옥상 태양 광 시스템을위한 낙뢰 및 서지 보호
현재 많은 PV 시스템이 설치되어 있습니다. 자가 발전 전기가 일반적으로 더 저렴하고 그리드로부터 높은 수준의 전기 독립성을 제공한다는 사실을 바탕으로 PV 시스템은 미래에 전기 설비의 필수 부분이 될 것입니다. 그러나 이러한 시스템은 모든 기상 조건에 노출되며 수십 년 동안 견뎌야합니다.
PV 시스템의 케이블은 자주 건물에 들어가서 그리드 연결 지점에 도달 할 때까지 장거리로 확장됩니다.
번개 방전은 필드 기반 및 전도성 전기 간섭을 유발합니다. 이 효과는 케이블 길이 또는 도체 루프 증가와 관련하여 증가합니다. 서지는 PV 모듈, 인버터 및 모니터링 전자 장치뿐만 아니라 건물 설비의 장치도 손상시킵니다.
더 중요한 것은 산업 건물의 생산 시설도 쉽게 손상되고 생산이 중단 될 수 있다는 것입니다.
독립형 PV 시스템이라고도하는 전력망에서 멀리 떨어진 시스템에 서지가 주입되면 태양 전기로 구동되는 장비 (예 : 의료 장비, 상수도)의 작동이 중단 될 수 있습니다.
옥상 낙뢰 보호 시스템의 필요성
번개 방전에 의해 방출되는 에너지는 화재의 가장 흔한 원인 중 하나입니다. 따라서 건물에 직접 번개가 치는 경우 개인 및 화재 보호가 가장 중요합니다.
PV 시스템의 설계 단계에서 건물에 낙뢰 보호 시스템이 설치되어 있는지 여부가 분명합니다. 일부 국가의 건물 규정은 공공 건물 (예 : 공공 집회 장소, 학교 및 병원)에 낙뢰 보호 시스템을 갖추도록 요구합니다. 산업 또는 개인 건물의 경우 낙뢰 보호 시스템을 설치해야하는지 여부는 위치, 건축 유형 및 활용도에 따라 다릅니다. 이를 위해 낙뢰가 예상되는지 또는 심각한 결과를 초래할 수 있는지 여부를 결정해야합니다. 보호가 필요한 구조물에는 영구적으로 효과적인 낙뢰 보호 시스템이 제공되어야합니다.
과학 및 기술 지식의 상태에 따르면 PV 모듈을 설치해도 낙뢰 위험이 증가하지 않습니다. 따라서 낙뢰 보호 조치에 대한 요청은 단순한 PV 시스템의 존재에서 직접 파생 될 수 없습니다. 그러나 이러한 시스템을 통해 상당한 번개 간섭이 건물에 주입 될 수 있습니다.
따라서 IEC 62305-2 (EN 62305-2)에 따라 낙뢰로 인한 위험을 결정하고 PV 시스템을 설치할 때이 위험 분석의 결과를 고려해야합니다.
독일 DIN EN 4.5-5 표준의 부록 62305의 섹션 3 (위험 관리)에서는 LPS III (LPL III) 등급 용으로 설계된 낙뢰 보호 시스템이 PV 시스템의 일반적인 요구 사항을 충족한다고 설명합니다. 또한 적절한 낙뢰 보호 조치는 독일 보험 협회에서 발행 한 독일 VdS 2010 지침 (위험 지향 낙뢰 및 서지 보호)에 나열되어 있습니다. 이 지침은 또한 LPL III 및 LPS III 등급에 따른 낙뢰 보호 시스템을 옥상 PV 시스템 (> 10kW)에 설치하도록 요구합니다.p) 및 서지 보호 조치가 취해집니다. 일반적으로 옥상 태양 광 시스템은 기존의 낙뢰 보호 조치를 방해해서는 안됩니다.
