DC túlfeszültség-védelmi készülékek PV-telepítésekhez

Solar Panel PV Combiner Box DC túlfeszültség-védő eszköz

Mivel a fotovillamos berendezések DC-túlfeszültség-védelmi eszközeit úgy kell megtervezni, hogy azok teljes mértékben ki legyenek téve a napsugárzásnak, nagyon érzékenyek a villámlás hatásaira. A PV tömb kapacitása közvetlenül összefügg a kitett felületével, ezért a villám események lehetséges hatása a rendszer méretével növekszik. Ahol gyakoriak a megvilágítások, a nem védett fotovillamos rendszerek ismételt és jelentős károsodást szenvedhetnek a legfontosabb alkatrészekben. Ez jelentős javítási és csereköltségeket, rendszerleállásokat és bevételkiesést eredményez. A megfelelően megtervezett, meghatározott és beépített túlfeszültség-védelmi eszközök (SPD-k) minimalizálják a villámcsapások lehetséges hatásait, ha a tervezett villámvédelmi rendszerekkel együtt használják őket.

Az olyan villámvédelmi rendszer, amely olyan alapvető elemeket tartalmaz, mint a légsorkapcsok, a megfelelő lefelé vezetők, az összes áramot szállító alkatrész potenciálkiegyenlítése és a megfelelő földelési elvek, biztosítja a védelmet a közvetlen ütések ellen. Ha villámkockázat merül fel a PV telephelyén, nagyon ajánlom, hogy alkalmazzon egy professzionális villamosmérnököt, aki jártas ezen a területen, hogy kockázatértékelési tanulmányt készítsen, és szükség esetén védelmi rendszert készítsen.

Fontos megérteni a különbséget a villámvédelmi rendszerek és az SPD-k között. A villámvédelmi rendszer célja, hogy a közvetlen villámcsapást jelentős áramvezető vezetőkön keresztül a földre irányítsa, ezáltal megtakarítva a szerkezeteket és berendezéseket az adott kisülés útjában vagy közvetlen ütközéstől. SPD-ket alkalmaznak az elektromos rendszerekre annak érdekében, hogy kisülési utat biztosítsanak a föld felé, hogy megóvják e rendszerek alkatrészeit a villám vagy az energiaellátás rendellenességeinek közvetlen vagy közvetett hatásai által okozott nagyfeszültségű tranziensektől. Ha a külső villámvédelmi rendszer is működik, SPD-k nélkül, a villámlás még mindig komoly károkat okozhat az alkatrészekben.

E cikk alkalmazásában feltételezem, hogy a villámvédelem valamilyen formában van, és megvizsgálom a megfelelő SPD-k további használatának típusait, funkcióit és előnyeit. Egy megfelelően megtervezett villámvédelmi rendszerrel együtt az SPD-k használata a rendszer legfontosabb helyein megvédi a főbb alkatrészeket, például az invertereket, modulokat, a kombinációs dobozokban lévő berendezéseket, valamint a mérő-, vezérlő- és kommunikációs rendszereket.

Az SPD-k jelentősége

A tömbökre történő közvetlen villámcsapások következményeitől eltekintve az összekötő tápkábelezés nagyon érzékeny az elektromágnesesen indukált tranziensekre. A villám által közvetlenül vagy közvetve okozott tranziensek, valamint a közüzemi kapcsoló funkciók által generált tranziensek az elektromos és elektronikus berendezéseket nagyon magas, nagyon rövid ideig tartó (tíz-száz mikroszekundum) túlfeszültségnek teszik ki. Ezeknek az átmeneti feszültségeknek való kitettség katasztrofális alkatrész-meghibásodást okozhat, amely mechanikai károsodás és szén-dioxid-követés által észrevehető vagy észrevehetetlen, de mégis berendezés- vagy rendszerhibát okozhat.

Az alacsonyabb nagyságrendű tranzienseknek való hosszú távú kitettség rontja a dielektromos és szigetelőanyagokat a PV rendszer berendezéseiben, amíg végleges meghibásodás nem következik be. Ezenkívül feszültség-tranziensek jelenhetnek meg a mérési, vezérlési és kommunikációs áramkörökön. Ezek a tranziensek téves jeleknek vagy információknak tűnhetnek, amelyek a berendezés meghibásodását vagy leállását okozhatják. Az SPD-k stratégiai elhelyezése enyhíti ezeket a problémákat, mert rövidzárlatként vagy szorítóeszközként funkcionálnak.

