أجهزة حماية التيار المستمر للتركيبات الكهروضوئية

لوحة الطاقة الشمسية PV Combiner Box DC جهاز حماية الطفرة

نظرًا لأن أجهزة حماية التيار المستمر للتركيبات الكهروضوئية يجب أن تكون مصممة لتوفير التعرض الكامل لأشعة الشمس ، فهي معرضة بشدة لتأثيرات البرق. ترتبط سعة مجموعة PV بشكل مباشر بمساحة سطحها المكشوفة ، وبالتالي يزداد التأثير المحتمل لأحداث البرق مع حجم النظام. في حالة تكرار حدوث الإضاءة ، يمكن أن تعاني الأنظمة الكهروضوئية غير المحمية من أضرار متكررة وكبيرة في المكونات الرئيسية. ينتج عن هذا تكاليف إصلاح واستبدال كبيرة ، وتعطل النظام وفقدان الإيرادات. تعمل أجهزة الحماية من زيادة التيار (SPD) المصممة والمحددة والمثبتة بشكل صحيح على تقليل التأثير المحتمل لأحداث البرق عند استخدامها مع أنظمة الحماية من الصواعق المصممة هندسيًا.

يوفر نظام الحماية من الصواعق الذي يشتمل على العناصر الأساسية مثل المحطات الجوية والموصلات السفلية المناسبة والربط متساوي الإمكانات لجميع المكونات الحاملة للتيار ومبادئ التأريض المناسبة مظلة من الحماية ضد الضربات المباشرة. إذا كان هناك أي قلق من مخاطر الصواعق في موقع الكهروضوئية الخاص بك ، فإنني أوصي بشدة بتعيين مهندس كهربائي محترف لديه خبرة في هذا المجال لتقديم دراسة لتقييم المخاطر وتصميم نظام الحماية إذا لزم الأمر.

من المهم فهم الفرق بين أنظمة الحماية من الصواعق وأجهزة الحماية من الصواعق. الغرض من نظام الحماية من الصواعق هو توجيه ضربة صاعقة مباشرة من خلال موصلات كبيرة حاملة للتيار إلى الأرض ، وبالتالي إنقاذ الهياكل والمعدات من أن تكون في مسار هذا التفريغ أو أن تصطدم مباشرة. يتم تطبيق SPDs على الأنظمة الكهربائية لتوفير مسار تفريغ إلى الأرض لحفظ مكونات تلك الأنظمة من التعرض لعابرات الجهد العالي الناتجة عن التأثيرات المباشرة أو غير المباشرة للصواعق أو شذوذ نظام الطاقة. حتى مع وجود نظام حماية خارجي من الصواعق ، بدون SPD ، يمكن أن تتسبب تأثيرات الصواعق في أضرار جسيمة للمكونات.

لأغراض هذه المقالة ، أفترض أن بعض أشكال الحماية من الصواعق موجودة وفحص أنواع ووظيفة وفوائد الاستخدام الإضافي لأجهزة SPD المناسبة. بالاقتران مع نظام الحماية من الصواعق المصمم بشكل صحيح ، فإن استخدام SPD في مواقع النظام الرئيسية يحمي المكونات الرئيسية مثل المحولات والوحدات والمعدات في صناديق التجميع وأنظمة القياس والتحكم والاتصالات.

أهمية SPDs

بصرف النظر عن عواقب الصواعق المباشرة على المصفوفات ، فإن توصيل كابلات الطاقة يكون شديد التأثر بالعوامل العابرة المستحثة كهرومغناطيسيًا. إن العبور الناتج عن الصواعق بشكل مباشر أو غير مباشر ، وكذلك العابرين المتولدة من وظائف تبديل المرافق ، يعرضون المعدات الكهربائية والإلكترونية لجهد كهربائي زائد للغاية لمدة قصيرة جدًا (عشرات إلى مئات الميكروثانية). قد يتسبب التعرض لهذه الفولتية العابرة في حدوث عطل كارثي في المكونات قد يكون ملحوظًا من خلال التلف الميكانيكي وتتبع الكربون أو يكون غير ملحوظ ولكنه لا يزال يتسبب في فشل الجهاز أو النظام.

يؤدي التعرض طويل الأمد للخطوات العابرة ذات الحجم المنخفض إلى تدهور المواد العازلة والكهربائية في معدات النظام الكهروضوئي حتى حدوث انهيار نهائي. بالإضافة إلى ذلك ، قد تظهر عابرات الجهد في دوائر القياس والتحكم والاتصالات. قد تبدو هذه العابرين كإشارات أو معلومات خاطئة ، مما يتسبب في تعطل المعدات أو إيقاف تشغيلها. يخفف التنسيب الاستراتيجي لأجهزة SPD من هذه المشكلات لأنها تعمل كأجهزة تقصير أو لقط.