PV 시스템을위한 서지 보호의 필요성
번개 방전의 경우 전기 전도체에 서지가 유도됩니다. AC, DC 및 데이터 측에서 보호 할 장치의 업스트림에 설치해야하는 서지 보호 장치 (SPD)는 이러한 파괴적인 전압 피크로부터 전기 시스템을 보호하는 데 매우 효과적인 것으로 입증되었습니다. CENELEC CLC / TS 9.1-50539 표준의 섹션 12 (선택 및 적용 원칙 – 태양 광 설비에 연결된 SPD)은 위험 분석에서 SPD가 필요하지 않다는 것을 입증하지 않는 한 서지 보호 장치의 설치를 요구합니다. IEC 60364-4-44 (HD 60364-4-44) 표준에 따라 상업용 및 산업용 건물 (예 : 농업 시설)과 같은 외부 낙뢰 보호 시스템이없는 건물에도 서지 보호 장치를 설치해야합니다. 독일 DIN EN 5-62305 표준의 부록 3는 SPD 유형 및 설치 장소에 대한 자세한 설명을 제공합니다.
PV 시스템의 케이블 라우팅
케이블은 큰 도체 루프를 방지하는 방식으로 라우팅되어야합니다. 이것은 DC 회로를 결합하여 스트링을 형성하고 여러 스트링을 상호 연결할 때 준수해야합니다. 또한 데이터 또는 센서 라인이 여러 스트링을 통해 라우팅되어서는 안되며 스트링 라인과 함께 큰 도체 루프를 형성해서는 안됩니다. 인버터를 계통 연결에 연결할 때도이를 준수해야합니다. 이러한 이유로 전원 (dc 및 ac) 및 데이터 라인 (예 : 방사선 센서, 수율 모니터링)은 전체 경로를 따라 등전위 본딩 컨덕터와 함께 라우팅되어야합니다.
PV 시스템의 접지
PV 모듈은 일반적으로 금속 장착 시스템에 고정됩니다. DC 측의 활성 PV 구성 요소는 IEC 60364-4-41 표준에서 요구하는 이중 또는 강화 절연 (이전 보호 절연과 비교 가능)이 특징입니다. 모듈과 인버터 측의 수많은 기술의 조합 (예 : 갈바닉 절연 포함 또는 미포함)은 서로 다른 접지 요구 사항을 초래합니다. 또한 인버터에 통합 된 절연 모니터링 시스템은 장착 시스템이 접지에 연결된 경우에만 영구적으로 효과적입니다. 실제 구현에 대한 정보는 독일 DIN EN 5-62305 표준의 부록 3에 제공됩니다. PV 시스템이 수뢰 부 시스템의 보호 된 공간에 위치하고 분리 거리가 유지되는 경우 금속 하부 구조는 기능적으로 접지됩니다. 부록 7의 섹션 5에는 단면적이 6mm 이상인 구리 도체가 필요합니다.2 또는 그에 상응하는 기능 접지 (그림 1). 마운팅 레일은이 단면의 도체를 사용하여 영구적으로 상호 연결되어야합니다. 분리 거리 s를 유지할 수 없기 때문에 장착 시스템이 외부 낙뢰 보호 시스템에 직접 연결되는 경우 이러한 도체는 낙뢰 등전위 본딩 시스템의 일부가됩니다. 따라서 이러한 요소는 낙뢰 전류를 전달할 수 있어야합니다. LPS III 등급 용으로 설계된 낙뢰 보호 시스템의 최소 요구 사항은 단면적이 16mm 인 구리 도체입니다.2 또는 동등한. 또한이 경우 마운팅 레일은이 단면의 도체를 사용하여 영구적으로 상호 연결되어야합니다 (그림 2). 기능적 접지 / 낙뢰 등전위 본딩 컨덕터는 병렬로 그리고 가능한 한 DC 및 AC 케이블 / 라인에 가깝게 배선해야합니다.
UNI 접지 클램프 (그림 3)는 모든 일반 장착 시스템에 고정 할 수 있습니다. 예를 들어, 단면적이 6mm 또는 16mm 인 구리 도체를 연결합니다.2 그리고 낙뢰 전류를 전달할 수있는 방식으로 장착 시스템에 8 ~ 10mm 직경의 나선을 사용합니다. 통합 스테인리스 스틸 (V4A) 접촉 플레이트는 알루미늄 마운팅 시스템의 부식 방지를 보장합니다.
IEC 62305-3 (EN 62305-3)에 따른 분리 거리 s 낙뢰 보호 시스템과 PV 시스템 사이에는 특정 분리 거리가 유지되어야합니다. 이는 외부 낙뢰 보호 시스템에 대한 낙뢰로 인해 인접한 금속 부품으로의 제어되지 않은 섬락을 방지하는 데 필요한 거리를 정의합니다. 최악의 경우, 그러한 통제되지 않은 섬락은 건물에 불을 붙일 수 있습니다. 이 경우 PV 시스템의 손상은 관련이 없습니다.