Az SPD-k műszaki jellemzői

A PV alkalmazásokban alkalmazott leggyakoribb SPD technológia a fémoxid-varisztor (MOV), amely feszültség-szorító eszközként működik. Egyéb SPD technológiák közé tartozik a szilícium lavina dióda, a vezérelt szikrahézagok és a gázkisülési csövek. Ez utóbbi kettő olyan kapcsolóeszköz, amely rövidzárlatként vagy feszítővasként jelenik meg. Minden technológiának megvannak a maga jellemzői, így többé-kevésbé alkalmasak egy adott alkalmazásra. Ezen eszközök kombinációi is összehangolhatók az optimálisabb jellemzők elérése érdekében, mint amennyit külön-külön kínálnak. Az 1. táblázat felsorolja a fotovillamos rendszerek főbb SPD típusait, és részletezi azok általános működési jellemzőit.

Az SPD-nek képesnek kell lennie arra, hogy az átmeneti állapot rövid idejére elegendõen gyorsan megváltoztassa az állapotokat, és a tranziens áram nagyságát meghibásodás nélkül lemerítse. A készüléknek minimalizálnia kell az SPD áramkör feszültségesését is, hogy megvédje a csatlakoztatott berendezést. Végül az SPD funkció nem zavarhatja az áramkör normál működését.

Az SPD működési jellemzőit számos paraméter határozza meg, amelyeket meg kell értenie annak, aki kiválasztja az SPD-ket. Ez a tárgy további részleteket igényel, amelyek itt bemutathatók, de a következő néhány paramétert figyelembe kell venni: maximális folyamatos üzemi feszültség, váltakozó vagy egyenáramú alkalmazás, névleges kisülési áram (nagyság és hullámforma alapján), feszültség-védelmi szint (a terminálfeszültség, amely akkor áll fenn, amikor az SPD egy adott áramot kisüt) és ideiglenes túlfeszültség (folyamatos túlfeszültség, amely meghatározott ideig alkalmazható az SPD károsítása nélkül).

A különböző komponens technológiákat alkalmazó SPD-k ugyanabba az áramkörökbe helyezhetők el. Mindazonáltal körültekintően kell kiválasztani őket, hogy biztosítsák a köztük lévő energiakoordinációt. A nagyobb kisütési besorolású alkatrésztechnológiának a rendelkezésre álló tranziens áram legnagyobb nagyságát kell lemerítenie, míg a másik alkatrész technológia kisebb maradékra csökkenti a maradék tranziens feszültséget, mivel kisebb áramot bocsát ki.

Az SPD-nek integrált önvédő eszközzel kell rendelkeznie, amely leválasztja az áramkörről, ha az eszköz meghibásodik. Ennek a szétkapcsolásnak a nyilvánvalóvá tétele érdekében sok SPD megjelenít egy zászlót, amely jelzi a bontás állapotát. Az SPD állapotának integrált kiegészítő kontaktushalmazon keresztüli jelzése egy továbbfejlesztett szolgáltatás, amely jelet tud adni egy távoli helyre. Egy másik fontos termékjellemző, amelyet figyelembe kell venni, hogy az SPD használ-e egy ujjbiztonságos, eltávolítható modult, amely lehetővé teszi a meghibásodott modul egyszerű cseréjét szerszámok nélkül, vagy az áramkör feszültségmentesítésének szükségességét.

AC túlfeszültség-védelmi eszközök a napelemes telepítésekhez

A felhőktől a villámlás a villámvédelmi rendszerig, a PV-szerkezetig vagy a közeli talajhoz helyi földi potenciál-emelkedést okoz a távoli talaj-referenciák tekintetében. Az ilyen távolságokat átfogó vezetők jelentős feszültségnek teszik ki a berendezéseket. A földpotenciál-emelkedések hatásai elsősorban a hálózathoz kötött PV-rendszer és a szolgáltató bejáratánál lévő közüzemi kapcsolódási ponton tapasztalhatók - azon a ponton, ahol a helyi föld elektromosan kapcsolódik egy távoli hivatkozott földhöz.

Túlfeszültség-védelmet kell elhelyezni a szerviz bejáratánál, hogy megvédje az inverter közmű oldalát a káros tranziensektől. Az ezen a helyen látott tranziensek nagysága és időtartama nagy, ezért ezeket túlfeszültség-védelemmel kell kezelni, megfelelően nagy kisütési áramerősséggel. A MOV-okkal összehangolva használt ellenőrzött szikrahézagok ideálisak erre a célra. A szikraköz-technológia nagy villámáramokat képes kisütni azáltal, hogy ekvipotenciális kötési funkciót biztosít a villám tranziens alatt. A koordinált MOV képes a maradék feszültséget elfogadható szintre szorítani.

