Utformningsberäkningar för neutral jordningschema och dimensionering av jordningstransformatorer i nätstorskaliga solcellsanläggningar

1 Klassificering av neutrala jordningsmetoder för solfotovoltaiska kraftstationer

Påverkad av skillnader i spänningsnivåer och nätstrukturer mellan regioner, är elsystemens neutrala jordningsmetoder huvudsakligen indelade i icke-effektiv jording och effektiv jording. Icke-effektiv jording inkluderar neutral jordning via bågningsdämpande spolar och neutrala ouppkopplade system, medan effektiv jording omfattar solid neutral jordning och neutral jordning via resistanser. Valet av en neutral jordningsmetod är ett komplext ämne som involverar överväganden av reläskyddets känslighet, utrustningens isoleringsnivåer, investeringskostnader, strömförsörjningens kontinuitet, drifts- och underhållssvårigheter, felomfattning och påverkan på systemstabilitet.

1.1 Icke - effektiv jording
1.1.1 Neutral jordning via bågningsdämpande spolar

En bågningsdämpande spol installeras vid systemets neutralpunkt. Vid fel kompenserar induktiv ström systemets kapacitiva ström, och jordningspunktsfelströmmen är den återstående induktiva strömmen efter kompensation. När ett ensidigt felslut inträffar, kompenserar spolen den kapacitiva strömmen för att snabbt släcka jordningsbågen, vilket dämpar periodiska bågar och överspänningar. Systemet kan fortsätta att fungera en stund efter felet, vilket passar högreliabilitetsströmförsörjningsscenarier.

Viktiga egenskaper:

• Skydd & Drift: Liten jordningsström gör vanligt nollsekvensströmskydd mindre känsligt, vilket kräver komplexa ensidiga felskydd. Spolen måste fungera i överkompensationsläge; operatörerna behöver justera parametrar i tid med nätändringar, vilket komplicerar underhållet.

• Konfiguration: Undvik koncentrerad installation av flera spolar eller enstaka spolarens uppsättning för att förhindra kompensationsmisslyckande.

• Tillämplighet & Begränsningar: Passar system med stora ensidiga felslutskapacitiva strömmar, minskar utrustningens termiska effekter och möjliggör korttidskontinuerlig strömförsörjning. Men reläskydd kan inte snabbt avbryta fel i medelstora PV-stationer. Därför används det sällan i MW-nivå och ovan PV-stationer och 10 kV/35 kV busbar, med tidigare bågningsdämpande spolsystem som ombyggs.

1.1.2 Neutral ouppkopplad

Neutrala ouppkopplade system (icke-effektiv jording) har felströmmar från linje/utrustningskapacitiv koppling vid ensidiga fel, utan kortslutningsloop. Detta tillåter 1–2 timmars felat drift på grund av låga strömmar och bibehållen fasemellanströmförsörjning, men riskerar återupptändning av bågar och överspänning som kräver hög isolering. Passar för små kapacitiva strömmar (t.ex. PV-inverter AC-sidor, neutrala LV-transformatorer).

1.2 Effektiv jording
1.2.1 Solid neutral jordning

Ger hög felström, känsligt skydd, låg överspänning och avslappnat isolering, men riskerar minskad tillförlitlighet på grund av överdriven jordningsström och allvarlig kommunikationsstörning. Vanligt i ≥50 MW PV-stationers ≥110 kV HV-transformatorer, med neutrala isoleringsbrytare/blixtavledare för flexibel jording.

1.2.2 Neutral resistansjordning

Injicerar aktiv ström > kapacitiv ström via neutrala resistanser, vilket möjliggör högkänsligt nollsekvensskydd för snabb felisolering. Fördelar:

• Stabila parametrar: Inga justeringar behövs under initial drift.

• Isoleringsekonomi: Låga isoleringskrav tack vare snabb felborttagning.

• Användning: Långa kabelsystem, högkapacitiva transformatorer/motorer och PV-stationer med höga kapacitiva strömmar.

• Spänningshierarki:

• ≥220 kV: solid jording

• 66–110 kV: majoritet solid, minoritet icke-solid

• 6–35 kV: majoritet icke-solid, minoritet solid

2 Beräkning av jordtransformatorernas kapacitet

För MW-skala PV-stationers 10/35 kV busbar (resistansjordning), behövs dedikerade jordtransformatorer om neutrala är ouppkopplade. Beräkningssteg:

• Primärvoltage: Matcha systemets busvolt.

• Kapacitiv ström: Summera kabelflöden/luftlinjer plus anläggningens effekter.

• Resistorvärde: Se till att nollsekvensskydd aktiveras snabbt.

• Transformatorkapacitet: Ta hänsyn till jordningsresistorns betygsättning; inkludera sekundärlast om den fungerar som stationell ström.

3 Exempel på beräkning av jordtransformatorernas kapacitet
3.1 Projektöversikt
En 50 MW centraliserad PV-kraftstation med fasta monteringar på 1340 m höjd (årlig genomsnitt 3°C) kräver ingen derating för höjd eller fuktighet. Består av 50×1 MW delarrayer, DC inverteras och stegs upp till 35 kV lokalt. Tio delarrayer bildar en samlingslinje som matar in i ett 35 kV enkelbus-system, sedan stegs upp till 110 kV (solid jordad neutral). 35 kV stegningsstationen inkluderar LV-huvudtransformator, 5 PV-samlingslinjer, jordtransformator, stationservice-transformator, reaktiv kompensation och PT-kretsar, med resistansjordning för neutralen.

3.2 Kapacitetsberäkning av jordtransformator
3.2.1 Jordningsmetod

Jordtransformatorns primära nominalspänning matchar 35 kV-systemets spänning. 35 kV-samlingslinjer är huvudsakligen direktbegravda kabler (totalt 34 km), med 2 km luftlinjer.

• Ensidig felslutskapacitiv ström för 35 kV luftlinjesamlingslinjer:Ic1=3.3×U_L×L×10−3=0.231A

• Ensidig felslutskapacitiv ström för 35 kV kabellsamlingslinjer:Ic2=0.1×U_L×L=119A

( U_L): nätlinje-till-linjespänning (kV); L: linjelängd (km))

Med en 13% ökning i 35 kV-understations kapacitiv ström, överskrider den beräknade ensidiga felslutskapacitiv strömmen för PV-stationen 10 A. Därför använder 35 kV busneutralpunkt resistansjordning.

3.2.2 Jordtransformatorkapacitet

För jordningsresistorn, primärvoltage U_R≥21.21kV. Vid ensidigt fel, är jordningsströmmen inställd till 150–500 A, så I_R=400A, och med R=50.5Ω，P_R≥U_R×I_R. I lågresistansjordningssystem, är jordtransformatorns kapacitet 1/10 av felströmmens motsvarande kapacitet. Eftersom det finns en separat stationservice-transformator, ignoreras sekundärlaster. Med hänsyn tagen till teknisk-ekonomiska faktorer, meteorologiska förhållanden och höjd, sätts kapaciteten till 1000 kVA.

4.Slutord

Utvecklingen av förnybara energikällor som fotovoltaik följer industriella utvecklingspolicyer i länder runt om i världen. Den neutrala jordningsmetoden har en påverkan på aspekter som design och drift av elkraftsystem. När man väljer den neutrala jordningsmetoden för systemet, bör man överväga påverkan på systemets strömförsörjningstillförlitlighet och utrustningens isoleringsnivå, samt svårigheten att genomföra reläskydd.