Защита от молний и перенапряжения для крышных фотоэлектрических систем

В настоящее время установлено много фотоэлектрических систем. Основываясь на том факте, что вырабатываемая самостоятельно электроэнергия обычно дешевле и обеспечивает высокую степень электрической независимости от сети, фотоэлектрические системы станут неотъемлемой частью электроустановок в будущем. Однако эти системы подвергаются воздействию любых погодных условий и должны выдерживать их десятилетия.

Кабели фотоэлектрических систем часто входят в здание и проходят на большие расстояния, пока не достигнут точки подключения к сети.

Разряды молнии вызывают полевые и кондуктивные электрические помехи. Этот эффект усиливается по мере увеличения длины кабеля или проводниковых петель. Скачки повреждают не только фотоэлектрические модули, инверторы и их контрольную электронику, но и устройства в здании.

Что еще более важно, производственные помещения промышленных зданий также могут быть легко повреждены, и производство может остановиться.

Если скачки напряжения возникают в системах, удаленных от электросети, которые также называются автономными фотоэлектрическими системами, работа оборудования, работающего от солнечной энергии (например, медицинского оборудования, водоснабжения), может быть нарушена.

Необходимость системы молниезащиты на крыше

Энергия, выделяемая разрядом молнии, - одна из наиболее частых причин пожара. Поэтому личная и противопожарная защита имеет первостепенное значение в случае прямого удара молнии в здание.

На этапе проектирования фотоэлектрической системы очевидно, установлена ​​ли в здании система молниезащиты. Строительные нормы некоторых стран требуют, чтобы общественные здания (например, места общественных собраний, школы и больницы) были оборудованы системой молниезащиты. В промышленных или частных зданиях от их местоположения, типа конструкции и использования зависит необходимость установки системы молниезащиты. С этой целью необходимо определить, следует ли ожидать ударов молнии или они могут иметь серьезные последствия. Структуры, нуждающиеся в защите, должны быть обеспечены постоянно действующими системами молниезащиты.

Согласно уровню научных и технических знаний, установка фотоэлектрических модулей не увеличивает риск удара молнии. Таким образом, запрос на меры молниезащиты не может быть выведен непосредственно из простого существования фотоэлектрической системы. Однако через эти системы в здание могут попасть существенные помехи от молнии.

Следовательно, необходимо определить риск удара молнии в соответствии с IEC 62305-2 (EN 62305-2) и принять во внимание результаты этого анализа рисков при установке фотоэлектрической системы.

Раздел 4.5 (Управление рисками) Дополнения 5 к немецкому стандарту DIN EN 62305-3 описывает, что система молниезащиты, разработанная для класса LPS III (LPL III), соответствует обычным требованиям для фотоэлектрических систем. Кроме того, соответствующие меры защиты от молний перечислены в немецком руководстве VdS 2010 (Защита от молний и перенапряжения с учетом рисков), опубликованном Немецкой страховой ассоциацией. Это руководство также требует, чтобы LPL III и, следовательно, система молниезащиты в соответствии с классом LPS III были установлены для крышных фотоэлектрических систем (> 10 кВт_p) и принять меры по защите от перенапряжения. Как правило, фотоэлектрические системы на крыше не должны мешать существующим мерам молниезащиты.

Необходимость защиты от перенапряжения для фотоэлектрических систем

В случае разряда молнии на электрических проводниках наводятся скачки напряжения. Устройства защиты от импульсных перенапряжений (SPD), которые должны быть установлены перед устройствами, которые должны быть защищены со стороны переменного, постоянного тока и данных, оказались очень эффективными для защиты электрических систем от этих разрушительных пиков напряжения. Раздел 9.1 стандарта CENELEC CLC / TS 50539-12 (Принципы выбора и применения - УЗИП, подключенные к фотоэлектрическим установкам) призывает к установке устройств защиты от перенапряжения, если анализ рисков не демонстрирует, что УЗП не требуются. Согласно стандарту IEC 60364-4-44 (HD 60364-4-44) устройства защиты от перенапряжения также должны быть установлены в зданиях без внешней системы молниезащиты, таких как коммерческие и промышленные здания, например, сельскохозяйственные объекты. Приложение 5 к немецкому стандарту DIN EN 62305-3 содержит подробное описание типов УЗИП и места их установки.

