Tính toán thiết kế cho các phương án nối đất trung tính và kích thước biến áp nối đất trong các nhà máy điện mặt trời công suất lớn
1 Phân loại các phương pháp nối đất trung tính cho trạm điện mặt trời
Do sự khác biệt về mức điện áp và cấu trúc lưới điện giữa các khu vực, các phương pháp nối đất trung tính của hệ thống điện chủ yếu được phân thành hai loại: không hiệu quả và hiệu quả. Nối đất không hiệu quả bao gồm nối đất trung tính thông qua cuộn chống hồ quang và hệ thống trung tính không nối đất, trong khi nối đất hiệu quả bao gồm nối đất trung tính rắn và nối đất trung tính thông qua điện trở. Việc lựa chọn phương pháp nối đất trung tính là một vấn đề tổng hợp, liên quan đến việc xem xét độ nhạy của bảo vệ rơle, mức cách điện của thiết bị, chi phí đầu tư, tính liên tục của nguồn cung cấp điện, khó khăn trong vận hành và bảo trì, phạm vi sự cố và tác động lên ổn định hệ thống.
1.1 Nối đất không hiệu quả
1.1.1 Nối đất trung tính thông qua cuộn chống hồ quang
Cuộn chống hồ quang được lắp đặt tại điểm trung tính của hệ thống. Trong trường hợp có sự cố, dòng điện cảm ứng bù đắp dòng điện dung của hệ thống, và dòng điện tại điểm nối đất sau khi bù đắp là dòng điện cảm ứng còn lại. Khi xảy ra sự cố ngắn mạch một pha, cuộn chống hồ quang bù đắp dòng điện dung để nhanh chóng dập tắt hồ quang nối đất, giảm thiểu hồ quang gián đoạn và quá điện áp. Hệ thống có thể tiếp tục hoạt động trong một thời gian ngắn sau sự cố, phù hợp với các kịch bản cung cấp điện có độ tin cậy cao.
Đặc điểm chính:
Bảo vệ & Vận hành: Dòng điện nối đất nhỏ làm cho bảo vệ dòng điện thứ tự không nhạy, yêu cầu bảo vệ nối đất một pha phức tạp. Cuộn phải hoạt động ở chế độ bù thừa; người vận hành cần điều chỉnh tham số kịp thời theo sự thay đổi của lưới, làm phức tạp công tác bảo dưỡng.
Cấu hình: Tránh lắp đặt tập trung nhiều cuộn hoặc chỉ một cuộn để ngăn chặn thất bại trong việc bù đắp.
Áp dụng & Giới hạn: Phù hợp với hệ thống có dòng điện dung lớn khi nối đất một pha, giảm hiệu ứng nhiệt của thiết bị và cho phép cung cấp điện liên tục trong thời gian ngắn. Tuy nhiên, bảo vệ rơle không thể nhanh chóng cắt đứt sự cố trong các trạm điện mặt trời có quy mô trung bình và lớn. Do đó, nó ít được sử dụng trong các trạm điện mặt trời có quy mô MW và trên, cũng như các busbar 10 kV/35 kV, với các hệ thống cuộn chống hồ quang ban đầu đang được cải tạo.
1.1.2 Trung tính không nối đất
Hệ thống trung tính không nối đất (nối đất không hiệu quả) có dòng điện sự cố từ kết hợp dung lượng của đường dây/thiết bị trong trường hợp sự cố một pha, không có vòng ngắn mạch. Điều này cho phép hoạt động dưới sự cố trong 1-2 giờ do dòng điện thấp và điện áp giữa pha được duy trì, nhưng có nguy cơ tái phát hồ quang và quá điện áp yêu cầu cách điện cao. Phù hợp cho dòng điện dung nhỏ (ví dụ: phía AC của bộ nghịch lưu PV, biến áp LV không 引出 neutral).
1.2 Nối đất hiệu quả
1.2.1 Nối đất trung tính rắn
Cung cấp dòng điện sự cố cao, bảo vệ nhạy, quá điện áp thấp và cách điện dễ dàng, nhưng có nguy cơ giảm độ tin cậy do dòng điện nối đất quá lớn và nhiễu truyền thông nghiêm trọng. Thường gặp trong các trạm điện mặt trời ≥50 MW với biến áp HV ≥110 kV, với công tắc cách ly trung tính và arrester sét để nối đất linh hoạt.
