محاسبات طراحی برای طرح‌های زمین‌کشی میانه و اندازه‌گیری ترانسформاتور زمین‌کشی در نیروگاه‌های خورشیدی فتوولتائیک با مقیاس صنعتی

1 روش‌های زمین‌بندی خنثی ایستگاه‌های توان فتوولتائیک خورشیدی

تحت تأثیر تفاوت‌های سطوح ولتاژ و ساختارهای شبکه در مناطق مختلف، روش‌های زمین‌بندی سیستم‌های برق عمدتاً به دو دسته زمین‌بندی غیرفعال و فعال تقسیم می‌شوند. زمین‌بندی غیرفعال شامل زمین‌بندی خنثی با کاتушки خاموش‌کننده قوس الکتریکی و سیستم‌های بدون زمین‌بندی خنثی است، در حالی که زمین‌بندی فعال شامل زمین‌بندی مستقیم خنثی و زمین‌بندی خنثی با مقاومت است. انتخاب روش زمین‌بندی خنثی یک مسئله جامع است که شامل در نظر گرفتن حساسیت حفاظت رله‌ای، سطح عایق‌بندی تجهیزات، هزینه‌های سرمایه‌گذاری، پیوستگی تأمین توان، دشواری عملیات و نگهداری، محدوده خطای و تأثیر بر ثبات سیستم می‌باشد.

1.1 زمین‌بندی غیرفعال
1.1.1 زمین‌بندی خنثی با کاتوخه خاموش‌کننده قوس الکتریکی

کاتوخه خاموش‌کننده قوس الکتریکی در نقطه خنثی سیستم نصب می‌شود. در مواقع خطا، جریان القایی جریان ظرفیتی سیستم را جبران می‌کند و جریان خطا در نقطه زمین‌بندی باقی‌مانده جریان القایی پس از جبران است. هنگامی که خطای یک‌فازی رخ می‌دهد، کاتوخه جریان ظرفیتی را جبران می‌کند تا قوس الکتریکی خاموش شود و قوس‌های متناوب و ولتاژ بالا را کاهش دهد. سیستم می‌تواند پس از خطا برای مدتی ادامه داشته باشد که برای سناریوهای تأمین توان با قابلیت اطمینان بالا مناسب است.

ویژگی‌های کلیدی:

• حفاظت و عملکرد: جریان زمین‌بندی کم باعث عدم حساسیت حفاظت صفر-دنباله‌ای معمولی می‌شود و نیاز به حفاظت یک‌فازی پیچیده است. کاتوخه باید در حالت جبران بیش از حد کار کند؛ عملگران باید پارامترها را به‌موقع با تغییرات شبکه تنظیم کنند که نگهداری را پیچیده می‌کند.

• ساختار: از نصب متمرکز چند کاتوخه یا تنظیم یک کاتوخه اجتناب شود تا جلوی خرابی جبران گرفته شود.

• قابلیت استفاده و محدودیت‌ها: برای سیستم‌های با جریان ظرفیتی یک‌فازی بزرگ مناسب است و اثرات حرارتی تجهیزات را کاهش می‌دهد و تأمین توان کوتاه‌مدت را ممکن می‌سازد. اما حفاظت رله‌ای نمی‌تواند خطاها را در ایستگاه‌های فتوولتائیک متوسط و بزرگ به سرعت قطع کند. بنابراین در ایستگاه‌های فتوولتائیک بالای مگاوات و شین‌های 10 kV/35 kV کمتر استفاده می‌شود و سیستم‌های قدیمی کاتوخه خاموش‌کننده قوس الکتریکی بازسازی می‌شوند.

1.1.2 بدون زمین‌بندی خنثی

سیستم‌های بدون زمین‌بندی خنثی (زمین‌بندی غیرفعال) شامل جریان‌های خط/تجهیزات کپاسیتیو در مواقع خطای یک‌فازی با وجود حلقه کوتاه‌مداری ندارند. این امر به دلیل جریان‌های کم و حفظ ولتاژ بین فازی، اجازه عملکرد 1-2 ساعت در وضعیت خطا را می‌دهد، اما خطر بازسوزی قوس الکتریکی و ولتاژ بالا را نیازمند عایق‌بندی بالا می‌کند. برای جریان‌های کپاسیتیو کوچک (مانند سوئیچ AC سمت تبدیل‌دهنده‌های فتوولتائیک و ترانسفورماتورهای ولتاژ پایین بدون خروجی خنثی) مناسب است.

1.2 زمین‌بندی فعال
1.2.1 زمین‌بندی مستقیم خنثی

جریان خطا بالا، حفاظت حساس، ولتاژ بالا کم و عایق‌بندی آرام‌تر را ارائه می‌دهد، اما خطر کاهش قابلیت اطمینان از جریان‌های زمین‌بندی بیش از حد و تداخل ارتباطات شدید را دارد. در ترانسفورماتورهای ولتاژ بالا ≥110 kV ایستگاه‌های فتوولتائیک ≥50 MW رایج است، با کلیدهای جداکننده خنثی و محافظ‌های برق‌آبی برای زمین‌بندی انعطاف‌پذیر.

