PV 설치용 DC 서지 보호 장치

태양 광 패널 PV 결합기 박스 DC 서지 보호 장치

PV 설치용 DC 서지 보호 장치는 햇빛에 완전히 노출되도록 설계해야하므로 번개의 영향에 매우 취약합니다. PV 어레이의 용량은 노출 된 표면적과 직접적인 관련이 있으므로 낙뢰 이벤트의 잠재적 영향은 시스템 크기에 따라 증가합니다. 조명이 자주 발생하는 경우 보호되지 않은 PV 시스템은 주요 구성 요소에 반복적이고 심각한 손상을 입힐 수 있습니다. 이로 인해 상당한 수리 및 교체 비용, 시스템 다운 타임 및 수익 손실이 발생합니다. 적절하게 설계, 지정 및 설치된 SPD (서지 보호 장치)는 엔지니어링 된 번개 보호 시스템과 함께 사용할 때 번개 이벤트의 잠재적 인 영향을 최소화합니다.

공기 단자, 적절한 다운 컨덕터, 모든 전류 전달 구성 요소에 대한 등전위 본딩 및 적절한 접지 원칙과 같은 기본 요소를 통합하는 낙뢰 보호 시스템은 직접 타격에 대한 보호 캐노피를 제공합니다. PV 사이트에서 낙뢰 위험이 우려되는 경우이 분야의 전문 지식을 갖춘 전문 전기 엔지니어를 고용하여 위험 평가 연구를 제공하고 필요한 경우 보호 시스템 설계를 제공하는 것이 좋습니다.

번개 보호 시스템과 SPD의 차이점을 이해하는 것이 중요합니다. 낙뢰 보호 시스템의 목적은 실질적인 전류 전달 도체를 통해 대지로 직접 낙뢰를 전달하여 구조물과 장비가 방전 경로에 있거나 직접 충돌하지 않도록하는 것입니다. SPD는 전기 시스템에 적용되어 낙뢰 또는 전력 시스템 이상 현상의 직간접 적 영향으로 인한 고전압 과도 상태에 해당 시스템의 구성 요소가 노출되는 것을 방지하기 위해 접지에 방전 경로를 제공합니다. SPD가없는 외부 낙뢰 보호 시스템이 있어도 낙뢰의 영향은 여전히 ​​구성 요소에 심각한 손상을 줄 수 있습니다.

이 기사의 목적을 위해, 나는 어떤 형태의 번개 보호가 마련되어 있다고 가정하고 적절한 SPD의 추가 사용의 유형, 기능 및 이점을 조사합니다. 적절하게 설계된 낙뢰 보호 시스템과 함께 주요 시스템 위치에서 SPD를 사용하면 인버터, 모듈, 결합기 박스의 장비, 측정, 제어 및 통신 시스템과 같은 주요 구성 요소를 보호 할 수 있습니다.

SPD의 중요성

어레이에 대한 직접적인 번개의 결과를 제외하고, 상호 연결 전원 케이블은 전자 기적으로 유도 된 과도 현상에 매우 민감합니다. 번개에 의해 직접 또는 간접적으로 발생하는 과도 전류와 유틸리티 스위칭 기능에 의해 생성 된 과도 전류는 전기 및 전자 장비를 매우 짧은 기간 (수십에서 수백 마이크로 초)의 매우 높은 과전압에 노출시킵니다. 이러한 과도 전압에 노출되면 기계적 손상 및 탄소 추적으로 눈에 띄는 치명적인 구성 요소 오류가 발생하거나 눈에 띄지 않지만 여전히 장비 또는 시스템 오류가 발생할 수 있습니다.

낮은 크기의 과도 상태에 장기간 노출되면 최종 고장이 발생할 때까지 PV 시스템 장비의 유전체 및 절연 재료가 저하됩니다. 또한 측정, 제어 및 통신 회로에 과도 전압이 나타날 수 있습니다. 이러한 과도 현상은 잘못된 신호 또는 정보로 나타나 장비가 오작동하거나 종료 될 수 있습니다. SPD를 전략적으로 배치하면 단락 또는 클램핑 장치로 작동하기 때문에 이러한 문제가 완화됩니다.

