Cálculos de deseño para esquemas de aterramento neutro e dimensionamento de transformadores de aterramento en centrais solares fotovoltaicas a gran escala
1 Clasificación dos métodos de aterramento neutro para centrais fotovoltaicas
Influenciados por diferenzas nos niveis de tensión e nas estruturas da rede entre rexións, os métodos de aterramento neutro dos sistemas eléctricos divídese principalmente en aterramento non efectivo e aterramento efectivo. O aterramento non efectivo inclúe o aterramento neutro mediante bobinas de supresión de arcos e sistemas neutros sen aterrar, mentres que o aterramento efectivo comprende o aterramento sólido do neutro e o aterramento neutro mediante resistencias. A selección dun método de aterramento neutro é unha cuestión comprensiva, que implica considerar a sensibilidade da protección relé, os niveis de aislamento dos equipos, os custos de investimento, a continuidade do suministro, a dificultade de operación e mantemento, o alcance da falla e o impacto na estabilidade do sistema.
1.1 Aterramento non efectivo
1.1.1 Aterramento neutro mediante bobinas de supresión de arcos
Instálase unha bobina de supresión de arcos no punto neutro do sistema. Durante as fallas, a corrente inductiva compensa a corrente capacitiva do sistema, e a corrente de falla no punto de aterramento é a corrente inductiva residual despois da compensación. Cando ocorre unha falla monofásica, a bobina compensa a corrente capacitiva para extinguir rapidamente o arco de aterramento, suprimindo os arcos intermitentes e a sobretensión. O sistema pode continuar funcionando durante un tempo despois da falla, sendo adecuado para escenarios de suministro de enerxía de alta fiabilidade.
Características clave:
Protección e operación: A pequena corrente de aterramento fai que a protección de corrente de secuencia cero normal careza de sensibilidade, requirindo unha protección complexa de aterramento monofásico. A bobina debe funcionar en modo de sobrecompensación; os operadores deben axustar os parámetros oportunamente con cambios na rede, complicando o mantemento.
Configuración: Evítase a instalación concentrada de múltiples bobinas ou configuracións de única bobina para prevenir fallos de compensación.
Aplicabilidade e limitacións: É adecuado para sistemas con grandes correntes capacitivas de aterramento monofásico, reducindo os efectos térmicos no equipo e permitindo un suministro de enerxía continuo a curto prazo. Pero a protección relé non pode cortar rapidamente as fallas en centrais fotovoltaicas de tamaño medio-grande. Polo tanto, é menos utilizada en centrais fotovoltaicas de nivel MW e superior e en barras de 10 kV/35 kV, coas sistemas antigos de bobinas de supresión de arcos sendo reformados.
1.1.2 Neutro sen aterrar
Os sistemas neutros sen aterrar (aterramento non efectivo) caracterízanse por correntes de falla debido ao acoplamento capacitivo das liñas/equipos durante fallas monofásicas, sen un bucle de cortocircuito. Isto permite unha operación defectuosa de 1-2 horas debido a correntes baixas e voltaxes interfasiais mantidos, pero con risco de reencendido de arcos e sobretensión que requiren un alto aislamento. Adequado para correntes capacitivas pequenas (por exemplo, lados AC de inversores fotovoltaicos, transformadores de media tensión sen neutro).
1.2 Aterramento efectivo
1.2.1 Aterramento sólido do neutro
Ofrece alta corrente de falla, protección sensible, baixa sobretensión e aislamento relaxado, pero con risco de reducida fiabilidade debido a correntes de aterramento excesivas e interferencia de comunicación severa. Común en centrais fotovoltaicas ≥50 MW con transformadores de alta tensión ≥110 kV, con interruptores de aislamento neutro/paráraios para aterramento flexible.
1.2.2 Aterramento neutro mediante resistencias
Inxecta corrente activa > corrente capacitiva mediante resistencias neutras, permitindo unha protección de secuencia cero de alta sensibilidade para unha rápida isolación de fallas. Ventaxas:
Parámetros estables: Non se requiren axustes durante a operación inicial.
