Розрахунки проектування схем заземлення нейтралі та розміру заземлюючих трансформаторів у виробничих сонячних електростанціях
1 Класифікація методів заземлення нейтралю для сонячних фотovoltaic станцій
Під впливом різниці у рівнях напруги та структурах мереж у різних регіонах, методи заземлення нейтралю електроенергетичних систем діляться на неефективне заземлення та ефективне заземлення. Неєфективне заземлення включає заземлення нейтралю через катушки підсилення і системи без заземлення нейтралю, тоді як ефективне заземлення включає тверде заземлення нейтралю та заземлення нейтралю через резистори. Вибір методу заземлення нейтралю є комплексним питанням, що включає врахування чутливості релейної захисти, рівнів ізоляції обладнання, витрат на інвестиції, постійності поставок електроенергії, складності експлуатації та обслуговування, обсягу аварій та впливу на стабільність системи.
1.1 Неєфективне заземлення
1.1.1 Заземлення нейтралю через катушки підсилення
Катушка підсилення встановлюється в точці нейтралі системи. Під час аварій індуктивний струм компенсує капацитивний струм системи, а струм аварії в точці заземлення становить залишковий індуктивний струм після компенсації. При виникненні однофазової аварії заземлення катушка швидко гасить дугу заземлення, пригнічаючи переміжні дуги та перенапруги. Система може продовжувати працювати після аварії, що підходить для сценаріїв надійного забезпечення електроенергією.
Основні характеристики:
Захист та експлуатація: Малий струм заземлення робить звичайну захисту нульового послідовного струму недостатньо чутливою, що потребує складної однофазової захисти заземлення. Катушка повинна працювати в режимі перевищеної компенсації; операторам потрібно своєчасно коригувати параметри зі зміною мережі, що ускладнює обслуговування.
Конфігурація: Необхідно уникати концентрованого монтажу кількох катушок або одиночного встановлення, щоб запобігти невдалій компенсації.
Примітність та обмеження: Підходить для систем з великими однофазовими капацитивними струмами заземлення, зменшує термічний вплив на обладнання та дозволяє короткотривале постійне забезпечення електроенергією. Однак, релейна захиста не може швидко відірвати аварії в середніх та великих сонячних фотovoltaic станціях. Тому цей метод менше використовується в MW-рівневих та більших сонячних фотovoltaic станціях та 10 kV/35 kV шинах, а раніші системи з катушками підсилення модернізуються.
1.1.2 Незаземлена нейтраль
Системи без заземлення нейтралю (неефективне заземлення) мають струми аварії, що виникають через капацитивне з'єднання ліній/обладнання під час однофазових аварій, без контуру короткого замикання. Це дозволяє 1-2 години роботи при аварії завдяки малим струмам та збереженій міжфазній напругі, але існує ризик повторного з'явлення дуги та перенапруг, що вимагає високої ізоляції. Підходить для маленьких капацитивних струмів (наприклад, AC сторони інверторів сонячних фотovoltaic станцій, низьковольтові трансформатори без виведення нейтралі).
1.2 Ефективне заземлення
1.2.1 Тверде заземлення нейтралю
Надає високий струм аварії, чутливу захисту, низьку перенапругу та знижені вимоги до ізоляції, але існує ризик зниження надійності через надмірні струми заземлення та сильну комунікаційну інтерференцію. Поширений у ≥50 MW сонячних фотovoltaic станціях з ≥110 kV високовольтовими трансформаторами, з використанням ізоляційних випідків/грозозахисних пристроїв для гнучкого заземлення.
1.2.2 Заземлення нейтралю через резистори
Вводить активний струм > капацитивного струму через резистори нейтралі, що дозволяє реалізувати чутливу нульову послідовну захисту для швидкого відокремлення аварії. Переваги:
Стабільні параметри: Не потрібно коригувати під час початкової експлуатації.
Економія ізоляції: Низькі вимоги до ізоляції завдяки швидкому відокремленню аварії.
Застосування: Довгі кабельні системи, високопотужні трансформатори/мотори та сонячні фотovoltaic станції з високими капацитивними струмами.
Ієрархія напруг:
≥220 kV: тверде заземлення
66–110 kV: більшість тверде, меншість не тверде
6–35 kV: більшість не тверде, меншість тверде
2 Обчислення потужності трансформатора заземлення
Для MW-рівневих сонячних фотovoltaic станцій з 10/35 kV шинами (резистивне заземлення), якщо нейтралі не виведені, потрібні спеціальні трансформатори заземлення. Кроки обчислення:
Первісна напруга: Відповідає напрузі шин системи.
Капацитивний струм: Сума струмів кабелів/висячих ліній плюс вплив обладнання підстанції.
Значення резистора: Забезпечує швидке активування нульової послідовної захисти.
Потужність трансформатора: враховує клас резистора заземлення; враховує вторинні навантаження, якщо використовується як підстанційний джерело живлення.
3 Приклад обчислення потужності трансформатора заземлення
3.1 Огляд проекту
50 MW централізована сонячна фотovoltaic станція з фіксованими опорами на висоті 1340 м (середня температура року 3°C) не потребує зниження потужності через висоту або вологість. Складається з 50×1 MW підмасивів, DC перетворюється та підвищується до 35 kV місцево. Десять підмасивів формують колекторну лінію, яка підключається до 35 kV односекційної системи, а потім підвищується до 110 kV (твердо заземлена нейтраль). 35 kV підстанція підвищення включає головний низьковольтний трансформатор, 5 колекторних ліній, трансформатор заземлення, трансформатор станційного живлення, реактивну компенсацію та PT-схеми, з резистивним заземленням нейтралі.
3.2 Обчислення потужності трансформатора заземлення
3.2.1 Метод заземлення
Первісна номінальна напруга трансформатора заземлення відповідає напрузі системи 35 kV. Колекторні лінії 35 kV в основному складаються з прямо закопаних кабелів (загальна довжина 34 км), з 2 км висячих ліній.
Однофазовий капацитивний струм заземлення для 35 kV висячих колекторних ліній:Ic1=3.3×UL×L×10−3=0.231A
Однофазовий капацитивний струм заземлення для 35 kV кабельних колекторних ліній:Ic2=0.1×UL×L=119A
( UL): напруга між лініями мережі (kV); L: довжина лінії (км))
З 13% збільшенням капацитивного струму 35 kV підстанції, розрахований однофазовий капацитивний струм заземлення сонячної фотovoltaic станції перевищує 10 A. Тому, нейтральна точка 35 kV шини використовує резистивне заземлення.
3.2.2 Потужність трансформатора заземлення
Для резистора заземлення, первісна напруга UR≥21.21kV. У разі однофазової аварії, струм земляної аварії встановлюється на 150–500 A, тому IR=400A, а R=50.5Ω，PR≥UR×IR.У системах з низькою резистивністю заземлення, потужність трансформатора заземлення становить 1/10 відповідної потужності аварійного струму. Оскільки існує окремий трансформатор станційного живлення, вторинні навантаження ігноруються. враховуючи технічні-економічні фактори, метеорологічні умови та висоту, потужність встановлюється на 1000 kVA.
4.Висновок
Розвиток відновлюваної енергетики, такої як сонячна фотovoltaic, відповідає промисловим політикам розвитку країн світу. Метод заземлення нейтралю має вплив на аспекти, такі як проектування та експлуатація електроенергетичної системи. При виборі методу заземлення нейтралю для системи, слід комплексно враховувати вплив на надійність поставок електроенергії системи, рівень ізоляції обладнання, а також складність реалізації релейної захисти.
