Новое исследование показало, что наземные фотоэлектрические системы нуждаются в усовершенствованных системах заземления для безопасного управления скачкообразными напряжениями, возникающими при ударах молнии

Аккумуляторы серии FIAMM FG/FGH

Крупные наземные фотоэлектрические системы сталкиваются со значительными скачкообразными напряжениями, возникающими при ударах молнии, которые могут повышать опасность поражения электрическим током, особенно на открытых участках с высокой степенью подверженности ударам молнии. Для таких систем требуются тщательно спроектированные системы заземления и уравнивания потенциалов. Исследователи из Австрии с помощью частотно-разрешённого электромагнитного моделирования показали, что уравнивание потенциалов снижает риски, но его эффективность сильно зависит от удельного сопротивления почвы и не гарантируется только стандартными требованиями к сопротивлению заземления.

Крупные наземные солнечные электростанции занимают большую площадь, в их конструкции используется много металлических элементов, и они часто строятся на открытых участках с высокой степенью подверженности воздействию окружающей среды. Такое сочетание повышает вероятность того, что удар молнии или удар поблизости вызовет более высокие переходные напряжения на объекте, что делает риски скачков напряжения более значительными, если только система заземления не спроектирована с особой тщательностью.

Учитывая это, группа исследователей из Технологического университета Граца в Австрии изучила переходные процессы в наземных фотоэлектрических установках в условиях грозовой активности на основе подробных тематических исследований. Рассчитав поверхностные потенциалы и ступенчатые напряжения, они оценили, насколько различные стратегии заземления и уравнивания потенциалов обеспечивают соблюдение пределов безопасности, установленных стандартами Международной электротехнической комиссии.

«Мы рассчитали двумерное распределение переходных ступенчатых напряжений в большой фотоэлектрической установке, подвергшейся удару молнии, — рассказал ведущий автор исследования Бенджамин Яук. — В отличие от большинства существующих исследований, мы не опирались на одну репрезентативную частоту ударов молнии». Вместо этого мы применили подход на основе преобразования Фурье, чтобы разделить сигнал молнии на несколько частотных составляющих, рассчитали соответствующие отклики напряжения для каждой составляющей, а затем восстановили поведение во временной области с помощью обратного быстрого преобразования Фурье».

Яук объяснил, что этот подход был обусловлен двумя основными соображениями: во-первых, стандарт Международной электротехнической комиссии рекомендует, чтобы скачкообразные напряжения не превышали 25 кВ для обеспечения безопасности людей; во-вторых, требовалось более детальное представление переходных процессов, чем то, которое может обеспечить одночастотное приближение. В этом контексте разряд молнии рассматривался как широкополосный сигнал, частотные характеристики которого могут существенно влиять на локальные пики напряжения.

Главный инженерный вопрос, возникающий при проектировании крупных фотоэлектрических установок, заключается в том, как эффективно снизить опасные потенциалы прикосновения и шага. Сетка заземления — широко используемый метод снижения рисков, но его применение в крупномасштабных фотоэлектрических системах не так однозначно. В таких системах часто используются фундаменты из утрамбованных стальных труб, которые уже обеспечивают распределенные пути заземления и могут отводить ток молнии в землю. В связи с этим существуют разные точки зрения: одни утверждают, что дополнительная сетка заземления не нужна, поскольку «ничего не требуется» из-за обширной сети заземления и относительно низкого импеданса земли, в то время как другие считают, что дополнительные меры все же потребуются.

«Чтобы изучить этот вопрос, мы смоделировали различные конфигурации эквипотенциальных соединений и места возможных ударов, в том числе удары в углы, которые обычно более критичны, — пояснил далее Яук. — Мы также варьировали ширину сетки, поскольку традиционная плотность сетки для зданий нецелесообразна для больших фотоэлектрических систем из-за затрат, трудоёмкости строительства и воздействия на окружающую среду». Цель состояла в том, чтобы проверить, действительно ли необходимы такие инвазивные меры или же существующей инфраструктуры заземления достаточно в реальных условиях».

В статье «Влияние стратегий эквипотенциального соединения на скачкообразные переходные процессы в наземных фотоэлектрических установках», опубликованной в журнале Electric Power System Research, Яук и его коллеги объяснили, что они смоделировали и проанализировали скачкообразные переходные процессы, вызванные молнией, в фотоэлектрической установке с помощью коммерческого инструмента моделирования, основанного на методе частичных эквивалентных схем (partial element equivalent circuit, PEEC) — полноволновом методе трехмерного электромагнитного моделирования, который преобразует уравнения электромагнитного поля непосредственно в область электрических цепей.

Модель фотоэлектрической системы состояла из 15 рядов на площади 84 м × 84 м с плотным свайным фундаментом. Для оценки наихудших сценариев учитывались различные места удара молнии. Стратегии эквипотенциального соединения варьировались от отсутствия соединения до конфигураций в виде сетки и градиентного кольца с различной шириной сетки от 40 до 80 м.

Ступенчатые напряжения рассчитывались на мелкой сетке с использованием поверхностных потенциалов, рассчитанных с помощью метода PEEC, и оценивались как максимальная разность потенциалов между противоположными точками вокруг каждого объекта. Анализ импеданса заземления в переходном режиме и в частотной области показал, что импеданс в переходном режиме обычно выше, чем в частотной области. При ударах в угловые части конструкции всегда возникают более высокие поверхностные потенциалы и ступенчатые напряжения из-за более быстрого распространения волн по заземляющей сети и меньшего количества близлежащих электродов.

Анализ показал, что эквипотенциальное заземление значительно снижает поверхностные потенциалы и ступенчатые напряжения, но его эффективность сильно зависит от удельного сопротивления грунта. В грунтах с низким удельным сопротивлением можно обеспечить соблюдение требований безопасности, в то время как в грунтах с высоким удельным сопротивлением требуются дополнительные меры. При этом было установлено, что уменьшение расстояния между ячейками повышает эффективность, но во всех случаях одного только армирования было недостаточно.

«Результаты моделирования показывают несколько устойчивых тенденций, — пояснил Яук. — Удары молнии в углы фотоэлектрических панелей обычно приводят к более высоким шаговым и контактным потенциалам. Более того, строгое ограничение сопротивления заземления в 10 Ом, как указано в стандарте IEC 62305, само по себе не гарантирует соблюдение порогового значения шагового напряжения в 25 кВ». Эквипотенциальное соединение явно снижает как сопротивление заземления, так и результирующие потенциалы».

«На данном этапе мы намеренно не учитывали частотно-зависимые эффекты почвы, хотя известно, что они играют важную роль при детальном анализе молниезащиты, — заявил он. — Это упрощение было сделано для того, чтобы изолировать влияние геометрии системы и конфигурации заземления, а также потому, что включение дисперсии и частотно-зависимых параметров почвы, как ожидается, снизит пиковые потенциалы. Таким образом, текущие результаты следует рассматривать как консервативные оценки наихудшего сценария».

В ходе дальнейшей работы модель будет дополнена учетом частотно-зависимого поведения грунта, которое уже используется в современных расчетах молний. «Более широкое направление исследований соответствует специализации нашего института в области электроэнергетических систем, в частности высоковольтных подстанций», — заключил Яук.