Прокладка кабеля фотоэлектрических систем

Кабели должны быть проложены таким образом, чтобы не допускать больших петель проводов. Это необходимо соблюдать при объединении цепей постоянного тока в цепочку и при соединении нескольких цепочек. Кроме того, линии передачи данных или датчиков не должны проходить по нескольким цепочкам и образовывать большие токопроводящие петли с линиями цепочек. Это также необходимо учитывать при подключении инвертора к сети. По этой причине линии питания (постоянного и переменного тока) и линии передачи данных (например, датчик излучения, контроль урожайности) должны быть проложены вместе с проводниками эквипотенциального соединения по всей их трассе.

Заземление фотоэлектрических систем

Фотоэлектрические модули обычно крепятся на металлических монтажных системах. ФЭ-компоненты под напряжением на стороне постоянного тока имеют двойную или усиленную изоляцию (сопоставимую с предыдущей защитной изоляцией) в соответствии с требованиями стандарта IEC 60364-4-41. Комбинация множества технологий на стороне модуля и инвертора (например, с гальванической развязкой или без нее) приводит к различным требованиям к заземлению. Кроме того, встроенная в инверторы система контроля изоляции работает постоянно только в том случае, если монтажная система заземлена. Информация о практической реализации приведена в Приложении 5 к немецкому стандарту DIN EN 62305-3. Металлическая опора является функционально заземленной, если фотоэлектрическая система расположена в защищенном объеме систем молниеприемника и сохраняется разделительное расстояние. В разделе 7 Приложения 5 требуются медные жилы сечением не менее 6 мм.² или эквивалент для функционального заземления (Рисунок 1). Монтажные рейки также должны быть постоянно соединены между собой проводниками такого сечения. Если монтажная система напрямую подключена к внешней системе молниезащиты из-за того, что расстояние s не может быть сохранено, эти проводники становятся частью системы уравнивания потенциалов молнии. Следовательно, эти элементы должны быть способны переносить токи молнии. Минимальное требование к системе молниезащиты, рассчитанной на класс LPS III, - это медный проводник сечением 16 мм.² или эквивалент. Также в этом случае монтажные рейки должны быть постоянно соединены между собой проводниками этого сечения (рисунок 2). Провод функционального заземления / уравнивания потенциалов молнии должен быть проложен параллельно и как можно ближе к кабелям / линиям постоянного и переменного тока.

Заземляющие зажимы UNI (рис. 3) можно закрепить на всех распространенных системах крепления. К ним подключаются, например, медные жилы сечением 6 или 16 мм.² и оголенные заземляющие провода диаметром от 8 до 10 мм к монтажной системе таким образом, чтобы они могли нести токи молнии. Встроенная контактная пластина из нержавеющей стали (V4A) обеспечивает защиту от коррозии алюминиевых монтажных систем.

Расстояние s согласно IEC 62305-3 (EN 62305-3) Необходимо соблюдать определенное расстояние s между системой молниезащиты и фотоэлектрической системой. Он определяет расстояние, необходимое для предотвращения неконтролируемого перекрытия соседних металлических частей в результате удара молнии во внешнюю систему молниезащиты. В худшем случае такое неконтролируемое перекрытие может привести к возгоранию здания. В этом случае повреждение фотоэлектрической системы становится несущественным.

Основные тени на солнечных элементах

Расстояние между солнечным генератором и внешней системой молниезащиты абсолютно необходимо для предотвращения чрезмерного затенения. Рассеянные тени, отбрасываемые, например, воздушными линиями, не оказывают существенного влияния на фотоэлектрическую систему и урожайность. Однако в случае теней от ядра на поверхность позади объекта отбрасывается темная, четко очерченная тень, изменяя ток, протекающий через фотоэлектрические модули. По этой причине на солнечные элементы и связанные с ними байпасные диоды не должны влиять тени сердечника. Этого можно добиться, соблюдая достаточное расстояние. Например, если молниеприемный стержень диаметром 10 мм затеняет модуль, тень от сердечника постоянно уменьшается по мере увеличения расстояния от модуля. Через 1.08 м на модуль отбрасывается только рассеянная тень (рис. 4). Приложение A Дополнения 5 к немецкому стандарту DIN EN 62305-3 содержит более подробную информацию о расчете теней керна.

Специальные устройства защиты от перенапряжения на стороне постоянного тока фотоэлектрических систем

Характеристики U / I фотоэлектрических источников тока сильно отличаются от характеристик обычных источников постоянного тока: они имеют нелинейную характеристику (рис. 5) и вызывают длительное сохранение зажженной дуги. Эта уникальная природа фотоэлектрических источников тока требует не только фотоэлектрических переключателей большего размера и фотоэлектрических предохранителей, но и разъединителя для устройства защиты от перенапряжения, которое адаптировано к этой уникальной природе и способно справляться с фотоэлектрическими токами. Приложение 5 к немецкому стандарту DIN EN 62305-3 (подраздел 5.6.1, таблица 1) описывает выбор подходящих УЗИП.

