Designberegninger for nulpunktjordningskonfigurationer og størrelsesbestemmelse af jordningstransformatorer i utilitieskala solceller

1 Klassificering af neutrale jordforbindelsesmetoder for solcelle-fotovoltaiske kraftværker

Påvirket af forskelle i spændingsniveauer og nettosystemer mellem regioner, er neutrale jordforbindelsesmetoder for strømsystemer hovedsageligt inddelede i ikke-effektiv jordforbindelse og effektiv jordforbindelse. Ikke-effektiv jordforbindelse inkluderer neutral jordforbindelse via buelukningskredsløb og neutrale ujordede systemer, mens effektiv jordforbindelse omfatter solid neutral jordforbindelse og neutral jordforbindelse via resistorer. Vælgelsen af en neutral jordforbindelsesmetode er et overordnet spørgsmål, der involverer overvejelser som følsomheden af relæbeskyttelse, udstyrisoleringsniveauer, investeringsomkostninger, strømforsyningskontinuitet, drift og vedligeholdelsessværheder, fejlområde og påvirkning på systemets stabilitet.

1.1 Ikke - effektiv jordforbindelse
1.1.1 Neutral jordforbindelse via buelukningskredsløb

Et buelukningskredsløb installeres ved systemets neutrale punkt. Under fejl kompenserer induktiv strøm systemets kapacitiv strøm, og jordforbindelsespunktets fejlstrøm er den resterende induktive strøm efter kompensation. Når en enefasede jordfejl forekommer, kompenserer kredsløbet kapacitiv strøm for hurtigt at slukke jordbuelukning, hvilket begrænser intermittente buelukninger og overspænding. Systemet kan fortsætte med at køre en stund efter fejlen, hvilket passer til scenarier med høj pålidelighed i strømforsyningen.

Vigtige karakteristika:

• Beskyttelse & Drift: Lille jordforbindelsesstrøm gør almindelig nul-sekvens-strøm-beskyttelse utilstrækkelig sensitiv, hvilket kræver kompleks enefasede jordbeskyttelse. Kredsløbet skal arbejde i overkompensationsmode; operatører skal rette parametre til tiden med netændringer, hvilket gør vedligeholdelse mere kompliceret.

• Konfiguration: Undgå koncentreret installation af flere kredsløb eller enkelt-kredsløbs opsætning for at undgå kompensationsfiasko.

• Anvendelighed & Begrænsninger: Passer systemer med store enefasede jordkapacitive strømme, reducerer varmeeffekter på udstyr og muliggør kortvarig kontinuerlig strømforsyning. Men relæbeskyttelse kan ikke hurtigt afbryde fejl i mellemstore fotovoltaiske stationer. Derfor anvendes det mindre i MW-niveau og større fotovoltaiske stationer samt 10 kV/35 kV busser, hvor tidlige buelukningskredsløbs-systemer bliver moderniseret.

1.1.2 Neutral ujordet

Neutrale ujordede systemer (ikke-effektiv jordforbindelse) har fejlstrøm fra linje/udstyr kapacitive kopling under enefasede fejl, uden kortslutningsloop. Dette tillader 1-2 timers fejl-drift pga. lave strømme og bibeholdt fasespænding, men risikerer genoplivet bueoverspænding, hvilket kræver høj isolering. Passende til små kapacitive strømme (f.eks. fotovoltaiske inverter AC-sider, u 引出 neutral lavspændings-transformatorer).

1.2 Effektiv jordforbindelse
1.2.1 Solid neutral jordforbindelse

Tilbyder høj fejlstrøm, sensitiv beskyttelse, lav overspænding og afslappet isolering, men risikerer reduceret pålidelighed fra for høje jordforbindelsesstrømme og alvorlig kommunikationsstøj. Almindelig i ≥50 MW fotovoltaiske stationers ≥110 kV højspændings-transformatorer, med neutrale isolationskridt/blitzafledere for fleksibel jordforbindelse.

