Entwurf von Berechnungen für Neutralerderungsschemata und die Auslegung von Erdtransformatorgrößen in großtechnischen Solar-PV-Anlagen

1 Klassifizierung der Neutralen Erdungsmethoden für Solare Photovoltaik-Kraftwerke

Beeinflusst durch Unterschiede in den Spannungsebenen und Netzstrukturen in verschiedenen Regionen werden die Neutralerdungsmethoden von Stromsystemen hauptsächlich in nicht-effektive und effektive Erdung unterteilt. Nicht-effektive Erdung umfasst die Erdung über Bögenlöscher und unerdete Systeme, während effektive Erdung die feste Erdung des Neutrals und die Erdung über Widerstände beinhaltet. Die Auswahl einer Neutralerdungsmethode ist ein umfassendes Thema, das Aspekte wie die Empfindlichkeit des Relais-Schutzes, die Isolationspegel der Ausrüstung, Investitionskosten, die Kontinuität der Stromversorgung, Schwierigkeiten bei Betrieb und Wartung, den Umfang von Fehlern und den Einfluss auf die Systemstabilität berücksichtigt.

1.1 Nicht - effektive Erdung
1.1.1 Neutralerdung über Bögenlöscher

Ein Bögenlöscher wird am neutralen Punkt des Systems installiert. Bei Fehlern kompensiert der induktive Strom den kapazitiven Strom des Systems, und der Fehlerstrom am Erdungspunkt ist der verbleibende induktive Strom nach der Kompensation. Wenn ein einphasiger Erdfehler auftritt, kompensiert der Bögenlöscher den kapazitiven Strom, um den Erdbogen schnell zu löschen, was intermittierende Bögen und Überspannungen unterdrückt. Das System kann nach dem Fehler für eine Weile weiterlaufen, was für Szenarien mit hoher Versorgungsreliabilität geeignet ist.

Kernmerkmale:

• Schutz & Betrieb: Der geringe Erdungsstrom macht den gewöhnlichen Nullfolgestromschutz unempfindlich, wodurch komplexe einphasige Erdschutzmaßnahmen erforderlich sind. Der Bögenlöscher muss im Überkompensationsmodus arbeiten; die Bediener müssen die Parameter zeitgerecht an die Netzanforderungen anpassen, was die Wartung kompliziert.

• Konfiguration: Vermeiden Sie die konzentrierte Installation mehrerer Bögenlöschers oder eine Einzelinstallation, um eine Kompensationsschwäche zu verhindern.

• Anwendbarkeit & Begrenzungen: Eignet sich für Systeme mit großen einphasigen Erddienstkapazitätsströmen, reduziert thermische Effekte der Ausrüstung und ermöglicht kurzfristige kontinuierliche Stromversorgung. Aber der Relaisschutz kann in mittelgroßen PV-Anlagen nicht schnell genug Fehler abschneiden. Daher wird es in MW- und darüber liegenden PV-Anlagen sowie 10 kV/35 kV Busleitungen seltener verwendet, und frühere Bögenlöscher-Systeme werden modernisiert.

1.1.2 Unerdeter Neutral

Unerdete Systeme (nicht-effektive Erdung) haben bei einphasigen Fehlern Fehlerströme aus kapazitiver Kopplung von Leitungen/Ausrüstung, ohne Kurzschlusskreis. Dies erlaubt 1-2 Stunden fehlerhaften Betrieb aufgrund geringer Ströme und erhaltenen Phasenspannungen, aber es besteht das Risiko von Wiederentzündungsüberspannungen, die hohe Isolation erfordern. Geeignet für kleine kapazitive Ströme (z.B. AC-Seite von PV-Wechselrichtern, unerdenbare Niederspannungs-Transformator).

1.2 Effektive Erdung
1.2.1 Feste Erdung des Neutrals

Bietet hohe Fehlerströme, empfindlichen Schutz, geringe Überspannungen und entspannte Isolation, aber es besteht das Risiko einer reduzierten Zuverlässigkeit durch übermäßige Erdungsströme und schwere Kommunikationsstörungen. Üblich in ≥50 MW PV-Anlagen mit ≥110 kV Hochspannungs-Transformatoren, mit neutralen Isolierschaltern/Blitzableitern für flexible Erdung.

1.2.2 Neutralwiderstandserdung

Injiziert aktiven Strom > kapazitiver Strom über neutrale Widerstände, ermöglicht hochsensible Nullfolgeschutzmaßnahmen zur schnellen Fehlerisolierung. Vorteile:

• Stabile Parameter: Keine Anpassungen erforderlich während des Anfangsbetriebs.

