DC-overspændingsbeskyttelsesenheder til PV-installationer

Solpanel PV Combiner Box DC overspændingsbeskyttelsesenhed

Fordi jævnstrømsbeskyttelsesenheder til solcelleanlæg skal være designet til at give fuld eksponering for sollys, er de meget sårbare over for lynets virkninger. Kapaciteten for et PV-array er direkte relateret til dets eksponerede overfladeareal, så den potentielle effekt af lynhændelser øges med systemstørrelsen. Hvor belysningsforekomster er hyppige, kan ubeskyttede solcelleanlæg lide gentagne og betydelige skader på nøglekomponenter. Dette resulterer i betydelige reparations- og udskiftningsomkostninger, systemnedetid og tab af indtægter. Korrekt designet, specificeret og installeret overspændingsbeskyttelsesudstyr (SPD'er) minimerer den potentielle påvirkning af lynhændelser, når de bruges sammen med konstruerede lynbeskyttelsessystemer.

Et lynbeskyttelsessystem, der indeholder grundlæggende elementer såsom luftterminaler, ordentlige nedledere, potentialudligning for alle strømførende komponenter og korrekte jordingsprincipper giver en baldakin af beskyttelse mod direkte strejker. Hvis der er nogen bekymring for lynrisiko på dit solcelleanlæg, anbefaler jeg stærkt, at du ansætter en professionel elektroingeniør med ekspertise inden for dette område for at give en risikovurderingsundersøgelse og om nødvendigt et design af et beskyttelsessystem.

Det er vigtigt at forstå forskellen mellem lynbeskyttelsessystemer og SPD'er. Et lynbeskyttelsessystems formål er at kanalisere et direkte lynnedslag gennem væsentlige strømførende ledere til jorden og derved redde strukturer og udstyr fra at være i vejen for denne udledning eller blive direkte ramt. SPD'er anvendes på elektriske systemer for at give en afladningsvej til jorden for at redde disse systems komponenter fra at blive udsat for højspændingstransienter forårsaget af de direkte eller indirekte effekter af lyn eller anomalier i elsystemet. Selv med et eksternt lynbeskyttelsessystem på plads uden SPD'er kan effekterne af lyn stadig forårsage store skader på komponenter.

I forbindelse med denne artikel antager jeg, at der er en form for lynbeskyttelse på plads, og jeg undersøger typerne, funktionen og fordelene ved den yderligere anvendelse af passende SPD'er. I forbindelse med et korrekt konstrueret lynbeskyttelsessystem beskytter brugen af ​​SPD'er på vigtige systemplaceringer hovedkomponenter såsom invertere, moduler, udstyr i kombinationsbokse og måle-, kontrol- og kommunikationssystemer.

Betydningen af ​​SPD'er

Bortset fra konsekvenserne af direkte lynnedslag på arraysne er sammenkobling af strømkabler meget modtagelig for elektromagnetisk inducerede transienter. Transienter, der direkte eller indirekte er forårsaget af lyn, såvel som transienter genereret af hjælpefunktionsfunktioner, udsætter elektrisk og elektronisk udstyr for meget høje overspændinger af meget kort varighed (titusinder til hundreder af mikrosekunder). Eksponering for disse forbigående spændinger kan forårsage en katastrofal komponentsvigt, der kan bemærkes ved mekanisk beskadigelse og kulstofsporing eller være ubemærket, men stadig medføre udstyr eller systemfejl.

Langvarig eksponering for transienter med lavere størrelse forringer dielektrisk og isoleringsmateriale i PV-systemudstyr, indtil der er en endelig sammenbrud. Derudover kan spændingstransienter vises på måle-, kontrol- og kommunikationskredsløb. Disse transienter kan synes at være fejlagtige signaler eller information, der forårsager funktionsfejl eller nedlukning af udstyr. Den strategiske placering af SPD'er mildner disse problemer, fordi de fungerer som kortslutnings- eller fastspændingsenheder.

