유틸리티 규모의 태양광 발전소에서 중성 접지 방식 설계 계산 및 접지 변압기 용량 결정
1 태양광 발전소의 중성점 접지 방법 분류
지역 간 전압 수준과 전력망 구조의 차이에 따라 전력 시스템의 중성점 접지 방법은 주로 비효율적인 접지와 효율적인 접지로 분류됩니다. 비효율적인 접지는 소멸 코일을 통한 중성점 접지 및 중성점 비접지 시스템을 포함하고, 효율적인 접지는 중성점 고정 접지 및 저항을 통한 중성점 접지를 포함합니다. 중성점 접지 방법 선택은 종합적인 문제로, 계전 보호의 민감도, 장비 절연 수준, 투자 비용, 전력 공급 연속성, 운전 및 유지보수의 어려움, 고장 범위, 그리고 시스템 안정성에 대한 영향 등을 고려해야 합니다.
1.1 비효율적인 접지
1.1.1 소멸 코일을 통한 중성점 접지
시스템 중성점에 소멸 코일이 설치되어 있습니다. 고장 시 유도 전류가 시스템의 용량 전류를 보상하며, 접지점 고장 전류는 보상 후 잔여 유도 전류입니다. 단상 접지 고장이 발생하면 코일이 용량 전류를 보상하여 접지 아크를 신속히 소멸시키고, 단속적인 아크와 과전압을 억제합니다. 고장 후 시스템은 일정 시간 동안 계속 작동할 수 있어 고신뢰성 전력 공급 시나리오에 적합합니다.
주요 특징:
보호 및 운전: 작은 접지 전류로 일반 제로 서열 전류 보호가 민감하지 않으므로 복잡한 단상 접지 보호가 필요합니다. 코일은 과보상 모드에서 작동해야 하며, 운영자는 전력망 변화에 따라 매개변수를 적시에 조정해야 하므로 유지보수가 복잡해집니다.
구성: 여러 개의 코일을 집중적으로 설치하거나 단일 코일 구성으로 보상 실패를 방지해야 합니다.
적용성 및 제한: 큰 단상 접지 용량 전류를 가진 시스템에 적합하며, 장비 열 효과를 줄이고 단기 연속 전력 공급을 가능하게 합니다. 그러나 중대형 태양광 발전소에서는 계전 보호가 고장을 신속히 차단할 수 없으므로, MW급 이상의 태양광 발전소와 10kV/35kV 버스바에서는 적게 사용되며, 초기 소멸 코일 시스템은 개조되고 있습니다.
1.1.2 중성점 비접지
중성점 비접지 시스템(비효율적인 접지)은 단상 고장 시 선로/장비의 용량 결합으로 인한 고장 전류가 있으며, 단락 회로 루프가 없습니다. 이는 낮은 전류와 유지된 상간 전압으로 인해 1~2시간 동안 고장 상태에서도 작동할 수 있지만, 아크 재점화 과전압 위험이 있어 높은 절연이 필요합니다. 작은 용량 전류(예: 태양광 인버터 AC측, 중성점이 없는 저전압 변압기 등)에 적합합니다.
1.2 효율적인 접지
1.2.1 중성점 고정 접지
고장 전류가 크고 보호가 민감하며 과전압이 낮고 절연이 느슨하지만, 지나치게 큰 접지 전류로 인해 신뢰성이 감소하고 심각한 통신 간섭이 발생할 위험이 있습니다. 50MW 이상의 태양광 발전소와 110kV 이상의 고압 변압기에 널리 사용되며, 중성점 격리 스위치와 번개 방지기로 유연한 접지를 가능하게 합니다.
1.2.2 저항을 통한 중성점 접지
중성점 저항을 통해 용량 전류보다 큰 유효 전류를 주입하여 고민감도 제로 서열 보호를 통해 신속한 고장 분리를 가능하게 합니다. 장점:
매개변수 안정성: 초기 운전 중 조정이 필요하지 않습니다.
절연 경제성: 신속한 고장 해제로 인해 낮은 절연 요구 사항.
응용: 장거리 케이블 시스템, 고용량 변압기/모터, 그리고 높은 용량 전류를 가진 태양광 발전소.
전압 계층:
≥220 kV: 고정 접지
66–110 kV: 대부분 고정, 일부 비고정
6–35 kV: 대부분 비고정, 일부 고정
2 접지 변압기 용량 계산
MW 규모의 태양광 발전소의 10/35 kV 버스(저항 접지)에서 중성점이 引出되지 않은 경우, 전용 접지 변압기가 필요합니다. 계산 단계:
一次电压：匹配系统母线电压。
용량 전류: 케이블/공중선 전류 합산 및 변전소 장비 영향 추가.
저항 값: 신속한 제로 서열 보호 활성화를 보장.
변압기 용량: 접지 저항 등급을 고려하고, 변전소 전원으로 사용되는 경우 2차 부하 포함.
3 접지 변압기 용량 계산 예시
3.1 프로젝트 개요
해발 1340m(연평균 3°C)의 고정식 마운트를 갖춘 50MW 집중형 태양광 발전소는 고도 및 습도로 인한 출력 감소가 필요하지 않습니다. 50×1MW 하위 배열로 구성되며, DC는 현지에서 35kV로 역변환 및 승압됩니다. 10개의 하위 배열이 35kV 단일 버스 시스템으로 연결되며, 이를 110kV(고정 접지 중성점)로 승압합니다. 35kV 승압 변전소에는 저전압 주 변압기, 5개의 태양광 집선, 접지 변압기, 변전소 서비스 변압기, 반응 보상, PT 회로가 포함되며, 중성점은 저항 접지로 구성됩니다.
3.2 접지 변압기 용량 계산
3.2.1 접지 방법
접지 변압기의 일차 정격 전압은 35kV 시스템 전압과 일치합니다. 35kV 집선은 주로 직설 케이블(총 34km)이며, 2km의 공중선이 있습니다.
35kV 공중선 집선의 단상 접지 용량 전류: Ic1=3.3×UL×L×10−3=0.231A
35kV 케이블 집선의 단상 접지 용량 전류: Ic2=0.1×UL×L=119A
( UL): 전력망 선간 전압(kV); L: 선로 길이(km))
35kV 변전소의 용량 전류가 13% 증가함에 따라, 태양광 발전소의 단상 접지 용량 전류는 10A를 초과합니다. 따라서 35kV 버스 중성점은 저항 접지를 사용합니다.
3.2.2 접지 변압기 용량
접지 저항의 경우, 일차 전압 UR≥21.21kV입니다. 단상 고장 시 대지 고장 전류는 150~500A로 설정되므로 IR=400A, R=50.5Ω, PR≥UR×IR입니다. 저항 접지 시스템에서 접지 변압기 용량은 고장 전류에 해당하는 용량의 1/10입니다. 별도의 변전소 서비스 변압기가 있으므로 2차 부하는 무시됩니다. 기술-경제적 요인, 기상 조건, 고도 등을 고려하여 용량은 1000kVA로 설정됩니다.
4. 결론
태양광과 같은 재생 에너지의 발전은 전 세계 국가들의 산업 발전 정책에 부합합니다. 중성점 접지 방법은 전력 시스템의 설계 및 운전 등 다양한 측면에 영향을 미칩니다. 시스템의 중성점 접지 방법을 선택할 때, 시스템의 전력 공급 신뢰성, 장비의 절연 수준, 그리고 계전 보호 구현의 어려움 등을 종합적으로 고려해야 합니다.
