DC-overspenningsvernutstyr for PV-installasjoner

DC-overspenningsvernutstyr for PV-installasjoner PV-Combiner-Box-02

Solcellepanel PV Combiner Box DC overspenningsbeskyttende enhet

Fordi DC-overspenningsbeskyttelsesenheter for PV-installasjoner må være utformet for å gi full eksponering for sollys, er de svært utsatt for lynets effekter. Kapasiteten til et PV-anlegg er direkte relatert til det eksponerte overflatearealet, slik at den potensielle effekten av lynhendelser øker med systemstørrelsen. Hvor belysningsforekomster er hyppige, kan ubeskyttede solcelleanlegg lide gjentatt og betydelig skade på nøkkelkomponenter. Dette resulterer i betydelige reparasjons- og erstatningskostnader, nedetid på systemet og tap av inntekter. Riktig utformede, spesifiserte og installerte overspenningsvernanordninger (SPDer) minimerer potensiell innvirkning av lynhendelser når de brukes sammen med konstruerte lynbeskyttelsessystemer.

Et lynbeskyttelsessystem som inneholder grunnleggende elementer som luftterminaler, riktige nedledere, potensialutjevning for alle strømførende komponenter og riktige jordingsprinsipper, gir en beskyttelsesbeskyttelse mot direkte støt. Hvis det er bekymring for lynrisiko på ditt PV-anlegg, anbefaler jeg på det sterkeste å ansette en profesjonell elektroingeniør med ekspertise på dette feltet for å gi en risikovurderingsstudie og om nødvendig et design av et beskyttelsessystem.

Det er viktig å forstå forskjellen mellom lynbeskyttelsessystemer og SPD-er. Et lynbeskyttelsessystem har som formål å kanalisere et direkte lynnedslag gjennom betydelige strømførende ledere til jorden, og dermed redde strukturer og utstyr fra å være i veien for utslippet eller bli direkte rammet. SPD-er brukes på elektriske systemer for å gi en utladningsbane til jorden for å redde systemanleggets komponenter fra å bli utsatt for høyspenningstransienter forårsaket av direkte eller indirekte effekter av lyn eller avvik fra kraftsystemet. Selv med et eksternt lynbeskyttelsessystem uten SPD-er, kan effekten av lyn fortsatt forårsake store skader på komponenter.

I forbindelse med denne artikkelen antar jeg at en slags lynbeskyttelse er på plass, og undersøker hvilke typer, funksjoner og fordeler ved tilleggsbruk av passende SPD. I forbindelse med et riktig konstruert lynbeskyttelsessystem beskytter bruken av SPD på viktige systemplasser hovedkomponenter som omformere, moduler, utstyr i kombinasjonsbokser og måle-, kontroll- og kommunikasjonssystemer.

Viktigheten av SPD

Bortsett fra konsekvensene av direkte lynnedslag på matriser, er sammenkobling av kraftkabler veldig utsatt for elektromagnetisk induserte transienter. Transienter direkte eller indirekte forårsaket av lyn, så vel som transienter generert av funksjoner for bytte av verktøy, utsetter elektrisk og elektronisk utstyr for svært høye overspenninger med veldig kort varighet (titalls til hundrevis av mikrosekunder). Eksponering for disse forbigående spenningene kan forårsake en katastrofal komponentfeil som kan bli merkbar av mekanisk skade og karbonsporing, eller som ikke kan merkes, men likevel forårsake utstyrs- eller systemfeil.

Langvarig eksponering for transienter med lavere styrke forverrer dielektrisk og isolasjonsmateriale i PV-systemutstyr til det er en endelig sammenbrudd. I tillegg kan spenningstransienter vises på måle-, kontroll- og kommunikasjonskretser. Disse transientene kan se ut til å være feilaktig signal eller informasjon, noe som kan føre til at utstyret ikke fungerer eller stenges. Den strategiske plasseringen av SPD-er reduserer disse problemene fordi de fungerer som kortslutnings- eller klemmenheter.

Tekniske egenskaper ved SPD

Den vanligste SPD-teknologien som brukes i PV-applikasjoner, er metalloksydvaristoren (MOV), som fungerer som en spenningsfastspenningsenhet. Andre SPD-teknologier inkluderer silisiumskreddiode, kontrollerte gnistgap og gassutslippsrør. De to sistnevnte er å bytte enheter som vises som kortslutning eller brekkjern. Hver teknologi har sine egne egenskaper, noe som gjør den mer eller mindre egnet for en bestemt applikasjon. Kombinasjoner av disse enhetene kan også koordineres for å gi mer optimale egenskaper enn de tilbyr individuelt. Tabell 1 viser de viktigste SPD-typene som brukes i solcelleanlegg og beskriver deres generelle driftsegenskaper.

En SPD må kunne endre tilstandene raskt nok for den korte tiden en forbigående er til stede og for å avlaste størrelsen på den forbigående strømmen uten å feile. Enheten må også minimere spenningsfallet over SPD-kretsen for å beskytte utstyret den er koblet til. Til slutt bør ikke SPD-funksjonen forstyrre den normale funksjonen til den kretsen.