태양 전지의 핵심 그림자
태양열 발전기와 외부 낙뢰 보호 시스템 사이의 거리는 과도한 음영을 방지하는 데 절대적으로 필요합니다. 예를 들어, 가공선에 의해 드리워지는 확산 그림자는 PV 시스템과 생산량에 큰 영향을주지 않습니다. 그러나 코어 섀도우의 경우 물체 뒤의 표면에 어둡게 윤곽이 뚜렷한 그림자가 드리워져 PV 모듈을 통해 흐르는 전류가 변경됩니다. 이러한 이유로 태양 전지 및 관련 바이 패스 다이오드는 코어 그림자의 영향을받지 않아야합니다. 이것은 충분한 거리를 유지함으로써 달성 될 수 있습니다. 예를 들어, 직경이 10mm 인 수뢰 부 막대가 모듈을 가리는 경우 모듈과의 거리가 멀어짐에 따라 코어 그림자가 꾸준히 감소합니다. 1.08m 이후에는 모듈에 확산 그림자 만 드리워집니다 (그림 4). 독일 DIN EN 5-62305 표준의 부록 A는 핵심 그림자 계산에 대한 자세한 정보를 제공합니다.
태양 광 시스템의 DC A 측을위한 특수 서지 보호 장치
광전지 전류 소스의 U / I 특성은 기존 DC 소스의 특성과 매우 다릅니다. 이들은 비선형 특성 (그림 5)을 가지며 점화 된 아크의 장기적인 지속성을 유발합니다. PV 전류 소스의 이러한 고유 한 특성은 더 큰 PV 스위치 및 PV 퓨즈를 필요로 할뿐만 아니라 이러한 고유 한 특성에 맞게 조정되고 PV 전류에 대처할 수있는 서지 보호 장치 용 단로기도 필요합니다. 독일 DIN EN 5-62305 표준의 부록 3 (하위 섹션 5.6.1, 표 1)는 적절한 SPD 선택에 대해 설명합니다.
유형 1 SPD의 선택을 용이하게하기 위해 표 1 및 2는 필요한 번개 임펄스 전류 전달 능력을 보여줍니다.꼬마 도깨비 LPS 등급에 따라 외부 낙뢰 보호 시스템의 여러 다운 컨덕터와 SPD 유형 (전압 제한 배리스터 기반 피뢰기 또는 전압 전환 스파크 갭 기반 피뢰기). 해당 EN 50539-11 표준을 준수하는 SPD를 사용해야합니다. CENELEC CLC / TS 9.2.2.7-50539의 하위 섹션 12도이 표준을 참조합니다.
PV 시스템 용 유형 1 DC 피뢰기 :
다극 유형 1 + 유형 2 결합 형 DC 피뢰기 FLP7-PV. 이 DC 스위칭 장치는 열 동적 제어 기능이있는 결합 된 분리 및 단락 장치와 바이 패스 경로의 퓨즈로 구성됩니다. 이 회로는 과부하시 발전기 전압에서 피뢰기를 안전하게 분리하고 DC 아크를 확실하게 소멸합니다. 따라서 추가 백업 퓨즈없이 최대 1000A의 PV 발전기를 보호 할 수 있습니다. 이 피뢰기는 낙뢰 전류 피뢰기와 서지 피뢰기를 단일 장치에 결합하여 터미널 장비를 효과적으로 보호합니다. 방전 용량으로 I합계 12.5kA (10 / 350μs)의 최고 등급 LPS에 유연하게 사용할 수 있습니다. FLP7-PV는 전압 U에 사용할 수 있습니다.CPV 600V, 1000V 및 1500V이며 너비는 모듈 3 개뿐입니다. 따라서 FLP7-PV는 태양 광 전력 공급 시스템에 사용하기위한 이상적인 유형 1 결합 피뢰기입니다.