1.2.2 Nối đất trung tính thông qua điện trở
Tiêm dòng điện chủ động > dòng điện dung thông qua điện trở trung tính, cho phép bảo vệ dòng điện thứ tự không nhạy để cách ly sự cố nhanh chóng. Lợi ích:
Tham số ổn định: Không cần điều chỉnh trong quá trình vận hành ban đầu.
Kinh tế cách điện: Yêu cầu cách điện thấp do loại bỏ sự cố nhanh chóng.
Ứng dụng: Hệ thống cáp dài, biến áp/cơ điện có công suất lớn, và các trạm điện mặt trời có dòng điện dung lớn.
Cấp điện áp:
≥220 kV: nối đất rắn
66–110 kV: đa số nối đất rắn, ít phần không rắn
6–35 kV: đa số không rắn, ít phần rắn
2 Tính toán công suất biến áp nối đất
Đối với các trạm điện mặt trời quy mô MW với bus 10/35 kV (nối đất thông qua điện trở), cần có biến áp nối đất chuyên dụng nếu trung tính không 引出. Các bước tính toán:
Điện áp sơ cấp: Phù hợp với điện áp bus hệ thống.
Dòng điện dung: Tổng dòng điện của cáp và đường dây trên không cộng với ảnh hưởng của thiết bị trạm.
Giá trị điện trở: Đảm bảo kích hoạt bảo vệ dòng điện thứ tự không nhạy nhanh chóng.
Công suất biến áp: Cân nhắc tỷ lệ điện trở nối đất; bao gồm tải phụ trợ nếu phục vụ như nguồn điện trạm.
3 Ví dụ về tính toán công suất biến áp nối đất
3.1 Tổng quan dự án
Một trạm điện mặt trời tập trung 50 MW với giá đỡ cố định ở độ cao 1340 m (trung bình hàng năm 3°C) không yêu cầu giảm công suất do độ cao hoặc độ ẩm. Bao gồm 50x1 MW sub - arrays, DC được nghịch lưu và tăng áp lên 35 kV tại chỗ. Mười sub - arrays tạo thành một đường dẫn thu gom, sau đó tăng áp lên 110 kV (trung tính nối đất rắn). Trạm tăng áp 35 kV bao gồm biến áp chính LV, 5 đường dẫn thu gom PV, biến áp nối đất, biến áp dịch vụ trạm, bù phản kháng, và mạch PT, với trung tính nối đất thông qua điện trở.
3.2 Tính toán công suất biến áp nối đất
3.2.1 Phương pháp nối đất
Điện áp định mức sơ cấp của biến áp nối đất phù hợp với điện áp hệ thống 35 kV. Đường dẫn thu gom 35 kV chủ yếu là cáp chôn trực tiếp (tổng cộng 34 km), với 2 km đường dây trên không.
Dòng điện dung nối đất một pha cho đường dẫn thu gom 35 kV trên không: Ic1=3.3×UL×L×10−3=0.231A
Dòng điện dung nối đất một pha cho đường dẫn thu gom 35 kV bằng cáp: Ic2=0.1×UL×L=119A
( UL): điện áp giữa pha của lưới (kV); L: chiều dài đường dây (km))
Với sự gia tăng 13% dòng điện dung của trạm 35 kV, dòng điện dung nối đất một pha tính toán của trạm điện mặt trời vượt quá 10 A. Do đó, điểm trung tính của bus 35 kV sử dụng nối đất thông qua điện trở.
3.2.2 Công suất biến áp nối đất
Đối với điện trở nối đất, điện áp sơ cấp UR≥21.21kV. Trong trường hợp có sự cố một pha, dòng điện lỗi đất được đặt ở 150–500 A, vì vậy IR=400A, và với R=50.5Ω，PR≥UR×IR.Trong hệ thống nối đất điện trở thấp, công suất biến áp nối đất là 1/10 công suất tương ứng với dòng điện sự cố. Vì có biến áp dịch vụ riêng, tải phụ trợ được bỏ qua. Cân nhắc các yếu tố kỹ thuật - kinh tế, điều kiện khí tượng, và độ cao, công suất được đặt là 1000 kVA.
4.Kết luận
Sự phát triển của năng lượng tái tạo như điện mặt trời tuân thủ chính sách phát triển công nghiệp của các quốc gia trên thế giới. Phương pháp nối đất trung tính có tác động đến các khía cạnh như thiết kế và vận hành của hệ thống điện. Khi lựa chọn phương pháp nối đất trung tính cho hệ thống, cần xem xét toàn diện tác động đến độ tin cậy cung cấp điện của hệ thống và mức cách điện của thiết bị, cũng như khó khăn trong việc thực hiện bảo vệ rơle.