Чтобы облегчить выбор УЗИП типа 1, в таблицах 1 и 2 показана требуемая способность выдерживать импульсный ток молнии I._{чертенок} В зависимости от класса LPS, количество токоотводов внешних систем молниезащиты, а также тип SPD (ограничивающий напряжение разрядник на основе варистора или импульсный разрядник на основе искрового разрядника). Необходимо использовать SPD, соответствующие действующему стандарту EN 50539-11. Подраздел 9.2.2.7 CENELEC CLC / TS 50539-12 также ссылается на этот стандарт.

Разрядник постоянного тока типа 1 для использования в фотоэлектрических системах:

Комбинированный разрядник постоянного тока многополюсный тип 1 + тип 2 FLP7-PV. Это коммутационное устройство постоянного тока состоит из комбинированного устройства отключения и короткого замыкания с Thermo Dynamic Control и предохранителя в байпасном тракте. Эта схема надежно отключает ОПН от напряжения генератора в случае перегрузки и надежно гасит дуги постоянного тока. Таким образом, он позволяет защищать фотоэлектрические генераторы до 1000 А без дополнительного резервного предохранителя. Этот разрядник объединяет разрядник тока молнии и разрядник перенапряжения в одном устройстве, обеспечивая тем самым эффективную защиту оконечного оборудования. С его разрядной емкостью I_общий 12.5 кА (10/350 мкс) его можно гибко использовать для высших классов LPS. FLP7-PV доступен для напряжений U_КПВ на 600 В, 1000 В и 1500 В и имеет ширину всего 3 модуля. Таким образом, FLP7-PV является идеальным комбинированным разрядником типа 1 для использования в фотоэлектрических системах электроснабжения.

УЗИП типа 1 на основе искрового разрядника с переключением напряжения, например, FLP12,5-PV, является еще одной мощной технологией, позволяющей отводить частичные токи молнии в фотоэлектрических системах постоянного тока. Благодаря технологии искрового разрядника и схеме гашения постоянного тока, которая позволяет эффективно защищать электронные системы, расположенные ниже по потоку, разрядники этой серии обладают чрезвычайно высокой разрядной емкостью по току молнии I_общий 50 кА (10/350 мкс), что не имеет аналогов на рынке.

Разрядник постоянного тока типа 2 для использования в фотоэлектрических системах: SLP40-PV

Надежная работа SPD в фотоэлектрических цепях постоянного тока также необходима при использовании устройств защиты от перенапряжения типа 2. С этой целью ОПН серии SLP40-PV также имеют отказоустойчивую схему защиты Y и также подключаются к фотоэлектрическим генераторам до 1000 А без дополнительного резервного предохранителя.

Многочисленные технологии, объединенные в этих ОПН, предотвращают повреждение устройства защиты от перенапряжений из-за нарушений изоляции в фотоэлектрической цепи, риска возгорания перегрузочного разрядника и переводят ОПН в безопасное электрическое состояние без нарушения работы фотоэлектрической системы. Благодаря схеме защиты, характеристика ограничения напряжения варисторов может быть полностью использована даже в цепях постоянного тока фотоэлектрических систем. Кроме того, постоянно действующее устройство защиты от перенапряжения сводит к минимуму многочисленные небольшие пики напряжения.

Подбор УЗИП по уровню защиты по напряжению U_p

Рабочее напряжение на стороне постоянного тока фотоэлектрических систем отличается от системы к системе. В настоящее время возможны значения до 1500 В постоянного тока. Следовательно, электрическая прочность оконечного оборудования также различается. Для обеспечения надежной защиты фотоэлектрической системы уровень защиты по напряжению U_p к SPD должно быть ниже, чем электрическая прочность фотоэлектрической системы, которую он должен защищать. Стандарт CENELEC CLC / TS 50539-12 требует, чтобы Up было как минимум на 20% ниже диэлектрической прочности фотоэлектрической системы. УЗИП типа 1 или 2 должны быть согласованы по энергии с входом оконечного оборудования. Если SPD уже встроены в оконечное оборудование, согласование между SPD типа 2 и входной цепью оконечного оборудования обеспечивается производителем.