Tekniske egenskaber ved SPD'er

Den mest almindelige SPD-teknologi, der anvendes i PV-applikationer, er metaloxidvaristoren (MOV), der fungerer som en spændingsspændeanordning. Andre SPD-teknologier inkluderer silicium lavine diode, kontrollerede gnistgab og gasudladningsrør. De to sidstnævnte er skifteindretninger, der vises som kortslutninger eller lommer. Hver teknologi har sine egne egenskaber, hvilket gør den mere eller mindre velegnet til en bestemt applikation. Kombinationer af disse enheder kan også koordineres for at give mere optimale egenskaber, end de tilbyder individuelt. Tabel 1 viser de vigtigste SPD-typer, der anvendes i solcelleanlæg, og beskriver deres generelle driftsegenskaber.

En SPD skal være i stand til at ændre tilstande hurtigt nok til den korte tid, hvor en forbigående er til stede, og for at aflade størrelsen af ​​den forbigående strøm uden at fejle. Enheden skal også minimere spændingsfaldet over SPD-kredsløbet for at beskytte det udstyr, det er tilsluttet. Endelig bør SPD-funktion ikke forstyrre den normale funktion af dette kredsløb.

SPD-driftsegenskaber er defineret af flere parametre, som den, der foretager valget til SPD'erne, skal forstå. Dette emne kræver flere detaljer, der kan dækkes her, men følgende er nogle parametre, der skal overvejes: maksimal kontinuerlig driftsspænding, vekselstrøms- eller jævnstrømsanvendelse, nominel afladningsstrøm (defineret ved en størrelse og en bølgeform), spændingsbeskyttelsesniveau ( terminalspænding, der er til stede, når SPD aflader en bestemt strøm) og midlertidig overspænding (en kontinuerlig overspænding, der kan anvendes i et bestemt tidsrum uden at beskadige SPD).

SPD'er, der bruger forskellige komponentteknologier, kan placeres i de samme kredsløb. De skal dog vælges med omhu for at sikre energikoordinering mellem dem. Komponentteknologien med den højere afladningsgrad skal aflade den største forbigående strøm, mens den anden komponentteknologi reducerer den tilbageværende transiente spænding til en lavere størrelsesorden, da den aflader en mindre strøm.

SPD skal have en integreret selvbeskyttende enhed, der afbryder den fra kredsløbet, hvis enheden svigter. For at gøre denne afbrydelse tydelig viser mange SPD'er et flag, der angiver dets afbrydelsesstatus. Indikation af SPD's status via et integreret hjælpesæt af kontakter er en forbedret funktion, der kan give et signal til en ekstern placering. Et andet vigtigt produktegenskab at overveje er, om SPD bruger et fingersikkert, aftageligt modul, der gør det muligt at udskifte et mislykket modul uden værktøj eller behovet for at afbryde kredsløbet.

AC overspændingsbeskyttelsesenheder til overvejelser om solcelleanlæg

Lyn blinker fra skyer til lynbeskyttelsessystemet, solcellestrukturen eller en nærliggende jord forårsager en lokal jordpotentialestigning med hensyn til fjerne jordreferencer. Ledere, der strækker sig over disse afstande, udsætter udstyret for betydelige spændinger. Virkningerne af stigninger i jordpotentialet opleves primært på forbindelsespunktet mellem et netbundet PV-system og forsyningssystemet ved serviceindgangen - det punkt, hvor den lokale jord er elektrisk forbundet til en fjern henvist jord.

Overspændingsbeskyttelse skal placeres ved serviceindgangen for at beskytte omformerens forsyningsside mod at beskadige transienter. Transienterne, der ses på dette sted, er af stor størrelse og varighed og skal derfor håndteres af overspændingsbeskyttelse med passende højt udladningsstrømværdier. Kontrollerede gnistgab, der anvendes i koordination med MOV'er, er ideelle til dette formål. Gnistgap-teknologi kan aflade høje lynstrømme ved at tilvejebringe en potentialudligningsfunktion under lynets forbigående. Den koordinerede MOV har evnen til at klemme restspændingen til et acceptabelt niveau.

