PV設置用のDCサージ保護デバイス


PV設置用のDCサージ保護デバイスPV-Combiner-Box-02

ソーラーパネルPVコンバイナーボックスDCサージ保護装置

PV設置用のDCサージ保護デバイスは、太陽光に完全にさらされるように設計する必要があるため、雷の影響に対して非常に脆弱です。 PVアレイの容量は、その露出表面積に直接関係しているため、雷イベントの潜在的な影響はシステムのサイズとともに増加します。 照明が頻繁に発生する場合、保護されていないPVシステムは、主要コンポーネントに繰り返し重大な損傷を与える可能性があります。 これにより、かなりの修理および交換コスト、システムのダウンタイム、および収益の損失が発生します。 適切に設計、指定、設置されたサージ保護デバイス(SPD)は、設計された雷保護システムと組み合わせて使用​​すると、雷イベントの潜在的な影響を最小限に抑えます。

エアターミナル、適切なダウンコンダクタ、すべての通電コンポーネントの等電位ボンディング、適切な接地原理などの基本要素を組み込んだ避雷システムは、直撃に対する保護の天蓋を提供します。 PVサイトで落雷のリスクが懸念される場合は、この分野の専門知識を持つ専門の電気技師を雇って、リスク評価の調査と必要に応じて保護システムの設計を提供することを強くお勧めします。

避雷システムとSPDの違いを理解することが重要です。 避雷システムの目的は、実質的な電流が流れる導体を介して直接落雷をアースに導くことです。これにより、構造物や機器がその放電の経路にあることや直接落雷することを防ぎます。 SPDは電気システムに適用され、アースへの放電経路を提供して、雷または電力システムの異常の直接的または間接的な影響によって引き起こされる高電圧トランジェントにシステムのコンポーネントがさらされるのを防ぎます。 SPDがなくても、外部の雷保護システムが設置されている場合でも、雷の影響によりコンポーネントに大きな損傷が生じる可能性があります。

この記事では、何らかの形の避雷装置が設置されていると想定し、適切なSPDを追加して使用することの種類、機能、および利点を調べます。 適切に設計された避雷システムと組み合わせて、主要なシステム位置でSPDを使用すると、インバーター、モジュール、コンバイナーボックス内の機器、測定、制御、通信システムなどの主要コンポーネントが保護されます。

SPDの重要性

アレイへの直接の落雷の結果は別として、相互接続された電源ケーブルは、電磁的に誘発された過渡現象の影響を非常に受けやすくなっています。 雷によって直接的または間接的に引き起こされる過渡現象、およびユーティリティスイッチング機能によって生成される過渡現象は、電気および電子機器を非常に短い持続時間(数十から数百マイクロ秒)の非常に高い過電圧にさらします。 これらの過渡電圧にさらされると、機械的損傷やカーボントラッキングによって目立つ、または目立たないが、機器やシステムの障害を引き起こす可能性のある壊滅的なコンポーネント障害が発生する可能性があります。

低マグニチュードの過渡現象に長期間さらされると、最終的な故障が発生するまで、PVシステム機器の誘電体および絶縁材料が劣化します。 さらに、過渡電圧が測定、制御、および通信回路に現れる場合があります。 これらのトランジェントは、誤った信号または情報のように見え、機器の誤動作やシャットダウンを引き起こす可能性があります。 SPDを戦略的に配置すると、短絡またはクランプデバイスとして機能するため、これらの問題が軽減されます。

SPDの技術的特徴

PVアプリケーションで使用される最も一般的なSPD技術は、電圧クランプ装置として機能する金属酸化物バリスタ(MOV)です。 他のSPDテクノロジーには、シリコンアバランシェダイオード、制御されたスパークギャップ、およびガス放電管が含まれます。 後者の1つは、短絡またはクローバーとして表示されるスイッチングデバイスです。 各テクノロジーには独自の特性があり、特定のアプリケーションに多かれ少なかれ適しています。 これらのデバイスの組み合わせは、個別に提供するよりも最適な特性を提供するように調整することもできます。 表XNUMXに、PVシステムで使用される主なSPDタイプと、それらの一般的な動作特性の詳細を示します。

SPDは、トランジェントが存在する短時間の間、状態を十分に迅速に変更し、トランジェント電流の大きさを失敗することなく放電できる必要があります。 また、デバイスは、接続されている機器を保護するために、SPD回路の両端の電圧降下を最小限に抑える必要があります。 最後に、SPD機能はその回路の通常の機能に干渉してはなりません。

