1 سیستمهای زمینگذاری خنثی ایستگاههای تولید برق خورشیدی فتوولتائیک
تحت تأثیر تفاوتهای سطح ولتاژ و ساختار شبکه در مناطق مختلف، روشهای زمینگذاری خنثی سیستمهای قدرت به دو دسته اصلی تقسیم میشوند: زمینگذاری غیرفعال و زمینگذاری فعال. زمینگذاری غیرفعال شامل زمینگذاری خنثی با کویلهای خاموشکننده قوس و سیستمهای بدون زمینگذاری خنثی است، در حالی که زمینگذاری فعال شامل زمینگذاری مستقیم خنثی و زمینگذاری خنثی با مقاومت است. انتخاب یک روش زمینگذاری خنثی یک مسئله جامع است که شامل در نظر گرفتن حساسیت حفاظت الکترومغناطیسی، سطوح عایق بندی تجهیزات، هزینههای سرمایهگذاری، پیوستگی تأمین برق، سختی عملیات و نگهداری، محدوده خرابی و تأثیر بر ثبات سیستم میباشد.
1.1 زمینگذاری غیرفعال
1.1.1 زمینگذاری خنثی با کویلهای خاموشکننده قوس
کویل خاموشکننده قوس در نقطه خنثی سیستم نصب میشود. در زمان خرابیها، جریان القایی جریان خازنی سیستم را جبران میکند و جریان خرابی نقطه زمینگذاری باقیمانده جریان القایی پس از جبران است. هنگامی که خرابی تکفازی رخ میدهد، کویل جریان خازنی را جبران میکند تا قوس خرابی سریعاً خاموش شود، قوسهای متناوب و ولتاژ بیش از حد را کاهش میدهد. سیستم میتواند پس از خرابی برای مدتی ادامه دهد که برای سناریوهای تأمین برق با قابلیت اطمینان بالا مناسب است.
ویژگیهای کلیدی:
حفاظت و عملیات: جریان خرابی کوچک باعث میشود حفاظت جریان صفر-توالی معمولی حساسیت کافی نداشته باشد، بنابراین نیاز به حفاظت پیچیده تکفازی است. کویل باید در حالت جبران بیش از حد کار کند؛ اپراتورها باید پارامترها را بهموقع با توجه به تغییرات شبکه تنظیم کنند که نگهداری را پیچیده میکند.
ساختار: از نصب متمرکز چند کویل یا تنظیم تک کویل اجتناب کنید تا جبران شکست نخورد.
سازگاری و محدودیتها: برای سیستمهای با جریان خازنی تکفازی بزرگ مناسب است، که اثرات حرارتی تجهیزات را کاهش میدهد و تأمین برق موقت را ممکن میسازد. اما حفاظت الکترومغناطیسی نمیتواند خرابیها را در ایستگاههای فتوولتائیک متوسط و بزرگ سریعاً قطع کند. بنابراین در ایستگاههای فتوولتائیک بالای MW و شینهای 10 kV/35 kV کمتر استفاده میشود و سیستمهای قدیمی کویلهای خاموشکننده قوس بازسازی میشوند.
1.1.2 بدون زمینگذاری خنثی
سیستمهای بدون زمینگذاری خنثی (زمینگذاری غیرفعال) دارای جریانهای خرابی از کوپلینگ خازنی خط/تجهیزات در خرابیهای تکفازی هستند، بدون حلقه کوتاهمداری. این اجازه میدهد تا 1-2 ساعت عملیات در حالت خرابی با جریانهای کم و ولتاژهای فاز-به-فاز حفظ شده انجام شود، اما خطر ایجاد قوس دوباره و ولتاژ بیش از حد نیازمند عایق بندی بالا است. برای جریانهای خازنی کوچک (مثلاً سوئیچ AC اینورترهای فتوولتائیک، ترانسفورماتورهای خنثی ولتاژ کم) مناسب است.
1.2 زمینگذاری فعال
1.2.1 زمینگذاری مستقیم خنثی
جریان خرابی بالا، حفاظت حساس، ولتاژ بیش از حد کم و عایق بندی آسان را ارائه میدهد، اما خطر کاهش قابلیت اطمینان از جریانهای زمینگذاری بیش از حد و تداخل ارتباطات شدید را دارد. در ترانسفورماتورهای ولتاژ بالا ≥110 kV ایستگاههای فتوولتائیک ≥50 MW رایج است، با سوئیچهای جداکننده خنثی/محافظهای ضدبلایای طبیعی برای زمینگذاری انعطافپذیر.
1.2.2 زمینگذاری خنثی با مقاومت
با استفاده از مقاومتهای خنثی جریان فعال > جریان خازنی تزریق میشود، که امکان حفاظت صفر-توالی با حساسیت بالا برای جداسازی سریع خرابی را فراهم میکند. مزایا:
پارامترهای ثابت: نیازی به تنظیم در ابتدا وجود ندارد.
