Устройства защиты от перенапряжения постоянного тока для фотоэлектрических установок

Солнечная панель PV Combiner Box DC Устройство защиты от перенапряжения

Поскольку устройства защиты от перенапряжения постоянного тока для фотоэлектрических установок должны быть спроектированы так, чтобы обеспечивать полное воздействие солнечного света, они очень уязвимы для воздействия молнии. Емкость фотоэлектрической матрицы напрямую связана с ее открытой площадью поверхности, поэтому потенциальное воздействие грозовых разрядов увеличивается с увеличением размера системы. Там, где часто возникают молнии, незащищенные фотоэлектрические системы могут неоднократно подвергаться значительному повреждению ключевых компонентов. Это приводит к значительным затратам на ремонт и замену, простою системы и потере дохода. Правильно спроектированные, указанные и установленные устройства защиты от перенапряжения (SPD) сводят к минимуму потенциальное воздействие грозовых разрядов при использовании в сочетании со спроектированными системами молниезащиты.

Система молниезащиты, которая включает в себя основные элементы, такие как молниеотводы, надлежащие токоотводы, уравнивание потенциалов для всех токоведущих компонентов и надлежащие принципы заземления, обеспечивает защиту от прямых ударов. Если есть какие-либо опасения по поводу риска молнии на вашем фотоэлектрическом объекте, я настоятельно рекомендую нанять профессионального инженера-электрика, обладающего опытом в этой области, чтобы при необходимости провести исследование по оценке рисков и разработать систему защиты.

Важно понимать разницу между системами молниезащиты и SPD. Задача системы молниезащиты состоит в том, чтобы направить прямой удар молнии через проводники с большим током на землю, тем самым уберегая конструкции и оборудование от попадания на пути разряда или прямого удара. УЗИП применяются в электрических системах, чтобы обеспечить путь разряда к земле, чтобы защитить компоненты этих систем от воздействия переходных процессов высокого напряжения, вызванных прямым или косвенным воздействием молнии или аномалиями энергосистемы. Даже при наличии внешней системы молниезащиты без устройств защиты от молнии воздействие молнии может вызвать серьезные повреждения компонентов.

Для целей этой статьи я предполагаю, что существует какая-то форма молниезащиты, и исследую типы, функции и преимущества дополнительного использования соответствующих SPD. В сочетании с правильно спроектированной системой молниезащиты использование SPD в ключевых местах системы защищает основные компоненты, такие как инверторы, модули, оборудование в объединительных блоках, а также системы измерения, управления и связи.

Важность СПД

Помимо последствий прямых ударов молнии в массивы, соединительные силовые кабели очень чувствительны к электромагнитным импульсным помехам. Переходные процессы, прямо или косвенно вызванные молнией, а также переходные процессы, вызванные функциями переключения электросети, подвергают электрическое и электронное оборудование воздействию очень высоких перенапряжений очень короткой продолжительности (от десятков до сотен микросекунд). Воздействие этих переходных напряжений может вызвать катастрофический отказ компонента, который может быть заметен из-за механического повреждения и отслеживания углерода или быть незаметным, но все же вызвать отказ оборудования или системы.

Длительное воздействие переходных процессов меньшей амплитуды ухудшает диэлектрические и изоляционные материалы в оборудовании фотоэлектрической системы до тех пор, пока не произойдет окончательный пробой. Кроме того, в цепях измерения, управления и связи могут возникать переходные процессы напряжения. Эти переходные процессы могут показаться ошибочными сигналами или информацией, вызывающими сбои в работе или отключение оборудования. Стратегическое размещение SPD смягчает эти проблемы, поскольку они функционируют как закорачивающие или зажимные устройства.

Технические характеристики УЗИП

Наиболее распространенной технологией SPD, используемой в фотоэлектрических приложениях, является металлооксидный варистор (MOV), который функционирует как устройство ограничения напряжения. Другие технологии SPD включают кремниевый лавинный диод, управляемые искровые разрядники и газоразрядные трубки. Последние два являются переключающими устройствами, которые выглядят как короткие замыкания или ломы. Каждая технология имеет свои особенности, что делает ее более или менее подходящей для конкретного применения. Комбинации этих устройств также могут быть скоординированы для обеспечения более оптимальных характеристик, чем они предлагают по отдельности. В таблице 1 перечислены основные типы SPD, используемые в фотоэлектрических системах, и подробно описаны их общие рабочие характеристики.

УЗИП должен иметь возможность изменять состояния достаточно быстро в течение короткого времени, когда присутствует переходный процесс, и без сбоев разряжать величину переходного тока. Устройство также должно минимизировать падение напряжения в цепи SPD для защиты оборудования, к которому оно подключено. Наконец, функция SPD не должна мешать нормальному функционированию этой цепи.