• Isolationsökonomie: Geringe Isolationsanforderungen dank schneller Fehlerbehebung.

• Anwendung: Lange Kabelsysteme, hochkapazitive Transformator/Motoren und PV-Anlagen mit hohen kapazitiven Strömen.

• Spannungshierarchie:

• ≥220 kV: feste Erdung

• 66–110 kV: Mehrheit fest, Minderheit nicht-fest

• 6–35 kV: Mehrheit nicht-fest, Minderheit fest

2 Berechnung der Kapazität des Erdtransformators

Für MW-Skalen-PV-Anlagen mit 10/35 kV-Bussen (Widerstandserdung) sind spezielle Erdtransformatoren erforderlich, wenn die Neutrals nicht ausgeführt sind. Berechnungsschritte:

• Primärspannung: Anpassung an die Systembusspannung.

• Kapazitätsstrom: Summe der Kabel/Luftleitungströme plus Einfluss der Umspannwerksausrüstung.

• Widerstandsgröße: Sicherstellung schneller Aktivierung des Nullfolgeschutzes.

• Transformator-Kapazität: Berücksichtigung des Erdwiderstands-Ratings; inklusive sekundärer Lasten, wenn als Stationsstrom dienend.

3 Beispiel für die Berechnung der Kapazität des Erdtransformators
3.1 Projektübersicht
Ein 50 MW zentralisiertes PV-Kraftwerk mit festen Montagen in 1340 m Höhe (jährlicher Durchschnitt 3°C) erfordert keine Abstufung aufgrund der Höhe oder Feuchtigkeit. Es besteht aus 50×1 MW-Unterfeldern, wobei DC lokal in 35 kV invertiert und gesteigert wird. Zehn Unterfelder bilden eine Sammelleitung, die in ein 35 kV-Einzelsystem eingespeist wird, dann auf 110 kV gesteigert (fest erdeter Neutral). Das 35 kV-Umspannwerk enthält einen niedrigspannenden Hauptspeisetransformator, 5 PV-Sammelleitungen, Erdtransformator, Stationsstromtransformator, reaktive Kompensation und PT-Schaltkreise, mit Widerstandserdung für den Neutralen.

3.2 Kapazitätsberechnung des Erdtransformators
3.2.1 Erdungsmethode

Die primäre Nennspannung des Erdtransformators entspricht der 35 kV-Systemspannung. Die 35 kV-Sammelleitungen bestehen hauptsächlich aus Erdkabeln (insgesamt 34 km), mit 2 km Luftleitung.

• Einphasiger Erddienstkapazitätsstrom für 35 kV-Luftliniensammelleitungen:Ic1=3.3×U_L×L×10−3=0.231A

• Einphasiger Erddienstkapazitätsstrom für 35 kV-Kabelsammelleitungen:Ic2=0.1×U_L×L=119A

( U_L): Netzlinien-zu-Linien-Spannung (kV); L: Leitungslänge (km))

Mit einem 13%-igen Anstieg des kapazitiven Stroms des 35 kV-Umspannwerks beträgt der berechnete einphasige Erddienstkapazitätsstrom des PV-Kraftwerks mehr als 10 A. Daher wird der neutrale Punkt des 35 kV-Busses mit Widerstandserdung versehen.

3.2.2 Kapazität des Erdtransformators

Für den Erdwiderstand beträgt die Primärspannung U_R≥21.21kV. Bei einem einphasigen Fehler wird der Erdfehlerstrom auf 150-500 A eingestellt, so I_R=400A, und mit R=50.5Ω，P_R≥U_R×I_R.In Systemen mit niedrigem Widerstand beträgt die Kapazität des Erdtransformators 1/10 des Fehlerstroms. Da ein separater Stationsstromtransformator vorhanden ist, werden sekundäre Lasten ignoriert. Unter Berücksichtigung technisch-ökonomischer Faktoren, meteorologischer Bedingungen und der Höhe wird die Kapazität auf 1000 kVA festgelegt.

4.Schlussfolgerung

Die Entwicklung erneuerbarer Energien wie Photovoltaik entspricht den Industrieentwicklungspolitiken weltweit. Die Methode der Neutralerdung hat Auswirkungen auf die Gestaltung und den Betrieb des Stromsystems. Beim Auswählen der Neutralerdungsmethode sollten die Auswirkungen auf die Versorgungsreliabilität des Systems, die Isolationspegel der Ausrüstung und die Schwierigkeiten bei der Umsetzung des Relais-Schutzes umfassend berücksichtigt werden.