Obliczenia projektowe dla schematów ziemnego połączenia neutrali i rozmiarowania transformatorów ziemnych w elektrowniach słonecznych PV o mocy przemysłowej
1 Klasyfikacja metod ziemienia neutralnego w stacjach fotowoltaicznych
Wpływ na różnice w poziomach napięcia i strukturach sieci w różnych regionach, metody ziemienia neutralnego systemów energetycznych są głównie podzielone na nieefektywne ziemia i efektywne ziemia. Nieefektywne ziemia obejmuje ziemia przez cewki tłumione i systemy bez ziemienia neutralnego, podczas gdy efektywne ziemia obejmuje solidne ziemia neutralnego i ziemia przez oporniki. Wybór metody ziemienia neutralnego to kompleksowy problem, obejmujący kwestie czułości ochrony przekaźnikowej, poziomów izolacji urządzeń, kosztów inwestycyjnych, ciągłości dostaw energii, trudności w eksploatacji i konserwacji, zakresu awarii oraz wpływu na stabilność systemu.
1.1 Nieefektywne ziemia
1.1.1 Ziemia przez cewki tłumione
Cewka tłumiona jest instalowana w punkcie neutralnym systemu. W przypadku awarii, prąd indukcyjny kompensuje prąd pojemnościowy systemu, a prąd awaryjny w punkcie ziemienia jest resztowym prądem indukcyjnym po kompensacji. Gdy wystąpi awaria jednofazowego ziemienia, cewka kompensuje prąd pojemnościowy, aby szybko zgaszyć łuk ziemienia, tłumiąc przerywane łuki i przepięcia. System może działać przez pewien czas po awarii, co sprawia, że jest odpowiedni dla scenariuszy z wysoką niezawodnością dostaw energii.
Kluczowe cechy:
Ochrona i eksploatacja: Mały prąd ziemienia powoduje, że zwykła ochrona prądu zerowego ma niską czułość, wymagając skomplikowanej ochrony jednofazowego ziemienia. Cewka musi pracować w trybie nadkompenzacji; operatorzy muszą dostosowywać parametry w miarę zmian w sieci, co komplikuje konserwację.
Konfiguracja: Unikać skoncentrowanego montażu wielu cewek lub pojedynczej cewki, aby zapobiec niepowodzeniu kompensacji.
Zastosowanie i ograniczenia: Odpowiednie dla systemów z dużymi prądami pojemnościowymi jednofazowego ziemienia, redukując efekty termiczne urządzeń i umożliwiając krótkoterminowe ciągłe dostawy energii. Jednak ochrona przekaźnikowa nie może szybko odciąć awarii w średnich i dużych stacjach fotowoltaicznych. Dlatego rzadko stosowane w stacjach fotowoltaicznych o mocy MW i wyższej oraz w szynach 10 kV/35 kV, z wcześniejszymi systemami cewek tłumionych poddawanymi modernizacji.
1.1.2 Bez ziemienia neutralnego
Systemy bez ziemienia neutralnego (nieefektywne ziemia) charakteryzują się prądami awaryjnymi z połączeń pojemnościowych linii/urządzeń w przypadku awarii jednofazowych, bez obwodu krótkiego zastępu. Pozwala to na działanie przez 1-2 godziny po awarii ze względu na małe prądy i utrzymane napięcia między fazami, ale niesie ryzyko ponownego zapłonu łuku i przepięć, wymagając wysokiej izolacji. Odpowiednie dla małych prądów pojemnościowych (np. boki AC inwerterów fotowoltaicznych, transformatory niskiego napięcia bez neutralnej).
1.2 Efektywne ziemia
1.2.1 Solidne ziemia neutralnego
Ofere wysoki prąd awaryjny, czułą ochronę, niskie przepięcia i luźniejszą izolację, ale niesie ryzyko obniżenia niezawodności z powodu nadmiernych prądów ziemienia i silnej ingerencji komunikacyjnej. Powszechne w transformatorach wysokiego napięcia ≥50 MW stacji fotowoltaicznych ≥110 kV, z przełącznikami izolacyjnymi neutralnej/zapalnikami piorunochronów do elastycznego ziemienia.
1.2.2 Ziemia przez oporniki
Wstrzykuje aktywny prąd > prądu pojemnościowego przez oporniki neutralne, umożliwiając ochronę zerową o wysokiej czułości do szybkiego izolowania awarii. Zalety:
Stabilne parametry: Nie wymaga dostosowań podczas początkowej eksploatacji.
