Uređaji za zaštitu od prenaponske struje za PV instalacije

Uređaji za zaštitu od prenaponske struje za PV instalacije PV-Combiner-Box-02

Uređaj za zaštitu od prenaponske struje PV kombinirane kutije solarne ploče

Budući da su uređaji za zaštitu od prenaponskog napona za PV instalacije moraju biti dizajnirani tako da pružaju punu izloženost sunčevoj svjetlosti, vrlo su osjetljivi na utjecaje groma. Kapacitet PV niza izravno je povezan s njegovom izloženom površinom, pa se potencijalni utjecaj udara groma povećava s veličinom sustava. Tamo gdje su česte pojave osvjetljenja, nezaštićeni PV sustavi mogu pretrpjeti ponovljene i značajne štete na ključnim komponentama. To rezultira značajnim troškovima popravka i zamjene, zastojem sustava i gubitkom prihoda. Ispravno dizajnirani, specificirani i instalirani uređaji za zaštitu od prenaponskih udara (SPD) minimiziraju potencijalni utjecaj udara groma kada se koriste zajedno s konstruiranim sustavima zaštite od munje.

Sustav za zaštitu od munje koji sadrži osnovne elemente kao što su zračne stezaljke, odgovarajući dolje vodiči, izjednačavanje potencijala za sve dijelove koji nose struju i pravilna načela uzemljenja pruža nadstrešnicu zaštite od izravnih udara. Ako postoji bilo kakva zabrinutost zbog opasnosti od groma na vašem PV mjestu, toplo preporučujem angažiranje profesionalnog inženjera elektrotehnike sa stručnošću u ovom području koji će pružiti studiju procjene rizika i dizajn zaštitnog sustava ako je potrebno.

Važno je razumjeti razliku između sustava za zaštitu od munje i SPD-a. Svrha sustava gromobranske zaštite je usmjeravanje izravnog udara groma kroz značajne provodnike struje na zemlju, čime se štedi konstrukcije i oprema da ne budu na putu tog pražnjenja ili da budu izravno pogođeni. SPD se primjenjuju na električne sustave kako bi se osigurao put pražnjenja na zemlju kako bi se spasili dijelovi tih sustava od izlaganja visokonaponskim prijelaznim promjenama uzrokovanim izravnim ili neizravnim učincima anomalija munje ili elektroenergetskog sustava. Čak i ako je postavljen vanjski sustav zaštite od munje, bez SPD-ova, učinci munje i dalje mogu prouzročiti veliku štetu na komponentama.

Za potrebe ovog članka pretpostavljam da postoji neki oblik zaštite od groma i ispitujem vrste, funkciju i prednosti dodatne upotrebe odgovarajućih SPD-ova. Zajedno s pravilno projektiranim sustavom zaštite od munje, uporaba SPD-ova na ključnim mjestima sustava štiti glavne komponente poput pretvarača, modula, opreme u kombiniranim kutijama i mjernih, upravljačkih i komunikacijskih sustava.

Važnost SPD-a

Osim posljedica izravnih udara groma u nizove, međusobno povezivanje kabela napajanja vrlo je osjetljivo na elektromagnetski inducirane prijelazne pojave. Prijelazne pojave koje izravno ili neizravno uzrokuje munja, kao i prijelazne pojave generirane funkcijama prebacivanja komunalnih uređaja, izlažu električnu i elektroničku opremu vrlo visokim prenaponima vrlo kratkog trajanja (desetke do stotine mikrosekundi). Izloženost tim privremenim naponima može prouzročiti katastrofalni kvar komponente koji se može primijetiti mehaničkim oštećenjima i praćenjem ugljika ili biti neprimjetan, ali svejedno uzrokovati kvar opreme ili sustava.

Dugotrajna izloženost prijelaznim promjenama manje veličine pogoršava dielektrični i izolacijski materijal u opremi PV sustava sve dok ne dođe do konačnog sloma. Uz to, prijelazni naponi mogu se pojaviti na mjernim, upravljačkim i komunikacijskim krugovima. Čini se da su ovi prijelazni signali pogrešni signali ili informacije, što uzrokuje kvar ili isključenje opreme. Strateški smještaj SPD-ova ublažava ove probleme jer funkcioniraju kao uređaji za kratki spoj ili stezanje.

