DC-overspanningsbeveiligingen voor PV-installaties

Zonnepaneel PV Combiner Box DC-overspanningsbeveiliging

Omdat DC-overspanningsbeveiligingen voor PV-installaties ontworpen moeten zijn om volledige blootstelling aan zonlicht te bieden, zijn ze zeer kwetsbaar voor blikseminslag. De capaciteit van een PV-generator is direct gerelateerd aan het blootgestelde oppervlak, dus de potentiële impact van blikseminslagen neemt toe met de grootte van het systeem. Waar lichtvoorvallen vaak voorkomen, kunnen onbeschermde PV-systemen herhaaldelijk aanzienlijke schade oplopen aan belangrijke componenten. Dit resulteert in aanzienlijke reparatie- en vervangingskosten, systeemuitval en omzetverlies. Goed ontworpen, gespecificeerde en geïnstalleerde overspanningsbeveiligingsapparatuur (SPD's) minimaliseren de mogelijke impact van blikseminslagen bij gebruik in combinatie met ontwikkelde bliksembeveiligingssystemen.

Een bliksembeveiligingssysteem met basiselementen zoals luchtaansluitingen, goede neerwaartse geleiders, potentiaalvereffening voor alle stroomvoerende componenten en de juiste aardingsprincipes, biedt bescherming tegen directe inslagen. Als u zich zorgen maakt over het risico op blikseminslag op uw PV-locatie, raad ik u ten zeerste aan om een ​​professionele elektrotechnisch ingenieur met expertise op dit gebied in te huren om een ​​risicobeoordelingsstudie en, indien nodig, een ontwerp van een beveiligingssysteem uit te voeren.

Het is belangrijk om het verschil tussen bliksembeveiligingssystemen en SPD's te begrijpen. Het doel van een bliksembeveiligingssysteem is om een ​​directe blikseminslag door substantiële stroomvoerende geleiders naar de aarde te leiden, waardoor wordt voorkomen dat constructies en apparatuur in het pad van die ontlading komen of direct worden geraakt. SPD's worden toegepast op elektrische systemen om een ​​ontladingspad naar de aarde te bieden om te voorkomen dat de componenten van die systemen worden blootgesteld aan hoogspanningstransiënten die worden veroorzaakt door de directe of indirecte effecten van blikseminslag of afwijkingen in het stroomsysteem. Zelfs met een extern bliksembeveiligingssysteem, zonder SPD's, kunnen de effecten van blikseminslag nog steeds grote schade aan componenten veroorzaken.

Voor de toepassing van dit artikel ga ik ervan uit dat er een of andere vorm van bliksembeveiliging aanwezig is en onderzoek ik de typen, functie en voordelen van het aanvullende gebruik van geschikte SPD's. In combinatie met een goed ontworpen bliksembeveiligingssysteem beschermt het gebruik van SPD's op belangrijke systeemlocaties belangrijke componenten zoals omvormers, modules, apparatuur in combinatiekasten en meet-, regel- en communicatiesystemen.

Het belang van SPD's

Afgezien van de gevolgen van directe blikseminslagen op de arrays, zijn onderling verbonden stroomkabels zeer gevoelig voor elektromagnetisch geïnduceerde transiënten. Transiënten die direct of indirect door bliksem worden veroorzaakt, evenals transiënten die worden gegenereerd door schakelfuncties van nutsvoorzieningen, stellen elektrische en elektronische apparatuur bloot aan zeer hoge overspanningen van zeer korte duur (tientallen tot honderden microseconden). Blootstelling aan deze transiënte spanningen kan een catastrofale componentstoring veroorzaken die kan worden opgemerkt door mechanische schade en het volgen van koolstof of die niet kan worden opgemerkt, maar toch een storing in de apparatuur of het systeem kan veroorzaken.

Langdurige blootstelling aan transiënten met een lagere omvang verslechtert diëlektrisch en isolatiemateriaal in PV-systeemapparatuur totdat er een definitieve storing is. Bovendien kunnen er spanningstransiënten optreden op meet-, regel- en communicatiecircuits. Deze transiënten kunnen onjuiste signalen of informatie lijken, waardoor apparatuur defect raakt of wordt uitgeschakeld. De strategische plaatsing van SPD's vermindert deze problemen omdat ze functioneren als kortsluit- of klemapparatuur.