Economía de aislamento: Baixos requisitos de aislamento debido á rápida eliminación de fallas.
Aplicación: Sistemas de cable longos, transformadores/motores de gran capacidade e centrais fotovoltaicas con altas correntes capacitivas.
Hierarquía de tensión:
≥220 kV: aterramento sólido
66–110 kV: maioría sólido, minoría non sólido
6–35 kV: maioría non sólido, minoría sólido
2 Cálculo da capacidade do transformador de aterramento
Para centrais fotovoltaicas de escala MW con barras de 10/35 kV (aterramento mediante resistencias), son necesarios transformadores de aterramento dedicados se os neutros non están extraídos. Pasos de cálculo:
Tensión primaria: Coincide coa tensión da barra do sistema.
Corrente capacitiva: Suma de correntes de cables/líneas aéreas máis efectos do equipo da subestación.
Valor da resistencia: Asegurar activación rápida da protección de secuencia cero.
Capacidade do transformador: Ten en conta a clasificación da resistencia de aterramento; incluir cargas secundarias se sirve como enerxía da estación.
3 Exemplo de cálculo da capacidade do transformador de aterramento
3.1 Visión xeral do proxecto
Unha central fotovoltaica centralizada de 50 MW con montaxes fixos a 1340 m de altitude (media anual 3°C) non require derate para altitude ou humidade. Compónse de 50×1 MW de submatrices, a corrente continua é invertida e elevada a 35 kV localmente. Dez submatrices forman unha liña recolectora que alimenta un sistema de barra simple de 35 kV, entón elevado a 110 kV (neutro solidamente aterrado). A subestación de elevación de 35 kV inclúe un transformador principal de baixa tensión, 5 liñas recolectoras de PV, un transformador de aterramento, un transformador de servizo de estación, compensación reactiva e circuitos PT, con aterramento resistivo para o neutro.
3.2 Cálculo da capacidade do transformador de aterramento
3.2.1 Método de aterramento
A tensión nominal primaria do transformador de aterramento coincide coa tensión do sistema de 35 kV. As liñas recolectoras de 35 kV son principalmente cables soterrados (34 km en total), con 2 km de liñas aéreas.
Corrente capacitiva de aterramento monofásico para liñas aéreas recolectoras de 35 kV:Ic1=3.3×UL×L×10−3=0.231A
Corrente capacitiva de aterramento monofásico para liñas de cable recolectoras de 35 kV:Ic2=0.1×UL×L=119A
( UL): tensión liña-liña da rede (kV); L: lonxitude da liña (km))
Con un aumento do 13% na corrente capacitiva da subestación de 35 kV, a corrente capacitiva de aterramento monofásico calculada da central fotovoltaica supera os 10 A. Polo tanto, o punto neutro da barra de 35 kV usa aterramento resistivo.
3.2.2 Capacidade do transformador de aterramento
Para a resistencia de aterramento, a tensión primaria UR≥21.21kV. En caso de falla monofásica, a corrente de falla a terra está establecida en 150-500 A, polo que IR=400A, e con R=50.5Ω，PR≥UR×IR.Nos sistemas de aterramento de baixa resistencia, a capacidade do transformador de aterramento é 1/10 da capacidade correspondente á corrente de falla. Como existe un transformador de servizo de estación separado, as cargas secundarias son ignoradas. Considerando factores técnicos-económicos, condicións meteorolóxicas e altitude, a capacidade está establecida en 1000 kVA.
4.Conclusión
O desenvolvemento de enerxías renovables como a fotovoltaica concorda coas políticas de desenvolvemento industrial de países de todo o mundo. O método de aterramento neutro ten un impacto en aspectos como o deseño e a operación do sistema eléctrico. Ao seleccionar o método de aterramento neutro para o sistema, deben considerarse comprehensivamente os impactos na fiabilidade do suministro de enerxía do sistema e no nivel de aislamento dos equipos, así como a dificultade de implementar a protección relé.
