DC-Überspannungsschutzgeräte für PV-Anlagen

Solarpanel PV Combiner Box DC Überspannungsschutzgerät

Da DC-Überspannungsschutzgeräte für PV-Anlagen so ausgelegt sein müssen, dass sie dem Sonnenlicht vollständig ausgesetzt sind, sind sie sehr anfällig für Blitzeinflüsse. Die Kapazität eines PV-Generators steht in direktem Zusammenhang mit seiner exponierten Oberfläche, sodass die potenziellen Auswirkungen von Blitzereignissen mit der Systemgröße zunehmen. Bei häufigen Beleuchtungsereignissen können ungeschützte PV-Systeme wiederholt und erheblich an wichtigen Komponenten beschädigt werden. Dies führt zu erheblichen Reparatur- und Austauschkosten, Systemausfällen und Umsatzverlusten. Richtig konzipierte, spezifizierte und installierte Überspannungsschutzgeräte (SPDs) minimieren die möglichen Auswirkungen von Blitzereignissen, wenn sie in Verbindung mit technischen Blitzschutzsystemen verwendet werden.

Ein Blitzschutzsystem mit grundlegenden Elementen wie Luftanschlüssen, geeigneten Ableitern, Potentialausgleich für alle stromführenden Komponenten und geeigneten Erdungsprinzipien bietet einen Schutz gegen direkte Schläge. Wenn an Ihrem PV-Standort Bedenken hinsichtlich des Blitzrisikos bestehen, empfehle ich dringend, einen professionellen Elektrotechniker mit Fachkenntnissen auf diesem Gebiet zu beauftragen, um gegebenenfalls eine Risikobewertungsstudie und ein Schutzsystemdesign zu erstellen.

Es ist wichtig, den Unterschied zwischen Blitzschutzsystemen und SPDs zu verstehen. Der Zweck eines Blitzschutzsystems besteht darin, einen direkten Blitzschlag durch erhebliche stromführende Leiter zur Erde zu leiten, um zu verhindern, dass sich Strukturen und Geräte auf dem Weg dieser Entladung befinden oder direkt getroffen werden. SPDs werden auf elektrische Systeme angewendet, um einen Entladungspfad zur Erde bereitzustellen, damit die Komponenten dieser Systeme nicht den Hochspannungstransienten ausgesetzt werden, die durch die direkten oder indirekten Auswirkungen von Blitz- oder Stromnetzanomalien verursacht werden. Selbst wenn ein externes Blitzschutzsystem ohne SPDs vorhanden ist, können die Auswirkungen von Blitzen die Komponenten erheblich beschädigen.

Für die Zwecke dieses Artikels gehe ich davon aus, dass eine Form des Blitzschutzes vorhanden ist, und untersuche die Arten, Funktionen und Vorteile der zusätzlichen Verwendung geeigneter SPDs. In Verbindung mit einem ordnungsgemäß entwickelten Blitzschutzsystem schützt die Verwendung von SPDs an wichtigen Systemstandorten wichtige Komponenten wie Wechselrichter, Module, Geräte in Kombinationsboxen sowie Mess-, Steuerungs- und Kommunikationssysteme.

Die Bedeutung von SPDs

Abgesehen von den Folgen direkter Blitzeinschläge auf die Arrays ist die Verbindung von Stromkabeln sehr anfällig für elektromagnetisch induzierte Transienten. Transienten, die direkt oder indirekt durch Blitze verursacht werden, sowie Transienten, die durch Umschaltfunktionen erzeugt werden, setzen elektrische und elektronische Geräte sehr hohen Überspannungen von sehr kurzer Dauer (zehn bis hundert Mikrosekunden) aus. Das Aussetzen dieser transienten Spannungen kann einen katastrophalen Komponentenausfall verursachen, der durch mechanische Beschädigung und Kohlenstoffnachführung erkennbar oder unbemerkt sein kann, aber dennoch einen Geräte- oder Systemausfall verursacht.

Eine langfristige Exposition gegenüber Transienten geringerer Stärke verschlechtert das Dielektrikum und das Isolationsmaterial in PV-Anlagen, bis es zu einem endgültigen Ausfall kommt. Außerdem können Spannungstransienten in Mess-, Steuer- und Kommunikationsschaltungen auftreten. Diese Transienten scheinen fehlerhafte Signale oder Informationen zu sein, die zu Fehlfunktionen oder zum Herunterfahren des Geräts führen. Die strategische Platzierung von SPDs verringert diese Probleme, da sie als Kurzschluss- oder Klemmvorrichtungen fungieren.