Ud over virkningerne af stigning i jordpotentialet kan vekselretterens vekselstrømsside blive påvirket af lyninducerede og nytteomskiftende transienter, der også vises ved serviceindgangen. For at minimere potentiel udstyrsskade, bør AC-overspændingsbeskyttelse med passende vurdering anvendes så tæt på vekselretterens vekselstrømsklemmer som muligt med den korteste og lige vej til ledere med tilstrækkeligt tværsnitsareal. Ikke implementering af dette designkriterium resulterer i højere end nødvendigt spændingsfald i SPD-kredsløbet under afladning og udsætter det beskyttede udstyr for højere transiente spændinger end nødvendigt.

DC-overspændingsbeskyttelsesenheder til overvejelser om solcelleanlæg

Direkte strejker til nærliggende jordforbundne strukturer (inklusive lynbeskyttelsessystemet) og inter- og intra-sky-blink, der kan være i størrelsesorden 100 kA, kan forårsage tilknyttede magnetfelter, der inducerer forbigående strømme til solcelleanlæg til solcelleanlæg. Disse transiente spændinger vises ved udstyrsterminaler og forårsager isolering og dielektriske fejl i nøglekomponenter.

Placering af SPD'er på bestemte placeringer mindsker effekten af ​​disse inducerede og delvise lynstrømme. SPD'en er placeret parallelt mellem de strømførende ledere og jorden. Det skifter tilstand fra en højimpedansanordning til en lavimpedansanordning, når overspændingen opstår. I denne konfiguration afleder SPD den tilknyttede forbigående strøm, hvilket minimerer den overspænding, der ellers ville være til stede ved udstyrsterminalerne. Denne parallelle enhed har ingen belastningsstrøm. Den valgte SPD skal være specielt designet, klassificeret og godkendt til anvendelse på jævnstrømsspændinger. Den integrerede SPD-afbrydelse skal kunne afbryde den mere alvorlige jævnstrømsbue, som ikke findes på vekselstrømsapplikationer.

Tilslutning af MOV-moduler i en Y-konfiguration er en almindeligt anvendt SPD-konfiguration på store kommercielle PV-anlæg og brugsanlæg, der fungerer ved en maksimal åben kredsløbsspænding på 600 eller 1,000 Vdc. Hvert ben på Y indeholder et MOV-modul, der er forbundet til hver pol og til jorden. I et ujordet system er der to moduler mellem hver pol og mellem både pol og jord. I denne konfiguration klassificeres hvert modul for halvdelen af ​​systemets spænding, så selvom der opstår en jord-til-jord-fejl, overskrider MOV-modulerne ikke deres nominelle værdi.

Overvejelser om beskyttelse af ikke-strømstødbeskyttelse

Ligesom elsystemudstyr og -komponenter er modtagelige for lynets virkninger, er det udstyr, der findes i måle-, kontrol-, instrumenterings-, SCADA- og kommunikationssystemerne, der er forbundet med disse installationer. I disse tilfælde er det grundlæggende koncept for overspændingsbeskyttelse det samme som for strømkredse. Men fordi dette udstyr normalt er mindre tolerant overfor overspændingsimpulser og mere modtageligt for fejlagtige signaler og for at blive negativt påvirket af tilføjelsen af ​​serier eller parallelle komponenter til kredsløbene, skal der lægges større vægt på egenskaberne ved hver tilføjet SPD. Specifikke SPD'er kræves i henhold til, om disse komponenter kommunikerer gennem twisted pair, CAT 6 Ethernet eller koaksial RF. Derudover skal SPD'er, der er valgt til ikke-strømkredse, være i stand til at aflade de midlertidige strømme uden fejl, for at give et tilstrækkeligt spændingsbeskyttelsesniveau og afholde sig fra at forstyrre systemets funktion - inklusive serieimpedans, linje-til-linje og jordkapacitans og frekvensbåndbredde .

