Dizajnerski izračuni za sheme neutralnog zemljanja i dimenzioniranje transformatora za zemljanje u solarnim fotovoltaičnim postrojenjima industrijske veličine

1 Klasifikacija metoda neutralnog zemljanja za solarnu fotovoltaičku elektranu

Pod utjecajem razlika u nivoima napona i strukturi mreže u različitim regijama, metode neutralnog zemljanja elektroenergetskih sustava uglavnom se klasificiraju na neefektivno zemljanje i efektivno zemljanje. Neefektivno zemljanje uključuje zemljanje preko koila za potiskivanje lukova i sustave s nezemljenim neutralom, dok efektivno zemljanje uključuje čvrsto zemljanje neutrala i zemljanje preko otpornika. Odabir metode neutralnog zemljanja je kompleksan problem koji uključuje razmatranje osetljivosti relejne zaštite, nivoa izolacije opreme, troškova investicija, kontinuiteta snabdijevanja strujom, težine održavanja, opsega grešaka i utjecaja na stabilnost sustava.

1.1 Neefektivno zemljanje
1.1.1 Zemljanje preko koila za potiskivanje lukova

Koil za potiskivanje lukova instaliran je na neutralnoj točki sustava. Tijekom grešaka, induktivni tok kompenzira kapacitivni tok sustava, a tok greške u točki zemljanja je ostatak induktivnog toka nakon kompenzacije. Kada dođe do jednofazne greške zemljanja, koil brzo gaši lukove zemljanja, smanjujući intermitentne lučeve i prenapone. Sustav može nastaviti raditi neko vrijeme nakon greške, što je prikladno za scenarije visoke pouzdanosti snabdijevanja strujom.

Ključne karakteristike:

• Zaštita i operacija: Mali tok zemljanja čini običnu nul-redukciju toka manje osetljivom, što zahtijeva složenu jednofaznu zaštitu od zemljanja. Koil mora raditi u režimu prekomjerne kompenzacije; operateri moraju pravovremeno prilagoditi parametre promjenama u mreži, što komplicira održavanje.

• Konfiguracija: Treba se izbjegavati koncentrirana postavljanja više koila ili postavljanja jednog koila kako bi se spriječila neuspjela kompenzacija.

• Primjenjivost i ograničenja: Priliči sustavima s velikim jednofaznim kapacitivnim tokovima zemljanja, smanjujući termalne učinke opreme i omogućujući kratkotrajnu kontinuiranu snabdevanje strujom. No, relejna zaštita ne može brzo isključiti greške u srednjim i velikim fotovoltaičkim postajama. Stoga se manje koristi u fotovoltaičkim postajama od MW razine i iznad te na 10 kV/35 kV šinama, s ranijim sustavima koila za potiskivanje lukova koje se nadograđuju.

1.1.2 Nezemljen neutral

Sustavi s nezemljenim neutralom (neefektivno zemljanje) imaju tokove grešaka iz kapacitivnog spoja linija/opreme tijekom jednofaznih grešaka, bez kratkoslovnog zatvorenog kruga. To dopušta rad s greškom 1-2 sata zbog malih tokova i održanih međufaznih napona, ali podrazumijeva rizik od ponovnog zapaljenja luka i prenapona koji zahtijevaju visoku izolaciju. Primjenjivo za male kapacitivne tokove (npr., AC strane fotovoltaičkih invertera, LV transformatori bez neutrala).

1.2 Efektivno zemljanje
1.2.1 Čvrsto zemljanje neutrala

Nudi visok tok greške, osetljivu zaštitu, niske prenapone i opuštenu izolaciju, ali podrazumijeva rizik od smanjene pouzdanosti zbog prevelikih tokova zemljanja i teških interferencija u komunikaciji. Uobičajeno u ≥50 MW fotovoltaičkim postajama s ≥110 kV visokonaponskim transformatorima, uz neutralne prekidače/gromobranice za fleksibilno zemljanje.

1.2.2 Zemljanje preko otpornika

Umetanje aktivnog toka > kapacitivnog toka preko neutralnih otpornika omogućuje visoko osetljivu nul-redukciju toka za brzu izolaciju greške. Prednosti:

• Stabilni parametri: Nema potrebe za prilagođavanjem tijekom početnog rada.