SPD-operasjonsegenskaper er definert av flere parametere som den som foretar valget for SPDene, må forstå. Dette emnet krever flere detaljer som kan dekkes her, men følgende er noen parametere som bør vurderes: maksimal kontinuerlig driftsspenning, veksel- eller likestrømsapplikasjon, nominell utladningsstrøm (definert av størrelse og bølgeform), spenningsbeskyttelsesnivå ( terminalspenning som er tilstede når SPD utleder en spesifikk strøm) og midlertidig overspenning (en kontinuerlig overspenning som kan brukes i en bestemt tid uten å skade SPD).

SPD-er som bruker forskjellige komponentteknologier, kan plasseres i de samme kretsene. Imidlertid må de velges med omhu for å sikre energikoordinering mellom dem. Komponentteknologien med høyere utladningsgrad må utløse den største størrelsen på den tilgjengelige transiente strømmen, mens den andre komponentteknologien reduserer den gjenværende transiente spenningen til en lavere størrelse når den avgir en mindre strøm.

SPD må ha en integrert selvbeskyttende enhet som kobler den fra kretsen hvis enheten skulle svikte. For å gjøre denne frakoblingen åpenbar, viser mange SPD-er et flagg som indikerer frakoblingsstatus. Å indikere SPDs status via et integrert hjelpesett med kontakter er en forbedret funksjon som kan gi et signal til et eksternt sted. Et annet viktig produktkarakteristikk å vurdere er om SPD bruker en fingersikker, avtakbar modul som gjør det mulig å bytte ut en mislykket modul uten verktøy eller behovet for å slå strømmen fra kretsen.

AC overspenningsvern for PV -installasjoner

Lyn blinker fra skyer til lynbeskyttelsessystemet, PV-strukturen eller en nærliggende bakke forårsaker en lokal jordpotensialstigning med hensyn til fjerne bakkereferanser. Ledere som strekker seg over disse avstandene utsetter utstyret for betydelige spenninger. Effektene av jordpotensielle stigninger oppleves først og fremst ved tilkoblingspunktet mellom et nettbundet PV-system og verktøyet ved serviceinngangen - det punktet der den lokale bakken er elektrisk koblet til en fjern referert bakke.

Overspenningsvern bør plasseres ved serviceinngangen for å beskytte omformerens verktøyside mot å skade transienter. Transientene som ses på dette stedet er av stor størrelse og varighet, og må derfor håndteres av overspenningsvern med tilstrekkelig høy utladningsstrøm. Kontrollerte gnistgap som brukes i koordinering med MOV er ideelle for dette formålet. Gnistgapsteknologi kan avgi høye lynstrømmer ved å tilveiebringe en ekvipotensiell bindingsfunksjon under lynets forbigående. Den koordinerte MOV har evnen til å klemme restspenningen til et akseptabelt nivå.

I tillegg til effektene av jordpotensialøkning, kan vekselretterens vekselstrømsside påvirkes av lyninduserte og strømbrytere som også vises ved serviceinngangen. For å minimere potensiell skade på utstyret, bør AC-overspenningsvern brukes med en passende grad så nær vekselretterens vekselstrømsklemmer som mulig, med den korteste og retteste veien for ledere med tilstrekkelig tverrsnittsareal. Ikke implementering av dette designkriteriet resulterer i høyere enn nødvendig spenningsfall i SPD-kretsen under utladning og utsetter det beskyttede utstyret for høyere transiente spenninger enn nødvendig.

DC-overspenningsbeskyttelsesenheter for hensyn til PV-installasjoner

Direkte angrep til nærliggende jordede strukturer (inkludert lynbeskyttelsessystemet), og inter- og intra-sky-blits som kan være i størrelsesorden 100 kA, kan forårsake tilhørende magnetfelt som induserer forbigående strømmer til solcelledning fra solcelleanlegg. Disse forbigående spenningene vises ved terminalene på utstyret og forårsaker isolasjon og dielektriske svikt i nøkkelkomponenter.

Plassering av SPD på spesifiserte steder demper effekten av disse induserte og delvise lynstrømmene. SPD er plassert parallelt mellom strømførende ledere og bakken. Den endrer tilstand fra en høyimpedans til en lavimpedans når overspenningen oppstår. I denne konfigurasjonen utleder SPD den tilhørende forbigående strømmen, og minimerer overspenningen som ellers ville være til stede ved utstyrsterminalene. Denne parallelle enheten har ingen belastningsstrøm. Den valgte SPD-en må være spesielt designet, klassifisert og godkjent for anvendelse på DC-spenninger. Den integrerte SPD-frakoblingen må kunne avbryte den mer alvorlige DC-lysbuen, som ikke finnes på AC-applikasjoner.

Tilkobling av MOV-moduler i en Y-konfigurasjon er en vanlig SPD-konfigurasjon på store kommersielle og PV-anlegg i kommersiell skala som opererer med en maksimal åpen kretsspenning på 600 eller 1,000 Vdc. Hvert ben på Y inneholder en MOV-modul som er koblet til hver pol og til jord. I et ujordet system er det to moduler mellom hver pol, og mellom både pol og bakken. I denne konfigurasjonen er hver modul vurdert til halve systemets spenning, så selv om det oppstår en jord-til-jord-feil, overskrider ikke MOV-modulene nominell verdi.

