Zariadenia na ochranu proti prepätiu jednosmerného prúdu pre FV zariadenia

Solárne panely PV kombinované skrinky DC prepäťové ochranné zariadenie

Pretože zariadenia na ochranu proti prepätiu jednosmerného prúdu pre FV zariadenia musia byť navrhnuté tak, aby poskytovali úplné vystavenie slnečnému žiareniu, sú veľmi citlivé na účinky blesku. Kapacita FV generátora priamo súvisí s jeho exponovanou povrchovou plochou, takže potenciálny dopad bleskových udalostí rastie s veľkosťou systému. V prípade častého výskytu osvetlenia môžu nechránené FV systémy opakovane a významne poškodiť kľúčové komponenty. To má za následok značné náklady na opravy a výmeny, prestoje systému a stratu výnosov. Správne navrhnuté, špecifikované a nainštalované zariadenia na ochranu proti prepätiu (SPD) minimalizujú potenciálny dopad bleskových udalostí, keď sa používajú v spojení so skonštruovanými systémami ochrany pred bleskom.

Systém ochrany pred bleskom, ktorý obsahuje základné prvky, ako sú vzduchové svorky, správne vodiče nadol, vyrovnanie potenciálu pre všetky komponenty vedúce prúd a správne zásady uzemnenia, poskytuje ochranu pred priamymi nárazmi. Ak existujú obavy z rizika blesku vo vašom FV zariadení, dôrazne odporúčam najať profesionálneho elektrotechnika so znalosťami v tejto oblasti, ktorý vám poskytne štúdiu hodnotenia rizika a v prípade potreby návrh ochranného systému.

Je dôležité pochopiť rozdiel medzi systémami ochrany pred bleskom a SPD. Účelom systému ochrany pred bleskom je usmernenie priameho úderu blesku cez podstatné vodiče vedúce prúd k zemi, čím sa zabráni tomu, aby sa konštrukcie a zariadenia nachádzali v ceste tohto výboja alebo aby neboli priamo zasiahnuté. SPD sa aplikujú na elektrické systémy na zabezpečenie výbojovej cesty k zemi, aby sa zachránili komponenty týchto systémov pred vystavením prechodom vysokého napätia spôsobeným priamymi alebo nepriamymi účinkami bleskov alebo anomálií energetického systému. Aj keď je zavedený externý systém ochrany pred bleskom, bez SPD môžu účinky blesku stále spôsobiť vážne poškodenie komponentov.

Na účely tohto článku predpokladám, že existuje nejaká forma ochrany pred bleskom, a preskúmam typy, funkcie a výhody dodatočného použitia vhodných SPD. V spojení so správne navrhnutým systémom ochrany pred bleskom chráni použitie SPD na kľúčových miestach systému hlavné komponenty, ako sú invertory, moduly, zariadenia v kombinovaných skrinkách a meracie, riadiace a komunikačné systémy.

Dôležitosť JPD

Okrem následkov priameho úderu blesku do polí je prepojovacia silová kabeláž veľmi citlivá na elektromagneticky indukované prechodné javy. Prechodové javy priamo alebo nepriamo spôsobené bleskom, ako aj prechodové javy generované funkciami spínania sietí, vystavujú elektrické a elektronické zariadenia veľmi vysokému prepätiu s veľmi krátkym trvaním (desiatky až stovky mikrosekúnd). Vystavenie týmto prechodným napätiam môže spôsobiť katastrofické zlyhanie komponentov, ktoré môže byť viditeľné mechanickým poškodením a sledovaním uhlíka, alebo je nebadateľné, ale stále môže spôsobiť poruchu zariadenia alebo systému.

Dlhodobé vystavenie prechodným javom nižšej veľkosti zhoršuje dielektrický a izolačný materiál v zariadeniach FV systému, kým nedôjde k ich konečnému rozpadu. Okrem toho sa môžu na obvodoch merania, riadenia a komunikácie objaviť prechodné napätia. Tieto prechodné javy sa môžu javiť ako chybné signály alebo informácie, ktoré spôsobujú poruchu alebo vypnutie zariadenia. Strategické umiestnenie SPD tieto problémy zmierňuje, pretože fungujú ako skratovacie alebo upínacie zariadenia.