SPDの動作特性は、SPDを選択する人が理解しなければならないいくつかのパラメータによって定義されます。 この主題には、ここで説明できる詳細が必要ですが、考慮すべきいくつかのパラメーターは次のとおりです。最大連続動作電圧、ACまたはDCアプリケーション、公称放電電流(大きさと波形で定義)、電圧保護レベル( SPDが特定の電流を放電しているときに存在する端子電圧)および一時的な過電圧(SPDに損傷を与えることなく特定の時間印加できる連続的な過電圧)。

異なるコンポーネントテクノロジを使用するSPDは、同じ回路に配置できます。 ただし、それらの間のエネルギー調整を確実にするために注意して選択する必要があります。 より高い放電定格のコンポーネント技術は、利用可能な過渡電流の最大の大きさを放電する必要がありますが、他のコンポーネント技術は、より少ない電流を放電するため、残留過渡電圧をより低い大きさに低減します。

SPDには、デバイスに障害が発生した場合に回路からSPDを切断する自己保護デバイスが組み込まれている必要があります。 この切断を明確にするために、多くのSPDは、切断ステータスを示すフラグを表示します。 一体型の補助接点セットを介してSPDのステータスを示すことは、遠隔地に信号を提供できる拡張機能です。 考慮すべきもうXNUMXつの重要な製品特性は、SPDが指で安全な取り外し可能なモジュールを使用しているかどうかです。これにより、故障したモジュールを工具や回路の電源を切る必要なしに簡単に交換できます。

PV設置に関するACサージ保護デバイスの考慮事項

雲から雷保護システム、PV構造、または近くの地面への落雷は、離れた地面の基準に関して局所的な地面電位の上昇を引き起こします。 これらの距離にまたがる導体は、機器をかなりの電圧にさらします。 接地電位の上昇の影響は、主に、グリッドに接続されたPVシステムとサービス入口のユーティリティとの間の接続ポイント(ローカルグラウンドが離れた参照グラウンドに電気的に接続されているポイント)で発生します。

インバータのユーティリティ側を損傷する過渡現象から保護するために、サージ保護をサービス入口に配置する必要があります。 この場所で見られる過渡電流は大きさと持続時間が大きいため、適切に高い放電電流定格のサージ保護によって管理する必要があります。 MOVと連携して使用される制御されたスパークギャップは、この目的に理想的です。 スパークギャップ技術は、雷の過渡時に等電位ボンディング機能を提供することにより、高い雷電流を放電することができます。 調整されたMOVには、残留電圧を許容レベルにクランプする機能があります。

接地電位の上昇の影響に加えて、インバータのAC側は、サービス入口にも現れる雷による過渡現象やユーティリティ切り替えの過渡現象の影響を受ける可能性があります。 潜在的な機器の損傷を最小限に抑えるために、適切な定格のACサージ保護をインバータのAC端子のできるだけ近くに適用し、十分な断面積の導体を最短かつ最も直線的に使用する必要があります。 この設計基準を実装しないと、放電中にSPD回路で必要以上の電圧降下が発生し、保護された機器が必要以上に高い過渡電圧にさらされます。

PV設置に関するDCサージ保護デバイスの考慮事項

近くの接地された構造物(避雷システムを含む)への直接の衝突、および100 kAの大きさの雲間および雲内の閃光は、PVシステムのDCケーブルに過渡電流を誘導する関連磁場を引き起こす可能性があります。 これらの過渡電圧は機器の端子に現れ、主要コンポーネントの絶縁および誘電体の故障を引き起こします。

指定された場所にSPDを配置すると、これらの誘導された部分的な雷電流の影響が軽減されます。 SPDは、通電された導体とアースの間に並列に配置されます。 過電圧が発生すると、高インピーダンスデバイスから低インピーダンスデバイスに状態が変化します。 この構成では、SPDは関連する過渡電流を放電し、そうでなければ機器の端子に存在する過電圧を最小限に抑えます。 この並列デバイスには負荷電流が流れません。 選択したSPDは、DC PV電圧でのアプリケーション向けに特別に設計、定格、および承認されている必要があります。 一体型SPD切断は、ACアプリケーションには見られないより深刻なDCアークを遮断できる必要があります。