Ikke-kraftige overspenningsvernhensyn

Akkurat som kraftsystemutstyr og komponenter er utsatt for lyneffekter, er det også utstyret som finnes i måle-, kontroll-, instrumenterings-, SCADA- og kommunikasjonssystemene knyttet til disse installasjonene. I disse tilfellene er det grunnleggende konseptet med overspenningsvern det samme som det er på strømkretser. Imidlertid, fordi dette utstyret vanligvis er mindre tolerant for overspenningsimpulser og mer utsatt for feilaktige signaler og for å bli negativt påvirket av tillegg av serier eller parallelle komponenter til kretsene, må det tas større hensyn til egenskapene til hver SPD som er lagt til. Det kreves spesifikke SPD-er i henhold til om disse komponentene kommuniserer gjennom tvunnet par, CAT 6 Ethernet eller koaksial RF. I tillegg må SPD-er valgt for ikke-strømkretser kunne avlaste de forbigående strømene uten svikt, for å gi et tilstrekkelig spenningsbeskyttelsesnivå og avstå fra å forstyrre systemets funksjon - inkludert serieimpedans, linje-til-linje og jordkapasitans og frekvensbåndbredde .

Vanlige feilanvendelser av SPD

SPD har blitt brukt på strømkretser i mange år. De fleste moderne strømkretser er vekselstrømssystemer. Som sådan er det meste overspenningsvernutstyr designet for bruk i vekselstrømssystemer. Den relativt nylige introduksjonen av store kommersielle PV-anlegg og det økende antall installerte systemer har dessverre ført til feil anvendelse på DC-siden av SPD-er designet for vekselstrømsanlegg. I disse tilfellene utfører SPD-ene feil, spesielt i feilmodus, på grunn av egenskapene til DC-solcelleanlegg.

MOV-er gir gode egenskaper for å tjene som SPD-er. Hvis de blir vurdert riktig og brukt riktig, utfører de på en kvalitetsmessig måte for den funksjonen. Som alle elektriske produkter kan de imidlertid mislykkes. Feil kan være forårsaket av omgivelsesoppvarming, utladningsstrømmer som er større enn enheten er designet for å håndtere, utlading for mange ganger eller blir utsatt for kontinuerlige overspenningsforhold.

Derfor er SPD-er designet med en termisk betjent frakoblingsbryter som skiller dem fra den parallelle forbindelsen til den strømførende likestrømskretsen hvis det skulle bli nødvendig. Siden noe strøm strømmer gjennom når SPD går i feilmodus, vises en svak lysbue når termisk frakoblingsbryter fungerer. Når den brukes på en vekselstrømskrets, slukker den første nullkryssingen av den genererte strømmen som buer, og SPD fjernes trygt fra kretsen. Hvis den samme AC SPD påføres likestrømssiden til et PV-system, spesielt høye spenninger, er det ingen nullkryssing av strømmen i en likestrømsbølgeform. Den vanlige termisk betjente bryteren kan ikke slukke lysstrømmen, og enheten svikter.

Å plassere en parallell smeltet bypass-krets rundt MOV er en metode for å overvinne slukkingen av DC-feilbuen. Hvis den termiske frakoblingen fungerer, vises en lysbue fremdeles over åpningskontaktene; men den buestrømmen blir omdirigert til en parallell bane som inneholder en sikring der lysbuen er slukket, og sikringen avbryter feilstrømmen.

Oppstrøms smelting foran SPD, slik det kan brukes på vekselstrømssystemer, er ikke hensiktsmessig på likestrømssystemer. Den tilgjengelige kortslutningsstrømmen for å betjene sikringen (som i en overstrømsbeskyttelsesenhet) er kanskje ikke tilstrekkelig når generatoren har redusert effekt. Som en konsekvens har noen SPD-produsenter tatt hensyn til dette i sin design. UL har modifisert sin tidligere standard med tillegg til den siste overspenningsbeskyttelsesstandarden - UL 1449. Denne tredje utgaven gjelder spesielt for solcelleanlegg.

SPD Sjekkliste

Til tross for den høye lynrisikoen som mange solcelleanlegg utsettes for, kan de beskyttes ved bruk av SPD og et riktig konstruert lynbeskyttelsessystem. Effektiv SPD-implementering bør omfatte følgende hensyn:

  • Riktig plassering i systemet
  • Oppsigelseskrav
  • Riktig jording og liming av utstyrsjordsystemet
  • Utslippsvurdering
  • Spenningsbeskyttelsesnivå
  • Egnethet for det aktuelle systemet, inkludert DC- og AC-applikasjoner
  • Feil modus
  • Lokal og ekstern statusindikasjon
  • Enkelt utskiftbare moduler
  • Normal systemfunksjon bør ikke påvirkes, spesielt på ikke-strømforsyningssystemer