Dizaina aprēķini neitrālās zemesjaukšanas shēmām un zemesjaukšanas transformatoru izmērošana lielmaššabas solārās PV elektrārstacijās

1 Saules fotovoltaikas elektrības staciju neitrālās zemesietes metožu klasifikācija

Atšķirībām sprieguma līmeņos un tīkla struktūrā reģionālā mērogā, elektrotīklu neitrālās zemesietes metodes bieži tiek sadalītas divās kategorijās: neefektīvā zemesiete un efektīvā zemesiete. Neefektīvā zemesiete ietver neitrālās zemesietes ar iznīcināšanas spūlēm un nezemesietētus sistēmas, savukārt efektīvā zemesiete ietver neitrālās zemesietes ar solīdu zeme un neitrālās zemesietes ar rezistoriem. Neitrālās zemesietes metodes izvēle ir visaptveroša problēma, kas ietver vērtējumu relē aizsardzības jūtīgumam, aprīkojuma izolācijas līmenim, investīciju izmaksām, elektrosnieguma nepārtrauktībai, ekspluatācijas un uzturības grūtībām, kā arī kaitējuma apmēram un ietekmei uz sistēmas stabilitāti.

1.1 Neefektīvā zemesiete
1.1.1 Neitrālās zemesiete ar iznīcināšanas spūli

Iznīcināšanas spūle tiek instalēta sistēmas neitrālajā punktā. Pielāgošanas laikā induktīvais strāvas šķīrums kompensē sistēmas kapacitīvo strāvu, un zemesietes punkta kļūdas strāva ir atlikušais induktīvais strāvas šķīrums pēc kompensācijas. Ja notiek vienfāzes zemesietes kļūda, spūle kompensē kapacitīvo strāvu, lai ātri iznīcinātu zemesietes lokā, samazinot periodiskus lokus un pārspriegumu. Sistēma var turpināt darbību pēc kļūdas, piemērota augstai uzticamības piegādes situācijām.

Galvenās īpašības:

• Aizsardzība un ekspluatācija: Maza zemesietes strāva padara parastu nulles sekvences strāvas aizsardzību nelietderīgu, nepieciešama sarežģīta vienfāzes zemesietes aizsardzība. Spūlei jāstrādā pārkompensācijas režīmā; operatoriem jāpielāgo parametri laikus, kad mainās tīkls, komplicējot uzturību.

• Konfigurācija: Jāizvairās no vairāku spūļu koncentrētas instalācijas vai vienas spūles iestatījuma, lai novērstu kompensācijas neveiksmi.

• Pielāgošanās un ierobežojumi: Piemērota sistēmām ar lielu vienfāzes zemesietes kapacitīvo strāvu, samazina aprīkojuma siltuma efektus un ļauj īslaicīgu nepārtrauktu elektrosniegumu. Tomēr relē aizsardzība nevar ātri nogriezt kļūdas vidējos un lielos saules fotovoltaikas stacijās. Tāpēc tā reti tiek izmantota MW līmeņa un augstākos stacijās, kā arī 10 kV/35 kV magistrālos, ar agrākām iznīcināšanas spūļu sistēmām, kas tiek modernizētas.

1.1.2 Neitrālā bez zemesietes

Neitrālās bez zemesietes sistēmas (neefektīvā zemesiete) vienfāzes kļūdās piedāvā strāvas no līnijas/aparātu kapacitīvās savienojuma, bez īsā gājiena kontūras. Tas ļauj 1–2 stundas kļūdas darbību ar zemu strāvu un saglabāto fāzes starpnieka spriegumu, bet riskē ar lokā atdzimšanas pārspriegumu, prasām augstu izolāciju. Piemērota maziem kapacitīvajiem strāvas šķīrumiem (piemēram, saules invertera AC pusē, neitrālās zemesietes zemas sprieguma transformatoriem).

1.2 Efektīvā zemesiete
1.2.1 Neitrālās zemesiete ar solīdu zemi

Piedāvā augstu kļūdas strāvu, jūtīgu aizsardzību, zemu pārspriegumu un atviegloto izolāciju, bet riskē ar samazinātu uzticamību dēļ pārmērīgas zemesietes strāvas un smaga komunikācijas traucējuma. Bieži sastopama ≥50 MW saules fotovoltaikas stacijās ≥110 kV augstsprieguma transformatoros, ar neitrālās zemesietes izolācijas sliekšņiem/vaicākiem, lai nodrošinātu elastīgu zemesieti.

1.2.2 Neitrālās zemesiete ar rezistoriem

Ievada aktīvo strāvu > kapacitīvajai strāvai caur neitrālo rezistoru, ļaujot augstu jūtību nulles sekvences aizsardzībai, lai ātri izolētu kļūdu. Priekšrocības:

• Stabili parametri: Nav nepieciešamas pielāgojumi sākotnējā darbībā.

