kompenzaci. Při jednofázové poruchě cid kompenzuje kapacitní proud pro rychlé uhasení obloukového proudu, potlačuje přerušované oblouky a přetlak. Systém může krátce po poruše nadále fungovat, což odpovídá scénářům s vysokou spolehlivostí dodávky energie.

Klíčové charakteristiky:

• Ochrana a provoz: Malý proud při poruše způsobuje, že běžná ochrana nulové sekvence není citlivá, což vyžaduje složitou ochranu před jednofázovou poruchou. Cid musí pracovat v režimu překompensace; operátoři musí parametry včas upravovat s ohledem na změny sítě, což komplikuje údržbu.

• Konfigurace: Je třeba zabránit soustředěné instalaci více cidek nebo pouze jednoho cida, aby se předešlo selhání kompenzace.

• Aplikovatelnost a omezení: Je vhodné pro systémy s velkými kapacitními proudy při jednofázových poruchách, snižuje tepelné efekty zařízení a umožňuje krátkodobé nepřetržité dodávky energie. Ochrana relé však nemůže rychle odstřihnout poruchy v středně velkých a velkých fotovoltaických elektrárnách. Proto se často nepoužívá v fotovoltaických elektrárnách o výkonu MW a vyšším a na sběračích 10 kV/35 kV, a starší systémy s cidy jsou modernizovány.

1.1.2 Nenuzemněný neutrál

Nenuzemněné systémy (neúčinné uzemňování) mají při jednofázových poruchách proudy z kapacitního spojení vedení/zařízení, bez krátkozavěté smyčky. To umožňuje 1–2 hodiny chodu s poruchou díky nízkým proudům a zachovalým mezi fázovým napětím, ale s rizikem znovuzapálení oblouku a přetlaku, což vyžaduje vysokou izolaci. Je vhodné pro malé kapacitní proudy (např. AC stranu invertorů fotovoltaických elektráren, nenuzemněné nižší transformátory).

1.2 Účinné uzemňování
1.2.1 Pevné uzemnění neutrálu

Poskytuje vysoký proud při poruše, citlivou ochranu, nízký přetlak a snížené požadavky na izolaci, ale s rizikem snížené spolehlivosti kvůli příliš vysokému uzemňovacímu proudu a silnému rušení komunikace. Běžné v fotovoltaických elektrárnách o výkonu ≥50 MW s transformátory vysokého napětí ≥110 kV, s izolačními spínači a bleskosvodci pro flexibilní uzemňování.

1.2.2 Uzemnění neutrálu pomocí odporu

Přivádí aktivní proud > kapacitní proudu prostřednictvím neutrálních odporů, což umožňuje vysokosenzitivní ochranu nulové sekvence pro rychlé izolování poruchy. Výhody:

• Stabilní parametry: Počáteční provoz nevyžaduje žádné úpravy.

• Ekonomie izolace: Nízké požadavky na izolaci díky rychlému odstranění poruchy.

• Aplikace: Dlouhé kabelové systémy, vysokoproudé transformátory/motory a fotovoltaické elektrárny s vysokými kapacitními proudy.

• Hierarchie napětí:

• ≥220 kV: pevné uzemnění

• 66–110 kV: většina pevně, menšina nepěvně

• 6–35 kV: většina nepěvně, menšina pevně

2 Výpočet kapacity transformátoru pro uzemňování

Pro fotovoltaické elektrárny o výkonu MW s sběrači 10/35 kV (uzemnění pomocí odporu) jsou potřebné speciální transformátory pro uzemňování, pokud neutrály nejsou vyvedeny. Kroky výpočtu:

• Primární napětí: Musí odpovídat napětí sběrače systému.

• Kapacitní proud: Součet proudů kabelů/přehradových vedení plus vliv zařízení v podstanici.

• Hodnota odporu: Zajištění rychlého spuštění ochrany nulové sekvence.

• Kapacita transformátoru: Zohlednit hodnocení uzemňovacího odporníku; zahrnout sekundární zatěž, pokud slouží jako zdroj energie stanice.

3 Příklad výpočtu kapacity transformátoru pro uzemňování
3.1 Přehled projektu
Centralizovaná fotovoltaická elektrárna o výkonu 50 MW s pevnými nosiči umístěná ve výšce 1340 m (průměrná roční teplota 3°C) nevyžaduje redukci výkonu kvůli výšce nebo vlhkosti. Skládá se z 50×1 MW subpolí, DC je invertováno a přestupně zvýšeno na 35 kV lokálně. Deset subpolí tvoří sběrač, který se zapojuje do systému s jedním sběračem 35 kV, pak je přestupně zvýšeno na 110 kV (pevně uzemněný neutrál). 35 kV přestupná stanice zahrnuje hlavní transformátor nízkého napětí, 5 sběračů fotovoltaických polí, transformátor pro uzemňování, transformátor stanice, reaktivní kompenzaci a okruhy PT, s uzemněním neutrálu pomocí odporu.

3.2 Výpočet kapacity transformátoru pro uzemňování
3.2.1 Metoda uzemňování

Nominaální primární napětí transformátoru pro uzemňování odpovídá systémovému napětí 35 kV. 35 kV sběrače jsou převážně přímě zazemlené kabely (celkem 34 km), s 2 km přehradových vedení.

• Jednofázový kapacitní proud pro 35 kV přehradové sběrače: Ic1=3.3×U_L×L×10−3=0.231 A

• Jednofázový kapacitní proud pro 35 kV kabelové sběrače: Ic2=0.1×U_L×L=119 A

(U_L): napětí mezi fázemi (kV); L: délka vedení (km))

S 13% nárůstem kapacitního proudu v 35 kV podstanici je vypočtený jednofázový kapacitní proud fotovoltaické elektrárny vyšší než 10 A. Proto je neutrál sběrače 35 kV uzemněn pomocí odporu.

3.2.2 Kapacita transformátoru pro uzemňování

Pro uzemňovací odporník je primární napětí U_R≥21.21 kV. Při jednofázové poruše je zemský chybový proud nastaven na 150–500 A, takže I_R=400 A, a s R=50.5 Ω, P_R≥U_R×I_R. V systémech s nízkým odporovým uzemněním je kapacita transformátoru pro uzemňování 1/10 kapacity chybového proudu. Protože existuje samostatný transformátor stanice, sekundární zatěž se ignoruje. Z hlediska technicko-ekonomických faktorů, meteorologických podmínek a výšky je kapacita nastavena na 1000 kVA.

4. Závěr

Rozvoj obnovitelných zdrojů energie, jako jsou fotovoltaické elektrárny, odpovídá průmyslovým politikám zemí po celém světě. Metoda uzemňování neutrálu má vliv na aspekty, jako je návrh a provoz elektrického systému. Při výběru metody uzemňování neutrálu systému by měly být komplexně zváženy vlivy na spolehlivost dodávky energie systému a úroveň izolace zařízení, stejně jako obtížnost implementace relé ochrany.