Ontwerp Berekeningen voor Neutrale Aardingsschema's en Aardtransformatoren in nutsmaatsschappelijke Zonnepanelen-installaties

1 Classificatie van neutrale aardingmethoden voor zonnepanelen

Onder invloed van verschillen in spanningniveaus en netwerken over de regio's, worden de neutrale aardingmethoden van elektriciteitsnetwerken grotendeels ingedeeld in niet-effectieve aarding en effectieve aarding. Niet-effectieve aarding omvat neutrale aarding via boogonderdrukkingsspoelen en neutrale ongeaarde systemen, terwijl effectieve aarding bestaat uit vaste neutrale aarding en neutrale aarding via weerstanden. De keuze van een neutrale aardingmethode is een geheel probleem, waarbij rekening wordt gehouden met de gevoeligheid van relaisbescherming, isolatieniveaus van apparatuur, investeringskosten, continuïteit van stroomvoorziening, moeilijkheden bij bedrijf en onderhoud, foutomvang en impact op systeemstabiliteit.

1.1 Niet - effectieve Aarding
1.1.1 Neutrale Aarding via Boogonderdrukkingsspoelen

Een boogonderdrukkingsspoel wordt geïnstalleerd op het neutrale punt van het systeem. Tijdens storingen compenseert de inductieve stroom de capacitaire stroom van het systeem, en de aardingsstroom op het aardingspunt is de resterende inductieve stroom na compensatie. Bij een enkelefasestoring compenseert de spoel de capacitaire stroom om de aardingsboog snel te doven, tussentijdse bogen en overspanningen te onderdrukken. Het systeem kan na de storing nog een tijdje blijven werken, wat geschikt is voor scenario's met hoge betrouwbaarheid van stroomvoorziening.

Belangrijkste kenmerken:

• Bescherming & Bedrijfsvoering: Een kleine aardingsstroom maakt dat gewone nulsequentie bescherming niet gevoelig is, waardoor complexe enkelefasenaardingsbescherming nodig is. De spoel moet in overcompensatiemodus werken; operators moeten parameters op tijd aanpassen met veranderingen in het netwerk, wat het onderhoud compliceert.

• Configuratie: Vermijd de geconcentreerde installatie van meerdere spoelen of een enkele-spoelopstelling om compensatiefalen te voorkomen.

• Toepasbaarheid & Beperkingen: Geschikt voor systemen met grote enkelefasen capacitaire stromen, verminderd warmte-effect op apparatuur en mogelijk korte-termijn continue stroomvoorziening. Maar relaisbescherming kan geen snelle afbakening van storingen in middelgrote tot grote PV-stations. Daarom wordt het minder gebruikt in MW-niveau en hogere PV-stations en 10 kV/35 kV busbars, waarbij vroegere boogonderdrukkingsspoelsystemen worden gerenoveerd.

1.1.2 Neutraal Ongeaard

Neutraal ongeaarde systemen (niet-effectieve aarding) hebben storingstromen van lijn/apparatuurcapacitaire koppeling bij enkelefasen storingen, zonder kortsluitlus. Dit stelt 1-2 uur gestoorden bedrijf toe door lage stromen en behouden tussenfasenspanningen, maar risico op herontsteking van boogoverspanning vereist hoge isolatie. Geschikt voor kleine capacitaire stromen (bijv., AC-zijde van PV-inverter, laagspanningsgetransformeerde met neutraal).

1.2 Effectieve Aarding
1.2.1 Vaste Neutrale Aarding

Biedt hoge storingstroom, gevoelige bescherming, lage overspanning en ontspannen isolatie, maar risico op verminderde betrouwbaarheid door te hoge aardingsstromen en ernstige communicatie-interferentie. Gewoonlijk in ≥50 MW PV-stations' ≥110 kV HV-transformator, met neutrale isolatieschakelaars/bliksemafleiders voor flexibele aarding.

1.2.2 Neutrale Weerstandsaarding

Injecteert actieve stroom > capacitaire stroom via neutrale weerstanden, waardoor gevoelige nulsequentie bescherming mogelijk is voor snelle storingisolatie. Voordelen:

• Stabiele parameters: Geen aanpassingen nodig tijdens initiële bedrijfsvoering.

• Isolatie-economie: Lage isolatie-eisen door snelle storingverwijdering.