Technische kenmerken van SPD's

De meest voorkomende SPD-technologie die in PV-toepassingen wordt gebruikt, is de metaaloxidevaristor (MOV), die functioneert als een spanningsklemapparaat. Andere SPD-technologieën zijn de siliciumlawinediode, gecontroleerde vonkbruggen en gasontladingsbuizen. De laatste twee zijn schakelapparaten die verschijnen als kortsluiting of breekijzers. Elke technologie heeft zijn eigen kenmerken, waardoor deze min of meer geschikt is voor een specifieke toepassing. Combinaties van deze apparaten kunnen ook worden gecoördineerd om meer optimale eigenschappen te bieden dan ze afzonderlijk bieden. Tabel 1 geeft een overzicht van de belangrijkste SPD-typen die in PV-systemen worden gebruikt en geeft hun algemene bedrijfskenmerken weer.

Een SPD moet in staat zijn om snel genoeg van toestand te veranderen voor de korte tijd dat een transiënt aanwezig is en om de grootte van de transiënte stroom te ontladen zonder te falen. Het apparaat moet ook de spanningsval over het SPD-circuit minimaliseren om de apparatuur waarop het is aangesloten te beschermen. Ten slotte mag de SPD-functie de normale functie van dat circuit niet verstoren.

De werkingskenmerken van SPD worden bepaald door verschillende parameters die degene die de selectie voor de SPD's maakt, moet begrijpen. Dit onderwerp vereist meer details die hier kunnen worden behandeld, maar de volgende zijn enkele parameters waarmee rekening moet worden gehouden: maximale continue bedrijfsspanning, AC- of DC-toepassing, nominale ontlaadstroom (gedefinieerd door een grootte en golfvorm), spanningsbeveiligingsniveau (de klemspanning die aanwezig is wanneer de SPD een specifieke stroom ontlaadt) en tijdelijke overspanning (een continue overspanning die gedurende een bepaalde tijd kan worden toegepast zonder de SPD te beschadigen).

SPD's die verschillende componenttechnologieën gebruiken, kunnen in dezelfde circuits worden geplaatst. Ze moeten echter met zorg worden geselecteerd om de onderlinge energiecoördinatie te waarborgen. De componenttechnologie met de hogere ontladingsclassificatie moet de grootste omvang van de beschikbare tijdelijke stroom ontladen, terwijl de andere componenttechnologie de resterende transiënte spanning terugbrengt tot een lagere grootte omdat deze een kleinere stroom ontlaadt.

De SPD moet een integraal zelfbeschermend apparaat hebben dat het loskoppelt van het circuit als het apparaat defect raakt. Om deze verbroken verbinding duidelijk te maken, geven veel SPD's een vlag weer die de loskoppelingsstatus aangeeft. Het aangeven van de status van de SPD via een ingebouwde set hulpcontacten is een verbeterde functie die een signaal naar een externe locatie kan sturen. Een ander belangrijk productkenmerk om te overwegen is of de SPD gebruikmaakt van een vingerveilige, verwijderbare module waarmee een defecte module eenvoudig kan worden vervangen zonder gereedschap of dat het circuit spanningsloos moet worden gemaakt.

Overwegingen voor AC-overspanningsbeveiligingen voor PV-installaties

Bliksemflitsen van wolken naar het bliksembeveiligingssysteem, de PV-constructie of een nabijgelegen grond veroorzaken een lokale aardpotentiaalstijging met betrekking tot verre grondreferenties. Geleiders die deze afstanden overspannen, stellen apparatuur bloot aan aanzienlijke spanningen. De effecten van aardpotentiaalstijgingen worden voornamelijk ervaren op het punt van verbinding tussen een netgekoppeld PV-systeem en de voorziening bij de dienstingang - het punt waar de lokale aarde elektrisch is verbonden met een verre referentie-aarde.

Bij de service-ingang moet een overspanningsbeveiliging worden geplaatst om de nutszijde van de omvormer te beschermen tegen schadelijke transiënten. De transiënten die op deze locatie worden waargenomen, zijn van hoge grootte en duur en moeten daarom worden beheerd door overspanningsbeveiliging met geschikte hoge ontlaadstroomwaarden. Gecontroleerde vonkbruggen die in coördinatie met MOV's worden gebruikt, zijn hiervoor ideaal. Spark gap-technologie kan hoge bliksemstromen afvoeren door een equipotentiaalvereffeningsfunctie te bieden tijdens de bliksemovergang. De gecoördineerde MOV heeft de mogelijkheid om de restspanning op een acceptabel niveau te brengen.