SPD의 기술적 특성

PV 애플리케이션에 사용되는 가장 일반적인 SPD 기술은 전압 클램핑 장치로 작동하는 금속 산화물 배리스터 (MOV)입니다. 다른 SPD 기술에는 실리콘 애벌랜치 다이오드, 제어 된 스파크 갭 및 가스 방전 튜브가 포함됩니다. 후자의 두 가지는 단락 또는 쇠 지렛대로 나타나는 스위칭 장치입니다. 각 기술에는 고유 한 특성이있어 특정 응용 분야에 어느 정도 적합합니다. 이러한 장치의 조합을 조정하여 개별적으로 제공하는 것보다 더 최적의 특성을 제공 할 수도 있습니다. 표 1은 PV 시스템에 사용되는 주요 SPD 유형을 나열하고 일반적인 작동 특성을 자세히 설명합니다.

SPD는 과도 상태가있는 짧은 시간 동안 충분히 빠르게 상태를 변경하고 고장없이 과도 전류의 크기를 방전 할 수 있어야합니다. 또한 장치는 연결된 장비를 보호하기 위해 SPD 회로의 전압 강하를 최소화해야합니다. 마지막으로 SPD 기능은 해당 회로의 정상적인 기능을 방해해서는 안됩니다.

SPD 작동 특성은 SPD를 선택하는 사람이 이해해야하는 여러 매개 변수에 의해 정의됩니다. 이 주제에는 여기에서 다룰 수있는 자세한 내용이 필요하지만 고려해야 할 몇 가지 매개 변수는 다음과 같습니다. 최대 연속 작동 전압, ac 또는 dc 애플리케이션, 공칭 방전 전류 (크기 및 파형에 의해 정의 됨), 전압 보호 수준 ( SPD가 특정 전류를 방전 할 때 존재하는 단자 전압) 및 일시적인 과전압 (SPD를 손상시키지 않고 특정 시간 동안 적용될 수있는 연속 과전압).

다른 구성 요소 기술을 사용하는 SPD는 동일한 회로에 배치 될 수 있습니다. 그러나 그들은 그들 사이의 에너지 조정을 보장하기 위해 신중하게 선택되어야합니다. 방전 등급이 더 높은 구성 요소 기술은 사용 가능한 과도 전류의 가장 큰 크기를 방전해야하며 다른 구성 요소 기술은 더 적은 전류를 방전 할 때 잔류 과도 전압을 더 낮은 크기로 줄입니다.

SPD에는 장치에 장애가 발생할 경우 회로에서 분리하는 통합 자체 보호 장치가 있어야합니다. 이러한 연결 해제를 명확히하기 위해 많은 SPD는 연결 해제 상태를 나타내는 플래그를 표시합니다. 통합 보조 접점 세트를 통해 SPD의 상태를 표시하는 것은 원격 위치에 신호를 제공 할 수있는 향상된 기능입니다. 고려해야 할 또 다른 중요한 제품 특성은 SPD가 고장난 모듈을 도구없이 쉽게 교체 할 수있는 손가락으로 안전하게 제거 할 수있는 모듈을 사용하는지 또는 회로의 전원을 차단할 필요가 있는지 여부입니다.

PV 설치를위한 AC 서지 보호 장치 고려 사항

구름에서 번개 보호 시스템, PV 구조 또는 인근지면으로의 번개 섬광은 먼지면 기준과 관련하여 국부적 접지 전위 상승을 유발합니다. 이 거리에 걸쳐있는 도체는 장비를 상당한 전압에 노출시킵니다. 접지 전위 상승의 영향은 주로 계통 연계 형 PV 시스템과 서비스 입구의 유틸리티 (로컬 접지가 먼 기준 접지에 전기적으로 연결되는 지점) 간의 연결 지점에서 발생합니다.

