Solutions de transformateur de mise à la terre pour centrale photovoltaïque : Stabilité et protection

1.Défis majeurs des transformateurs de mise à la terre dans les systèmes d'énergie renouvelable

1.1 Absence de point neutre et instabilité du système

Les centrales photovoltaïques et les parcs éoliens dotés d'interfaces électroniques de puissance manquent généralement de points neutres, ce qui entraîne une diminution de la stabilité en cas de défauts asymétriques et rend difficile l'identification des défauts par les dispositifs de protection. Les transformateurs de mise à la terre établissent des points neutres artificiels, agissant comme un "stabilisateur" pour l'ensemble du système et améliorant considérablement la capacité de traversée des défauts.

1.2 Risques de surtension et d'isolation

Les opérations de commutation et le fonctionnement intermittent des systèmes d'énergie renouvelable peuvent déclencher des surtensions opérationnelles et des défauts de terre monophasés, potentiellement augmentant les tensions des phases saines à des niveaux dangereux. Les transformateurs de mise à la terre doivent limiter efficacement l'amplitude des surtensions, généralement en contrôlant ces valeurs à 2,6 fois la tension nominale du système, afin de garantir la sécurité de l'isolation des équipements.

1.3 Insuffisance de sélectivité et de sensibilité de la protection

Sans voies de mise à la terre efficaces, les dispositifs de protection par relais ont du mal à détecter les défauts de terre à haute impédance, créant des zones aveugles de protection. Les transformateurs de mise à la terre doivent fournir des voies fiables de courant zéro-séquence, permettant aux systèmes de protection d'identifier et d'isoler les défauts en quelques centaines de millisecondes, réduisant ainsi le temps d'arrêt du système de plus de 35%.

2. Solutions d'adaptation technique pour les transformateurs de mise à la terre

2.1 Conception de point neutre à haute compatibilité

Optimisation de l'impédance : Pour les centrales photovoltaïques, l'impédance de court-circuit est précisément contrôlée dans la plage de 4% à 8%, équilibrant la limitation du courant de défaut et les pertes en fonctionnement normal.
Mise à la terre multi-mode : Trois modes de mise à la terre - Mise à la terre à haute résistance (HRG), Mise à la terre à basse résistance (LRG) et Mise à la terre par bobine Petersen - sont proposés pour répondre aux différents besoins des codes de réseau.
Classe d'isolation améliorée : Dans des environnements à forte humidité, à haute altitude ou pollués, la classe d'isolation est améliorée à la classe F ou H, assurant un fonctionnement fiable dans des conditions extrêmes allant de -30°C à +40°C.

2.2 Fonctions de protection intégrées

Configuration multi-protection : La protection zéro-séquence de surintensité (0,1-0,3× intensité nominale), la protection contre les surtensions (1,2-1,3× tension de phase), la protection différentielle (2-3× intensité nominale) et la surveillance de température offrent une couverture de protection complète.
Paramètres de protection intelligents : Des paramètres de protection pré-réglés et auto-ajustables optimisent automatiquement les seuils en fonction de l'échelle de la centrale photovoltaïque, avec des configurations ciblées pour les petites stations (10kV/500kVA) et les grandes stations (35kV/2500kVA).
Isolation rapide des défauts : Les paramètres de temps d'opération de protection optimisés (0,3-0,8 secondes) sont 40% plus rapides que les solutions traditionnelles, réduisant considérablement les dommages thermiques aux équipements.

2.3 Fiabilité structurelle et adaptabilité environnementale

Solutions de refroidissement sur mesure : Le refroidissement à air sec convient aux petites centrales photovoltaïques de moins de 1000kVA ; le refroidissement auto-immersif à l'huile sert les grandes installations au-dessus de 1000kVA, avec une élévation de température contrôlée à 65K.
Classe de protection améliorée : Les boîtiers de protection IP54 utilisent des matériaux en acier galvanisé à chaud ou en alliage d'aluminium, résistant à la corrosion par le brouillard salin pendant plus de 1000 heures, s'adaptant aux environnements photovoltaïques côtiers et désertiques.
Système de protection Buchholz : Les transformateurs de mise à la terre immergés dans l'huile sont équipés de relais Buchholz à deux niveaux ; le gaz léger (chute de niveau d'huile de 25-35mm) fournit un avertissement précoce, tandis que le gaz lourd (vitesse de flux de 0,6-1m/s) permet un déclenchement rapide, assurant une gestion sûre des défauts internes.

