Design Beregninger for Nøytral Jordingsskjemaer og Dimensjonering av Jordetransformator i Utilitieskala Solcelleanlegg

1 Klassifisering av metoder for nøytral jordforbindelse for solcelleavdelinger

Påvirket av forskjeller i spenninger og nettstrukturer mellom regioner, er metoder for nøytral jordforbindelse i kraftsystemer hovedsakelig inndelt i ikke-effektiv jordforbindelse og effektiv jordforbindelse. Ikke-effektiv jordforbindelse inkluderer nøytral jordforbindelse via bueundertrykkingskøiler og nøytral ubrukt system, mens effektiv jordforbindelse omfatter solid nøytral jordforbindelse og nøytral jordforbindelse via motstand. Valget av en metode for nøytral jordforbindelse er et sammensatt spørsmål som involverer overveielser om relébeskyttelsesfølsomhet, utstyrisolasjon, investeringskostnader, strømtilgangsoverhengivelse, drifts- og vedlikeholdsutfordringer, feilomfang og påvirkning på systemstabilitet.

1.1 Ikke - effektiv jordforbindelse
1.1.1 Nøytral jordforbindelse via bueundertrykkingskøiler

En bueundertrykkingskøil installeres ved systemets nøytralpunkt. Under feil kompenserer induktiv strøm systemets kapasitiv strøm, og jordpunktfeilstrømmen er den resterende induktive strømmen etter kompensasjon. Når det oppstår en enefase jordfeil, kompenserer køilen kapasitiv strøm for å raskt slukke jordbuen, undertrykke intermittente buer og overspenning. Systemet kan fortsette å kjøre en stund etter feilen, noe som passer for høytilgjengelighetsscenarier for strømforsyning.

Kjerneegenskaper:

• Beskyttelse & Drift: Liten jordstrøm gjør vanlig nullsekvensstrømbeskyttelse lite følsom, krever kompleks enefase jordbeskyttelse. Køilen må fungere i overkompensasjonmodus; operatører må justere parametre til tider med nettforskjeller, noe som øker vedlikeholdskompleksiteten.

• Konfigurasjon: Unngå koncentrert installasjon av flere køiler eller enkeltkøilsetup for å unngå kompensasjonsmislykking.

• Tilpassethet & Begrensninger: Passer systemer med store enefase jordkapasitive strømmer, reduserer varmeeffekter på utstyr og muliggjør kortvarig kontinuerlig strømforsyning. Men relébeskyttelsen kan ikke raskt skjære av feil i medium til store solcelleanlegg. Derfor brukes det mindre i MW-nivå og over solcelleanlegg og 10 kV/35 kV busser, med tidlige bueundertrykkingskøilesystemer refittert.

1.1.2 Nøytral ubrukt

Nøytral ubrukte systemer (ikke-effektiv jordforbindelse) har feilstrøm fra linje/utstyr kapasittkopling under enefasefeil, uten kortslutningsløkke. Dette tillater 1–2 timers feiloperasjon pga. lave strømmer og bevart faseoverspenninger, men risikerer buereaktivivering overovervoltage som krever høy isolasjon. Egnet for små kapasitive strømmer (f.eks., solcelleinverter AC-sider, ubrukt nøytral lavspenningstransformatorer).

1.2 Effektiv jordforbindelse
1.2.1 Solid nøytral jordforbindelse

Tilbyr høy feilstrøm, sensitiv beskyttelse, lav overvoltage og slappere isolasjon, men risikerer redusert pålitelighet fra for høye jordstrømmer og alvorlig kommunikasjonsforstyrrelse. Vanlig i ≥50 MW solcelleanlegg ≥110 kV HV-transformatorer, med nøytrale isolasjonsspill/lysetsapper for fleksibel jordforbindelse.

1.2.2 Nøytral motstands jordforbindelse

Injiserer aktiv strøm > kapasitiv strøm via nøytrale motstander, som muliggjør høyfølsom nullsekvensbeskyttelse for rask feilisolering. Fordeler:

• Stabile parametre: Ingen justeringer nødvendig under initiell drift.

