Urządzenia przeciwprzepięciowe DC do instalacji PV

Panel słoneczny PV Combiner Box DC Urządzenie przeciwprzepięciowe

Ponieważ urządzenia ochrony przeciwprzepięciowej DC dla instalacji PV muszą być zaprojektowane tak, aby zapewnić pełną ekspozycję na światło słoneczne, są one wysoce podatne na skutki wyładowań atmosferycznych. Wydajność panelu fotowoltaicznego jest bezpośrednio związana z jego odsłoniętą powierzchnią, więc potencjalny wpływ wyładowań atmosferycznych rośnie wraz z rozmiarem systemu. Tam, gdzie często występuje oświetlenie, niezabezpieczone systemy fotowoltaiczne mogą doznać powtarzających się i znacznych uszkodzeń kluczowych komponentów. Powoduje to znaczne koszty napraw i wymiany, przestoje systemu i utratę przychodów. Prawidłowo zaprojektowane, wyspecyfikowane i zainstalowane urządzenia ochrony przeciwprzepięciowej (SPD) minimalizują potencjalny wpływ wyładowań atmosferycznych w połączeniu z zaprojektowanymi systemami ochrony odgromowej.

System ochrony odgromowej, który zawiera podstawowe elementy, takie jak odgromniki, odpowiednie przewody odprowadzające, wyrównanie potencjałów dla wszystkich elementów przewodzących prąd i prawidłowe zasady uziemienia, zapewnia ochronę przed uderzeniami bezpośrednimi. Jeśli istnieje jakikolwiek obawa przed ryzykiem wyładowania atmosferycznego w Twojej instalacji fotowoltaicznej, zdecydowanie polecam zatrudnienie profesjonalnego inżyniera elektryka z doświadczeniem w tej dziedzinie, który przeprowadzi badanie oceny ryzyka i projekt systemu ochrony, jeśli to konieczne.

Ważne jest, aby zrozumieć różnicę między systemami ochrony odgromowej a SPD. Celem systemu ochrony odgromowej jest skierowanie bezpośredniego uderzenia pioruna przez istotne przewodniki przewodzące prąd do ziemi, chroniąc w ten sposób konstrukcje i wyposażenie przed znajdowaniem się na drodze tego wyładowania lub bezpośrednim uderzeniem. SPD są stosowane w systemach elektrycznych w celu zapewnienia ścieżki wyładowań do ziemi, aby chronić elementy tych systemów przed narażeniem na przepięcia wysokiego napięcia spowodowane bezpośrednimi lub pośrednimi skutkami wyładowań atmosferycznych lub anomalii systemu elektroenergetycznego. Nawet przy zainstalowanym zewnętrznym systemie ochrony odgromowej, bez SPD, skutki wyładowania atmosferycznego mogą nadal powodować poważne uszkodzenia komponentów.

Na potrzeby tego artykułu zakładam, że istnieje jakaś forma ochrony odgromowej i badam rodzaje, funkcje i zalety dodatkowego zastosowania odpowiednich SPD. W połączeniu z odpowiednio zaprojektowanym systemem ochrony odgromowej, użycie SPD w kluczowych lokalizacjach systemu chroni główne komponenty, takie jak falowniki, moduły, sprzęt w skrzynkach łączeniowych oraz systemy pomiarowe, sterujące i komunikacyjne.

Znaczenie SPD

Oprócz konsekwencji bezpośrednich uderzeń pioruna w tablice, okablowanie łączące jest bardzo podatne na stany nieustalone indukowane elektromagnetycznie. Stany nieustalone spowodowane bezpośrednio lub pośrednio przez wyładowania atmosferyczne, a także stany nieustalone generowane przez funkcje przełączania sieci, narażają sprzęt elektryczny i elektroniczny na bardzo wysokie przepięcia o bardzo krótkim czasie trwania (od dziesiątek do setek mikrosekund). Narażenie na te przejściowe napięcia może spowodować katastrofalną awarię elementu, która może być zauważalna przez uszkodzenia mechaniczne i ślad węglowy lub być niezauważalna, ale nadal powoduje awarię sprzętu lub systemu.

Długotrwałe narażenie na stany przejściowe o niższej wartości powoduje pogorszenie stanu dielektryka i materiału izolacyjnego w urządzeniach systemu PV, aż do ostatecznej awarii. Ponadto stany nieustalone napięcia mogą pojawiać się w obwodach pomiarowych, sterujących i komunikacyjnych. Te stany nieustalone mogą wydawać się błędnymi sygnałami lub informacjami, powodującymi nieprawidłowe działanie lub wyłączenie sprzętu. Strategiczne rozmieszczenie SPD łagodzi te problemy, ponieważ działają one jako urządzenia zwierające lub zaciskające.