Примеры применения:

Здание без внешней системы молниезащиты (ситуация А)

На рисунке 12 показана концепция защиты от перенапряжения для фотоэлектрической системы, установленной в здании без внешней системы молниезащиты. Опасные скачки напряжения попадают в фотоэлектрическую систему из-за индуктивной связи, возникающей в результате близлежащих ударов молнии, или проходят от системы электроснабжения через служебный вход к установке потребителя. УЗИП типа 2 должны быть установлены в следующих местах:

- сторона постоянного тока модулей и инверторов

- выход переменного тока инвертора

- Главный низковольтный распределительный щит

- Проводные коммуникационные интерфейсы

Каждый вход постоянного тока (MPP) инвертора должен быть защищен устройством защиты от перенапряжения типа 2, например, серии SLP40-PV, которое надежно защищает сторону постоянного тока фотоэлектрических систем. Стандарт CENELEC CLC / TS 50539-12 требует, чтобы дополнительный разрядник постоянного тока типа 2 был установлен на стороне модуля, если расстояние между входом инвертора и фотоэлектрическим генератором превышает 10 м.

Выходы инверторов переменного тока достаточно защищены, если расстояние между фотоэлектрическими инверторами и местом установки разрядника типа 2 в точке подключения к сети (низковольтное питание) составляет менее 10 м. В случае использования кабелей большей длины необходимо установить дополнительное устройство защиты от перенапряжения типа 2, например, серии SLP40-275, перед входом переменного тока и входом инвертора в соответствии с CENELEC CLC / TS 50539-12.

Кроме того, перед счетчиком низковольтного питания необходимо установить устройство защиты от перенапряжения типа 2 SLP40-275. CI (прерывание цепи) означает согласованный предохранитель, интегрированный в защитную цепь разрядника, позволяющий использовать разрядник в цепи переменного тока без дополнительного резервного предохранителя. Серия SLP40-275 доступна для любой конфигурации низковольтной системы (TN-C, TN-S, TT).

Если инверторы подключены к линиям передачи данных и датчиков для контроля урожайности, необходимы соответствующие устройства защиты от перенапряжения. Серия FLD2, которая имеет клеммы для двух пар, например, для входящей и исходящей линий данных, может использоваться для систем передачи данных на основе RS 485.

Здание с внешней системой молниезащиты и достаточным безопасным расстоянием s (ситуация B)

Рисунок 13 показывает концепцию защиты от перенапряжения для фотоэлектрической системы с внешней системой молниезащиты и достаточным разделительным расстоянием s между фотоэлектрической системой и внешней системой молниезащиты.

Основная цель защиты - избежать ущерба людям и имуществу (пожар в здании) в результате удара молнии. В этом контексте важно, чтобы фотоэлектрическая система не мешала внешней системе молниезащиты. Более того, сама фотоэлектрическая система должна быть защищена от прямых ударов молнии. Это означает, что фотоэлектрическая система должна быть установлена ​​в защищаемом объеме внешней системы молниезащиты. Этот защищенный объем образован системами молниеприемника (например, стержнями молниеприемника), которые предотвращают прямые удары молнии в фотоэлектрические модули и кабели. Метод защитного угла (Рисунок 14) или метод катящейся сферы (Рисунок 15) как описано в подразделе 5.2.2 стандарта IEC 62305-3 (EN 62305-3), может использоваться для определения этого защищенного объема. Между всеми проводящими частями фотоэлектрической системы и системой молниезащиты должно соблюдаться определенное расстояние s. В этом контексте необходимо предотвратить появление теней от сердечника, например, поддерживая достаточное расстояние между стержнями молниеприемника и фотоэлектрическим модулем.

Уравнивание потенциалов молнии является неотъемлемой частью системы молниезащиты. Это должно быть реализовано для всех проводящих систем и линий, входящих в здание, которые могут проводить токи молнии. Это достигается за счет прямого подключения всех металлических систем и косвенного подключения всех систем под напряжением через разрядники тока молнии типа 1 к системе заземления. Уравнивание потенциалов молнии должно быть выполнено как можно ближе к точке входа в здание, чтобы предотвратить попадание частичных токов молнии в здание. Точка подключения к сети должна быть защищена многополюсным УЗИП с искровым разрядником типа 1, например, комбинированным разрядником типа 1 FLP25GR. Этот разрядник сочетает в себе разрядник тока молнии и разрядник перенапряжения в одном устройстве. Если длина кабеля между разрядником и инвертором меньше 10 м, обеспечивается достаточная защита. В случае большей длины кабеля необходимо установить дополнительные устройства защиты от перенапряжения типа 2 перед входом переменного тока инверторов в соответствии с CENELEC CLC / TS 50539-12.