전압 전환 스파크 갭 기반 유형 1 SPD (예 : FLP12,5-PV)는 DC PV 시스템의 경우 부분 번개 전류를 방전 할 수있는 또 다른 강력한 기술입니다. 스파크 갭 기술과 다운 스트림 전자 시스템을 효율적으로 보호 할 수있는 DC 소멸 회로 덕분에이 어 레스터 시리즈는 매우 높은 낙뢰 전류 방전 용량 I합계 시장에서 고유 한 50kA (10 / 350μs)입니다.
PV 시스템 용 유형 2 DC 어 레스터 : SLP40-PV
유형 2 서지 보호 장치를 사용할 때 DC PV 회로에서 SPD의 안정적인 작동도 필수 불가결합니다. 이를 위해 SLP40-PV 시리즈 서지 피뢰기는 내결함성 Y 보호 회로도 갖추고 있으며 추가 백업 퓨즈없이 최대 1000A의 PV 발전기에 연결됩니다.
이러한 어 레스터에 결합 된 수많은 기술은 PV 회로의 절연 결함, 과부하 어 레스터의 화재 위험으로 인한 서지 보호 장치의 손상을 방지하고 PV 시스템의 작동을 방해하지 않고 어 레스터를 안전한 전기 상태로 만듭니다. 보호 회로 덕분에 배리스터의 전압 제한 특성은 PV 시스템의 DC 회로에서도 충분히 사용할 수 있습니다. 또한 영구 활성 서지 보호 장치는 수많은 작은 전압 피크를 최소화합니다.
전압 보호 레벨 U에 따른 SPD 선택p
PV 시스템 측의 DC 작동 전압은 시스템마다 다릅니다. 현재 최대 1500V dc의 값이 가능합니다. 결과적으로 단말 장비의 절연 내력도 다릅니다. PV 시스템이 안정적으로 보호되도록하기 위해 전압 보호 레벨 Up SPD는 보호해야하는 PV 시스템의 절연 내력보다 낮아야합니다. CENELEC CLC / TS 50539-12 표준은 Up이 PV 시스템의 절연 내력보다 최소 20 % 더 낮도록 요구합니다. 유형 1 또는 유형 2 SPD는 터미널 장비의 입력과 에너지 조정되어야합니다. SPD가 이미 터미널 장비에 통합되어있는 경우 제조업체는 유형 2 SPD와 터미널 장비의 입력 회로 간의 조정을 보장합니다.
적용 사례 :
외부 낙뢰 보호 시스템이없는 건물 (상황 A)
그림 12는 외부 낙뢰 보호 시스템이없는 건물에 설치된 PV 시스템의 서지 보호 개념을 보여줍니다. 근처의 낙뢰로 인한 유도 성 커플 링으로 인해 PV 시스템에 위험한 서지가 유입되거나 전원 공급 시스템에서 소비자 설치로의 서비스 입구를 통해 이동합니다. 유형 2 SPD는 다음 위치에 설치됩니다.
– 모듈 및 인버터의 dc 측
– 인버터의 AC 출력
– 메인 저전압 배전반
– 유선 통신 인터페이스
인버터의 모든 DC 입력 (MPP)은 PV 시스템의 DC를 안정적으로 보호하는 유형 2 서지 보호 장치 (예 : SLP40-PV 시리즈)로 보호되어야합니다. CENELEC CLC / TS 50539-12 표준에서는 인버터 입력과 PV 발전기 사이의 거리가 2m를 초과하는 경우 모듈 측에 추가 유형 10 DC 피뢰기를 설치해야합니다.
PV 인버터와 계통 연결 지점 (저전압 인피 드)에서 유형 2 어 레스터 설치 장소 사이의 거리가 10m 미만이면 인버터의 AC 출력이 충분히 보호됩니다. 케이블 길이가 더 긴 경우 추가 유형 2 서지 보호 장치 (예 : SLP40-275 시리즈)를 CENELEC CLC / TS 50539-12에 따라 인버터 입력 AC의 업스트림에 설치해야합니다.
또한 타입 2 SLP40-275 시리즈 서지 보호 장치는 저전압 인피 드 미터의 업스트림에 설치해야합니다. CI (Circuit Interruption)는 어 레스터의 보호 경로에 통합 된 조정 퓨즈를 나타내며 추가 백업 퓨즈없이 AC 회로에서 어 레스터를 사용할 수 있습니다. SLP40-275 시리즈는 모든 저전압 시스템 구성 (TN-C, TN-S, TT)에 사용할 수 있습니다.