Y構成でのMOVモジュールの接続は、600または1,000Vdcの最大開回路電圧で動作する大規模な商用および実用規模のPVシステムで一般的に使用されるSPD構成です。 Yの各脚には、各極とアースに接続されたMOVモジュールが含まれています。 接地されていないシステムでは、各極の間、および極と接地の両方の間にXNUMXつのモジュールがあります。 この構成では、各モジュールの定格はシステム電圧の半分であるため、極から地絡の障害が発生した場合でも、MOVモジュールは定格値を超えることはありません。

非電力システムのサージ保護に関する考慮事項

電力システムの機器やコンポーネントが雷の影響を受けやすいのと同様に、これらの設備に関連する測定、制御、計装、SCADA、および通信システムに見られる機器も同様です。 これらの場合、サージ保護の基本的な概念は、電源回路の場合と同じです。 ただし、この機器は通常、過電圧インパルスに対する耐性が低く、誤った信号の影響を受けやすく、回路に直列または並列コンポーネントを追加すると悪影響を受けるため、追加する各SPDの特性にさらに注意を払う必要があります。 これらのコンポーネントがツイストペア、CAT 6イーサネット、または同軸RFのいずれを介して通信しているかに応じて、特定のSPDが必要になります。 さらに、非電源回路用に選択されたSPDは、適切な電圧保護レベルを提供し、直列インピーダンス、ライン間および接地容量、周波数帯域幅などのシステム機能に干渉しないように、障害なく過渡電流を放電できる必要があります。 。

SPDの一般的な誤用

SPDは長年にわたって電源回路に適用されてきました。 最新の電源回路のほとんどは交流システムです。 そのため、ほとんどのサージ保護機器は、ACシステムで使用するように設計されています。 比較的最近の大規模な商用および実用規模のPVシステムの導入と、導入されるシステムの数の増加により、残念ながら、ACシステム用に設計されたSPDのDC側への誤用が発生しました。 これらの場合、DC PVシステムの特性により、SPDは、特に故障モード中に不適切に動作します。

MOVは、SPDとして機能するための優れた特性を提供します。 それらが適切に評価され、正しく適用されている場合、それらはその機能に対して高品質で機能します。 ただし、すべての電気製品と同様に、故障する可能性があります。 障害は、周囲の加熱、デバイスが処理するように設計されているよりも大きい電流の放電、何度も放電する、または継続的な過電圧状態にさらされることによって引き起こされる可能性があります。

したがって、SPDは、必要に応じて、通電されたDC回路への並列接続からSPDを分離する熱操作の切断スイッチを使用して設計されています。 SPDが故障モードに入ると、いくらかの電流が流れるため、サーマルディスコネクトスイッチが動作するとわずかなアークが発生します。 AC回路に適用すると、発電機から供給される電流の最初のゼロ交差によってそのアークが消滅し、SPDが回路から安全に取り外されます。 同じACSPDがPVシステムのDC側、特に高電圧に適用される場合、DC波形の電流のゼロ交差はありません。 通常の熱操作スイッチはアーク電流を消すことができず、デバイスは故障します。

MOVの周囲に並列のヒューズ付きバイパス回路を配置することは、DC障害アークの消滅を克服するためのXNUMXつの方法です。 サーマルディスコネクトが作動した場合でも、開口部の接点全体にアークが発生します。 しかし、そのアーク電流は、アークが消滅するヒューズを含む並列パスにリダイレクトされ、ヒューズは障害電流を遮断します。

ACシステムに適用される可能性がある、SPDの前の上流の融着は、DCシステムには適切ではありません。 発電機の出力が低下している場合、(過電流保護装置のように)ヒューズを操作するために利用できる短絡電流では不十分な場合があります。 結果として、一部のSPDメーカーは、設計においてこれを考慮に入れています。 ULは、最新のサージ保護規格であるUL 1449を補足することにより、以前の規格を変更しました。この第XNUMX版は、PVシステムに特に適用されます。

SPDチェックリスト

多くのPV設備がさらされる高い雷リスクにもかかわらず、SPDと適切に設計された雷保護システムの適用によってそれらを保護することができます。 効果的なSPDの実装には、次の考慮事項を含める必要があります。

  • システム内の正しい配置
  • 終了要件
  • 機器の適切な接地とボンディング-接地システム
  • 放電定格
  • 電圧保護レベル
  • DCアプリケーションとACアプリケーションを含む、問題のシステムへの適合性
  • 故障モード
  • ローカルおよびリモートのステータス表示
  • 簡単に交換可能なモジュール
  • 通常のシステム機能は、特に非電力システムでは影響を受けないはずです。