Izračuni za sheme neutralnega zazemljenja in odmerjevanje zazemljevalnih transformatorjev v solarnih fotovoltaičnih elektrarnah velikosti za javne električne omrežja

1 Klasifikacija metod nevtralnega zazemljanja za sončne fotovoltaične elektrarne

Vpliv razlik v nivojih napetosti in strukturah omrežij v različnih regijah prinaša, da so metode nevtralnega zazemljanja električnih sistemov predvsem razdeljene na ne-ustrezno zazemljanje in ustrezen zazemljanje. Ne-ustrezen zazemljeni sistemi vključujejo zazemljanje preko dušilnikov in nezazemljene sisteme, medtem ko ustrezen zazemljeni sistemi vključujejo trdno zazemljanje in zazemljanje preko upornikov. Izbor metode zazemljanja je kompleksna težava, ki vključuje razmišljanje o občutljivosti relejnega zaščitnega sistema, nivojih izolacije opreme, naložbenih stroških, zanesljivosti oskrbe s strmo, težavah pri delu in vzdrževanju, obsegu okvar in vplivu na stabilnost sistema.

1.1 Ne-ustrezen zazemljeni sistemi
1.1.1 Zazemljanje preko dušilnikov

Dušilnik je nameščen na nevtrali sistemskega točka. Pri okvareh induktivni tok kompenzira kapacitivni tok sistema, in tok okvare pri zazemljenju je ostanki induktivnega toka po kompenzaciji. Ko pride do enofazne okvare, dušilnik kompenzira kapacitivni tok, da hitro ugasi luknjo zazemljenja, omeji intermitentne luči in pretok. Sistem lahko po okvari še nekaj časa deluje, kar je primerno za scenarije visoke zanesljivosti oskrbe s strmo.

Ključne značilnosti:

• Zaščita & Delo: Majhen tok zazemljenja povzroča, da običajna zaščita s tokom nizkega reda ni dovolj občutljiva, zahteva se kompleksna zaščita proti enofaznim okvaram. Dušilnik mora delovati v načinu nadkompenzacije; operatorji morajo pravočasno prilagoditi parametre glede na spremembe v omrežju, kar poveča zahtevnost vzdrževanja.

• Konfiguracija: Treba je izogibati koncentrirani postavitvi več dušilnikov ali enega dušilnika, da se prepreči neuspeh kompenzacije.

• Uporabnost & Omejitve: Primerno za sisteme z velikim enofaznim kapacitivnim tokom, zmanjša termične učinke opreme in omogoča kratkoročno neprekinjeno oskrbo s strmo. Vendar pa relejna zaščita ne more hitro odrezati okvar v srednje-velikih fotovoltaičnih elektrarnah. Zato se manj uporablja v fotovoltaičnih elektrnah z močjo MW in višje ter na 10 kV/35 kV busbarih, z brisanjem starejših sistemov dušilnikov.

1.1.2 Nevtralni nezazemljeni sistemi

Nevtralni nezazemljeni sistemi (ne-ustrezen zazemljeni) imajo tok okvare iz kapacitivnega povezovanja vrvi/opreme pri enofaznih okvarih, brez kračnega zanka. To omogoča 1-2 ur operiranja z okvaro zaradi majhnih tokov in ohranjene faza-faza napetosti, vendar tvegane ponovno zapalitev luka in previsoka napetost, kar zahteva visoko stopnjo izolacije. Primerno za male kapacitivne tokove (npr., AC strani fotovoltaičnih inverterjev, nezazemljene nizkonapetostne transformatorji).

1.2 Ustrezno zazemljeni sistemi
1.2.1 Trdno zazemljanje nevtrale

Ponuja visok tok okvare, občutljivo zaščito, nizko previsoko napetost in poslabšano izolacijo, vendar tvega zmanjšanje zanesljivosti zaradi prevelikega zazemljenskega toka in hudega motnega signala. Običajno v fotovoltaičnih elektrnah z močjo ≥50 MW in ≥110 kV visokonapetostnih transformatorjev, z izolacijskimi preklopniki in ograjevalci za prožno zazemljanje.

1.2.2 Zazemljanje preko upornikov

Vstavlja aktivni tok > kapacitivnega toka preko nevtralnih upornikov, omogoča visoko občutljivo zaščito s tokom nizkega reda za hitro izolacijo okvare. Prednosti:

• Stabilni parametri: Ni potrebno prilagajati parametrov med prvotnim delovanjem.