인버터가 수율을 모니터링하기 위해 데이터 및 센서 라인에 연결된 경우 적절한 서지 보호 장치가 필요합니다. 예를 들어 들어오고 나가는 데이터 라인을위한 두 쌍의 터미널을 특징으로하는 FLD2 시리즈는 RS 485 기반 데이터 시스템에 사용할 수 있습니다.
외부 낙뢰 보호 시스템과 충분한 이격 거리가있는 건물 (상황 B)
그림 13 는 외부 낙뢰 보호 시스템이 있고 PV 시스템과 외부 낙뢰 보호 시스템 사이에 충분한 이격 거리가있는 PV 시스템의 서지 보호 개념을 보여줍니다.
XNUMX 차 보호 목표는 낙뢰로 인한 인명 및 재산 피해 (건물 화재)를 방지하는 것입니다. 이러한 맥락에서 PV 시스템이 외부 낙뢰 보호 시스템을 방해하지 않는 것이 중요합니다. 또한 PV 시스템 자체는 직접적인 낙뢰로부터 보호되어야합니다. 이는 PV 시스템이 외부 낙뢰 보호 시스템의 보호 된 볼륨에 설치되어야 함을 의미합니다. 이 보호 된 볼륨은 PV 모듈 및 케이블에 대한 직접적인 낙뢰를 방지하는 수뢰 부 시스템 (예 : 수뢰 부로드)에 의해 형성됩니다. 보호 각도 방법 (그림 14) 또는 롤링 스피어 방법 (그림 15) IEC 5.2.2-62305 (EN 3-62305) 표준의 하위 섹션 3에 설명 된대로이 보호 볼륨을 결정하는 데 사용할 수 있습니다. PV 시스템의 모든 전도성 부품과 낙뢰 보호 시스템 사이에는 일정한 이격 거리가 유지되어야합니다. 이러한 맥락에서 코어 그림자는 예를 들어 수뢰 부 봉과 PV 모듈 사이에 충분한 거리를 유지하여 방지해야합니다.
번개 등전위 본딩은 번개 보호 시스템의 필수적인 부분입니다. 번개 전류를 전달할 수있는 건물로 들어가는 모든 전도성 시스템 및 라인에 대해 구현해야합니다. 이는 모든 금속 시스템을 직접 연결하고 유형 1 낙뢰 전류 피뢰기를 통해 모든 전원이 공급되는 시스템을 접지 시스템에 간접적으로 연결함으로써 달성됩니다. 번개 등전위 본딩은 부분적인 번개 전류가 건물로 들어가는 것을 방지하기 위해 건물의 진입 점에 최대한 가깝게 구현되어야합니다. 계통 연결 지점은 다극 스파크 갭 기반 유형 1 SPD (예 : 유형 1 FLP25GR 결합 피뢰기)로 보호되어야합니다. 이 피뢰기는 낙뢰 전류 피뢰기와 서지 피뢰기를 단일 장치에 결합합니다. 어 레스터와 인버터 사이의 케이블 길이가 10m 미만이면 충분한 보호가 제공됩니다. 케이블 길이가 더 긴 경우 CENELEC CLC / TS 2-50539에 따라 추가 유형 12 서지 보호 장치를 인버터 입력 AC의 업스트림에 설치해야합니다.
인버터 입력의 모든 dc는 유형 2 PV 어 레스터 (예 : SLP40-PV 시리즈)에 의해 보호되어야합니다 (그림 16). 이것은 변압기가없는 장치에도 적용됩니다. 예를 들어, 인버터가 수율 모니터링을 위해 데이터 라인에 연결된 경우 데이터 전송을 보호하기 위해 서지 보호 장치를 설치해야합니다. 이를 위해 아날로그 신호 라인 및 RS2와 같은 데이터 버스 시스템에 FLPD485 시리즈를 제공 할 수 있습니다. 유용한 신호의 작동 전압을 감지하고 전압 보호 수준을이 작동 전압으로 조정합니다.