• Izolācijas ekonomika: Zemas izolācijas prasības, jo kļūda tiek ātri izolēta.

• Lietojums: Garās kabeļu sistēmas, lielkapacitātes transformatoru/dinamo mašīnu un saules fotovoltaikas stacijas ar lielu kapacitīvo strāvu.

• Sprieguma hierarhija:

• ≥220 kV: solīda zemesiete

• 66–110 kV: lielākā daļa solīda, mazākā daļa nesolidā

• 6–35 kV: lielākā daļa nesolidā, mazākā daļa solīda

2 Zemesietes transformatora jaudas aprēķins

MW mēroga saules fotovoltaikas stacijām 10/35 kV magistrālos (ar rezistoru zemesieti), ja neitrālās nav izvilktas, nepieciešami speciāli zemesietes transformatori. Aprēķina soļi:

• Primārais spriegums: Atbilst sistēmas magistrāla spriegumam.

• Kapacitīvā strāva: Summa no kabeļu/pārklājumu līniju strāvām plus substatīvā aprīkojuma efekts.

• Rezistora vērtība: Pielāgo, lai nodrošinātu ātru nulles sekvences aizsardzības aktivizāciju.

• Transformatora jauda: Ņem vērā zemesietes rezistora reitingu; iekļauj sekundārās slodzes, ja tiek izmantots kā stacijas enerģijas avots.

3 Zemesietes transformatora jaudas aprēķina piemērs
3.1 Projekta pārskats
50 MW centralizētā saules fotovoltaikas stacija ar fiksētiem montāžas priekšmetiem 1340 m augstumā (gadā vidēji 3°C) neatbalsta deringu samazinājumu augstumam vai mitrumam. Ietver 50×1 MW apakšmatricas, DC tiek inversēts un paaugstināts līdz 35 kV vietēji. Desmit apakšmatricas veido kolektoru līniju, kas iedotas 35 kV vienvietējā sistēmā, pēc tam paaugstināts līdz 110 kV (solīda neitrālā zemesiete). 35 kV paaugstināšanas stacija ietver zemas sprieguma galveno transformatoru, 5 PV kolektoru līnijas, zemesietes transformatoru, stacijas servisa transformatoru, reaktivitātes kompensāciju un PT tīklu, ar rezistoru zemesieti.

3.2 Zemesietes transformatora jaudas aprēķins
3.2.1 Zemesietes metode

Zemesietes transformatora primārā nominālā sprieguma atbilst 35 kV sistēmas spriegumam. 35 kV kolektoru līnijas ir galvenokārt tieši ieapkopsētas kabeles (kopā 34 km), ar 2 km pārklājumu līnijām.

• Vienfāzes zemesietes kapacitīvā strāva 35 kV pārklājumu kolektoru līnijās:Ic1=3.3×U_L×L×10−3=0.231A

• Vienfāzes zemesietes kapacitīvā strāva 35 kV kabeļu kolektoru līnijās:Ic2=0.1×U_L×L=119A

( U_L): tīkla fāzes starpnieka spriegums (kV); L: līnijas garums (km))

Ar 13% palielinājumu 35 kV substatīvā kapacitīvajā strāvā, aprēķinātā vienfāzes zemesietes kapacitīvā strāva saules fotovoltaikas stacijā pārsniedz 10 A. Tāpēc 35 kV neitrālās zemesietes punkts izmanto rezistoru zemesieti.

3.2.2 Zemesietes transformatora jauda

Zemesietes rezistoram primārais spriegums U_R≥21.21kV. Vienfāzes kļūdas gadījumā zemesietes strāva tiek iestatīta uz 150–500 A, tāpēc I_R=400A, un ar R=50.5Ω，P_R≥U_R×I_R.Zemresistīvā zemesietes sistēmā zemesietes transformatora jauda ir 1/10 no kļūdas strāvas - atbilstošā jauda. Jo atsevišķs stacijas servisa transformators pastāv, sekundārās slodzes tiek ignorētas. Ņemot vērā tehnisko-ekonomiskos faktorus, meteoroloģiskās apstākļus un augstumu, jauda tiek iestatīta uz 1000 kVA.

4.Sekmes

Saules fotovoltaikas un citu atjaunojamās enerģijas attīstība atbilst valstu rūpniecības attīstības politikām visā pasaulē. Neitrālās zemesietes metode ietekmē aspektus, piemēram, elektrotīkla dizainu un ekspluatāciju. Izvēloties sistēmas neitrālās zemesietes metodi, jāņem vērā ietekme uz sistēmas elektrosnieguma uzticamību, aprīkojuma izolācijas līmeni un grūtībām relē aizsardzības ieviešanā.