Almindelige misbrug af SPD'er

SPD'er er blevet anvendt på strømkredse i mange år. De fleste nutidige strømkredse er vekselstrømssystemer. Som sådan er det fleste overspændingsbeskyttelsesudstyr designet til brug i vekselstrømssystemer. Den relativt nylige introduktion af store kommercielle og brugervenlige solcelleanlæg og det stigende antal installerede systemer har desværre ført til forkert anvendelse på DC-siden af ​​SPD'er designet til vekselstrømsanlæg. I disse tilfælde udfører SPD'erne forkert, især under deres fejltilstand på grund af DC-PV-systemers egenskaber.

MOV'er giver fremragende egenskaber til at tjene som SPD'er. Hvis de klassificeres korrekt og anvendes korrekt, udfører de en kvalitetsmæssig måde for den funktion. Som alle elektriske produkter kan de dog mislykkes. Fejl kan skyldes omgivende opvarmning, afladning af strømme, der er større end enheden er designet til at håndtere, afladning for mange gange eller udsættes for kontinuerlige overspændingsforhold.

Derfor er SPD'er designet med en termisk betjent afbryder, der adskiller dem fra den parallelle forbindelse til det strømførende jævnstrømskredsløb, hvis det bliver nødvendigt. Da en del strøm strømmer igennem, når SPD går i fejltilstand, vises en svag lysbue, når termisk afbryderkontakt fungerer. Når den påføres på et vekselstrømskredsløb, slukker den første nulkrydsning af den generatorforsynede strøm den bue, og SPD fjernes sikkert fra kredsløbet. Hvis den samme AC SPD anvendes på DC-siden af ​​et PV-system, især høje spændinger, er der ingen nulkrydsning af strømmen i en DC-bølgeform. Den normale termisk betjente switch kan ikke slukke lysbuen, og enheden svigter.

Placering af et parallelt smeltet bypass-kredsløb omkring MOV er en metode til at overvinde slukningen af ​​jævnstrømsfejlbuen. Hvis den termiske afbryder fungerer, vises en lysbue stadig på tværs af åbningskontakterne; men den buestrøm omdirigeres til en parallel sti, der indeholder en sikring, hvor lysbuen er slukket, og sikringen afbryder fejlstrømmen.

Opstrøms smeltning foran SPD, som det kan anvendes på vekselstrømsanlæg, er ikke passende på jævnstrømssystemer. Den tilgængelige kortslutningsstrøm til at betjene sikringen (som i en overstrømsbeskyttelsesanordning) er muligvis ikke tilstrækkelig, når generatoren har reduceret effekt. Som en konsekvens har nogle SPD-producenter taget dette i betragtning i deres design. UL har ændret sin tidligere standard med sit supplement til den nyeste overspændingsbeskyttelsesstandard - UL 1449. Denne tredje udgave gælder specifikt for solcelleanlæg.

SPD-tjekliste

På trods af den høje lynrisiko, som mange solcelleanlæg udsættes for, kan de beskyttes ved anvendelse af SPD'er og et korrekt konstrueret lynbeskyttelsessystem. Effektiv implementering af SPD bør omfatte følgende overvejelser:

• Korrekt placering i systemet
• Opsigelseskrav
• Korrekt jordforbindelse og klæbning af udstyrets jordsystem
• Decharge vurdering
• Spændingsbeskyttelsesniveau
• Egnethed for det pågældende system, inklusive DC versus AC applikationer
• Fejl tilstand
• Lokal og ekstern statusindikation
• Let udskiftelige moduler
• Normal systemfunktion skal være upåvirket, specifikt på ikke-strømforsyningssystemer