인버터의 유틸리티 측이 과도 전류를 손상시키지 않도록 보호하기 위해 서지 보호 장치를 서비스 입구에 배치해야합니다. 이 위치에서 보이는 과도 전류는 크기와 지속 시간이 길기 때문에 적절하게 높은 방전 전류 정격으로 서지 보호를 통해 관리해야합니다. MOV와 함께 사용되는 제어 된 스파크 갭은 이러한 목적에 이상적입니다. 스파크 갭 기술은 번개 과도 상태에서 등전위 본딩 기능을 제공하여 높은 번개 전류를 방전 할 수 있습니다. 조정 된 MOV는 잔류 전압을 허용 가능한 수준으로 클램핑 할 수 있습니다.

접지 전위 상승의 영향 외에도 인버터의 AC 측은 인입구에도 나타나는 낙뢰 유도 및 유틸리티 스위칭 과도 전류의 영향을받을 수 있습니다. 잠재적 인 장비 손상을 최소화하려면 적절한 정격 AC 서지 보호를 가능한 한 인버터의 AC 단자에 가깝게 적용해야하며, 충분한 단면적의 도체에 대해 가장 짧고 직선적 인 경로를 사용해야합니다. 이 설계 기준을 구현하지 않으면 방전 중에 SPD 회로에서 필요 이상의 전압 강하가 발생하고 보호 장비가 필요 이상으로 높은 과도 전압에 노출됩니다.

PV 설치를위한 DC 서지 보호 장치 고려 사항

근처의 접지 된 구조물 (낙뢰 보호 시스템 포함)에 대한 직접적인 타격과 크기가 100kA 일 수있는 구름 간 및 구름 내 플래시는 PV 시스템 DC 케이블에 과도 전류를 유도하는 관련 자기장을 유발할 수 있습니다. 이러한 과도 전압은 장비 단자에 나타나며 주요 구성 요소의 절연 및 유전 장애를 유발합니다.

SPD를 지정된 위치에 배치하면 이러한 유도 및 부분 번개 전류의 영향이 완화됩니다. SPD는 통전 된 도체와 접지 사이에 병렬로 배치됩니다. 과전압이 발생하면 고 임피던스 장치에서 저임피던스 장치로 상태를 변경합니다. 이 구성에서 SPD는 관련 과도 전류를 방전하여 장비 단자에 존재할 수있는 과전압을 최소화합니다. 이 병렬 장치는 부하 전류를 전달하지 않습니다. 선택한 SPD는 DC PV 전압에 적용 할 수 있도록 특별히 설계, 정격 및 승인을 받아야합니다. 통합 SPD 연결 해제는 AC 애플리케이션에서 찾을 수없는보다 심각한 DC 아크를 차단할 수 있어야합니다.

Y 구성에서 MOV 모듈을 연결하는 것은 600 또는 1,000 Vdc의 최대 개방 회로 전압에서 작동하는 대규모 상용 및 유틸리티 규모 PV 시스템에서 일반적으로 사용되는 SPD 구성입니다. Y의 각 레그에는 각 극과 접지에 연결된 MOV 모듈이 있습니다. 접지되지 않은 시스템에서는 각 극 사이, 극과 접지 사이에 두 개의 모듈이 있습니다. 이 구성에서 각 모듈의 정격은 시스템 전압의 절반이므로 극 대지 오류가 발생하더라도 MOV 모듈은 정격 값을 초과하지 않습니다.

비전 원 시스템 서지 보호 고려 사항

전력 시스템 장비 및 구성 요소가 번개의 영향을 받기 쉬운 것처럼 이러한 설치와 관련된 측정, 제어, 계측, SCADA 및 통신 시스템에서 발견되는 장비도 마찬가지입니다. 이러한 경우 서지 보호의 기본 개념은 전원 회로와 동일합니다. 그러나이 장비는 일반적으로 과전압 임펄스에 대한 내성이 떨어지고 잘못된 신호에 더 취약하고 회로에 직렬 또는 병렬 구성 요소를 추가하여 악영향을 받기 때문에 추가 된 각 SPD의 특성에 더 많은주의를 기울여야합니다. 이러한 구성 요소가 트위스트 페어, CAT 6 이더넷 또는 동축 RF를 통해 통신하는지 여부에 따라 특정 SPD가 필요합니다. 또한 비 전력 회로 용으로 선택된 SPD는 적절한 전압 보호 수준을 제공하고 직렬 임피던스, 라인 대 라인 및 접지 커패시턴스 및 주파수 대역폭을 포함한 시스템의 기능을 방해하지 않도록 장애없이 과도 전류를 방전 할 수 있어야합니다. .