Ekonomiczna izolacja: Niskie wymagania izolacyjne dzięki szybkiemu usunięciu awarii.
Zastosowanie: Długie systemy kablowe, duże transformatory/motory i stacje fotowoltaiczne z dużymi prądami pojemnościowymi.
Hierarchia napięć:
≥220 kV: solidne ziemia
66-110 kV: większość solidne, mniejszość niesolidne
6-35 kV: większość niesolidne, mniejszość solidne
2 Obliczenie mocy transformatora ziemienia
Dla stacji fotowoltaicznych o mocy MW przy szynach 10/35 kV (ziemia przez oporniki), potrzebne są dedykowane transformatory ziemienia, jeśli neutrale są nie 引出. Krok obliczeniowy:
Napięcie pierwotne: Dopasowane do napięcia szyny systemu.
Prąd pojemnościowy: Suma prądów kabli/lini lotniczych plus wpływ urządzeń podstacji.
Wartość oporu: Zapewnienie szybkiego działania ochrony zerowej.
Moc transformatora: Uwzględnienie klasyfikacji opornika ziemienia; uwzględnienie obciążeń wtórnych, jeśli służy jako transformator stacji.
3 Przykład obliczenia mocy transformatora ziemienia
3.1 Przegląd projektu
Stacja fotowoltaiczna centralna o mocy 50 MW z ustawieniami stałymi na wysokości 1340 m (średnia roczna 3°C) nie wymaga obniżenia mocy ze względu na wysokość i wilgotność. Składa się z 50 x 1 MW podtablic, DC jest przekształcane i podnoszone lokalnie do 35 kV. Dziesięć podtablic tworzy linię zbierającą, która podłącza się do systemu jednoszynowego 35 kV, a następnie podnosi do 110 kV (solidnie ziemione neutralne). Stacja podnosząca 35 kV obejmuje główny transformator niskiego napięcia, 5 linii zbierających PV, transformator ziemienia, transformator stacji, kompensację reaktywną i obwody PT, z opornikowym ziemieniem neutralnego.
3.2 Obliczenie mocy transformatora ziemienia
3.2.1 Metoda ziemienia
Napięcie pierwotne transformatora ziemienia odpowiada napięciu systemu 35 kV. Linie zbierające 35 kV są głównie kablami podziemnymi (łącznie 34 km), z 2 km lini lotniczych.
Jednofazowy prąd pojemnościowy ziemienia dla linii zbierających 35 kV: Ic1=3.3×UL×L×10−3=0.231A
Jednofazowy prąd pojemnościowy ziemienia dla kablowych linii zbierających 35 kV: Ic2=0.1×UL×L=119A
(UL): napięcie międzyliniowe (kV); L: długość linii (km))
Z 13% wzrostem prądu pojemnościowego podstacji 35 kV, obliczony jednofazowy prąd pojemnościowy ziemienia stacji fotowoltaicznej przekracza 10 A. Dlatego neutralny punkt szyny 35 kV używa opornikowego ziemienia.
3.2.2 Moc transformatora ziemienia
Dla opornika ziemienia, napięcie pierwotne UR≥21.21kV. W przypadku awarii jednofazowej, prąd doziemienia ustawiony jest na 150-500 A, więc IR=400A, a R=50.5Ω，PR≥UR×IR. W systemach z niskim oporem ziemienia, moc transformatora ziemienia wynosi 1/10 mocy odpowiadającej prądowi awaryjnemu. Ponieważ istnieje osobny transformator stacji, obciążenia wtórne są ignorowane. Biorąc pod uwagę czynniki techniczno-ekonomiczne, warunki meteorologiczne i wysokość, moc ustawiona jest na 1000 kVA.
4. Podsumowanie
Rozwój odnawialnych źródeł energii, takich jak fotowoltaika, jest zgodny z politykami rozwoju przemysłu na całym świecie. Metoda ziemienia neutralnego ma wpływ na aspekty takie jak projektowanie i eksploatacja systemu energetycznego. Przy wyborze metody ziemienia neutralnego dla systemu, należy w sposób kompleksowy rozważyć wpływ na niezawodność dostaw energii systemu, poziom izolacji urządzeń oraz trudności w implementacji ochrony przekaźnikowej.