اقتصاد عایق بندی: نیاز به عایق بندی کم از جداسازی سریع خرابی.
کاربرد: سیستمهای کابلی بلند، ترانسفورماتورهای/موتورهای ظرفیت بالا و ایستگاههای فتوولتائیک با جریانهای خازنی بالا.
سلب سطوح ولتاژ:
≥220 kV: زمینگذاری مستقیم
66–110 kV: اکثر مستقیم، اقلیت غیرمستقیم
6–35 kV: اکثر غیرمستقیم، اقلیت مستقیم
2 محاسبه ظرفیت ترانسفورماتور زمینگذاری
برای ایستگاههای فتوولتائیک در مقیاس MW با شینهای 10/35 kV (زمینگذاری مقاومتی)، اگر نقاط خنثی نمایش داده نشدهاند، نیاز به ترانسفورماتورهای زمینگذاری اختصاصی است. مراحل محاسبه:
ولتاژ اولیه: با ولتاژ شین سیستم مطابقت داشته باشد.
جریان خازنی: جمع جریانهای کابل/خط هوایی به اضافه تأثیرات تجهیزات زیراستانی.
مقدار مقاومت: اطمینان از فعال شدن سریع حفاظت صفر-توالی.
ظرفیت ترانسفورماتور: با در نظر گرفتن رتبه مقاومت زمینگذاری؛ اگر به عنوان برق ایستگاهی استفاده میشود، بارهای ثانویه را شامل شود.
3 مثال محاسبه ظرفیت ترانسفورماتور زمینگذاری
3.1 مرور پروژه
یک ایستگاه تولید برق فتوولتائیک متمرکز 50 MW با مونتاژهای ثابت در ارتفاع 1340 متر (میانگین سالانه 3°C) نیازی به کاهش ظرفیت برای ارتفاع یا رطوبت ندارد. شامل 50×1 MW زیرآرایه، DC به AC تبدیل شده و به 35 kV بالا رفته. ده زیرآرایه یک خط جمعآوری را تشکیل میدهند که به سیستم شین 35 kV تکشریانی متصل میشود، سپس به 110 kV (زمینگذاری مستقیم خنثی) بالا رفته. ایستگاه 35 kV شامل ترانسفورماتور اصلی ولتاژ کم، 5 خط جمعآوری فتوولتائیک، ترانسفورماتور زمینگذاری، ترانسفورماتور خدمات ایستگاهی، جبرانسازی واکنشی و مدار PT است، با زمینگذاری مقاومتی برای خنثی.
3.2 محاسبه ظرفیت ترانسفورماتور زمینگذاری
3.2.1 روش زمینگذاری
ولتاژ اسمی اولیه ترانسفورماتور زمینگذاری با ولتاژ سیستم 35 kV مطابقت دارد. خطوط جمعآوری 35 kV اغلب کابلهای دفنشده مستقیم (34 کیلومتر کلی) با 2 کیلومتر خط هوایی است.
جریان خازنی تکفازی خطوط جمعآوری هوایی 35 kV:Ic1=3.3×UL×L×10−3=0.231A
جریان خازنی تکفازی خطوط جمعآوری کابلی 35 kV:Ic2=0.1×UL×L=119A
( UL): ولتاژ خط-به-خط شبکه (kV); L: طول خط (km))
با افزایش 13% در جریان خازنی زیراستانی 35 kV، جریان خازنی تکفازی محاسبهشده ایستگاه فتوولتائیک بیش از 10 A است. بنابراین، نقطه خنثی شین 35 kV از زمینگذاری مقاومتی استفاده میکند.
3.2.2 ظرفیت ترانسفورماتور زمینگذاری
برای مقاومت زمینگذاری، ولتاژ اولیه UR≥21.21kV. در صورت خرابی تکفازی، جریان خرابی زمینی به 150-500 A تنظیم میشود، بنابراین IR=400A و با R=50.5Ω، PR≥UR×IR.در سیستمهای زمینگذاری مقاومت کم، ظرفیت ترانسفورماتور زمینگذاری یک دهم ظرفیت متناظر با جریان خرابی است. با توجه به وجود ترانسفورماتور خدمات ایستگاهی جداگانه، بارهای ثانویه نادیده گرفته میشوند. با در نظر گرفتن عوامل فنی-اقتصادی، شرایط هواشناسی و ارتفاع، ظرفیت به 1000 kVA تنظیم میشود.
4. نتیجهگیری
توسعه انرژیهای تجدیدپذیر مانند فتوولتائیک مطابق با سیاستهای توسعه صنعتی کشورهای مختلف است. روش زمینگذاری خنثی تأثیراتی بر طراحی و عملیات سیستم قدرت دارد. هنگام انتخاب روش زمینگذاری خنثی برای سیستم، تأثیرات بر قابلیت اطمینان تأمین برق سیستم و سطح عایق بندی تجهیزات، به همراه سختی اجرای حفاظت الکترومغناطیسی باید به طور جامع در نظر گرفته شوند.