SPD의 일반적인 오용

SPD는 수년 동안 전원 회로에 적용되었습니다. 대부분의 현대 전력 회로는 교류 시스템입니다. 따라서 대부분의 서지 보호 장비는 AC 시스템에서 사용하도록 설계되었습니다. 비교적 최근에 대규모 상용 및 유틸리티 규모 PV 시스템이 도입되고 배치 된 시스템 수가 증가함에 따라 불행히도 ac 시스템 용으로 설계된 SPD의 DC 측에 오용이 발생했습니다. 이러한 경우 SPD는 특히 DC PV 시스템의 특성으로 인해 고장 모드에서 제대로 작동하지 않습니다.

MOV는 SPD 역할을하는 데 탁월한 특성을 제공합니다. 적절하게 평가되고 올바르게 적용되면 해당 기능에 대해 품질 방식으로 수행됩니다. 그러나 모든 전기 제품과 마찬가지로 실패 할 수 있습니다. 고장은 주변 가열, 장치가 처리하도록 설계된 것보다 큰 방전 전류, 너무 많이 방전되거나 지속적인 과전압 조건에 노출되어 발생할 수 있습니다.

따라서 SPD는 필요에 따라 전원이 공급되는 DC 회로에 대한 병렬 연결에서 분리하는 열 작동 차단 스위치로 설계되었습니다. SPD가 고장 모드로 들어가면 일부 전류가 흐르기 때문에 열 차단 스위치가 작동 할 때 약간의 아크가 나타납니다. AC 회로에 적용될 때 발전기 공급 전류의 첫 번째 제로 크로싱은 해당 아크를 소멸하고 SPD는 회로에서 안전하게 제거됩니다. 동일한 AC SPD가 PV 시스템의 DC 측, 특히 고전압에 적용되는 경우 DC 파형에서 전류의 제로 크로싱이 없습니다. 정상적인 열 작동 스위치는 아크 전류를 끌 수 없으며 장치가 작동하지 않습니다.

MOV 주위에 병렬 퓨즈 바이 패스 회로를 배치하는 것은 DC 오류 아크의 소멸을 극복하는 한 가지 방법입니다. 열 차단이 작동하면 개방 접점에 아크가 여전히 나타납니다. 그러나 그 아크 전류는 아크가 꺼지고 퓨즈가 고장 전류를 차단하는 퓨즈를 포함하는 병렬 경로로 리디렉션됩니다.

AC 시스템에 적용될 수있는 SPD 앞의 업스트림 퓨징은 DC 시스템에 적합하지 않습니다. 발전기가 감소 된 전력 출력에있을 때 퓨즈를 작동하는 데 사용할 수있는 단락 전류 (과전류 보호 장치에서와 같이)가 충분하지 않을 수 있습니다. 결과적으로 일부 SPD 제조업체는 설계시이를 고려했습니다. UL은 최신 서지 보호 표준 인 UL 1449를 보완하여 이전 표준을 수정했습니다.이 세 번째 버전은 특히 PV 시스템에 적용됩니다.

SPD 체크리스트

많은 PV 설치가 노출되는 높은 낙뢰 위험에도 불구하고 SPD 및 적절하게 설계된 낙뢰 보호 시스템을 적용하여 보호 할 수 있습니다. 효과적인 SPD 구현에는 다음 고려 사항이 포함되어야합니다.

• 시스템의 올바른 배치
• 해지 요건
• 장비 접지 시스템의 적절한 접지 및 본딩
• 방전 등급
• 전압 보호 수준
• DC 대 AC 애플리케이션을 포함하여 해당 시스템에 대한 적합성
• 실패 모드
• 로컬 및 원격 상태 표시
• 쉽게 교체 가능한 모듈
• 정상적인 시스템 기능, 특히 비 전력 시스템에서는 영향을받지 않아야합니다.