고전압 저항, 절연 HVI 도체
분리 거리를 유지할 수있는 또 다른 방법은 고전압 저항 절연 HVI 도체를 사용하는 것입니다.이 컨덕터는 대기에서 최대 0.9m의 분리 거리를 유지할 수 있습니다. HVI 컨덕터는 밀봉 끝 범위의 하류에서 PV 시스템에 직접 접촉 할 수 있습니다. HVI 컨덕터의 적용 및 설치에 대한 자세한 정보는이 번개 보호 가이드 또는 관련 설치 지침에서 제공됩니다.
이격 거리가 충분하지 않은 외부 낙뢰 보호 시스템이있는 건물 (상황 C)
지붕이 금속으로 만들어 지거나 PV 시스템 자체에 의해 형성된 경우 분리 거리 s를 유지할 수 없습니다. PV 마운팅 시스템의 금속 부품은 낙뢰 전류를 전달할 수있는 방식으로 외부 낙뢰 보호 시스템에 연결해야합니다 (단면적이 16mm 이상인 구리 도체).2 또는 동등한). 이는 외부에서 건물로 들어오는 PV 라인에 대해서도 번개 등전위 본딩을 구현해야 함을 의미합니다 (그림 17). 독일 DIN EN 5-62305 표준 및 CENELEC CLC / TS 3-50539 표준의 부록 12에 따라 DC 라인은 PV 시스템 용 유형 1 SPD로 보호되어야합니다.
이를 위해 유형 1 및 유형 2 FLP7-PV 결합 피뢰기가 사용됩니다. 번개 등전위 본딩은 저전압 인피 드에서도 구현되어야합니다. PV 인버터가 계통 연결 지점에 설치된 유형 10 SPD에서 1m 이상 떨어진 위치에있는 경우 인버터의 AC 측에 추가 유형 1 SPD를 설치해야합니다 (예 : 유형 1 + 유형 2 FLP25GR 결합 피뢰기). 수율 모니터링을 위해 관련 데이터 라인을 보호하려면 적절한 서지 보호 장치도 설치해야합니다. FLD2 시리즈 서지 보호 장치는 예를 들어 RS 485를 기반으로하는 데이터 시스템을 보호하는 데 사용됩니다.
마이크로 인버터가있는 PV 시스템
마이크로 인버터에는 다른 서지 보호 개념이 필요합니다. 이를 위해 모듈의 DC 라인 또는 한 쌍의 모듈이 소형 인버터에 직접 연결됩니다. 이 과정에서 불필요한 도체 루프는 피해야합니다. 이러한 작은 DC 구조로의 유도 결합은 일반적으로 에너지 파괴 가능성이 낮습니다. 마이크로 인버터가있는 PV 시스템의 광범위한 케이블 링은 AC 측에 있습니다 (그림 18). 마이크로 인버터가 모듈에 직접 장착 된 경우 서지 보호 장치는 AC 측에만 설치할 수 있습니다.
– 외부 낙뢰 보호 시스템이없는 건물 = 저전압 인피 드에서 마이크로 인버터 및 SLP2-40에 근접한 교류 / 275 상 전류 용 유형 40 SLP275-XNUMX 어 레스터.
– 외부 낙뢰 보호 시스템과 충분한 이격 거리가있는 건물 s = 타입 2 어 레스터 (예 : SLP40-275), 저전압 인피 드에서 타입 1 어 레스터 (예 : FLP25GR)와 마이크로 인버터와 근접한 낙뢰 전류 전달.
– 외부 낙뢰 보호 시스템이 있고 이격 거리가 충분하지 않은 건물 s = 저전압 인피 드에서 마이크로 인버터 및 낙뢰 전류 전달 유형 1 FLP40GR 어 레스터에 근접한 유형 275 어 레스터 (예 : SLP1-25).
특정 제조업체와는 별도로 마이크로 인버터는 데이터 모니터링 시스템을 갖추고 있습니다. 마이크로 인버터를 통해 데이터가 AC 라인으로 변조되는 경우 별도의 수신 장치에 서지 보호 장치를 제공해야합니다 (데이터 내보내기 / 데이터 처리). 다운 스트림 버스 시스템 및 해당 전압 공급 (예 : 이더넷, ISDN)과의 인터페이스 연결에도 동일하게 적용됩니다.
태양 광 발전 시스템은 오늘날 전기 시스템의 필수적인 부분입니다. 적절한 낙뢰 전류 및 서지 피뢰기를 장착하여 이러한 전기 소스의 장기적인 결함없는 작동을 보장해야합니다.