Naast de effecten van een stijging van het aardpotentiaal, kan de wisselstroomzijde van de omvormer worden beïnvloed door blikseminslaggeïnduceerde transiënten en transiënten van het schakelen van het elektriciteitsnet die ook verschijnen bij de service-ingang. Om mogelijke schade aan apparatuur tot een minimum te beperken, moet een geschikte AC-overspanningsbeveiliging worden toegepast zo dicht mogelijk bij de AC-klemmen van de omvormer, met de kortste en meest rechte route voor geleiders met voldoende dwarsdoorsnede. Het niet implementeren van dit ontwerpcriterium resulteert in een hoger dan noodzakelijke spanningsval in het SPD-circuit tijdens ontlading en stelt de beschermde apparatuur bloot aan hogere transiënte spanningen dan nodig.

Overwegingen voor DC-overspanningsbeveiligingen voor PV-installaties

Directe aanvallen op nabijgelegen geaarde structuren (inclusief het bliksembeveiligingssysteem), en inter- en intra-cloud flitsen die een grootte van 100 kA kunnen hebben, kunnen bijbehorende magnetische velden veroorzaken die transiënte stromen induceren in de DC-bekabeling van het PV-systeem. Deze transiënte spanningen verschijnen op apparatuurterminals en veroorzaken isolatie- en diëlektrische storingen van belangrijke componenten.

Door SPD's op gespecificeerde locaties te plaatsen, wordt het effect van deze geïnduceerde en gedeeltelijke bliksemstromen verminderd. De SPD wordt parallel tussen de bekrachtigde geleiders en aarde geplaatst. Het verandert de status van een apparaat met hoge impedantie naar een apparaat met lage impedantie wanneer de overspanning optreedt. In deze configuratie ontlaadt de SPD de bijbehorende tijdelijke stroom, waardoor de overspanning die anders aanwezig zou zijn op de apparatuuraansluitingen wordt geminimaliseerd. Dit parallelle apparaat voert geen laadstroom. De geselecteerde SPD moet specifiek zijn ontworpen, geclassificeerd en goedgekeurd voor toepassing op PV-gelijkstroomspanningen. De integrale SPD-ontkoppeling moet de ernstigere gelijkstroomboog kunnen onderbreken, die niet wordt aangetroffen bij wisselstroomtoepassingen.

Het aansluiten van MOV-modules in een Y-configuratie is een veelgebruikte SPD-configuratie op grote commerciële PV-systemen en op utiliteitsschaal die werken met een maximale nullastspanning van 600 of 1,000 Vdc. Elke poot van de Y bevat een MOV-module die is aangesloten op elke pool en op aarde. In een ongeaard systeem bevinden zich twee modules tussen elke pool en tussen zowel pool als aarde. In deze configuratie is elke module geschikt voor de helft van de systeemspanning, dus zelfs als er een pool-naar-aarde-fout optreedt, overschrijden de MOV-modules hun nominale waarde niet.

Overwegingen voor overspanningsbeveiliging bij niet-stroomvoorziening

Net zoals apparatuur en componenten van voedingssystemen gevoelig zijn voor blikseminslag, is dat ook de apparatuur die wordt aangetroffen in de meet-, regel-, instrumentatie-, SCADA- en communicatiesystemen die bij deze installaties horen. In deze gevallen is het basisconcept van overspanningsbeveiliging hetzelfde als bij stroomcircuits. Omdat deze apparatuur echter meestal minder tolerant is voor overspanningsimpulsen en gevoeliger is voor foutieve signalen en nadelig wordt beïnvloed door de toevoeging van series of parallelle componenten aan de circuits, moet er meer aandacht worden besteed aan de kenmerken van elke toegevoegde SPD. Afhankelijk van het feit of deze componenten communiceren via twisted pair, CAT 6 Ethernet of coaxiale RF, zijn specifieke SPD's vereist. Bovendien moeten SPD's die zijn geselecteerd voor niet-stroomcircuits in staat zijn om de transiënte stromen zonder storing te ontladen, om een ​​adequaat spanningsbeschermingsniveau te bieden en zich te onthouden van interferentie met de functie van het systeem - inclusief serie-impedantie, lijn-naar-lijn en aarde capaciteit en frequentiebandbreedte .