Technische Eigenschaften von SPDs

Die in PV-Anwendungen am häufigsten verwendete SPD-Technologie ist der Metalloxid-Varistor (MOV), der als Spannungsklemmvorrichtung fungiert. Andere SPD-Technologien umfassen die Silizium-Lawinendiode, kontrollierte Funkenstrecken und Gasentladungsröhren. Die beiden letzteren sind Schaltgeräte, die als Kurzschlüsse oder Brechstangen erscheinen. Jede Technologie hat ihre eigenen Eigenschaften, wodurch sie mehr oder weniger für eine bestimmte Anwendung geeignet ist. Kombinationen dieser Geräte können auch koordiniert werden, um optimalere Eigenschaften als einzeln zu erzielen. In Tabelle 1 sind die wichtigsten in PV-Anlagen verwendeten SPD-Typen aufgeführt und ihre allgemeinen Betriebseigenschaften aufgeführt.

Eine SPD muss in der Lage sein, den Zustand für die kurze Zeit, in der ein Übergang vorhanden ist, schnell genug zu ändern und die Größe des Übergangsstroms ohne Fehler zu entladen. Das Gerät muss auch den Spannungsabfall über dem SPD-Stromkreis minimieren, um die Geräte zu schützen, an die es angeschlossen ist. Schließlich sollte die SPD-Funktion die normale Funktion dieser Schaltung nicht beeinträchtigen.

Die SPD-Betriebseigenschaften werden durch mehrere Parameter definiert, die jeder verstehen muss, der die Auswahl für die SPDs trifft. Dieses Thema erfordert weitere Details, die hier behandelt werden können. Die folgenden Parameter sollten jedoch berücksichtigt werden: maximale Dauerbetriebsspannung, Wechselstrom- oder Gleichstromanwendung, Nennentladestrom (definiert durch Größe und Wellenform), Spannungsschutzpegel (die Klemmenspannung, die anliegt, wenn das SPD einen bestimmten Strom entlädt) und temporäre Überspannung (eine kontinuierliche Überspannung, die für eine bestimmte Zeit angelegt werden kann, ohne das SPD zu beschädigen).

SPDs, die unterschiedliche Komponententechnologien verwenden, können in denselben Schaltkreisen platziert werden. Sie müssen jedoch sorgfältig ausgewählt werden, um die Energiekoordination zwischen ihnen sicherzustellen. Die Komponententechnologie mit der höheren Entladungsrate muss die größte Größe des verfügbaren Übergangsstroms entladen, während die andere Komponententechnologie die Resttransientenspannung auf eine niedrigere Größe reduziert, da sie einen geringeren Strom entlädt.

Das SPD muss über ein integriertes selbstschützendes Gerät verfügen, das es vom Stromkreis trennt, falls das Gerät ausfällt. Um diese Trennung sichtbar zu machen, zeigen viele SPDs ein Flag an, das den Trennungsstatus anzeigt. Die Anzeige des SPD-Status über einen integrierten Hilfskontaktsatz ist eine erweiterte Funktion, die ein Signal an einen entfernten Standort senden kann. Ein weiteres wichtiges Produktmerkmal, das berücksichtigt werden muss, ist, ob das SPD ein fingerfestes, entfernbares Modul verwendet, mit dem ein ausgefallenes Modul problemlos ohne Werkzeug ausgetauscht werden kann oder der Stromkreis abgeschaltet werden muss.

Überspannungsschutzgeräte für PV-Anlagen Überlegungen

Blitze blitzen von Wolken auf das Blitzschutzsystem, die PV-Struktur oder einen nahe gelegenen Boden und verursachen einen lokalen Anstieg des Erdpotentials in Bezug auf entfernte Bodenreferenzen. Leiter, die diese Entfernungen überspannen, setzen Geräte erheblichen Spannungen aus. Die Auswirkungen von Erdpotentialanstiegen treten hauptsächlich am Verbindungspunkt zwischen einer netzgebundenen PV-Anlage und dem Versorgungsunternehmen am Serviceeingang auf - dem Punkt, an dem die lokale Erdung elektrisch mit einer entfernten referenzierten Erdung verbunden ist.

Überspannungsschutz sollte am Serviceeingang angebracht werden, um die Versorgungsseite des Wechselrichters vor schädlichen Transienten zu schützen. Die an dieser Stelle beobachteten Transienten haben eine hohe Größe und Dauer und müssen daher durch einen Überspannungsschutz mit entsprechend hohen Nennstromwerten behandelt werden. Für diesen Zweck sind kontrollierte Funkenstrecken in Abstimmung mit MOVs ideal. Die Funkenstreckentechnologie kann hohe Blitzströme entladen, indem sie während des Blitzübergangs eine Potentialausgleichsfunktion bereitstellt. Der koordinierte MOV hat die Fähigkeit, die Restspannung auf ein akzeptables Niveau zu klemmen.