1.2.2 زمین‌بندی خنثی با مقاومت

جریان فعال > جریان کپاسیتیو را از طریق مقاومت‌های خنثی تزریق می‌کند، که امکان حفاظت صفر-دنباله‌ای با حساسیت بالا برای جداسازی سریع خطا را فراهم می‌کند. مزایا:

• پارامترهای پایدار: نیازی به تنظیم در عملکرد اولیه ندارد.

• اقتصاد عایق‌بندی: نیاز به عایق‌بندی کم از جریان خطا سریع.

• کاربرد: سیستم‌های کابلی طولانی، ترانسفورماتورها/موتورهای ظرفیت بالا و ایستگاه‌های فتوولتائیک با جریان‌های کپاسیتیو بالا.

• طبقه‌بندی ولتاژ:

• ≥220 kV: زمین‌بندی مستقیم

• 66-110 kV: اکثر زمین‌بندی مستقیم، اقلیت غیرمستقیم

• 6-35 kV: اکثر غیرمستقیم، اقلیت مستقیم

2 محاسبه ظرفیت ترانسفورماتور زمین‌بندی

برای ایستگاه‌های فتوولتائیک مقیاس مگاوات با شین‌های 10/35 kV (زمین‌بندی با مقاومت)، اگر خنثی‌ها نیاز به ترانسفورماتورهای زمین‌بندی اختصاصی دارند. مراحل محاسبه:

• ولتاژ اولیه: با ولتاژ شین سیستم مطابقت دارد.

• جریان کپاسیتیو: جمع جریان‌های کابل/خط هوایی به اضافه تأثیرات تجهیزات زیراستانی.

• مقدار مقاومت: اطمینان از فعال‌سازی سریع حفاظت صفر-دنباله‌ای.

• ظرفیت ترانسفورماتور: ملاحظه ظرفیت مقاومت زمین‌بندی؛ شامل بارهای ثانویه اگر به عنوان توان ایستگاه عمل کند.

3 مثال محاسبه ظرفیت ترانسفورماتور زمین‌بندی
3.1 مرور پروژه
یک ایستگاه فتوولتائیک متمرکز 50 MW با نصب ثابت در ارتفاع 1340 متر (میانگین سالانه 3°C) نیازی به کاهش ظرفیت به دلیل ارتفاع یا رطوبت ندارد. شامل 50×1 MW زیرآرایه، DC تبدیل و افزایش به 35 kV محلی. ده زیرآرایه تشکیل یک خط جمع‌آوری که به سیستم شین یک‌طرفه 35 kV متصل می‌شود، سپس به 110 kV (زمین‌بندی مستقیم خنثی) افزایش می‌یابد. ایستگاه 35 kV شامل ترانسفورماتور اصلی ولتاژ پایین، 5 خط جمع‌آوری فتوولتائیک، ترانسفورماتور زمین‌بندی، ترانسفورماتور خدمات ایستگاه، جبران‌کننده واکنش و مدار PT، با زمین‌بندی مقاومتی برای خنثی.

3.2 محاسبه ظرفیت ترانسفورماتور زمین‌بندی
3.2.1 روش زمین‌بندی

ولتاژ اسمی اولیه ترانسفورماتور زمین‌بندی با ولتاژ سیستم 35 kV مطابقت دارد. خطوط جمع‌آوری 35 kV عمدتاً کابل‌های دفن‌شده مستقیم (34 کیلومتر کل) و 2 کیلومتر خط هوایی هستند.

• جریان کپاسیتیو یک‌فازی خطوط جمع‌آوری 35 kV هوایی: Ic1=3.3×U_L×L×10−3=0.231A

• جریان کپاسیتیو یک‌فازی خطوط جمع‌آوری 35 kV کابل: Ic2=0.1×U_L×L=119A

( U_L): ولتاژ خط به خط شبکه (kV); L: طول خط (km))

با افزایش 13% در جریان کپاسیتیو زیراستان 35 kV، جریان کپاسیتیو یک‌فازی محاسبه‌شده ایستگاه فتوولتائیک بیش از 10 A می‌شود. بنابراین، نقطه خنثی شین 35 kV از زمین‌بندی مقاومتی استفاده می‌کند.

3.2.2 ظرفیت ترانسفورماتور زمین‌بندی

برای مقاومت زمین‌بندی، ولتاژ اولیه U_R≥21.21kV. در صورت خطای یک‌فازی، جریان خطا به 150-500 A تنظیم می‌شود، بنابراین I_R=400A و با R=50.5Ω، P_R≥U_R×I_R.در سیستم‌های زمین‌بندی مقاومت پایین، ظرفیت ترانسفورماتور زمین‌بندی یک دهم ظرفیت متناظر با جریان خطا است. با توجه به وجود یک ترانسفورماتور خدمات ایستگاه 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 جهان است. روش زمین‌بندی خنثی تأثیراتی بر طراحی و عملکرد سیستم برق دارد. در انتخاب روش زمین‌بندی خنثی سیستم، تأثیرات بر قابلیت اطمینان تأمین توان سیستم و سطح عایق‌بندی تجهیزات، همچنین دشواری در اجرای حفاظت رله‌ای باید به طور جامع در نظر گرفته شوند.