Veelvoorkomende verkeerde toepassingen van SPD's

SPD's worden al jaren toegepast op stroomcircuits. De meeste hedendaagse stroomcircuits zijn wisselstroomsystemen. Als zodanig zijn de meeste overspanningsbeveiligingsapparatuur ontworpen voor gebruik in wisselstroomsystemen. De relatief recente introductie van grote commerciële en utilitaire PV-systemen en het toenemende aantal systemen dat wordt ingezet, heeft helaas geleid tot de verkeerde toepassing op de gelijkstroomzijde van SPD's die zijn ontworpen voor wisselstroomsystemen. In deze gevallen presteren de SPD's niet naar behoren, vooral tijdens hun storingsmodus, vanwege de kenmerken van DC PV-systemen.

MOV's bieden uitstekende eigenschappen om als SPD's te dienen. Als ze correct worden beoordeeld en correct worden toegepast, presteren ze op een kwaliteitsvolle manier voor die functie. Zoals alle elektrische producten kunnen ze echter defect raken. Een storing kan worden veroorzaakt door omgevingsverwarming, het ontladen van stromen die groter zijn dan waarvoor het apparaat is ontworpen, het te vaak ontladen of wordt blootgesteld aan continue overspanningscondities.

Daarom zijn SPD's ontworpen met een thermisch bediende ontkoppelingsschakelaar die ze scheidt van de parallelle verbinding met het bekrachtigde gelijkstroomcircuit, mocht dat nodig zijn. Aangezien er wat stroom doorstroomt wanneer de SPD in de storingsmodus komt, verschijnt er een lichte boog wanneer de thermische ontkoppelingsschakelaar in werking treedt. Wanneer toegepast op een wisselstroomcircuit, dooft de eerste nuldoorgang van de door de generator geleverde stroom die boog en wordt de SPD veilig uit het circuit verwijderd. Als dezelfde wisselstroom-SPD wordt toegepast op de gelijkstroomzijde van een PV-systeem, met name hoge spanningen, is er geen nuldoorgang van de stroom in een gelijkstroomgolfvorm. De normale thermisch bediende schakelaar kan de boogstroom niet doven en het apparaat valt uit.

Het plaatsen van een parallel gezekerd bypass-circuit rond de MOV is een methode om het uitdoven van de DC-foutboog te voorkomen. Mocht de thermische ontkoppeling werken, dan verschijnt er nog steeds een boog over de openende contacten; maar die boogstroom wordt omgeleid naar een parallel pad met een zekering waar de boog wordt gedoofd, en de zekering onderbreekt de foutstroom.

Stroomopwaarts fuseren vóór de SPD, zoals kan worden toegepast op wisselstroomsystemen, is niet geschikt op gelijkstroomsystemen. De kortsluitstroom die beschikbaar is om de zekering te laten werken (zoals bij een overstroombeveiliging) is mogelijk niet voldoende wanneer de generator een verminderd uitgangsvermogen heeft. Als gevolg hiervan hebben sommige SPD-fabrikanten hier bij hun ontwerp rekening mee gehouden. UL heeft zijn eerdere standaard gewijzigd door zijn aanvulling op de nieuwste norm voor overspanningsbeveiliging - UL 1449. Deze derde editie is specifiek van toepassing op PV-systemen.

SPD-controlelijst

Ondanks het hoge bliksemrisico waaraan veel PV-installaties worden blootgesteld, kunnen ze worden beschermd door de toepassing van SPD's en een goed ontworpen bliksembeveiligingssysteem. Effectieve SPD-implementatie dient de volgende overwegingen te omvatten:

• Correcte plaatsing in het systeem
• Beëindigingsvereisten
• Correcte aarding en verbinding van het apparaat-aardingssysteem
• Ontladingsclassificatie
• Voltage beveiligingsniveau
• Geschiktheid voor het betreffende systeem, inclusief gelijkstroom- versus wisselstroomtoepassingen
• Faal modus
• Lokale en externe statusindicatie
• Gemakkelijk vervangbare modules
• De normale systeemfunctie mag niet worden beïnvloed, met name op systemen zonder stroomvoorziening