Zusätzlich zu den Auswirkungen des Anstiegs des Erdpotentials kann die Wechselstromseite des Wechselrichters durch blitzinduzierte und netzumschaltende Transienten beeinflusst werden, die auch am Serviceeingang auftreten. Um mögliche Geräteschäden zu minimieren, sollte ein AC-Überspannungsschutz mit angemessener Nennleistung so nahe wie möglich an den AC-Klemmen des Wechselrichters angebracht werden, wobei der kürzeste und geradeste Weg für Leiter mit ausreichender Querschnittsfläche vorgesehen ist. Wenn dieses Auslegungskriterium nicht implementiert wird, führt dies zu einem Spannungsabfall im SPD-Schaltkreis während der Entladung, der höher als erforderlich ist, und setzt das geschützte Gerät höheren Übergangsspannungen als erforderlich aus.

Überlegungen zu DC-Überspannungsschutzgeräten für PV-Anlagen

Direkte Schläge auf nahegelegene geerdete Strukturen (einschließlich des Blitzschutzsystems) sowie Inter- und Intra-Cloud-Blitze mit einer Stärke von 100 kA können zu Magnetfeldern führen, die transiente Ströme in die Gleichstromverkabelung der PV-Anlage induzieren. Diese transienten Spannungen treten an den Geräteklemmen auf und verursachen Isolations- und dielektrische Ausfälle der Schlüsselkomponenten.

Das Platzieren von SPDs an bestimmten Stellen verringert den Effekt dieser induzierten und partiellen Blitzströme. Die SPD ist parallel zwischen den unter Spannung stehenden Leitern und Masse angeordnet. Es ändert den Zustand von einem Gerät mit hoher Impedanz zu einem Gerät mit niedriger Impedanz, wenn die Überspannung auftritt. In dieser Konfiguration entlädt das SPD den zugehörigen Übergangsstrom, wodurch die Überspannung minimiert wird, die sonst an den Geräteklemmen vorhanden wäre. Dieses Parallelgerät führt keinen Laststrom. Die ausgewählte SPD muss speziell für die Anwendung auf Gleichspannungen ausgelegt, bewertet und zugelassen sein. Die integrierte SPD-Trennung muss in der Lage sein, den stärkeren Gleichstromlichtbogen zu unterbrechen, der bei Wechselstromanwendungen nicht zu finden ist.

Das Anschließen von MOV-Modulen in einer Y-Konfiguration ist eine häufig verwendete SPD-Konfiguration in großen kommerziellen und Versorgungs-PV-Systemen, die mit einer maximalen Leerlaufspannung von 600 oder 1,000 VDC betrieben werden. Jeder Zweig des Y enthält ein MOV-Modul, das an jeden Pol und an Masse angeschlossen ist. In einem nicht geerdeten System befinden sich zwei Module zwischen jedem Pol und zwischen Pol und Masse. In dieser Konfiguration ist jedes Modul für die Hälfte der Systemspannung ausgelegt. Selbst wenn ein Pol-Masse-Fehler auftritt, überschreiten die MOV-Module ihren Nennwert nicht.

Überlegungen zum Überspannungsschutz von Nicht-Stromversorgungssystemen

So wie Geräte und Komponenten des Stromversorgungssystems den Auswirkungen von Blitzen ausgesetzt sind, so sind auch die Geräte in den mit diesen Installationen verbundenen Mess-, Steuerungs-, Instrumentierungs-, SCADA- und Kommunikationssystemen vorhanden. In diesen Fällen ist das Grundkonzept des Überspannungsschutzes dasselbe wie bei Stromkreisen. Da dieses Gerät jedoch normalerweise weniger tolerant gegenüber Überspannungsimpulsen ist und anfälliger für fehlerhafte Signale ist und durch das Hinzufügen von Reihen- oder Parallelkomponenten zu den Schaltkreisen nachteilig beeinflusst wird, müssen die Eigenschaften jeder hinzugefügten SPD stärker berücksichtigt werden. Spezifische SPDs sind erforderlich, je nachdem, ob diese Komponenten über Twisted Pair, CAT 6 Ethernet oder koaxiale HF kommunizieren. Darüber hinaus müssen SPDs, die für Stromkreise ohne Stromversorgung ausgewählt wurden, in der Lage sein, die Übergangsströme fehlerfrei zu entladen, um einen angemessenen Spannungsschutz zu gewährleisten und die Funktion des Systems nicht zu beeinträchtigen - einschließlich Serienimpedanz, Line-to-Line- und Massekapazität sowie Frequenzbandbreite .