• Toepassing: Lange kabelsystemen, hoogcapaciteitstransformatoren/motoren, en PV-stations met hoge capacitaire stromen.

• Spanningshiërarchie:

• ≥220 kV: vaste aarding

• 66-110 kV: meerderheid vaste, minderheid niet-vaste

• 6-35 kV: meerderheid niet-vaste, minderheid vaste

2 Berekening van de Capaciteit van de Aardingstransformator

Voor MW-schaal PV-stations' 10/35 kV busbars (weerstandsaarding), zijn specifieke aardingstransformatoren nodig als neutralen niet zijn aangebracht. Berekeningsstappen:

• Primaire spanning: Overeenkomend met systeembusspanning.

• Capacitaire stroom: Som van kabel/luchtlijnstromen plus effecten van stationsapparatuur.

• Weerstandswaarde: Zorgt voor snelle activatie van nulsequentie bescherming.

• Transformatorcapaciteit: Rekening houdend met aardingweerstandsclassificatie; inclusief secundaire belastingen indien gebruikt als stationsenergie.

3 Voorbeeld van Berekening van de Capaciteit van de Aardingstransformator
3.1 Projectoverzicht
Een 50 MW centraal PV-krachtstation met vaste montage op 1340 m hoogte (jaarlijkse gemiddelde 3°C) vereist geen verminderde capaciteit wegens hoogte of vochtigheid. Bestaat uit 50x1 MW sub-array, DC wordt geïnverteerd en opgewaardeerd naar 35 kV lokaal. Tien sub-arrays vormen een verzamellijn die voedt in een 35 kV enkele-bus systeem, dan opgewaardeerd naar 110 kV (vast aangedaan neutraal). Het 35 kV opwaarderingsstation bevat laagspannings hoofdtransformator, 5 PV-verzamellijnen, aardingstransformator, stationsvoedingstransformator, reactieve compensatie en PT-circuits, met weerstandsaarding voor het neutraal.

3.2 Capaciteitsberekening van de Aardingstransformator
3.2.1 Aardingsmethode

De primaire nominale spanning van de aardingstransformator komt overeen met de 35 kV systeemspanning. 35 kV verzamellijnen zijn voornamelijk rechtstreeks begraven kabels (in totaal 34 km), met 2 km luchtlijnen.

• Enkelefasen aarding capacitaire stroom voor 35 kV luchtlijn verzamellijnen: Ic1=3.3×U_L×L×10−3=0.231A

• Enkelefasen aarding capacitaire stroom voor 35 kV kabel verzamellijnen: Ic2=0.1×U_L×L=119A

( U_L): netlijn-tot-lijnspanning (kV); L: lijnlengte (km))

Met een toename van 13% in de capacitaire stroom van het 35 kV station, is de berekende enkelefasen aarding capacitaire stroom van het PV-station groter dan 10 A. Dus gebruikt het 35 kV bus neutrale punt weerstandsaarding.

3.2.2 Capaciteit van de Aardingstransformator

Voor de aardingweerstand, de primaire spanning U_R≥21.21kV. Bij een enkelefasen storing wordt de aardingsstroom ingesteld op 150-500 A, dus I_R=400A, en met R=50.5Ω，P_R≥U_R×I_R. In lage-weerstandsaardingssystemen is de capaciteit van de aardingstransformator 1/10 van de foutstroom-correspondente capaciteit. Omdat er een aparte stationsvoedingstransformator bestaat, worden secundaire belastingen genegeerd. Met inachtneming van technisch-economische factoren, meteorologische omstandigheden en hoogte, wordt de capaciteit ingesteld op 1000 kVA.

4.Conclusie

De ontwikkeling van hernieuwbare energie zoals fotovoltaïsche energie voldoet aan de industrieontwikkelingsbeleid van landen over de hele wereld. De neutrale aardingsmethode heeft invloed op aspecten zoals het ontwerp en de bedrijfsvoering van het elektriciteitsnetwerk. Bij de selectie van de neutrale aardingsmethode voor het systeem, moeten de effecten op de betrouwbaarheid van de stroomvoorziening van het systeem en het isolatieniveau van apparatuur, evenals de moeilijkheden bij de implementatie van relaisbescherming, alomvattend worden overwogen.