Рабочие характеристики SPD определяются несколькими параметрами, которые должен понимать любой, кто выбирает SPD. Эта тема требует более подробной информации, которую можно здесь рассмотреть, но следует учитывать следующие параметры: максимальное непрерывное рабочее напряжение, приложение переменного или постоянного тока, номинальный ток разряда (определяемый величиной и формой волны), уровень защиты по напряжению ( напряжение на клеммах, которое присутствует, когда SPD разряжает определенный ток) и временное перенапряжение (непрерывное перенапряжение, которое может применяться в течение определенного времени без повреждения SPD).

УЗИП, использующие разные компонентные технологии, можно размещать в одних и тех же схемах. Однако их нужно выбирать с осторожностью, чтобы обеспечить координацию энергии между ними. Компонентная технология с более высокой разрядной способностью должна разряжать наибольшую величину доступного переходного тока, в то время как другая компонентная технология снижает остаточное переходное напряжение до более низкой величины, поскольку она разряжает меньший ток.

УЗИП должен иметь встроенное устройство самозащиты, которое отключает его от цепи в случае выхода устройства из строя. Чтобы сделать это разъединение очевидным, многие SPD отображают флаг, который указывает его статус разъединения. Индикация состояния SPD с помощью встроенного вспомогательного набора контактов - это расширенная функция, которая может передавать сигнал в удаленное место. Еще одна важная характеристика продукта, которую следует учитывать, заключается в том, использует ли SPD съемный модуль с защитой от прикосновения, который позволяет легко заменять неисправный модуль без инструментов или необходимости обесточивать цепь.

Соображения относительно устройств защиты от перенапряжения переменного тока для фотоэлектрических установок

Вспышки молнии от облаков до системы молниезащиты, фотоэлектрической конструкции или близлежащей земли вызывают локальное повышение потенциала земли по отношению к удаленным наземным опорным сигналам. Проводники, проложенные на этих расстояниях, подвергают оборудование значительному напряжению. Эффекты повышения потенциала земли в первую очередь ощущаются в точке соединения между подключенной к сети фотоэлектрической системой и энергосистемой на служебном входе - точке, где местное заземление электрически соединено с удаленной базовой землей.

На служебном входе необходимо установить защиту от перенапряжения, чтобы защитить инвертор со стороны электросети от вредных переходных процессов. Переходные процессы, наблюдаемые в этом месте, имеют большую величину и длительность и поэтому должны управляться защитой от перенапряжения с соответствующими номинальными значениями тока разряда. Для этой цели идеально подходят управляемые искровые разрядники, используемые совместно с MOV. Технология искрового разрядника может разрядить большие токи молнии, обеспечивая функцию выравнивания потенциалов во время переходного процесса молнии. Скоординированный MOV имеет возможность ограничивать остаточное напряжение до приемлемого уровня.

В дополнение к эффектам повышения потенциала земли, на сторону переменного тока инвертора могут влиять индуцированные молнией и переходные процессы переключения сети, которые также возникают на служебном входе. Чтобы свести к минимуму возможное повреждение оборудования, защиту от перенапряжения переменного тока следует применять как можно ближе к клеммам переменного тока инвертора, используя самый короткий и прямой путь для проводов с достаточной площадью поперечного сечения. Несоблюдение этого критерия проектирования приводит к более высокому, чем необходимо, падению напряжения в цепи SPD во время разряда и подвергает защищаемое оборудование воздействию более высоких переходных напряжений, чем необходимо.

Соображения относительно устройств защиты от перенапряжения постоянного тока для фотоэлектрических установок

Прямые удары по близлежащим заземленным конструкциям (включая систему молниезащиты), а также вспышки между облаками и внутри облаков, которые могут иметь величину до 100 кА, могут вызвать соответствующие магнитные поля, которые наводят переходные токи в кабели постоянного тока фотоэлектрической системы. Эти переходные напряжения появляются на клеммах оборудования и вызывают нарушения изоляции и диэлектрика основных компонентов.

Размещение SPD в определенных местах снижает влияние этих индуцированных и частичных токов молнии. УЗИП устанавливается параллельно между проводниками под напряжением и землей. Он меняет состояние с устройства с высоким импедансом на устройство с низким сопротивлением при возникновении перенапряжения. В этой конфигурации SPD разряжает связанный переходный ток, сводя к минимуму перенапряжение, которое в противном случае могло бы присутствовать на клеммах оборудования. Это параллельное устройство не пропускает ток нагрузки. Выбранный SPD должен быть специально спроектирован, рассчитан и утвержден для применения с фотоэлектрическим напряжением постоянного тока. Встроенный выключатель SPD должен иметь возможность отключать более сильную дугу постоянного тока, которая не встречается в приложениях переменного тока.

