Perangkat Perlindungan Lonjakan DC untuk Instalasi PV

Panel Surya PV Combiner Box Perangkat Pelindung Lonjakan DC

Karena Perangkat Perlindungan Surge DC untuk Instalasi PV harus dirancang untuk memberikan paparan sinar matahari penuh, mereka sangat rentan terhadap efek petir. Kapasitas array PV secara langsung berkaitan dengan luas permukaan yang terbuka, sehingga potensi dampak peristiwa petir meningkat seiring dengan ukuran sistem. Jika sering terjadi pencahayaan, sistem PV yang tidak dilindungi dapat mengalami kerusakan berulang dan signifikan pada komponen utama. Hal ini mengakibatkan biaya perbaikan dan penggantian yang substansial, waktu henti sistem, dan hilangnya pendapatan. Perangkat pelindung lonjakan arus (SPD) yang dirancang, ditentukan, dan dipasang dengan benar meminimalkan potensi dampak peristiwa petir saat digunakan bersama dengan sistem proteksi petir yang direkayasa.

Sistem proteksi petir yang menggabungkan elemen dasar seperti terminal udara, konduktor bawah yang tepat, ikatan ekuipotensial untuk semua komponen pembawa arus dan prinsip grounding yang tepat menyediakan kanopi perlindungan terhadap sambaran langsung. Jika ada kekhawatiran risiko petir di lokasi PV Anda, saya sangat menyarankan untuk menyewa insinyur listrik profesional dengan keahlian di bidang ini untuk memberikan studi penilaian risiko dan desain sistem perlindungan jika perlu.

Penting untuk memahami perbedaan antara sistem proteksi petir dan SPD. Tujuan sistem proteksi petir adalah untuk menyalurkan sambaran petir langsung melalui konduktor pembawa arus yang substansial ke bumi, sehingga menyelamatkan struktur dan peralatan agar tidak berada di jalur pelepasan itu atau disambar secara langsung. SPD diterapkan pada sistem kelistrikan untuk menyediakan jalur pelepasan ke bumi guna menyelamatkan komponen sistem tersebut agar tidak terpapar transien tegangan tinggi yang disebabkan oleh efek langsung atau tidak langsung dari petir atau anomali sistem tenaga. Bahkan dengan sistem proteksi petir eksternal, tanpa SPD, efek petir masih dapat menyebabkan kerusakan besar pada komponen.

Untuk keperluan artikel ini, saya berasumsi bahwa beberapa bentuk proteksi petir sudah ada dan memeriksa jenis, fungsi, dan manfaat dari penggunaan tambahan SPD yang sesuai. Sehubungan dengan sistem proteksi petir yang direkayasa dengan benar, penggunaan SPD di lokasi sistem utama melindungi komponen utama seperti inverter, modul, peralatan dalam kotak penggabung, dan sistem pengukuran, kontrol, dan komunikasi.

Pentingnya SPD

Selain dari konsekuensi sambaran petir langsung ke array, kabel daya interkoneksi sangat rentan terhadap transien yang diinduksi secara elektromagnetik. Transien yang secara langsung atau tidak langsung disebabkan oleh petir, serta transien yang dihasilkan oleh fungsi peralihan utilitas, menyebabkan peralatan listrik dan elektronik terkena tegangan lebih yang sangat tinggi dengan durasi yang sangat singkat (puluhan hingga ratusan mikrodetik). Paparan tegangan transien ini dapat menyebabkan kegagalan komponen bencana yang dapat terlihat oleh kerusakan mekanis dan pelacakan karbon atau tidak terlihat tetapi masih menyebabkan kegagalan peralatan atau sistem.

Paparan jangka panjang terhadap transien dengan magnitudo yang lebih rendah memperburuk bahan dielektrik dan insulasi pada peralatan sistem PV sampai ada kerusakan akhir. Selain itu, transien tegangan mungkin muncul pada rangkaian pengukuran, kontrol dan komunikasi. Transien ini mungkin tampak seperti sinyal atau informasi yang salah, menyebabkan peralatan tidak berfungsi atau mati. Penempatan strategis SPD mengurangi masalah ini karena berfungsi sebagai perangkat korslet atau penjepit.