• Isolasjonseøkonomi: Lav isolasjonskrav fra hurtig feilklaring.

• Anvendelse: Lange kabelsystemer, høykapasitiv transformatorer/motorer, og solcelleanlegg med høye kapasitive strømmer.

• Spenningshierarki:

• ≥220 kV: solid jordforbindelse

• 66–110 kV: flertall solid, mindretall ikke-solid

• 6–35 kV: flertall ikke-solid, mindretall solid

2 Beregning av jordtransformator-kapasitet

For MW-skala solcelleanlegg 10/35 kV busser (motstands jordforbindelse), trenger dedikerte jordtransformatorer hvis nøytraler er ubrukte. Beregningssteg:

• Primærespenn: Match systembus spenn.

• Kapasitiv strøm: Sum av kabel/luftlinjestrømmer pluss understasjonseffekter.

• Motstandverdi: Sikre rask nullsekvensbeskyttelse aktivering.

• Transformator-kapasitet: Ta hensyn til jordmotstands rating; inkluder sekundærbelastning hvis brukt som stasjonstrøm.

3 Eksempel på beregning av jordtransformator-kapasitet
3.1 Prosjektoversikt
Et 50 MW sentralisert solcelleanlegg med fast montering på 1340 m høyde (årlig snitt 3°C) krever ingen nedjustering for høyde eller fuktighet. Består av 50×1 MW underanlegg, DC inverteres og steges opp til 35 kV lokalt. Ti underanlegg danner en samlelinje som føres inn i et 35 kV enkeltsystem, deretter steges opp til 110 kV (solid jordforbindelse). 35 kV stegoppstasjonen inkluderer lavspenningshovedtransformator, 5 solcellesamlelinjer, jordtransformator, stasjonstransformator, reaktiv kompensasjon, og PT-løkker, med motstands jordforbindelse for nøytralen.

3.2 Kapasitetsberegning av jordtransformator
3.2.1 Jordmetode

Jordtransformatorens primærnominelle spenn matcher 35 kV-systemspenn. 35 kV samlelinjer er hovedsakelig direkte begravde kabler (totalt 34 km), med 2 km luftlinjer.

• Enefase jordkapasitiv strøm for 35 kV luftlinjesamlelinjer:Ic1=3.3×U_L×L×10−3=0.231A

• Enefase jordkapasitiv strøm for 35 kV kabelsamlelinjer:Ic2=0.1×U_L×L=119A

( U_L): nettlinje til linjespenning (kV); L: linjelengde (km))

Med en 13% økning i 35 kV understasjonens kapasitive strøm, overstiger den beregnede enefase jordkapasitive strømmen for solcelleanlegget 10 A. Dermed bruker 35 kV bus nøytralpunkt motstands jordforbindelse.

3.2.2 Jordtransformator-kapasitet

For jordmotstanden, primærespenn U_R≥21.21kV. Ved enefasefeil, settes jordfeilstrømmen til 150–500 A, så I_R=400A, og R=50.5Ω，P_R≥U_R×I_R.I lavmotstands jordforbindelsessystemer, er jordtransformator-kapasiteten 1/10 av feilstrømmen - korrespondende kapasitet. Ettersom det eksisterer en separat stasjonstransformator, ignoreres sekundærbelastning. Med vekt på teknisk-økonomiske faktorer, meteorologiske forhold og høyde, settes kapasiteten til 1000 kVA.

4.Konklusjon

Utviklingen av fornybar energi som solenergi er i tråd med industriforvaltningspolitikkene i land verden over. Metoden for nøytral jordforbindelse har innvirkning på aspekter som design og drift av kraftsystemet. Når man velger metoden for nøytral jordforbindelse for systemet, bør man overveie innvirkningen på strømforsyningens pålitelighet, utstyrsisolasjon, samt vanskeligheter i implementering av relébeskyttelse, i et sammensatt perspektiv.