Technické charakteristiky JPD

Najbežnejšou technológiou SPD používanou v PV aplikáciách je varistor oxidu kovu (MOV), ktorý funguje ako zariadenie na upínanie napätia. Medzi ďalšie technológie SPD patrí kremíková lavínová dióda, riadené iskrište a výbojky plynu. Posledné dve menované sú spínacie zariadenia, ktoré sa javia ako skraty alebo páčidlá. Každá technológia má svoje vlastné charakteristické vlastnosti, vďaka čomu je viac-menej vhodná pre konkrétnu aplikáciu. Kombinácie týchto zariadení možno tiež koordinovať, aby poskytovali optimálnejšie vlastnosti, ako ponúkajú jednotlivo. Tabuľka 1 uvádza zoznam hlavných typov SPD používaných vo FV systémoch a podrobnosti ich všeobecných prevádzkových charakteristík.

SPD musí byť schopný meniť stavy dostatočne rýchlo na krátky čas, počas ktorého je prechodný jav, a bez výpadku vybiť veľkosť prechodného prúdu. Zariadenie musí tiež minimalizovať pokles napätia v obvode SPD, aby chránilo zariadenie, ku ktorému je pripojené. Nakoniec by funkcia SPD nemala interferovať s normálnou funkciou daného obvodu.

Prevádzkové charakteristiky SPD sú definované niekoľkými parametrami, ktorým musí rozumieť každý, kto robí výber pre SPD. Táto téma si vyžaduje viac podrobností, ktoré je možné tu zahrnúť, avšak je potrebné zohľadniť nasledujúce parametre: maximálne trvalé prevádzkové napätie, striedavé alebo jednosmerné napájanie, menovitý vybíjací prúd (definovaný veľkosťou a priebehom), úroveň ochrany napätia ( koncové napätie, ktoré je prítomné, keď SPD vybíja konkrétny prúd) a dočasné prepätie (trvalé prepätie, ktoré je možné aplikovať na konkrétny čas bez poškodenia SPD).

SPD využívajúce rôzne technológie komponentov môžu byť umiestnené v rovnakých obvodoch. Musí sa však vyberať opatrne, aby sa zabezpečila energetická koordinácia medzi nimi. Technológia komponentov s vyššou hodnotou výboja musí vybíjať najväčšiu veľkosť dostupného prechodného prúdu, zatiaľ čo technológia iných komponentov redukuje zvyškové prechodné napätie na nižšiu veľkosť, pretože vybíja menší prúd.

SPD musí mať integrované samoochranné zariadenie, ktoré ho v prípade poruchy odpojí od obvodu. Aby bolo toto odpojenie zrejmé, mnoho SPD zobrazuje príznak, ktorý označuje jeho stav odpojenia. Indikácia stavu SPD pomocou integrovanej pomocnej sady kontaktov je vylepšená funkcia, ktorá môže poskytovať signál do vzdialeného umiestnenia. Ďalšou dôležitou charakteristikou produktu, ktorú je potrebné vziať do úvahy, je to, či SPD využíva prstom bezpečný, odnímateľný modul, ktorý umožňuje ľahkú výmenu chybného modulu bez použitia nástrojov alebo nutnosti odpojenia napájania obvodu.

Úvahy o prepäťových ochranných zariadeniach pre FV inštalácie

Blesky blikajú z oblakov do systému ochrany pred bleskom, FV konštrukcie alebo blízkej zeme spôsobujú miestny vzrast potenciálu zeme vzhľadom na vzdialené referencie zeme. Vodiče prekonávajúce tieto vzdialenosti vystavujú zariadenie značnému napätiu. Účinky nárastu zemného potenciálu sa prejavujú predovšetkým v bode pripojenia medzi FV systémom viazaným na rozvodnú sieť a rozvodnou sieťou pri vstupe do služby - v mieste, kde je miestna zem elektricky spojená so vzdialenou referenčnou zemou.