Karakteristik Teknis SPD

Teknologi SPD yang paling umum digunakan dalam aplikasi PV adalah metal oxide varistor (MOV), yang berfungsi sebagai perangkat penjepit tegangan. Teknologi SPD lainnya termasuk dioda avalanche silikon, celah percikan yang dikendalikan, dan tabung pelepasan gas. Dua yang terakhir adalah perangkat switching yang muncul sebagai sirkuit pendek atau linggis. Setiap teknologi memiliki karakteristiknya masing-masing, membuatnya kurang lebih sesuai untuk aplikasi tertentu. Kombinasi perangkat ini juga dapat dikoordinasikan untuk memberikan karakteristik yang lebih optimal daripada yang ditawarkan secara individual. Tabel 1 mencantumkan jenis SPD utama yang digunakan dalam sistem PV dan merinci karakteristik operasi umumnya.

Sebuah SPD harus dapat mengubah status cukup cepat untuk waktu yang singkat ada transien dan untuk melepaskan besarnya arus transien tanpa gagal. Perangkat juga harus meminimalkan penurunan tegangan pada sirkuit SPD untuk melindungi peralatan yang terhubung dengannya. Terakhir, fungsi SPD tidak boleh mengganggu fungsi normal sirkuit tersebut.

Karakteristik pengoperasian SPD ditentukan oleh beberapa parameter yang harus dipahami oleh siapa pun yang membuat pemilihan untuk SPD. Subjek ini memerlukan detail lebih lanjut yang dapat dibahas di sini, tetapi berikut ini adalah beberapa parameter yang harus dipertimbangkan: tegangan operasi kontinu maksimum, penerapan ac atau dc, arus luahan nominal (ditentukan oleh besaran dan bentuk gelombang), level proteksi tegangan ( tegangan terminal yang ada saat SPD melepaskan arus tertentu) dan tegangan lebih sementara (tegangan berlebih terus menerus yang dapat diterapkan untuk waktu tertentu tanpa merusak SPD).

SPD yang menggunakan teknologi komponen berbeda dapat ditempatkan di sirkuit yang sama. Namun, mereka harus dipilih dengan hati-hati untuk memastikan koordinasi energi di antara mereka. Teknologi komponen dengan tingkat pelepasan yang lebih tinggi harus melepaskan besaran terbesar dari arus transien yang tersedia, sementara teknologi komponen lainnya mengurangi tegangan transien sisa ke besaran yang lebih rendah karena ia melepaskan arus yang lebih kecil.

SPD harus memiliki perangkat pelindung diri integral yang memutuskan sambungannya dari sirkuit jika perangkat gagal. Untuk membuat pemutusan ini jelas, banyak SPD menampilkan bendera yang menunjukkan status pemutusannya. Menunjukkan status SPD melalui sekumpulan kontak tambahan integral adalah fitur yang disempurnakan yang dapat memberikan sinyal ke lokasi yang jauh. Karakteristik produk penting lainnya yang perlu dipertimbangkan adalah apakah SPD menggunakan modul yang dapat dilepas dan aman untuk jari yang memungkinkan modul yang gagal diganti dengan mudah tanpa alat atau kebutuhan untuk mematikan daya sirkuit.

Perangkat Perlindungan Surge AC untuk Pertimbangan Instalasi PV

Kilatan petir dari awan ke sistem proteksi petir, struktur PV atau tanah di dekatnya menyebabkan kenaikan potensial tanah lokal sehubungan dengan referensi tanah yang jauh. Konduktor yang menjangkau jarak ini memaparkan peralatan ke tegangan yang signifikan. Efek kenaikan potensi tanah terutama dialami pada titik sambungan antara sistem PV yang terikat jaringan dan utilitas di pintu masuk layanan — titik di mana tanah lokal terhubung secara elektrik ke tanah referensi yang jauh.