Charakterystyka techniczna SPD

Najpopularniejszą technologią SPD używaną w zastosowaniach PV jest warystor z tlenku metalu (MOV), który działa jako urządzenie do mocowania napięcia. Inne technologie SPD obejmują krzemową diodę lawinową, kontrolowane iskierniki i lampy wyładowcze. Dwa ostatnie to urządzenia przełączające, które wyglądają jak zwarcia lub łomy. Każda technologia ma swoją własną charakterystykę, co czyni ją mniej lub bardziej odpowiednią do określonego zastosowania. Kombinacje tych urządzeń można również koordynować, aby zapewnić bardziej optymalne właściwości niż oferują one indywidualnie. W tabeli 1 wymieniono główne typy SPD stosowane w systemach PV i wyszczególniono ich ogólne właściwości operacyjne.

SPD musi być w stanie zmieniać stany wystarczająco szybko przez krótki czas, w którym występuje stan przejściowy, i rozładowywać wielkość prądu przejściowego bez awarii. Urządzenie musi również minimalizować spadek napięcia w obwodzie SPD, aby chronić sprzęt, do którego jest podłączony. Wreszcie, funkcja SPD nie powinna zakłócać normalnego funkcjonowania tego obwodu.

Charakterystyka działania SPD jest definiowana przez kilka parametrów, które każdy, kto dokonuje wyboru SPD, musi zrozumieć. Temat ten wymaga więcej szczegółów, które można tutaj omówić, ale należy wziąć pod uwagę następujące parametry: maksymalne napięcie pracy ciągłej, zastosowanie AC lub DC, nominalny prąd rozładowania (określony przez wielkość i przebieg), poziom ochrony napięcia ( napięcie na zaciskach, które jest obecne, gdy SPD rozładowuje określony prąd) i tymczasowe przepięcie (ciągłe przepięcie, które może być stosowane przez określony czas bez uszkodzenia SPD).

SPD wykorzystujące różne technologie komponentów mogą być umieszczone w tych samych obwodach. Jednak należy je wybierać ostrożnie, aby zapewnić koordynację energetyczną między nimi. Technologia komponentów o wyższej wartości znamionowej rozładowania musi odprowadzać największą wielkość dostępnego prądu przejściowego, podczas gdy technologia innych komponentów zmniejsza napięcie szczątkowe przejściowe do niższej wartości, ponieważ odprowadza mniejszy prąd.

SPD musi mieć wbudowane samoochronne urządzenie, które odłącza go od obwodu w przypadku awarii urządzenia. Aby to rozłączenie było widoczne, wiele SPD wyświetla flagę wskazującą stan rozłączenia. Wskazywanie stanu SPD za pomocą zintegrowanego zestawu styków pomocniczych jest ulepszoną funkcją, która może dostarczać sygnał do zdalnej lokalizacji. Inną ważną cechą produktu, którą należy wziąć pod uwagę, jest to, czy SPD wykorzystuje bezpieczny dla palców, wyjmowany moduł, który umożliwia łatwą wymianę uszkodzonego modułu bez narzędzi lub konieczności odłączenia zasilania obwodu.

Uwagi dotyczące ochrony przeciwprzepięciowej AC dla instalacji fotowoltaicznych

Błyskawice z chmur do systemu ochrony odgromowej, konstrukcji PV lub pobliskiego gruntu powodują lokalny wzrost potencjału ziemi w odniesieniu do odległych odniesień do ziemi. Przewody rozciągające się na te odległości narażają sprzęt na działanie znacznych napięć. Skutki wzrostu potencjału ziemi są przede wszystkim odczuwane w punkcie połączenia między systemem fotowoltaicznym podłączonym do sieci a zakładem użyteczności publicznej przy wejściu serwisowym - w punkcie, w którym lokalna ziemia jest elektrycznie podłączona do odległego uziemienia odniesienia.