• Ekonomija izolacije: Niske zahtjeve za izolaciju zbog brze izolacije greške.

• Primjena: Dugih kabelskeh sustava, visokih kapacitetnih transformatora/motorima i fotovoltaičkim postajama s visokim kapacitivnim tokovima.

• Hierarhija napona:

• ≥220 kV: čvrsto zemljanje

• 66-110 kV: većina čvrsto, manjina nečvrsto

• 6-35 kV: većina nečvrsto, manjina čvrsto

2 Izračun kapaciteta transformatora za zemljanje

Za MW-razmerne fotovoltaičke postaje s 10/35 kV šinama (zemljanje preko otpornika), potrebni su posebni transformatori za zemljanje ako neutrali nisu izvedeni. Koraci izračuna:

• Primarni napon: Podudaranje s naponom šine sustava.

• Kapacitivni tok: Zbroj tokova kabela/površinskih linija plus utjecaj opreme podstanice.

• Vrijednost otpornika: Osiguranje brzog aktiviranja nul-redukcije toka.

• Kapacitet transformatora: Uključuje ocjenu otpornika za zemljanje; uključuju se sekundarne opterećenja ako služi kao stanica snaga.

3 Primjer izračuna kapaciteta transformatora za zemljanje
3.1 Pregled projekta
50 MW centralna fotovoltaička elektrana sa fiksiranim nosačima na visini od 1340 m (prosjek godišnje temperature 3°C) ne zahtijeva smanjenje snage zbog visine ili vlažnosti. Sastoji se od 50 x 1 MW podpolja, DC pretvorbi i lokalnog povećanja na 35 kV. Deset podpolja formira skupni vod koji ulazi u 35 kV jednoslobodni sustav, zatim se povećava na 110 kV (čvrsto zemljen neutral). 35 kV step-up stanica uključuje niskonaponski glavni transformator, 5 skupnih linija PV-a, transformator za zemljanje, servisni transformator stanice, reaktivnu kompensaciju i PT krugove, s otporno zemljenjem neutrala.

3.2 Izračun kapaciteta transformatora za zemljanje
3.2.1 Metoda zemljanja

Primarni nominalni napon transformatora za zemljanje podudara se s 35 kV naponom sustava. 35 kV skupne linije su uglavnom direktno zakopani kabeli (ukupno 34 km), s 2 km površinskih linija.

• Jednofazni kapacitivni tok zemljanja za 35 kV površinske skupne linije: Ic1=3.3×UL×L×10−3=0.231A

• Jednofazni kapacitivni tok zemljanja za 35 kV kabelske skupne linije: Ic2=0.1×UL×L=119A

( UL): naponski napon između faza (kV); L: duljina linije (km))

S porastom kapacitivnog toka 35 kV podstanice za 13%, izračunati jednofazni kapacitivni tok zemljanja fotovoltaičke stanice premašuje 10 A. Stoga se 35 kV neutralna točka koristi s otpornim zemljenjem.

3.2.2 Kapacitet transformatora za zemljanje

Za otpornik za zemljanje, primarni napon UR≥21.21kV. U slučaju jednofazne greške, zemljani tok greške postavljen je na 150-500 A, tako da je IR=400A, a s R=50.5Ω, PR≥UR×IR. U sustavima s niskim otporom zemljanja, kapacitet transformatora za zemljanje iznosi 1/10 kapaciteta odgovarajućeg toka greške. Budući da postoji zaseban servisni transformator stanice, sekundarna opterećenja se zanemaruju. Uzimajući u obzir tehničko-ekonomske faktore, meteorološke uvjete i visinu, kapacitet je postavljen na 1000 kVA.

4.Zaključak

Razvoj obnovljivih izvora energije, poput fotovoltaika, u skladu je s industrijskim razvojnima politikama diljem svijeta. Metoda neutralnog zemljanja ima utjecaj na aspekte poput dizajna i operacije elektroenergetskog sustava. Pri odabiru metode neutralnog zemljanja za sustav, trebaju se kompjelativno razmotriti utjecaji na pouzdanost snabdijevanja strujom sustava i nivo izolacije opreme, kao i težine implementacije relejne zaštite.