• Gospodarska izolacija: Nizki zahtevki po izolaciji zaradi hitrega odstranitve okvare.

• Uporaba: Dugački sistem kablove, visokoprostorni transformatorji/motorji in fotovoltaične elektrarne z visokim kapacitivnim tokom.

• Hierarhija napetosti:

• ≥220 kV: trdno zazemljanje

• 66-110 kV: večina trdni, manjšina ne-trdni

• 6-35 kV: večina ne-trdni, manjšina trdni

2 Računanje zmogljivosti zazemljujočega transformatorja

Za MW-skalne fotovoltaične elektrarne s 10/35 kV busbarji (zazemljanje preko upornikov) so potrebni posebni zazemljujoči transformatorji, če so nevtrali nezazemljene. Koraki računanja:

• Primarna napetost: Odgovarja napetosti sistema busa.

• Kapacitivni tok: Seštevek tokov kablove in površinskega vodja plus vpliv opreme podstavice.

• Vrednost upornika: Zagotavlja hitro aktiviranje zaščite s tokom nizkega reda.

• Zmogljivost transformatorja: Upošteva oceno zazemljenskega upornika; vključi sekundarne breme, če služi kot strmo podstavice.

3 Primer računanja zmogljivosti zazemljujočega transformatorja
3.1 Pregled projekta
Centralizirana fotovoltaična elektrarna z močjo 50 MW s fiksiranimi nosilci na višini 1340 m (letni povpreček 3°C) ne zahteva derating zaradi višine ali vlage. Sestavljena iz 50x1 MW podskupin, DC je pretvorjen in povišan na 35 kV lokalno. Deset podskupin tvori zbirni vod, ki se vključi v 35 kV enobusni sistem, nato povišan na 110 kV (trdno zazemljena nevtrala). 35 kV poviševalna postaja vključuje nizkonapetostni glavni transformator, 5 PV zbirnih vodov, zazemljujoči transformator, transformator za strmo podstavice, reaktivna kompenzacija in PT krug, z zazemljanjem preko upornikov za nevtralo.

3.2 Računanje zmogljivosti zazemljujočega transformatorja
3.2.1 Metoda zazemljanja

Primarna naznačena napetost zazemljujočega transformatorja se ujema z 35 kV sistemsko napetostjo. 35 kV zbirni vodi so predvsem neposredni zakopani kabli (skupaj 34 km), z 2 km površinskega voda.

• Enofazni kapacitivni tok zazemljanja za 35 kV površinski zbirni vodi: Ic1=3.3×U_L×L×10−3=0.231A

• Enofazni kapacitivni tok zazemljanja za 35 kV kablove zbirni vodi: Ic2=0.1×U_L×L=119A

( U_L): napetost med fazami (kV); L: dolžina voda (km))

S 13% povečanjem kapacitivnega toka 35 kV podstavice, izračunani enofazni kapacitivni tok fotovoltaične elektrarne presega 10 A. Torej, 35 kV bus nevtralna točka uporablja zazemljanje preko upornikov.

3.2.2 Zmogljivost zazemljujočega transformatorja

Za zazemljujoči upornik, primarna napetost U_R≥21.21kV. V primeru enofazne okvare, je tok zemeljske okvare nastavljen na 150-500 A, tako da je I_R=400A, in R=50.5Ω，P_R≥U_R×I_R.V sistemih z nizkimi uporniki, zmogljivost zazemljujočega transformatorja je 1/10 odpovednega toka - odgovarjajoče zmogljivosti. Ker obstaja ločen transformator za strmo podstavice, sekundarne breme so prezrti. Ob upoštevanju tehnično-gospodarskih dejavnikov, meteoroloških pogojev in višine, je zmogljivost nastavljena na 1000 kVA.

4.Zaključek

Razvoj obnovljive energije, kot je sončna energija, se ujema s politikami industrijskega razvoja držav po vsem svetu. Metoda nevtralnega zazemljanja ima vpliv na vidiki, kot so projektiranje in delovanje električnega sistema. Pri izbiri metode nevtralnega zazemljanja sistema morajo biti komprehensivno upoštevani vplivi na zanesljivost oskrbe s strmo sistema in raven izolacije opreme, kot tudi težave pri izvajanju relejne zaščite.