Häufige Fehlanwendungen von SPDs

SPDs werden seit vielen Jahren auf Stromkreise angewendet. Die meisten modernen Stromkreise sind Wechselstromsysteme. Daher wurden die meisten Überspannungsschutzgeräte für die Verwendung in Wechselstromsystemen entwickelt. Die relativ junge Einführung großer kommerzieller PV-Systeme und PV-Systeme im Versorgungsmaßstab sowie die zunehmende Anzahl eingesetzter Systeme haben leider zu einer fehlerhaften Anwendung von SPDs für Wechselstromsysteme auf die Gleichstromseite geführt. In diesen Fällen arbeiten die SPDs aufgrund der Eigenschaften von Gleichstrom-PV-Systemen nicht ordnungsgemäß, insbesondere während ihres Ausfallmodus.

MOVs bieten hervorragende Eigenschaften als SPDs. Wenn sie richtig bewertet und richtig angewendet werden, arbeiten sie für diese Funktion qualitativ. Wie alle elektrischen Produkte können sie jedoch ausfallen. Ein Ausfall kann durch Umgebungserwärmung, Entladeströme verursacht werden, die größer sind als für das Gerät ausgelegt, zu oft entladen oder ständigen Überspannungsbedingungen ausgesetzt sind.

Daher sind SPDs mit einem thermisch betriebenen Trennschalter ausgestattet, der sie von der Parallelschaltung zum unter Spannung stehenden Gleichstromkreis trennt, falls dies erforderlich wird. Da beim Eintritt des SPD in den Fehlermodus ein Teil des Stroms fließt, erscheint ein leichter Lichtbogen, wenn der Thermotrennschalter betätigt wird. Bei Anlegen an einen Wechselstromkreis löscht der erste Nulldurchgang des vom Generator gelieferten Stroms diesen Lichtbogen und die SPD wird sicher aus dem Stromkreis entfernt. Wenn dieselbe Wechselstrom-SPD an die Gleichstromseite einer PV-Anlage angelegt wird, insbesondere an hohe Spannungen, gibt es keinen Nulldurchgang des Stroms in einer Gleichstromwellenform. Der normale thermisch betriebene Schalter kann den Lichtbogenstrom nicht löschen, und das Gerät fällt aus.

Das Platzieren einer parallel abgesicherten Bypass-Schaltung um den MOV ist eine Methode, um das Löschen des Gleichstromfehlerlichtbogens zu überwinden. Sollte die thermische Trennung funktionieren, erscheint immer noch ein Lichtbogen über den Öffnungskontakten. Dieser Lichtbogenstrom wird jedoch auf einen parallelen Pfad umgeleitet, der eine Sicherung enthält, in der der Lichtbogen erlischt, und die Sicherung unterbricht den Fehlerstrom.

Eine vorgeschaltete Sicherung vor der SPD, wie sie bei Wechselstromsystemen angewendet werden kann, ist bei Gleichstromsystemen nicht geeignet. Der für den Betrieb der Sicherung verfügbare Kurzschlussstrom (wie bei einer Überstromschutzvorrichtung) ist möglicherweise nicht ausreichend, wenn der Generator eine reduzierte Ausgangsleistung aufweist. Infolgedessen haben einige SPD-Hersteller dies bei ihrer Konstruktion berücksichtigt. UL hat seinen früheren Standard durch seine Ergänzung zum neuesten Überspannungsschutzstandard - UL 1449 - geändert. Diese dritte Ausgabe gilt speziell für PV-Systeme.

SPD-Checkliste

Trotz des hohen Blitzrisikos, dem viele PV-Anlagen ausgesetzt sind, können sie durch die Anwendung von SPDs und ein ordnungsgemäß entwickeltes Blitzschutzsystem geschützt werden. Eine effektive SPD-Implementierung sollte die folgenden Überlegungen umfassen:

• Richtige Platzierung im System
• Kündigungsvoraussetzungen
• Ordnungsgemäße Erdung und Verbindung des Geräte-Erdungssystems
• Entladungsbewertung
• Spannungsschutzpegel
• Eignung für das betreffende System, einschließlich Gleichstrom- und Wechselstromanwendungen
• Fehlermodus
• Lokale und entfernte Statusanzeige
• Leicht austauschbare Module
• Die normale Systemfunktion sollte nicht beeinträchtigt werden, insbesondere bei Systemen ohne Stromversorgung