A földi potenciál emelkedésének hatása mellett az inverter váltakozó áramú oldalát befolyásolhatják a villámok által indított és a szolgáltatást váltó tranziensek, amelyek a szolgálati bejáratnál is megjelennek. A berendezés károsodásának minimalizálása érdekében a megfelelő névleges váltakozó áramú túlfeszültség-védelmet kell alkalmazni az inverter váltakozó áramú kivezetéseihez a lehető legközelebb, a legrövidebb és legegyenesebb útvonalat megfelelő keresztmetszetű területű vezetők számára. Ennek a tervezési kritériumnak a be nem tartása a szükségesnél nagyobb feszültségesést eredményez az SPD áramkörben a kisülés során, és a védett berendezést a szükségesnél magasabb átmeneti feszültségnek teszi ki.

DC túlfeszültség-védelmi eszközök a napelemes telepítésekhez

Közvetlen földelt szerkezetekre (beleértve a villámvédelmi rendszert is) adott közvetlen ütés, valamint a 100 kA nagyságrendű felhőközi és belső felhővillanások kapcsolódó mágneses mezőket okozhatnak, amelyek átmeneti áramokat indukálnak a PV rendszer egyenáramú kábelezésében. Ezek az átmeneti feszültségek megjelennek a berendezés kapcsain, és a legfontosabb alkatrészek szigetelését és dielektromos meghibásodásait okozzák.

Az SPD-k elhelyezése meghatározott helyeken enyhíti ezen indukált és részleges villámáramok hatását. Az SPD párhuzamosan helyezkedik el a feszültség alatt álló vezetők és a test között. Nagy impedanciájú készülékről alacsony impedanciájú eszközre változik az állapot, amikor a túlfeszültség bekövetkezik. Ebben a konfigurációban az SPD kisüti a kapcsolódó tranziens áramot, minimalizálva azt a túlfeszültséget, amely egyébként jelen lenne a berendezés termináljain. Ez a párhuzamos eszköz nem hordoz terhelő áramot. A kiválasztott SPD-t kifejezetten meg kell tervezni, minősíteni kell és jóvá kell hagyni az egyenáramú PV feszültségeken történő alkalmazásra. Az integrált SPD-leválasztónak képesnek kell lennie a súlyosabb egyenáramú ív megszakítására, amely nem található meg a váltakozó áramú alkalmazásoknál.

A MOV modulok Y konfigurációban történő összekapcsolása általában használt SPD konfiguráció nagy kereskedelmi és közüzemi léptékű PV rendszereknél, amelyek maximális nyitott áramkörű feszültsége 600 vagy 1,000 Vdc. Az Y minden része tartalmaz egy MOV modult, amely az egyes pólusokhoz és a földhöz van csatlakoztatva. Földeletlen rendszerben két pólus, valamint a pólus és a föld között két modul van. Ebben a konfigurációban az egyes modulok a rendszer feszültségének felére vannak besorolva, így akkor is, ha pólus-föld hiba lép fel, a MOV modulok nem lépik túl a névleges értéküket.

Nem áramellátó rendszer túlfeszültség-védelmi szempontjai

Ahogyan az energiaellátó rendszer berendezései és alkatrészei érzékenyek a villámlás hatásaira, ugyanúgy, mint az ezekhez a berendezésekhez kapcsolódó mérési, vezérlési, műszeres, SCADA és kommunikációs rendszerekben található berendezések. Ezekben az esetekben a túlfeszültség-védelem alapkoncepciója megegyezik az áramkörökével. Mivel azonban ez a berendezés általában kevésbé tolerálja a túlfeszültség-impulzusokat, és hajlamosabb a téves jelekre, valamint arra, hogy hátrányosan befolyásolja soros vagy párhuzamos alkatrészek hozzáadása az áramkörökhöz, nagyobb figyelmet kell fordítani az egyes hozzáadott SPD jellemzőire. Specifikus SPD-kre van szükség annak függvényében, hogy ezek az alkatrészek csavart érpáron, CAT 6 Ethernet-en vagy koaxiális RF-n keresztül kommunikálnak-e. Ezenkívül a nem áramkörökhöz kiválasztott SPD-knek képesnek kell lenniük a tranziens áramok hibamentes kisütésére, a megfelelő feszültségvédelmi szint biztosítására, és tartózkodniuk kell a rendszer működésének megzavarásától - ideértve a soros impedanciát, a vonal-vonal és a földi kapacitást és a frekvenciasávszélességet .