Tehničke značajke SPD-ova

Najčešća SPD tehnologija koja se koristi u PV aplikacijama je varistor metalnog oksida (MOV), koji funkcionira kao uređaj za stezanje napona. Ostale SPD tehnologije uključuju silicijsku lavinsku diodu, kontrolirane zapusnice i cijevi za pražnjenje plina. Posljednja dva su sklopni uređaji koji se pojavljuju kao kratki spojevi ili poluge. Svaka tehnologija ima svoje osobine, što je čini više-manje prikladnom za određenu primjenu. Kombinacije ovih uređaja također se mogu koordinirati kako bi se pružile optimalnije karakteristike nego što nude pojedinačno. U tablici 1. navedeni su glavni tipovi SPD koji se koriste u PV sustavima te su detaljno prikazane njihove opće radne karakteristike.

SPD mora biti u stanju mijenjati stanja dovoljno brzo za kratko vrijeme prisutnog prijelaznog stanja i ispuštati veličinu prijelazne struje bez neuspjeha. Uređaj također mora minimizirati pad napona na SPD krugu kako bi zaštitio opremu na koju je povezan. Konačno, SPD funkcija ne bi smjela ometati normalnu funkciju tog kruga.

Karakteristike rada SPD definirane su s nekoliko parametara koje onaj tko vrši odabir za SPD mora razumjeti. Ovaj predmet zahtijeva više pojedinosti koje se ovdje mogu pokriti, ali slijede neki parametri koje treba uzeti u obzir: maksimalni trajni radni napon, primjena izmjeničnog ili istosmjernog napona, nominalna struja pražnjenja (definirana veličinom i valnim oblikom), razina zaštite od napona ( terminalni napon koji je prisutan kada SPD prazni određenu struju) i privremeni prenapon (kontinuirani prenapon koji se može primijeniti određeno vrijeme bez oštećenja SPD-a).

SPD-ovi koji koriste različite komponentne tehnologije mogu se smjestiti u iste krugove. Međutim, moraju biti pažljivo odabrani kako bi se osigurala energetska koordinacija među njima. Komponentna tehnologija s većom ocjenom pražnjenja mora isprazniti najveću veličinu raspoložive privremene struje, dok druga komponentna tehnologija smanjuje preostali prijelazni napon na nižu veličinu dok isprazni manju struju.

SPD mora imati integrirani samozaštitni uređaj koji ga odvaja od kruga u slučaju da uređaj otkaže. Da bi ovo prekidanje bilo očito, mnogi SPD-ovi prikazuju zastavicu koja označava njegov status prekida. Označavanje statusa SPD-a putem integriranog pomoćnog skupa kontakata poboljšana je značajka koja može pružiti signal udaljenom mjestu. Sljedeća važna karakteristika proizvoda koju treba razmotriti je li SPD koristi uklonjivi modul koji je siguran za prste koji omogućuje da se neuspjeli modul lako zamijeni bez alata ili potrebe za isključenjem strujnog kruga.

Uređaji za zaštitu od prenaponske struje za PV instalacije

Grom sijeva iz oblaka u sustav zaštite od groma, PV strukturu ili obližnje tlo uzrokuju lokalni porast potencijalnog tla u odnosu na udaljene zemaljske reference. Provodnici koji se protežu na ovim udaljenostima izlažu opremu značajnim naponima. Učinci porasta potencijalnog tla mogu se prvenstveno osjetiti na mjestu veze između mrežnog PV sustava i vodovoda na ulazu u uslugu - mjestu na kojem je lokalno tlo električno povezano s udaljenim referentnim tlom.

