Расчеты по проектированию схем заземления нейтрали и выбор размера заземляющего трансформатора в сетях солнечных электростанций промышленного масштаба
1 Классификация методов заземления нейтрали для солнечных фотоэлектрических электростанций
Под влиянием различий в уровнях напряжения и структурах сетей в разных регионах, методы заземления нейтрали энергетических систем в основном делятся на неэффективное заземление и эффективное заземление. Неэффективное заземление включает заземление нейтрали через дугогасительные катушки и системы с незаземленной нейтралью, тогда как эффективное заземление включает твердое заземление нейтрали и заземление нейтрали через резисторы. Выбор метода заземления нейтрали является комплексным вопросом, который включает в себя учет чувствительности релейной защиты, уровней изоляции оборудования, затрат на инвестиции, непрерывности подачи электроэнергии, сложности эксплуатации и обслуживания, масштаба отказов и влияния на устойчивость системы.
1.1 Неэффективное заземление
1.1.1 Заземление нейтрали через дугогасительные катушки
Дугогасительная катушка устанавливается в точке нейтрали системы. При возникновении отказов индуктивный ток компенсирует емкостный ток системы, а ток отказа в точке заземления является остаточным индуктивным током после компенсации. При возникновении однофазного отказа катушка компенсирует емкостный ток, что позволяет быстро погасить дугу заземления, подавляя прерывистые дуги и перенапряжения. Система может продолжать работу некоторое время после отказа, что подходит для сценариев с высокой надежностью подачи электроэнергии.
Основные характеристики:
Защита и эксплуатация: Малый ток заземления делает обычную защиту нулевой последовательности недостаточно чувствительной, требуя сложной защиты от однофазных отказов. Катушка должна работать в режиме перекомпенсации; операторы должны своевременно корректировать параметры при изменении сети, что усложняет обслуживание.
Конфигурация: Необходимо избегать концентрированной установки нескольких катушек или одиночной катушки, чтобы предотвратить неудачу компенсации.
Применимость и ограничения: Подходит для систем с большим однофазным емкостным током заземления, снижая тепловое воздействие на оборудование и обеспечивая кратковременную непрерывную подачу электроэнергии. Однако релейная защита не может быстро отключить отказы в средних и крупных фотоэлектрических станциях. Поэтому этот метод менее используется на фотоэлектрических станциях мощностью 1 МВт и выше, а также на шинах 10 кВ/35 кВ, с ранними системами дугогасительных катушек, которые подлежат модернизации.
1.1.2 Незаземленная нейтраль
Системы с незаземленной нейтралью (неэффективное заземление) имеют токи отказа, происходящие из-за емкостного соединения линий и оборудования при однофазных отказах, без короткозамкнутого контура. Это позволяет работать с отказом в течение 1-2 часов из-за малых токов и сохраненного межфазного напряжения, но существует риск повторного возгорания дуги и перенапряжения, требующего высокой изоляции. Подходит для малых емкостных токов (например, AC-стороны инверторов фотоэлектрических станций, низковольтные трансформаторы без выведенной нейтрали).
1.2 Эффективное заземление
1.2.1 Твердое заземление нейтрали
Предоставляет высокий ток отказа, чувствительную защиту, низкое перенапряжение и более низкие требования к изоляции, но рискует снижением надежности из-за чрезмерных токов заземления и серьезных помех связи. Часто используется в фотоэлектрических станциях мощностью 50 МВт и выше, с высоковольтными трансформаторами 110 кВ и выше, с использованием разъединителей нейтрали и грозозащитных устройств для гибкого заземления.
1.2.2 Заземление нейтрали через резисторы
Активный ток, превышающий емкостный ток, вводится через резисторы нейтрали, что позволяет использовать высокочувствительную защиту нулевой последовательности для быстрого изоляции отказа. Преимущества:
Стабильные параметры: Не требуется корректировки во время первоначальной эксплуатации.
Экономия на изоляции: Низкие требования к изоляции благодаря быстрому отключению отказа.
Применение: Длинные кабельные системы, высокомощные трансформаторы и двигатели, а также фотоэлектрические станции с высокими емкостными токами.
Иерархия напряжений:
≥220 кВ: твердое заземление
66-110 кВ: большинство твердое, меньшинство нетвердое
6-35 кВ: большинство нетвердое, меньшинство твердое
2 Расчет мощности трансформатора заземления
Для фотоэлектрических станций мощностью в МВт с шинами 10/35 кВ (заземление через резисторы), если нейтрали не выведены, необходимы специальные трансформаторы заземления. Шаги расчета:
Напряжение первичной обмотки: Соответствует напряжению шины системы.
Емкостный ток: Сумма токов кабелей и воздушных линий, а также влияние оборудования подстанции.
Значение резистора: Обеспечивает быстрое срабатывание защиты нулевой последовательности.
Мощность трансформатора: Учитывает номинальную мощность резистора заземления; включает вторичные нагрузки, если трансформатор служит источником питания подстанции.
3 Пример расчета мощности трансформатора заземления
3.1 Обзор проекта
Фотоэлектрическая станция мощностью 50 МВт с фиксированными опорами на высоте 1340 м (средняя годовая температура 3°C) не требует понижения мощности из-за высоты или влажности. Станция состоит из 50 подмассивов по 1 МВт, постоянный ток преобразуется и повышается до 35 кВ локально. Десять подмассивов образуют сборную линию, которая подключена к однобусовой системе 35 кВ, затем повышается до 110 кВ (твердое заземление нейтрали). В состав подстанции 35 кВ входят низковольтный главный трансформатор, 5 сборных линий фотоэлектрической станции, трансформатор заземления, трансформатор собственных нужд, реактивная компенсация и цепи ПТ, с заземлением нейтрали через резистор.
3.2 Расчет мощности трансформатора заземления
3.2.1 Метод заземления
Номинальное напряжение первичной обмотки трансформатора заземления соответствует напряжению системы 35 кВ. Сборные линии 35 кВ в основном состоят из прямых закопанных кабелей (всего 34 км), а также 2 км воздушных линий.
Емкостный ток однофазного заземления для воздушных сборных линий 35 кВ: Ic1=3.3×UL×L×10−3=0.231 A
Емкостный ток однофазного заземления для кабельных сборных линий 35 кВ: Ic2=0.1×UL×L=119 A
(UL): линейное напряжение (кВ); L: длина линии (км))
С учетом увеличения емкостного тока подстанции 35 кВ на 13%, рассчитанный емкостный ток однофазного заземления фотоэлектрической станции превышает 10 А. Таким образом, точка нейтрали шины 35 кВ использует заземление через резистор.
3.2.2 Мощность трансформатора заземления
Для резистора заземления первичное напряжение UR≥21.21 кВ. При однофазном отказе ток заземления устанавливается в пределах 150-500 А, поэтому IR=400 А, и с R=50.5 Ом, PR≥UR×IR. В системах с низкоомным заземлением мощность трансформатора заземления составляет 1/10 мощности тока отказа. Поскольку существует отдельный трансформатор собственных нужд, вторичные нагрузки игнорируются. Учитывая технико-экономические факторы, метеорологические условия и высоту, мощность устанавливается на уровне 1000 кВА.
4. Заключение
Развитие возобновляемых источников энергии, таких как фотоэлектрические станции, соответствует промышленным политикам развития стран мира. Метод заземления нейтрали оказывает влияние на такие аспекты, как проектирование и эксплуатация энергетической системы. При выборе метода заземления нейтрали системы необходимо всесторонне учитывать влияние на надежность подачи электроэнергии системы, уровень изоляции оборудования, а также сложность реализации релейной защиты.