Az SPD-k gyakori helytelen alkalmazása

Az SPD-ket évek óta alkalmazzák az áramkörökön. A legtöbb korabeli áramkör váltakozó áramú rendszer. Mint ilyen, a legtöbb túlfeszültség-védelmi berendezést váltóáramú rendszerekben való felhasználásra tervezték. A nagy kereskedelmi és közüzemi méretű fotovillamos rendszerek viszonylag nemrégiben bevezetett rendszere és az egyre növekvő számú telepített rendszer sajnos oda vezetett, hogy a váltakozó áramú rendszerekhez tervezett SPD-k rosszul lettek alkalmazva az egyenáramú oldalon. Ezekben az esetekben az SPD-k helytelenül teljesítenek, különösen meghibásodási módjukban, az egyenáramú PV rendszerek jellemzői miatt.

A MOV-k kiváló tulajdonságokat nyújtanak az SPD-ként való szolgálathoz. Ha megfelelően minősítik és helyesen alkalmazzák őket, akkor minőségileg teljesítik ezt a funkciót. Ugyanakkor, mint minden elektromos termék, ezek is meghibásodhatnak. A meghibásodást okozhatja a környezeti fűtés, a kisülési áram, amely nagyobb, mint amire a készüléket tervezték, túl sokszor kisüt, vagy folyamatos túlfeszültségnek van kitéve.

Ezért az SPD-ket egy termikusan működtetett leválasztó kapcsolóval tervezték, amely elválasztja őket a feszültség alatt álló egyenáramkör párhuzamos csatlakozásától, ha erre szükség van. Mivel némi áram áramlik át, amikor az SPD meghibásodási módba lép, enyhe ív jelenik meg, amikor a hőkapcsoló működik. Ha váltakozó áramú áramkörön alkalmazzák, a generátor által táplált áram első nulla keresztezése eloltja ezt az ívet, és az SPD biztonságosan eltávolításra kerül az áramkörből. Ha ugyanazt a váltakozó áramú SPD-t alkalmazzák a PV-rendszer egyenáramú oldalára, különösen nagy feszültség esetén, akkor az egyenáramú hullámformában nincs áram nulla kereszteződés. A normál, hővel működtetett kapcsoló nem tudja kioltani az íváramot, és a készülék meghibásodik.

Párhuzamosan olvadó bypass áramkör elhelyezése a MOV körül az egyik módszer az egyenáramú hiba ívének oltásának leküzdésére. Ha a hőkapcsoló működik, akkor a nyitó érintkezőkön még mindig megjelenik egy ív; de az íváram egy biztosítékot tartalmazó párhuzamos útra irányul, ahol az ív kialszik, és a biztosíték megszakítja a hibaáramot.

A váltakozó áramú rendszereken alkalmazott, az SPD előtti beolvadás nem megfelelő az egyenáramú rendszereken. A biztosíték működtetéséhez rendelkezésre álló rövidzárlat (mint például egy túláramvédő készüléknél) nem biztos, hogy elegendő, ha a generátor csökkentett teljesítményű. Ennek következtében néhány SPD-gyártó ezt figyelembe vette a tervezés során. Az UL módosította korábbi szabványát a legújabb túlfeszültség-védelmi szabvány kiegészítésével - UL 1449. Ez a harmadik kiadás kifejezetten a fotovillamos rendszerekre vonatkozik.

SPD ellenőrzőlista

Annak ellenére, hogy nagy a villámlás kockázata sok fotovillamos telepítésnek van kitéve, SPD-k és megfelelően kialakított villámvédelmi rendszer alkalmazásával védhetők. Az SPD hatékony végrehajtásának a következő szempontokat kell tartalmaznia:

• Helyes elhelyezés a rendszerben
• Felmondási követelmények
• A berendezés-föld rendszer megfelelő földelése és kötése
• Kibocsátási besorolás
• Feszültségvédelem
• Alkalmasság a kérdéses rendszer számára, ideértve a DC és az AC alkalmazásokat
• Meghibásodás
• Helyi és távoli állapotjelzés
• Könnyen cserélhető modulok
• A normál rendszerfunkciókat nem szabad érinteni, különösen a nem áramellátó rendszereken