Zaštitu od prenaponske struje treba postaviti na ulaz za servis kako bi se zaštita korisne strane pretvarača od oštećenja prijelaznih pojava. Privremene pojave na ovom mjestu velike su veličine i trajanja, pa se njima mora upravljati zaštitom od prenaponske struje s odgovarajućim nazivnim strujama pražnjenja. U tu svrhu idealni su kontrolirani razmaci od iskre koji se koriste u koordinaciji s MOV-ima. Tehnologija iskrišta može isprazniti velike struje groma pružajući funkciju izjednačavanja potencijala tijekom prijelaznog procesa munje. Koordinirani MOV ima sposobnost stezanja preostalog napona na prihvatljivu razinu.

Pored učinaka porasta potencijalnog tla, na izmjeničnu stranu pretvarača mogu utjecati prijelazni utjecaji munje i prebacivanje korisnosti koji se također pojavljuju na ulazu u uslugu. Da bi se smanjila potencijalna oštećenja opreme, treba primijeniti odgovarajuću nazivnu zaštitu od prenaponskog napona izmjeničnog napona što je moguće bliže izmjeničnim stezaljkama pretvarača, s najkraćim i najravnijim putem za vodiče dovoljne površine presjeka. Neprovođenje ovog kriterija dizajna rezultira većim padom napona u krugu SPD tijekom pražnjenja i izlaže zaštićenu opremu višim privremenim naponima nego što je potrebno.

Uređaji za zaštitu od prenaponske struje za PV instalacije

Izravni udari u obližnje uzemljene konstrukcije (uključujući sustav zaštite od munje) i bljeskovi između i unutar oblaka koji mogu biti veličine od 100 kA mogu uzrokovati pridružena magnetska polja koja induciraju privremene struje u DC kablove istosmjernog sustava. Ovi privremeni naponi pojavljuju se na stezaljkama opreme i uzrokuju izolaciju i dielektrične kvarove ključnih komponenata.

Postavljanje SPD-a na određena mjesta ublažava učinak ovih induciranih i djelomičnih struja groma. SPD se postavlja paralelno između vodiča pod naponom i zemlje. Mijenja stanje s uređaja visoke impedance u uređaj niske impedancije kada se dogodi prenapon. U ovoj konfiguraciji, SPD prazni pridruženu prijelaznu struju, minimizirajući prenapon koji bi inače bio prisutan na terminalima opreme. Ovaj paralelni uređaj ne nosi struju opterećenja. Odabrani SPD mora biti posebno dizajniran, ocijenjen i odobren za primjenu na istosmjernim PV naponima. Integrirani SPD odspoj mora biti u stanju prekinuti ozbiljniji istosmjerni luk, koji se ne može naći u izmjeničnim primjenama.

Povezivanje MOV modula u Y konfiguraciji uobičajena je SPD konfiguracija na velikim komercijalnim i komunalnim PV sustavima koji rade na maksimalnom naponu otvorenog kruga od 600 ili 1,000 Vdc. Svaka noga Y sadrži MOV modul spojen na svaki pol i uzemljenje. U neutemeljenom sustavu postoje dva modula između svakog pola, te između pola i tla. U ovoj je konfiguraciji svaki modul nominalno napolovljen naponom sustava, pa čak i ako se dogodi kvar pola-zemlje, MOV moduli ne prelaze svoju nazivnu vrijednost.

Razmatranja prenaponske zaštite sustava bez snage

Kao što su oprema i dijelovi elektroenergetskog sustava osjetljivi na djelovanje groma, tako je i oprema koja se nalazi u mjernim, upravljačkim, instrumentacijskim, SCADA i komunikacijskim sustavima povezanim s tim instalacijama. U tim je slučajevima osnovni koncept prenaponske zaštite isti kao i na strujnim krugovima. Međutim, budući da je ova oprema obično manje tolerantna na prenaponske impulse i osjetljivija na pogrešne signale i na to što negativno utječe dodavanje serijskih ili paralelnih komponenata u krugove, veća pažnja mora se posvetiti karakteristikama svakog dodanog SPD-a. Potrebni su specifični SPD-ovi ovisno o tome komuniciraju li ove komponente putem upletenih para, CAT 6 Ethernet-a ili koaksijalnog RF-a. Uz to, SPD-ovi odabrani za neenergetske krugove moraju biti sposobni bez ikakvog kvara isprazniti prijelazne struje, pružiti odgovarajuću razinu zaštite od napona i suzdržati se od ometanja funkcije sustava - uključujući serijsku impedansu, kapacitivnost vodova i tla i propusnost frekvencije. .