Ochronę przeciwprzepięciową należy umieścić na wejściu serwisowym, aby chronić stronę użytkową falownika przed uszkodzeniami przejściowymi. Stany nieustalone obserwowane w tym miejscu mają dużą wielkość i czas trwania i dlatego muszą być zarządzane przez ochronę przeciwprzepięciową z odpowiednio wysokimi wartościami znamionowymi prądu rozładowania. Do tego celu idealnie nadają się kontrolowane iskierniki używane w połączeniu z MOV. Technologia iskiernika może rozładować wysokie prądy piorunowe, zapewniając funkcję wyrównania potencjałów podczas przejściowego wyładowania atmosferycznego. Skoordynowany MOV ma możliwość ograniczenia napięcia resztkowego do akceptowalnego poziomu.

Oprócz skutków wzrostu potencjału ziemi, na stronę prądu przemiennego falownika mogą wpływać stany nieustalone wywołane wyładowaniami atmosferycznymi i przełączaniem sieci, które również pojawiają się na wejściu serwisowym. Aby zminimalizować potencjalne uszkodzenia sprzętu, należy zastosować odpowiednio znamionowe zabezpieczenie przeciwprzepięciowe AC jak najbliżej zacisków AC falownika, z jak najkrótszą i najprostszą trasą dla przewodów o wystarczającej powierzchni przekroju. Brak realizacji tego kryterium projektowego skutkuje większym niż konieczny spadkiem napięcia w obwodzie SPD podczas rozładowania i naraża chroniony sprzęt na wyższe napięcia przejściowe niż to konieczne.

Uwagi dotyczące ochrony przeciwprzepięciowej DC do instalacji fotowoltaicznych

Bezpośrednie uderzenia w pobliskie uziemione struktury (w tym system ochrony odgromowej) oraz wyładowania między chmurami i wewnątrz chmur, które mogą mieć wielkość 100 kA, mogą powodować powiązane pola magnetyczne, które indukują prądy przejściowe w okablowaniu DC systemu PV. Te przejściowe napięcia pojawiają się na zaciskach urządzeń i powodują uszkodzenia izolacji i dielektryczne kluczowych komponentów.

Umieszczenie SPD w określonych lokalizacjach zmniejsza wpływ tych indukowanych i częściowych prądów piorunowych. SPD jest umieszczany równolegle między przewodami pod napięciem a uziemieniem. Zmienia stan z urządzenia o wysokiej impedancji na urządzenie o niskiej impedancji, gdy wystąpi przepięcie. W tej konfiguracji SPD rozładowuje powiązany prąd przejściowy, minimalizując przepięcie, które w przeciwnym razie występowałoby na zaciskach sprzętu. To równoległe urządzenie nie przenosi żadnego prądu obciążenia. Wybrane SPD musi być specjalnie zaprojektowane, ocenione i zatwierdzone do stosowania przy napięciach DC PV. Wbudowany rozłącznik SPD musi być w stanie przerwać ostrzejszy łuk prądu stałego, który nie występuje w zastosowaniach prądu przemiennego.

Podłączanie modułów MOV w konfiguracji Y jest powszechnie stosowaną konfiguracją SPD w dużych komercyjnych i użytkowych systemach fotowoltaicznych pracujących przy maksymalnym napięciu obwodu otwartego 600 lub 1,000 V DC. Każda noga Y zawiera moduł MOV podłączony do każdego bieguna i uziemienia. W systemie nieuziemionym znajdują się dwa moduły między każdym biegunem i między biegunem a uziemieniem. W tej konfiguracji każdy moduł jest oceniany na połowę napięcia systemu, więc nawet jeśli wystąpi zwarcie między biegunami a ziemią, moduły MOV nie przekraczają swojej wartości znamionowej.

Uwagi dotyczące ochrony przeciwprzepięciowej systemu niezwiązanego z zasilaniem

Tak jak urządzenia i komponenty systemu elektroenergetycznego są podatne na skutki wyładowań atmosferycznych, tak samo sprzęt znajdujący się w systemach pomiarowych, sterowniczych, oprzyrządowaniu, SCADA i systemach komunikacyjnych związanych z tymi instalacjami. W takich przypadkach podstawowa koncepcja ochrony przed przepięciami jest taka sama, jak w przypadku obwodów mocy. Jednakże, ponieważ sprzęt ten jest zwykle mniej tolerancyjny na impulsy przepięciowe i bardziej podatny na błędne sygnały i niekorzystny wpływ dodawania elementów szeregowych lub równoległych do obwodów, należy zwrócić większą uwagę na charakterystykę każdego dodanego SPD. Wymagane są określone SPD w zależności od tego, czy te komponenty komunikują się za pomocą skrętki, CAT 6 Ethernet lub koncentrycznego RF. Ponadto SPD wybrane do obwodów bez zasilania muszą być w stanie rozładować prądy przejściowe bez awarii, aby zapewnić odpowiedni poziom ochrony napięcia i nie zakłócać funkcji systemu - w tym impedancji szeregowej, pojemności międzyprzewodowej i uziemienia oraz szerokości pasma częstotliwości .