Pelindung lonjakan harus ditempatkan di pintu masuk layanan untuk melindungi sisi utilitas inverter dari kerusakan transien. Transien yang terlihat di lokasi ini memiliki magnitudo dan durasi tinggi dan oleh karena itu harus dikelola oleh pelindung lonjakan arus dengan peringkat arus debit tinggi yang sesuai. Celah percikan terkontrol yang digunakan dalam koordinasi dengan MOV ideal untuk tujuan ini. Teknologi celah percikan dapat melepaskan arus petir yang tinggi dengan menyediakan fungsi ikatan ekuipotensial selama transien petir. MOV terkoordinasi memiliki kemampuan untuk menjepit tegangan sisa ke tingkat yang dapat diterima.

Selain efek kenaikan potensial tanah, sisi ac inverter mungkin dipengaruhi oleh transien yang disebabkan oleh petir dan peralihan utilitas yang juga muncul di pintu masuk layanan. Untuk meminimalkan potensi kerusakan peralatan, pelindung lonjakan arus AC yang terukur dengan tepat harus diterapkan sedekat mungkin ke terminal ac inverter, dengan rute terpendek dan terlurus untuk konduktor dengan luas penampang yang memadai. Tidak menerapkan kriteria desain ini menghasilkan penurunan tegangan yang lebih tinggi dari yang diperlukan di sirkuit SPD selama pelepasan dan memaparkan peralatan yang dilindungi ke tegangan transien yang lebih tinggi dari yang diperlukan.

Perangkat Perlindungan Surge DC untuk Pertimbangan Instalasi PV

Sambaran langsung ke struktur ground terdekat (termasuk sistem proteksi petir), dan kilatan antar-awan yang mungkin berkekuatan 100 kA dapat menyebabkan medan magnet terkait yang menyebabkan arus transien ke dalam kabel dc sistem PV. Tegangan transien ini muncul di terminal peralatan dan menyebabkan insulasi dan kegagalan dielektrik komponen utama.

Menempatkan SPD di lokasi tertentu mengurangi efek arus petir yang diinduksi dan parsial ini. SPD ditempatkan secara paralel antara konduktor berenergi dan arde. Ini mengubah status dari perangkat impedansi tinggi ke perangkat impedansi rendah ketika tegangan lebih terjadi. Dalam konfigurasi ini, SPD melepaskan arus transien terkait, meminimalkan tegangan berlebih yang seharusnya ada di terminal peralatan. Perangkat paralel ini tidak membawa arus beban apapun. SPD yang dipilih harus dirancang, dinilai, dan disetujui secara khusus untuk aplikasi pada tegangan PV DC. Pemutusan SPD integral harus dapat menghentikan busur dc yang lebih parah, yang tidak ditemukan pada aplikasi ac.

Menghubungkan modul MOV dalam konfigurasi Y adalah konfigurasi SPD yang umum digunakan pada sistem PV komersial dan skala utilitas besar yang beroperasi pada tegangan rangkaian terbuka maksimum 600 atau 1,000 Vdc. Setiap kaki Y berisi modul MOV yang terhubung ke setiap kutub dan ke ground. Dalam sistem yang tidak dibumikan, ada dua modul di antara setiap tiang, dan di antara tiang dan arde. Dalam konfigurasi ini, setiap modul diberi nilai setengah dari tegangan sistem, jadi meskipun terjadi gangguan kutub ke tanah, modul MOV tidak melebihi nilai pengenalnya.

Pertimbangan Perlindungan Surge Sistem Non Daya

Seperti halnya peralatan dan komponen sistem tenaga yang rentan terhadap efek petir, demikian pula peralatan yang ditemukan dalam pengukuran, kontrol, instrumentasi, SCADA, dan sistem komunikasi yang terkait dengan instalasi ini. Dalam kasus ini, konsep dasar perlindungan lonjakan sama seperti pada rangkaian daya. Namun, karena peralatan ini biasanya kurang toleran terhadap impuls tegangan lebih dan lebih rentan terhadap sinyal yang salah dan terpengaruh secara merugikan oleh penambahan komponen seri atau paralel ke sirkuit, perhatian lebih harus diberikan pada karakteristik setiap SPD yang ditambahkan. SPD spesifik dipanggil menurut apakah komponen ini berkomunikasi melalui pasangan terpilin, CAT 6 Ethernet, atau RF koaksial. Selain itu, SPD yang dipilih untuk sirkuit non-daya harus dapat melepaskan arus transien tanpa kegagalan, untuk memberikan tingkat perlindungan tegangan yang memadai dan tidak mengganggu fungsi sistem — termasuk impedansi seri, kapasitansi line-to-line dan ground, serta bandwidth frekuensi .