الخصائص الفنية لأجهزة SPD

تقنية SPD الأكثر شيوعًا المستخدمة في التطبيقات الكهروضوئية هي مكثف أكسيد الفلز (MOV) ، الذي يعمل كجهاز لقط الجهد. تشمل تقنيات SPD الأخرى الصمام الثنائي السليكوني للانهيار ، وفجوات الشرارة المتحكم بها ، وأنابيب تفريغ الغاز. يقوم الاثنان الأخيران بتبديل الأجهزة التي تظهر على شكل دوائر قصيرة أو عتلات. كل تقنية لها خصائصها الخاصة ، مما يجعلها مناسبة إلى حد ما لتطبيق معين. يمكن أيضًا تنسيق مجموعات من هذه الأجهزة لتوفير خصائص مثالية أكثر مما تقدمه بشكل فردي. يسرد الجدول 1 أنواع SPD الرئيسية المستخدمة في الأنظمة الكهروضوئية وتفاصيل خصائص التشغيل العامة.

يجب أن يكون SPD قادرًا على تغيير الحالات بسرعة كافية لفترة وجيزة من وجود عابر وتفريغ حجم التيار العابر دون فشل. يجب أن يقلل الجهاز أيضًا من انخفاض الجهد عبر دائرة SPD لحماية الجهاز المتصل به. أخيرًا ، يجب ألا تتداخل وظيفة SPD مع الوظيفة العادية لتلك الدائرة.

يتم تحديد خصائص تشغيل SPD من خلال العديد من المعلمات التي يجب أن يفهمها كل من يقوم باختيار SPD. يتطلب هذا الموضوع مزيدًا من التفاصيل التي يمكن تغطيتها هنا ، ولكن فيما يلي بعض المعلمات التي يجب أخذها في الاعتبار: أقصى جهد تشغيل مستمر ، تطبيق تيار متردد أو تيار مستمر ، تيار التفريغ الاسمي (المحدد بواسطة الحجم والشكل الموجي) ، مستوى حماية الجهد ( الجهد الطرفي الموجود عندما يقوم SPD بتفريغ تيار معين) والجهد الزائد المؤقت (جهد زائد مستمر يمكن تطبيقه لفترة محددة دون الإضرار بـ SPD).

يمكن وضع أجهزة SPD التي تستخدم تقنيات مكونات مختلفة في نفس الدوائر. ومع ذلك ، يجب اختيارهم بعناية لضمان تنسيق الطاقة بينهم. يجب أن تقوم تقنية المكونات ذات معدل التفريغ الأعلى بتفريغ أكبر قدر من التيار العابر المتاح بينما تقلل تقنية المكونات الأخرى الجهد العابر المتبقي إلى حجم أقل حيث تقوم بتفريغ تيار أقل.

يجب أن يحتوي SPD على جهاز متكامل للحماية الذاتية يفصله عن الدائرة في حالة فشل الجهاز. لتوضيح هذا الفصل ، تعرض العديد من أجهزة SPD علامة تشير إلى حالة قطع الاتصال الخاصة بها. تعد الإشارة إلى حالة SPD عبر مجموعة مساعدة متكاملة من جهات الاتصال ميزة محسنة يمكن أن توفر إشارة إلى موقع بعيد. من الخصائص المهمة الأخرى للمنتج التي يجب مراعاتها ما إذا كانت SPD تستخدم وحدة آمنة للإصبع وقابلة للإزالة تسمح باستبدال الوحدة الفاشلة بسهولة بدون أدوات أو الحاجة إلى إلغاء تنشيط الدائرة.

أجهزة حماية التيار المتردد لاعتبارات التركيبات الكهروضوئية

ومضات البرق من السحب إلى نظام الحماية من الصواعق ، أو البنية الكهروضوئية أو أرض قريبة تسبب ارتفاعًا محليًا في إمكانية الأرض فيما يتعلق بالمراجع الأرضية البعيدة. تعرض الموصلات التي تمتد عبر هذه المسافات المعدات لجهد كهربائي كبير. يتم اختبار تأثيرات ارتفاعات الجهد الأرضي بشكل أساسي عند نقطة الاتصال بين نظام الكهروضوئية المربوط بالشبكة والمرافق عند مدخل الخدمة - النقطة التي يتم فيها توصيل الأرض المحلية كهربائيًا بأرض مرجعية بعيدة.