Подключение модулей MOV в Y-образной конфигурации - это обычно используемая конфигурация SPD в крупных коммерческих и коммунальных фотоэлектрических системах, работающих при максимальном напряжении холостого хода 600 или 1,000 В постоянного тока. Каждая ветвь Y содержит модуль MOV, подключенный к каждому полюсу и к земле. В незаземленной системе есть два модуля между каждым полюсом, а также между полюсом и землей. В этой конфигурации каждый модуль рассчитан на половину напряжения системы, поэтому даже в случае замыкания полюса на землю, модули MOV не превышают своего номинального значения.

Рекомендации по защите от перенапряжения в неэнергетических системах

Подобно тому, как оборудование и компоненты энергосистемы чувствительны к воздействию молнии, точно так же и оборудование, используемое в системах измерения, управления, контрольно-измерительной аппаратуры, SCADA и связи, связанных с этими установками. В этих случаях основная концепция защиты от перенапряжения такая же, как и в силовых цепях. Однако, поскольку это оборудование обычно менее устойчиво к импульсам перенапряжения и более восприимчиво к ошибочным сигналам и на него неблагоприятно влияет добавление последовательных или параллельных компонентов в цепи, необходимо уделять больше внимания характеристикам каждого добавляемого SPD. Конкретные SPD требуются в зависимости от того, осуществляют ли эти компоненты связь по витой паре, CAT 6 Ethernet или коаксиальному РЧ. Кроме того, SPD, выбранные для неэнергетических цепей, должны иметь возможность без сбоев разряжать переходные токи, обеспечивать адекватный уровень защиты по напряжению и не мешать работе системы, включая последовательный импеданс, межфазную емкость и емкость заземления, а также полосу частот .

Распространенные случаи неправильного использования SPD

УЗИП уже много лет применяются в силовых цепях. Большинство современных силовых цепей представляют собой системы переменного тока. Таким образом, большая часть оборудования для защиты от перенапряжения была разработана для использования в системах переменного тока. Относительно недавнее внедрение крупных коммерческих и коммунальных фотоэлектрических систем и растущее число развернутых систем, к сожалению, привело к неправильному применению SPD, предназначенных для систем переменного тока, на стороне постоянного тока. В этих случаях УЗИП работают неправильно, особенно в режиме отказа, из-за характеристик фотоэлектрических систем постоянного тока.

MOV обеспечивают отличные характеристики для использования в качестве SPD. Если они правильно оценены и применяются правильно, они качественно выполняют свою функцию. Однако, как и все электротехнические изделия, они могут выйти из строя. Неисправность может быть вызвана нагревом окружающей среды, разрядными токами, превышающими те, на которые рассчитано устройство, слишком частыми разрядками или постоянным воздействием перенапряжения.

Следовательно, SPD разработаны с термически управляемым разъединителем, который отделяет их от параллельного подключения к цепи постоянного тока под напряжением, если в этом возникнет необходимость. Поскольку при переходе УЗИП в режим отказа протекает некоторый ток, при срабатывании термовыключателя возникает небольшая дуга. При применении в цепи переменного тока первое пересечение нулевого уровня тока, подаваемого генератором, гасит эту дугу, и УЗИП безопасно удаляется из цепи. Если то же самое устройство SPD переменного тока применяется к стороне постоянного тока фотоэлектрической системы, особенно при высоких напряжениях, то в форме сигнала постоянного тока не будет перехода через нуль для тока. Обычный термический переключатель не может погасить ток дуги, и устройство выходит из строя.

Размещение параллельной байпасной цепи с предохранителями вокруг MOV - это один из способов преодоления гашения дуги замыкания постоянного тока. Если сработает термовыключатель, дуга все равно появится на его размыкающих контактах; но этот ток дуги перенаправляется на параллельный путь, содержащий плавкий предохранитель, где дуга гаснет, а предохранитель прерывает ток короткого замыкания.

Предохранитель в восходящем направлении перед SPD, который может применяться в системах переменного тока, не подходит для систем постоянного тока. Доступного тока короткого замыкания для срабатывания предохранителя (как в устройстве защиты от сверхтока) может быть недостаточно, когда генератор работает с пониженной выходной мощностью. Как следствие, некоторые производители SPD учли это при разработке. UL изменил свой прежний стандарт, добавив к нему последний стандарт защиты от перенапряжения - UL 1449. Это третье издание специально применимо к фотоэлектрическим системам.

Контрольный список СПД

Несмотря на высокий риск молнии, которому подвержены многие фотоэлектрические установки, они могут быть защищены с помощью SPD и правильно спроектированной системы молниезащиты. Эффективная реализация SPD должна включать следующие соображения:

• Правильное размещение в системе
• Требования к прекращению действия
• Правильное заземление и соединение системы заземления оборудования
• Рейтинг разряда
• Уровень защиты по напряжению
• Пригодность для рассматриваемой системы, включая приложения постоянного и переменного тока
• Режим отказа
• Местная и удаленная индикация состояния
• Легко заменяемые модули
• Это не должно влиять на нормальную работу системы, особенно в системах без источника питания.