Kesalahan Umum dari SPD

SPD telah diterapkan pada sirkuit listrik selama bertahun-tahun. Kebanyakan rangkaian daya kontemporer adalah sistem arus bolak-balik. Dengan demikian, sebagian besar peralatan pelindung lonjakan arus telah dirancang untuk digunakan dalam sistem ac. Pengenalan yang relatif baru dari sistem PV komersial dan skala utilitas yang besar dan meningkatnya jumlah sistem yang diterapkan, sayangnya, menyebabkan kesalahan penerapan pada sisi dc dari SPD yang dirancang untuk sistem ac. Dalam kasus ini, SPD tidak berfungsi dengan benar, terutama selama mode kegagalannya, karena karakteristik sistem PV DC.

MOV memberikan karakteristik yang sangat baik untuk melayani sebagai SPD. Jika dinilai dengan benar dan diterapkan dengan benar, mereka bekerja dengan cara yang berkualitas untuk fungsi itu. Namun, seperti semua produk listrik, mereka mungkin rusak. Kegagalan dapat disebabkan oleh pemanasan sekitar, arus pengosongan yang lebih besar dari yang dirancang untuk ditangani perangkat, pengosongan terlalu banyak atau kondisi tegangan berlebih yang terus menerus.

Oleh karena itu, SPD dirancang dengan sakelar pemutus yang dioperasikan secara termal yang memisahkan mereka dari sambungan paralel ke rangkaian DC berenergi jika diperlukan. Karena beberapa arus mengalir saat SPD memasuki mode kegagalan, busur kecil muncul saat sakelar pemutus termal beroperasi. Ketika diterapkan pada sirkuit ac, persimpangan nol pertama dari arus yang disuplai generator memadamkan busur itu, dan SPD dihapus dengan aman dari sirkuit. Jika AC SPD yang sama diterapkan ke sisi dc dari sistem PV, terutama tegangan tinggi, tidak ada persimpangan nol arus dalam bentuk gelombang dc. Sakelar yang dioperasikan secara termal normal tidak dapat memadamkan arus busur, dan perangkat gagal.

Menempatkan rangkaian bypass sekering paralel di sekitar MOV merupakan salah satu metode untuk mengatasi pemadaman busur gangguan dc. Jika pemutus termal beroperasi, busur masih muncul di kontak bukaannya; tetapi arus busur itu dialihkan ke jalur paralel yang berisi sekering di mana busur dipadamkan, dan sekring tersebut memutus arus gangguan.

Sekering hulu di depan SPD, seperti yang mungkin diterapkan pada sistem ac, tidak sesuai pada sistem dc. Arus hubung singkat yang tersedia untuk mengoperasikan sekring (seperti pada perangkat proteksi arus berlebih) mungkin tidak cukup ketika generator berada pada keluaran daya yang berkurang. Akibatnya, beberapa pabrikan SPD telah mempertimbangkan hal ini dalam desain mereka. UL telah memodifikasi standar awalnya dengan melengkapi standar perlindungan lonjakan terbaru — UL 1449. Edisi ketiga ini secara khusus berlaku untuk sistem PV.

Daftar Periksa SPD

Terlepas dari risiko petir yang tinggi yang menyebabkan banyak instalasi PV, mereka dapat dilindungi dengan penerapan SPD dan sistem proteksi petir yang direkayasa dengan benar. Penerapan SPD yang efektif harus mencakup pertimbangan berikut:

• Penempatan yang benar dalam sistem
• Persyaratan penghentian
• Pengardean dan pengikatan yang benar dari sistem pengardean peralatan
• Peringkat pembuangan
• Tingkat perlindungan tegangan
• Kesesuaian untuk sistem yang dimaksud, termasuk aplikasi dc versus ac
• Mode gagal
• Indikasi status lokal dan jarak jauh
• Modul yang mudah diganti
• Fungsi sistem normal seharusnya tidak terpengaruh, khususnya pada sistem non-daya