Na vstupe do servisu by mala byť umiestnená prepäťová ochrana, ktorá ochráni obslužnú stranu striedača pred škodlivými prechodnými javmi. Prechodové javy pozorované v tomto mieste majú veľkú veľkosť a trvanie, a preto musia byť riadené prepäťovou ochranou s primerane vysokými hodnotami výbojového prúdu. Na tento účel sú ideálne riadené iskriská používané v koordinácii s MOV. Technológia iskrovej medzery môže vybíjať vysoké bleskové prúdy tým, že poskytuje funkciu ekvipotenciálneho spojenia počas prechodného stavu blesku. Koordinovaný MOV má schopnosť upnúť zvyškové napätie na prijateľnú úroveň.

Okrem účinkov nárastu zemného potenciálu môžu byť striedavú stranu invertora ovplyvnené prechodnými javmi vyvolanými bleskom a prepínaním sietí, ktoré sa objavujú aj pri vstupe do servisu. Aby sa minimalizovalo potenciálne poškodenie zariadenia, mala by sa primerane dimenzovaná prepäťová ochrana použiť čo najbližšie k svorkám striedača, s čo najkratšou a najpriamejšou cestou pre vodiče s dostatočným prierezom. Neimplementácia tohto kritéria návrhu má za následok vyšší pokles napätia ako je nevyhnutný v obvode SPD počas vybíjania a vystavuje chránené zariadenie vyšším prechodným napätiam, ako je potrebné.

Zváženie zariadení na ochranu proti prepätiu jednosmerného prúdu pre FV inštalácie

Priame údery do blízkych uzemnených štruktúr (vrátane systému ochrany pred bleskom) a medziblokové a medziblokové záblesky, ktoré môžu mať veľkosť 100 kA, môžu spôsobiť pridružené magnetické polia, ktoré indukujú prechodné prúdy do jednosmernej kabeláže FV systému. Tieto prechodné napätia sa vyskytujú na svorkách zariadenia a spôsobujú izoláciu a dielektrické poruchy kľúčových komponentov.

Umiestnenie SPD na určené miesta zmierňuje účinok týchto indukovaných a čiastočných bleskových prúdov. SPD je umiestnený paralelne medzi vodičmi pod napätím a zemou. Keď dôjde k prepätiu, zmení sa stav z vysokoimpedančného zariadenia na nízkoimpedančné zariadenie. V tejto konfigurácii SPD vybíja súvisiace prechodné prúdy, čím minimalizuje prepätie, ktoré by inak bolo prítomné na svorkách zariadenia. Toto paralelné zariadenie neprenáša žiadny záťažový prúd. Zvolený SPD musí byť špeciálne navrhnutý, dimenzovaný a schválený pre aplikáciu na jednosmerné FV napätia. Integrované odpojenie SPD musí byť schopné prerušiť závažnejší jednosmerný oblúk, ktorý sa v aplikáciách na striedavý prúd nenachádza.

Pripojenie modulov MOV v konfigurácii Y je bežne používanou konfiguráciou SPD na veľkých komerčných a úžitkových FV systémoch pracujúcich s maximálnym napätím naprázdno 600 alebo 1,000 XNUMX Vdc. Každá vetva Y obsahuje modul MOV pripojený ku každému pólu a k zemi. V neuzemnenom systéme sú medzi každým pólom a medzi pólom a zemou dva moduly. V tejto konfigurácii je každý modul dimenzovaný na polovicu systémového napätia, takže aj keď dôjde k poruche z pólu na zem, moduly MOV neprekročia svoju menovitú hodnotu.

Úvahy o prepäťovej ochrane systému Nonpower

Rovnako ako sú zariadenia a komponenty energetického systému citlivé na účinky blesku, rovnako je tomu aj v zariadeniach na meranie, riadenie, prístrojové vybavenie, SCADA a komunikačné systémy spojené s týmito inštaláciami. V týchto prípadoch je základná koncepcia prepäťovej ochrany rovnaká ako v prípade výkonových obvodov. Pretože je však toto zariadenie zvyčajne menej tolerantné voči prepäťovým impulzom a náchylnejšie na chybné signály a je nepriaznivo ovplyvnené pridaním sériových alebo paralelných komponentov do obvodov, je potrebné venovať zvýšenú pozornosť charakteristikám každého pridaného SPD. Vyžadujú sa špecifické SPD podľa toho, či tieto komponenty komunikujú cez krútený pár, CAT 6 Ethernet alebo koaxiálny RF. Okrem toho musia byť SPD vybrané pre bez výkonové obvody schopné bez prerušenia vybíjať prechodové prúdy, poskytovať primeranú úroveň ochrany pred napätím a zdržať sa rušenia funkcií systému - vrátane sériovej impedancie, medziobvodovej a uzemňovacej kapacity a šírky frekvenčného pásma. .