يجب وضع الحماية من زيادة التيار عند مدخل الخدمة لحماية جانب المنفعة من العاكس من إتلاف العابرين. إن العابرين التي يتم رؤيتها في هذا الموقع ذات حجم ومدة عالية ، وبالتالي يجب إدارتها من خلال الحماية من زيادة التيار مع تصنيفات تيار عالية التفريغ بشكل مناسب تعتبر فجوات الشرارة التي يتم التحكم فيها والمستخدمة بالتنسيق مع MOVs مثالية لهذا الغرض. يمكن لتقنية فجوة الشرارة أن تطلق تيارات صاعقة عالية من خلال توفير وظيفة ربط متساوية الجهد أثناء البرق العابر. يتمتع جهاز MOV المنسق بالقدرة على تثبيت الجهد المتبقي إلى مستوى مقبول.

بالإضافة إلى تأثيرات الارتفاع المحتمل للأرض ، قد يتأثر جانب التيار المتردد للعاكس بالتأثيرات التي يسببها الصواعق وتبديل المنفعة والتي تظهر أيضًا عند مدخل الخدمة. لتقليل الأضرار المحتملة للمعدات ، يجب تطبيق حماية التيار المتردد المصنفة بشكل مناسب بالقرب من أطراف التيار المتردد للعاكس ، مع أقصر وأقصر طريق للموصلات ذات مساحة المقطع العرضي الكافية. يؤدي عدم تنفيذ معيار التصميم هذا إلى انخفاض جهد أعلى من اللازم في دائرة SPD أثناء التفريغ ويعرض المعدات المحمية لجهد عابر أعلى من اللازم.

أجهزة حماية التيار المستمر لاعتبارات التركيبات الكهروضوئية

يمكن أن تتسبب الضربات المباشرة إلى الهياكل الأرضية القريبة (بما في ذلك نظام الحماية من الصواعق) ، وومضات السحاب البينية وداخلها التي قد تكون بمقادير 100 كيلو أمبير ، في مجالات مغناطيسية مرتبطة تحفز التيارات العابرة في كابلات التيار المستمر في النظام الكهروضوئي. تظهر هذه الفولتية العابرة في أطراف المعدات وتتسبب في حدوث أعطال في العزل والعزل الكهربائي للمكونات الرئيسية.

وضع SPDs في مواقع محددة يخفف من تأثير هذه التيارات الصاعقة المستحثة والجزئية. يتم وضع SPD بالتوازي بين الموصلات النشطة والأرض. إنه يغير الحالة من جهاز ذو مقاومة عالية إلى جهاز ذو مقاومة منخفضة عندما يحدث الجهد الزائد. في هذا التكوين ، يقوم SPD بتفريغ التيار العابر المصاحب ، مما يقلل من الجهد الزائد الذي قد يكون موجودًا في أطراف المعدات. هذا الجهاز المتوازي لا يحمل أي تيار تحميل. يجب تصميم SPD المحدد وتصنيفه واعتماده للتطبيق على الفولتية الكهروضوئية للتيار المستمر. يجب أن يكون فصل SPD المتكامل قادرًا على مقاطعة قوس التيار المستمر الأكثر شدة ، والذي لا يوجد في تطبيقات التيار المتردد.

توصيل وحدات MOV بتكوين Y هو تكوين SPD شائع الاستخدام على الأنظمة الكهروضوئية التجارية الكبيرة والمرافق التي تعمل بجهد دائرة مفتوحة أقصى يبلغ 600 أو 1,000 فولت تيار مستمر. تحتوي كل ساق من Y على وحدة MOV متصلة بكل عمود وبالأرض. في نظام غير مؤرض ، توجد وحدتان بين كل قطب ، وبين كل من القطب والأرض. في هذا التكوين ، يتم تصنيف كل وحدة بنصف جهد النظام ، لذلك حتى في حالة حدوث خطأ من القطب إلى الأرض ، لا تتجاوز وحدات MOV قيمتها المقدرة.

اعتبارات حماية عرام نظام الطاقة غير

تمامًا كما أن معدات ومكونات نظام الطاقة معرضة لتأثيرات الصواعق ، فإن المعدات الموجودة في القياس والتحكم والأدوات وأنظمة SCADA وأنظمة الاتصالات المرتبطة بهذه التركيبات. في هذه الحالات ، يكون المفهوم الأساسي للحماية من زيادة التيار هو نفسه الموجود في دوائر الطاقة. ومع ذلك ، نظرًا لأن هذا الجهاز عادة ما يكون أقل تحملاً لنبضات الجهد الزائد وأكثر عرضة للإشارات الخاطئة وللتأثر سلبًا بإضافة سلسلة أو مكونات متوازية إلى الدوائر ، يجب إيلاء عناية أكبر لخصائص كل SPD المضافة. يتم استدعاء SPDs المحددة وفقًا لما إذا كانت هذه المكونات تتواصل من خلال زوج مجدول أو CAT 6 Ethernet أو RF محوري. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن تكون SPDs المحددة للدوائر غير الكهربائية قادرة على تفريغ التيارات العابرة دون عطل ، لتوفير مستوى حماية كافٍ للجهد والامتناع عن التداخل مع وظيفة النظام - بما في ذلك الممانعة التسلسلية ، والسعة من خط إلى خط والسعة الأرضية وعرض نطاق التردد .