3. Solutions de système intégrées : Mise à la terre + Surveillance + Contrôle

3.1 Système collaboratif de protection-surveillance

Les transformateurs de mise à la terre intégrés avec des unités de surveillance intelligentes limitent non seulement les courants de défaut à un niveau sûr de 200-500A lors des défauts de terre monophasés, mais améliorent également la précision de localisation des défauts à 95% grâce aux protocoles de communication IEC 61850, réduisant le temps de réponse de réparation de 60%.
Exemple : Dans une centrale photovoltaïque désertique de 150MW, les transformateurs de mise à la terre 35kV/1600kVA travaillent avec des systèmes de surveillance en ligne, réduisant les arrêts non planifiés de 150 heures par an.

3.2 Système de gestion de mise à la terre intelligent

Des algorithmes d'évaluation de l'état de mise à la terre basés sur l'IA analysent en temps réel les formes d'onde de tension/courant zéro-séquence, ajustant dynamiquement les valeurs de résistance de mise à la terre pour réduire les taux de défaut de terre du système de 42%.
✓ La technologie jumelle numérique prédit les tendances de vieillissement de l'isolation, réduisant les coûts de maintenance de 25%
✓ L'intégration profonde avec les systèmes SCADA offre un diagnostic de l'état de mise à la terre en "un clic", améliorant l'efficacité opérationnelle de 30%

3.3 Optimisation collaborative de la qualité de l'énergie

Les transformateurs de mise à la terre travaillant avec des filtres actifs de puissance (APF) disposent d'une conception K-factor (K-13~K-20) pour supprimer efficacement les harmoniques 13-25 générés par les onduleurs, contrôlant la distorsion harmonique totale (THD) en dessous de 3%, prolongeant la durée de vie des onduleurs photovoltaïques de 20%.

4. Étude de cas : Mise à niveau du système de mise à la terre de la base photovoltaïque de Tala Beach, Qinghai

Configuration : La base photovoltaïque de 2,2GW a déployé 126 unités de transformateurs de mise à la terre 35kV/2000kVA, établissant un réseau de mise à la terre neutre complet avec des courants de défaut limités à 350A±10%.
Innovation technique : Les transformateurs de mise à la terre à sec adoptent des structures de noyau enroulé tridimensionnel, réduisant les pertes à vide de 25% ; les systèmes de surveillance intelligents permettent un ajustement automatique de la résistance de mise à la terre, s'adaptant aux conditions environnementales difficiles du plateau Qinghai-Tibet avec des différences de température jour-nuit significatives (-35°C à +30°C).
Bénéfices globaux : La disponibilité du système a augmenté de 96,3% à 99,1%, réduisant les pertes annuelles dues aux défauts de 12 millions de yuans ; le temps de localisation des défauts de terre a été raccourci de 45 minutes à 5 minutes, diminuant la charge de travail du personnel de maintenance de 70%.

5. Comparaison des paramètres techniques (produits de transformateurs de mise à la terre typiques)

6. Conclusion: La valeur stratégique des transformateurs de terre dans la transition énergétique

Les transformateurs de terre apportent trois valeurs essentielles - une stabilité système améliorée, une sensibilité de protection accrue et un soutien à l'exploitation intelligente - ce qui en fait des équipements de protection cruciaux pour les réseaux électriques avec une forte pénétration d'énergies renouvelables. Les directions futures de développement incluent :

Technologie de mise à la terre adaptative : bascule automatique entre les modes de mise à la terre en fonction des conditions d'exploitation du réseau pour améliorer la résilience du système.
Intégration approfondie des jumeaux numériques : modélisation prédictive des risques de panne par le biais de données en temps réel pour atteindre 90% de précision dans l'entretien préventif.
Plateforme d'intégration multifonctionnelle : collaboration avec le stockage d'énergie, les SVG et autres dispositifs pour évoluer vers des nœuds de hubs énergétiques intégrés combinant les fonctions de mise à la terre, de protection et de régulation, soutenant le fonctionnement sûr et efficace des nouveaux systèmes électriques.