Bežné nesprávne použitie SPD

SPD sa aplikujú na výkonové obvody už mnoho rokov. Väčšina súčasných silových obvodov sú systémy so striedavým prúdom. Väčšina zariadení na ochranu pred prepätím bola ako taká navrhnutá na použitie v striedavých systémoch. Relatívne nedávne zavedenie veľkých komerčných a úžitkových fotovoltaických systémov a zvyšujúci sa počet nasadených systémov bohužiaľ viedli k nesprávnemu použitiu SPD určených na striedavý prúd na DC stranu. V týchto prípadoch pracujú SPD nesprávne, najmä počas ich poruchového režimu, kvôli charakteristikám jednosmerných FV systémov.

MOV poskytujú vynikajúce vlastnosti na to, aby slúžili ako SPD. Ak sú správne ohodnotené a správne použité, fungujú pre túto funkciu kvalitne. Rovnako ako všetky elektrické výrobky však môžu zlyhať. Poruchu môže spôsobiť okolité zahrievanie, vybíjacie prúdy, ktoré sú väčšie ako prúd, ktorý je určené pre zariadenie, príliš veľa vybití alebo vystavenie nepretržitým podmienkam prepätia.

Preto sú SPD navrhnuté s tepelne ovládaným odpojovacím spínačom, ktorý ich v prípade potreby oddeľuje od paralelného pripojenia k jednosmernému napájanému obvodu. Pretože pri vstupe SPD do režimu poruchy preteká určitý prúd, objaví sa pri činnosti spínača tepelného odpojenia mierny oblúk. Keď sa použije na striedavý prúd, prvý prechod nulou prúdu dodávaného generátorom tento oblúk zhasne a SPD sa z obvodu bezpečne odstráni. Ak sa na dc stranu FV systému použije rovnaká striedavá SPD, najmä pri vysokých napätiach, nedochádza k prechodu nuly prúdu v krivke jednosmerného prúdu. Normálny tepelne ovládaný spínač nemôže uhasiť prúd oblúka a zariadenie zlyhá.

Umiestnenie paralelného poisteného obtokového obvodu okolo obvodu MOV je jednou z metód na prekonanie uhasenia jednosmerného poruchového oblúka. Ak by tepelný odpojovač fungoval, cez jeho otváracie kontakty sa stále objaví oblúk; ale ten prúd oblúka je presmerovaný na paralelnú cestu obsahujúcu poistku, kde oblúk zhasne, a poistka preruší poruchový prúd.

Fixácia proti smeru prúdu pred SPD, ktorá sa môže použiť na striedavé systémy, nie je vhodná pre jednosmerné systémy. Skratový prúd, ktorý je k dispozícii na prevádzku poistky (ako v nadprúdovej ochrannej jednotke), nemusí byť dostatočný, keď je generátor na zníženom výstupnom výkone. V dôsledku toho to niektorí výrobcovia SPD zohľadnili vo svojej konštrukcii. Spoločnosť UL zmenila svoj predchádzajúci štandard doplnením k najnovšiemu štandardu ochrany proti prepätiu - UL 1449. Toto tretie vydanie je špeciálne použiteľné pre FV systémy.

Kontrolný zoznam SPD

Napriek vysokému riziku blesku, ktorému je vystavených veľa FV inštalácií, môžu byť chránené použitím SPD a správne navrhnutého systému ochrany pred bleskom. Účinná implementácia JPD by mala obsahovať nasledujúce aspekty:

• Správne umiestnenie v systéme
• Požiadavky na ukončenie
• Správne uzemnenie a spojenie systému uzemnenie zariadenia
• Hodnotenie absolutória
• Úroveň ochrany proti napätiu
• Vhodnosť pre daný systém vrátane aplikácií dc versus ac
• Poruchový režim
• Lokálna a vzdialená indikácia stavu
• Ľahko vymeniteľné moduly
• Normálna funkcia systému by nemala byť ovplyvnená, najmä v prípade systémov bez napájania