سوء التطبيقات الشائعة لـ SPD

تم تطبيق SPDs على دوائر الطاقة لسنوات عديدة. معظم دارات الطاقة المعاصرة هي أنظمة تيار متردد. على هذا النحو ، تم تصميم معظم معدات الحماية من زيادة التيار للاستخدام في أنظمة التيار المتردد. أدى الإدخال الحديث نسبيًا للأنظمة الكهروضوئية الكبيرة التجارية والمنفعة والعدد المتزايد من الأنظمة المنتشرة ، للأسف ، إلى سوء تطبيق جانب التيار المستمر من أجهزة SPD المصممة لأنظمة التيار المتردد. في هذه الحالات ، تعمل أجهزة SPD بشكل غير صحيح ، خاصة أثناء وضع الفشل ، نظرًا لخصائص أنظمة PV الكهروضوئية.

توفر MOVs خصائص ممتازة لتكون بمثابة SPDs. إذا تم تصنيفهم بشكل صحيح وتم تطبيقهم بشكل صحيح ، فإنهم يؤدون أداءً جيدًا لهذه الوظيفة. ومع ذلك ، مثل جميع المنتجات الكهربائية ، قد تفشل. يمكن أن يحدث الفشل بسبب التسخين المحيط ، أو تيارات التفريغ التي تكون أكبر من الجهاز المصمم للتعامل معه ، أو التفريغ مرات عديدة أو التعرض لظروف الجهد الزائد المستمر.

لذلك ، تم تصميم أجهزة SPD بمفتاح فصل يعمل حرارياً يفصلها عن الاتصال المتوازي بدائرة التيار المستمر النشطة إذا أصبح ذلك ضروريًا. نظرًا لأن بعض التيار يمر عبر دخول SPD في وضع الفشل ، يظهر قوس طفيف أثناء تشغيل مفتاح الفصل الحراري. عند تطبيقه على دائرة تيار متردد ، فإن أول عبور صفري للتيار الموفر للمولد يطفئ هذا القوس ، ويتم إزالة SPD بأمان من الدائرة. إذا تم تطبيق نفس التيار المتردد SPD على جانب التيار المستمر من نظام الكهروضوئية ، وخاصة الفولتية العالية ، فلا يوجد أي عبور للتيار في شكل موجة التيار المستمر. لا يمكن للمفتاح العادي الذي يتم تشغيله حراريًا إطفاء تيار القوس ، ويفشل الجهاز.

يعد وضع دائرة تجاوز متوازية منصهرة حول MOV إحدى الطرق للتغلب على إطفاء قوس خطأ التيار المستمر. في حالة تشغيل الفصل الحراري ، لا يزال القوس يظهر عبر ملامسات الفتح ؛ ولكن يتم إعادة توجيه تيار القوس هذا إلى مسار متوازي يحتوي على فتيل حيث يتم إطفاء القوس ، ويقطع المصهر تيار الصدع.

الانصهار الأولي قبل SPD ، كما يمكن تطبيقه على أنظمة التيار المتردد ، غير مناسب لأنظمة التيار المستمر. قد لا يكون تيار الدائرة القصيرة المتاح لتشغيل المصهر (كما هو الحال في جهاز حماية التيار الزائد) كافيًا عندما يكون المولد في خرج طاقة منخفض. نتيجة لذلك ، أخذ بعض مصنعي SPD هذا في الاعتبار في تصميمهم. قامت UL بتعديل معيارها السابق من خلال ملحقها لأحدث معايير الحماية من زيادة التيار - UL 1449. هذه الطبعة الثالثة قابلة للتطبيق بشكل خاص على الأنظمة الكهروضوئية.

قائمة مراجعة SPD

على الرغم من مخاطر الصواعق العالية التي تتعرض لها العديد من التركيبات الكهروضوئية ، يمكن حمايتها من خلال تطبيق SPDs ونظام الحماية من الصواعق المصمم بشكل صحيح. يجب أن يشمل التنفيذ الفعال لـ SPD الاعتبارات التالية: