Dizajniranje izračunavanja za sheme neutralne zemljišne veze i dimenzionisanje transformatora za zemljišnu vezu u solarnim fotovoltaičnim elektranama velikog kapaciteta
1. Klasifikacija metoda neutralnog zemljanja za fotovoltaične elektrane
Pod uticajem razlika u nivoima napona i strukturi mreže u različitim regionima, metode neutralnog zemljanja elektroenergetske mreže su uglavnom kategorisane u neefikasno zemljanje i efikasno zemljanje. Neefikasno zemljanje uključuje zemljanje preko koila za potiskivanje luka i sistema bez zemljanja neutrala, dok efikasno zemljanje uključuje čvrsto zemljanje neutrala i zemljanje preko otpornika. Izbor metoda neutralnog zemljanja je kompleksan problem koji uključuje razmatranja osetljivosti relejnog zaštite, nivoa izolacije opreme, troškova investicija, kontinuiteta snabdevanja, težine održavanja, opsega grešaka i uticaja na stabilnost sistema.
1.1 Neefikasno zemljanje
1.1.1 Zemljanje preko koila za potiskivanje luka
Koil za potiskivanje luka se instalira na neutralnu tačku sistema. U slučaju grešaka, induktivni tok kompenzira kapacitivni tok sistema, a toks greške na mjestu zemljanja je rezidualni induktivni tok nakon kompenzacije. Kada dođe do jednofazne greške zemljanja, koil kompenzira kapacitivni tok kako bi brzo ugasio lukove, potiskujući intermitentne luke i prenapone. Sistem može nastaviti da radi neko vrijeme nakon greške, što odgovara scenarijima sa visokom pouzdanosti snabdevanja.
Ključne karakteristike:
Zaštita i rad: Mali toks zemljanja čini običnu nultu-sekvencnu zaštitu maloosetljivom, zahteva složenu jednofaznu zaštitu. Koil mora raditi u režimu prekomjerne kompenzacije; operateri moraju pravo vremena prilagoditi parametre promenama u mreži, što komplikuje održavanje.
Konfiguracija: Treba izbegavati koncentrisanu instalaciju više koila ili postavljanje samo jednog koila kako bi se spriječila neuspjela kompenzacija.
Primjenjivost i ograničenja: Odgovara sistemima s velikim jednofaznim kapacitivnim tokovima, smanjuje termalne efekte opreme i omogućava kratkotrajno kontinuirano snabdevanje. Međutim, relejna zaštita ne može brzo prekinuti greške u srednjim i velikim fotovoltaičnim elektranama. Stoga se manje koristi u MW-nivou i iznad fotovoltaičnih elektrana i 10 kV/35 kV busbarima, a raniji sistemi s koilima za potiskivanje luka se nadograđuju.
1.1.2 Neutral bez zemljanja
Sistemi bez zemljanja neutrala (neefikasno zemljanje) imaju tokove grešaka iz kapacitivnog spoja linija/opreme tijekom jednofaznih grešaka, bez kratkospojne petlje. To omogućuje 1–2 sata rada s greškom zbog niskih tokova i održanih faza-napona, ali rizik od ponovnog zapaljenja luka i prenapona zahtijeva visoku izolaciju. Odgovara za male kapacitivne tokove (npr., AC strane fotovoltaičnih invertera, LV transformatori bez izvedenog neutrala).
1.2 Efikasno zemljanje
1.2.1 Čvrsto zemljanje neutrala
Nudi visoke tokove grešaka, osetljivu zaštitu, niske prenapone i opuštenu izolaciju, ali rizik od smanjene pouzdanosti zbog prevelikih tokova zemljanja i ozbiljnih interferencija u komunikaciji. Često se koristi u ≥50 MW fotovoltaičnim elektranama sa ≥110 kV HV transformatorima, sa izolacionim prekidačima neutrala/gromobranima za fleksibilno zemljanje.
1.2.2 Zemljanje preko otpornika
Unosi aktivni tok > kapacitivnog toka preko neutralnih otpornika, omogućavajući visokoosetljivu nultu-sekvencnu zaštitu za brzo izolovanje grešaka. Prednosti:
Stabilni parametri: Nema potrebe za prilagođavanjem tijekom početnog rada.
Izolacijska ekonomija: Niske zahteve za izolaciju zbog brzog isključivanja grešaka.
Primjena: Dugih kabelskih sistema, visokokapacitetnih transformatora/motorâ i fotovoltaičnih elektrana s visokim kapacitivnim tokovima.
Hierarhija napona:
≥220 kV: čvrsto zemljanje
66–110 kV: većina čvrsto, manjina nečvrsto
6–35 kV: većina nečvrsto, manjina čvrsto
2. Izračun kapaciteta transformatora za zemljanje
Za MW-nivou fotovoltaične elektrane sa 10/35 kV busbarima (zemljanje preko otpornika), potrebni su posebni transformatori za zemljanje ako neutrali nisu izvedeni. Koraci izračuna:
Primarni napon: Podudaranje sa sistemskim busbarskim naponom.
Kapacitivni tok: Zbir tokova kabela/vazdušnih linija plus efekti opreme podstajnice.
Vrijednost otpornika: Osiguranje brze aktivacije nulte-sekvencne zaštite.
Kapacitet transformatora: Uzimanje u obzir ocjenu otpornika za zemljanje; uključiti sekundarne opterećenja ako služi kao stanica snabdevanja.
3. Primer izračuna kapaciteta transformatora za zemljanje
3.1 Pregled projekta
Centralna fotovoltaična elektrana od 50 MW s fiksiranim montažama na visini od 1340 m (godišnja prosječna temperatura 3°C) ne zahtijeva smanjenje kapaciteta zbog visine ili vlage. Sastoji se od 50×1 MW podpolja, DC se pretvara i stepenuje na 35 kV lokalno. Deset podpolja formira kolektorsku liniju koja se ulazi u 35 kV jednobusni sistem, zatim se stepenuje na 110 kV (čvrsto zemljen neutral). 35 kV step-up stanica uključuje LV glavni transformator, 5 PV kolektorske linije, transformator za zemljanje, transformator za snabdevanje stanice, reaktivnu kompenzaciju i PT kružnici, s otporničkim zemljanjem neutrala.
3.2 Izračun kapaciteta transformatora za zemljanje
3.2.1 Metod zemljanja
Nominalni primarni napon transformatora za zemljanje odgovara sistemskom naponu od 35 kV. 35 kV kolektorske linije su uglavnom direktno zakopani kablovi (ukupno 34 km), uz 2 km vazdušnih linija.
Jednofazni kapacitivni tok za 35 kV vazdušne kolektorske linije: Ic1=3.3×UL×L×10−3=0.231A
Jednofazni kapacitivni tok za 35 kV kabelske kolektorske linije: Ic2=0.1×UL×L=119A
(UL): naponski nivo između faza (kV); L: dužina linije (km))
Sa 13% povećanjem kapacitivnog toka 35 kV podstajnice, izračunati jednofazni kapacitivni tok fotovoltaične elektrane prelazi 10 A. Stoga se 35 kV bus neutralna tačka koristi za otporničko zemljanje.
3.2.2 Kapacitet transformatora za zemljanje
Za otpornik za zemljanje, primarni napon UR≥21.21kV. U slučaju jednofazne greške, toks zemljanja je postavljen na 150–500 A, tako da je IR=400A, a sa R=50.5Ω, PR≥UR×IR. U sistemima s niskim otporom zemljanja, kapacitet transformatora za zemljanje je 1/10 od kapaciteta odgovarajućeg toka greške. Budući da postoji poseban transformator za snabdevanje stanice, sekundarna opterećenja se zanemaruju. Uzimajući u obzir tehničko-ekonomske faktore, meteorološke uslove i visinu, kapacitet je postavljen na 1000 kVA.
4. Zaključak
Razvoj obnovljivih izvora energije, poput fotovoltaičnih, u skladu je sa industrijskim politikama razvoja širom svijeta. Metod neutralnog zemljanja ima uticaj na aspekte kao što su dizajn i rad elektroenergetske mreže. Pri izboru metoda neutralnog zemljanja za sistem, treba komprehensivno razmotriti uticaje na pouzdanost snabdevanja sistema, nivo izolacije opreme, te težinu implementacije relejne zaštite.