Częste niewłaściwe zastosowania SPD

SPD są stosowane w obwodach mocy od wielu lat. Większość współczesnych obwodów mocy to systemy prądu przemiennego. W związku z tym większość urządzeń ochrony przed przepięciami została zaprojektowana do użytku w systemach prądu przemiennego. Stosunkowo niedawne wprowadzenie dużych systemów fotowoltaicznych na skalę komercyjną i użytkową oraz rosnąca liczba wdrożonych systemów doprowadziły niestety do niewłaściwego zastosowania po stronie prądu stałego SPD zaprojektowanych do systemów prądu przemiennego. W takich przypadkach SPD działają nieprawidłowo, zwłaszcza w trybie awaryjnym, ze względu na charakterystykę systemów DC PV.

MOV zapewniają doskonałe właściwości do pełnienia funkcji SPD. Jeśli są odpowiednio ocenione i zastosowane prawidłowo, spełniają swoją funkcję w sposób jakościowy. Jednak, podobnie jak wszystkie produkty elektryczne, mogą zawieść. Awaria może być spowodowana nagrzaniem otoczenia, prądami rozładowania, które są większe niż urządzenie jest przystosowane do obsługi, zbyt częstym rozładowaniem lub narażeniem na ciągłe przepięcia.

Dlatego SPD są zaprojektowane z wyłącznikiem termicznym, który oddziela je od równoległego połączenia z zasilanym obwodem prądu stałego, jeśli zajdzie taka potrzeba. Ponieważ część prądu przepływa, gdy SPD przechodzi w stan awarii, podczas pracy wyłącznika termicznego pojawia się niewielki łuk. W przypadku zastosowania w obwodzie prądu przemiennego pierwsze przejście przez zero prądu dostarczanego przez generator wygasza ten łuk, a SPD jest bezpiecznie usuwany z obwodu. Jeśli ten sam SPD AC zostanie przyłożony do strony prądu stałego systemu fotowoltaicznego, zwłaszcza przy wysokich napięciach, nie ma przejścia przez zero prądu w przebiegu prądu stałego. Zwykły wyłącznik termiczny nie może ugasić prądu łuku i urządzenie ulega awarii.

Umieszczenie równoległego obwodu obejściowego z bezpiecznikiem wokół MOV jest jedną z metod przezwyciężenia gaszenia łuku zwarciowego prądu stałego. Gdyby zadziałał odłącznik termiczny, łuk nadal pojawia się na jego stykach otwierających; ale ten prąd łuku jest przekierowywany na ścieżkę równoległą zawierającą bezpiecznik, w którym łuk gaśnie, a bezpiecznik przerywa prąd zwarciowy.

Bezpiecznik przed SPD, który może być stosowany w systemach prądu przemiennego, nie jest odpowiedni w systemach prądu stałego. Dostępny prąd zwarciowy do zadziałania bezpiecznika (jak w urządzeniu nadprądowym) może nie być wystarczający, gdy generator ma zmniejszoną moc wyjściową. W konsekwencji niektórzy producenci SPD uwzględnili to w swoich projektach. UL zmodyfikował swój wcześniejszy standard, uzupełniając najnowszą normę ochrony przed przepięciami - UL 1449. To trzecie wydanie ma szczególne zastosowanie do systemów PV.

Lista kontrolna SPD

Pomimo wysokiego ryzyka wyładowania atmosferycznego, na które narażonych jest wiele instalacji fotowoltaicznych, można je zabezpieczyć poprzez zastosowanie SPD i odpowiednio zaprojektowanego systemu ochrony odgromowej. Skuteczne wdrożenie SPD powinno uwzględniać następujące kwestie:

• Prawidłowe umieszczenie w systemie
• Wymagania dotyczące zakończenia
• Właściwe uziemienie i połączenie systemu uziemienia sprzętu
• Ocena rozładowania
• Poziom ochrony napięcia
• Odpowiedniość dla danego systemu, w tym aplikacji prądu stałego i prądu przemiennego
• Tryb awaryjny
• Lokalne i zdalne wskazanie stanu
• Łatwo wymienialne moduły
• Normalne działanie systemu powinno pozostać nienaruszone, szczególnie w systemach bez zasilania