Каждый вход постоянного тока инвертора должен быть защищен фотоэлектрическим разрядником типа 2, например, серии SLP40-PV (Рисунок 16). Это касается и бестрансформаторных устройств. Если инверторы подключены к линиям передачи данных, например, для контроля урожайности, необходимо установить устройства защиты от перенапряжения для защиты передачи данных. С этой целью серия FLPD2 может быть предоставлена ​​для линий с аналоговыми сигналами и системами шин данных, такими как RS485. Он определяет рабочее напряжение полезного сигнала и регулирует уровень защиты по напряжению в соответствии с этим рабочим напряжением.

Высоковольтный изолированный провод HVI

Другая возможность поддерживать безопасное расстояние - это использование высоковольтных изолированных проводов HVI, которые позволяют поддерживать безопасное расстояние s до 0.9 м в воздухе. Проводники HVI могут напрямую контактировать с фотоэлектрической системой за пределами диапазона уплотнения. Более подробная информация о применении и установке HVI-проводников представлена ​​в данном Руководстве по молниезащите или в соответствующих инструкциях по установке.

Здание с внешней системой молниезащиты с недостаточными разделительными расстояниями (ситуация C)

Если кровля сделана из металла или образована самой фотоэлектрической системой, разделительное расстояние s не может быть соблюдено. Металлические компоненты фотоэлектрической монтажной системы должны быть подключены к внешней системе молниезащиты таким образом, чтобы они могли проводить токи молнии (медный провод сечением не менее 16 мм² или эквивалент). Это означает, что эквипотенциальное соединение молнии также должно быть выполнено для фотоэлектрических линий, входящих в здание снаружи (Рисунок 17). Согласно Приложению 5 к немецкому стандарту DIN EN 62305-3 и стандарту CENELEC CLC / TS 50539-12, линии постоянного тока должны быть защищены УЗИП типа 1 для фотоэлектрических систем.

Для этого используется комбинированный разрядник типа 1 и типа 2 FLP7-PV. Эквипотенциальное соединение грозовых разрядов должно быть также реализовано в низковольтном питании. Если фотоэлектрические инверторы расположены на расстоянии более 10 м от SPD типа 1, установленного в точке подключения к сети, на стороне переменного тока инвертора (ов) необходимо установить дополнительное SPD типа 1 (например, тип 1 + комбинированный разрядник типа 2 ФЛП25ГР). Также должны быть установлены подходящие устройства защиты от перенапряжения для защиты соответствующих линий передачи данных для мониторинга урожайности. Устройства защиты от перенапряжения серии FLD2 используются для защиты информационных систем, например, на базе RS 485.

Фотоэлектрические системы с микроинверторами

Микроинверторы требуют другой концепции защиты от перенапряжения. Для этого линия постоянного тока модуля или пары модулей напрямую подключается к малогабаритному инвертору. В этом процессе следует избегать ненужных петель проводов. Индуктивная связь с такими небольшими структурами постоянного тока обычно имеет только низкий энергетический потенциал разрушения. Разветвленная кабельная разводка фотоэлектрической системы с микроинверторами расположена на стороне переменного тока (Рисунок 18). Если микроинвертор установлен непосредственно на модуле, устройства защиты от перенапряжения можно устанавливать только на стороне переменного тока:

- Здания без внешней системы молниезащиты = разрядники типа 2 SLP40-275 для переменного / трехфазного тока в непосредственной близости от микроинверторов и SLP40-275 на вводе низкого напряжения.

- Здания с внешней системой молниезащиты и достаточным разделительным расстоянием s = разрядники типа 2, например, SLP40-275, в непосредственной близости от микроинверторов и разрядников с током молнии типа 1 на низковольтном вводе питания, например, FLP25GR.

- Здания с внешней системой молниезащиты и недостаточным разделительным расстоянием s = разрядники типа 1, например, SLP40-275, в непосредственной близости от микроинверторов и разрядники с током молнии типа 1 FLP25GR на вводе низкого напряжения.

Независимо от производителя, в микроинверторах есть системы контроля данных. Если данные передаются в линии переменного тока через микроинверторы, на отдельных приемных устройствах должно быть предусмотрено устройство защиты от перенапряжения (экспорт данных / обработка данных). То же самое относится к интерфейсным соединениям с системами шин нисходящего потока и их питанию (например, Ethernet, ISDN).

Системы производства солнечной энергии являются неотъемлемой частью современных электрических систем. Они должны быть оборудованы соответствующими разрядниками тока молнии и импульсными перенапряжениями, что обеспечит длительную безупречную работу этих источников электричества.