1.2.2 Neutral resistor-jordforbindelse

Indsmitter aktiv strøm > kapacitiv strøm via neutrale resistorer, hvilket muliggør høj-sensitiv nul-sekvens-beskyttelse for hurtig fejlisolering. Fordele:

• Stabile parametre: Ingen justeringer nødvendige under oprindelig drift.

• Isoleringseffektivitet: Lav isoleringskrav fra hurtig fejlafslutning.

• Anvendelse: Lange kabelsystemer, høj kapacitiv strøm-transformatorer/motorer, og fotovoltaiske stationer med høj kapacitiv strøm.

• Spændingshierarki:

• ≥220 kV: solid jordforbindelse

• 66–110 kV: flertal solid, mindretal ikke-solid

• 6–35 kV: flertal ikke-solid, mindretal solid

2 Beregning af jordtransformator kapacitet

For MW-skala fotovoltaiske stationers 10/35 kV busser (resistor-jordforbindelse), er dedikerede jordtransformatorer nødvendige hvis neutrale punkter er u 引出. Beregnings trin:

• Primær spænding: Match systembus spænding.

• Kapacitiv strøm: Sum af kabel/overlednings strøm plus substation udstyr effekt.

• Resistor værdi: Sikre hurtig nul-sekvens-beskyttelse aktivering.

• Transformator kapacitet: Tag højde for jordresistor rating; inkluder sekundære belastninger hvis brugt som station strøm.

3 Eksempel på beregning af jordtransformator kapacitet
3.1 Projektoversigt
En 50 MW centraliseret fotovoltaisk kraftværk med fast montering på 1340 m højde (årlig gennemsnit 3°C) kræver ingen nedtoning for højde eller fugt. Består af 50×1 MW underarrayer, DC omdannes og optrappes til 35 kV lokalt. Ti underarrayer danner en samlelinje, der feedes ind i et 35 kV enkeltspor system, derefter optrappet til 110 kV (solid jordet neutral). 35 kV optrappet station inkluderer lavspændings-hovedtransformator, 5 fotovoltaiske samlelinjer, jordtransformator, stations service transformator, reaktiv kompensation, og PT-kredsløb, med resistor-jordforbindelse for neutralen.

3.2 Kapacitetsberegning af jordtransformator
3.2.1 Jordforbindelsesmetode

Jordtransformatorens primære nominale spænding matcher 35 kV systemspændingen. 35 kV samlelinjer er hovedsageligt direkte begravet kabler (34 km i alt), med 2 km overledning.

• Enefasede jordkapacitiv strøm for 35 kV overlednings samlelinjer:Ic1=3.3×U_L×L×10−3=0.231A

• Enefasede jordkapacitiv strøm for 35 kV kabelsamlelinjer:Ic2=0.1×U_L×L=119A

( U_L): nettolinjes fase-fase spænding (kV); L: linjelængde (km))

Med en 13% øgning i 35 kV understations kapacitiv strøm, overstiger den beregnede enefasede jordkapacitiv strøm for fotovoltaiske stationer 10 A. Derfor bruges resistor-jordforbindelse ved 35 kV bus neutralpunkt.

3.2.2 Jordtransformator kapacitet

For jordresistoren, primær spænding U_R≥21.21kV. Ved enefasede fejl, sættes jordfejlstrømmen til 150–500 A, så I_R=400A, og med R=50.5Ω，P_R≥U_R×I_R.I lav-resistor jordforbindelsessystemer, er jordtransformator kapaciteten 1/10 af fejlstrømmen - korrespondende kapacitet. Da en separat stations service transformator findes, ignoreres sekundære belastninger. Med hensyn til teknisk-økonomiske faktorer, meteorologiske betingelser og højde, sættes kapaciteten til 1000 kVA.

4.Konklusion

Udviklingen af fornyelige energikilder som fotovoltaik passer til industripolitikker i lande verden over. Neutrals jordforbindelsesmetode har indflydelse på aspekter som design og drift af strømsystemet. Når man vælger neutrals jordforbindelsesmetode for systemet, skal indflydelsen på systemets strømforsyningspålidelighed, udstyrisoleringsniveauer samt sværheden i implementering af relæbeskyttelse overvejes samlet.