Uobičajene pogrešne primjene SPD-a

SPD-ovi se već duži niz godina primjenjuju na krugove napajanja. Većina suvremenih krugova napajanja su sustavi izmjenične struje. Kao takva, većina opreme za zaštitu od prenapona dizajnirana je za uporabu u sustavima izmjenične struje. Relativno nedavno uvođenje velikih komercijalnih i komunalnih fotonaponskih sustava i sve veći broj ugrađenih sustava doveli su, na žalost, do pogrešne primjene SPD-ova dizajniranih za izmjenične sustave na istosmjernoj strani. U tim slučajevima, SPD-ovi rade nepravilno, posebno tijekom načina kvara, zbog karakteristika istosmjernih PV sustava.

MOV pružaju izvrsne karakteristike kao SPD. Ako su pravilno ocijenjeni i pravilno primijenjeni, obavljaju kvalitetno tu funkciju. Međutim, kao i svi električni proizvodi, oni mogu propasti. Kvar može nastati zagrijavanjem okoline, strujama pražnjenja koje su veće nego što je uređaj predviđen za rad, prekomjernim pražnjenjem ili izlaganjem neprekidnim prenaponskim uvjetima.

Stoga su SPD-ovi konstruirani s termički odspojenim prekidačem koji ih odvaja od paralelnog priključka na napajani istosmjerni krug ako to postane neophodno. Budući da neka struja prolazi dok SPD ulazi u način kvara, pojavljuje se lagani luk dok radi prekidač za termalni iskop. Kada se primijeni na izmjenični krug, prvo križanje nule struje koju napaja generator gasi taj luk, a SPD se sigurno uklanja iz kruga. Ako se isti AC SPD primijeni na istosmjernu stranu PV sustava, posebno visokih napona, nema nultog presijecanja struje u dc valnom obliku. Uobičajeni termički prekidač ne može ugasiti struju luka, a uređaj ne uspijeva.

Postavljanje paralelnog osiguranog premosnog kruga oko MOV-a jedna je od metoda za prevladavanje gašenja istosmjernog luka. Ako termalni prekidač djeluje, luk se i dalje pojavljuje na njegovim kontaktima za otvaranje; ali ta struja luka preusmjerava se na paralelnu putanju koja sadrži osigurač gdje se luk gasi, a osigurač prekida struju kvara.

Stapanje uzvodno ispred SPD, kao što se može primijeniti na izmjeničnim sustavima, nije prikladno na istosmjernim sustavima. Dostupna struja kratkog spoja za rad osigurača (kao u uređaju za zaštitu od prekomjerne struje) možda neće biti dovoljna kada je generator smanjene izlazne snage. Kao posljedica toga, neki proizvođači SPD-a to su uzeli u obzir u svom dizajnu. UL je izmijenio svoj raniji standard dopunom najnovijeg standarda za zaštitu od prenaponskih udara - UL 1449. Ovo treće izdanje posebno se odnosi na fotonaponske sustave.

SPD kontrolni popis

Unatoč velikom riziku od groma kojem su izložene mnoge fotonaponske instalacije, one se mogu zaštititi primjenom SPD-a i pravilno projektiranim sustavom zaštite od munje. Učinkovita provedba SPD-a trebala bi uključivati ​​sljedeća razmatranja:

  • Ispravno postavljanje u sustav
  • Uvjeti raskida
  • Ispravno uzemljenje i spajanje sustava oprema-zemlja
  • Ocjena ispuštanja
  • Razina zaštite napona
  • Prikladnost za predmetni sustav, uključujući DC i AC aplikacije
  • Način kvara
  • Lokalna i daljinska indikacija statusa
  • Lako zamjenjivi moduli
  • Na normalnu funkciju sustava ne bi trebalo utjecati, posebno na neenergetske sustave