DC-överspänningsskyddsenheter för PV-installationer

Solpanel PV Combiner Box DC överspänningsskydd

Eftersom DC-överspänningsskyddsenheter för PV-installationer måste utformas för att ge full exponering för solljus är de mycket sårbara för effekterna av blixtar. Kapaciteten hos en PV-matris är direkt relaterad till dess exponerade ytarea, så den potentiella effekten av blixthändelser ökar med systemstorleken. I de fall där belysningen förekommer kan oskyddade solcellssystem leda till upprepade och betydande skador på viktiga komponenter. Detta resulterar i betydande reparations- och ersättningskostnader, systemstopp och intäktsförlust. Korrekt utformade, specificerade och installerade överspänningsskydd (SPD) minimerar den potentiella påverkan av blixthändelser när de används tillsammans med konstruerade blixtskyddssystem.

Ett blixtskyddssystem som innehåller grundläggande element som luftanslutningar, korrekta nedledare, potentialutjämning för alla strömförande komponenter och korrekta jordningsprinciper ger ett skydd mot direkta stötar. Om det finns risk för blixtrisk på din solcellsanläggning rekommenderar jag starkt att anställa en professionell elektrotekniker med expertis inom detta område för att tillhandahålla en riskbedömningsstudie och om det behövs en utformning av ett skyddssystem.

Det är viktigt att förstå skillnaden mellan blixtskyddssystem och SPD. Ett blixtskyddssystem syftar till att kanalisera ett direkt blixtnedslag genom väsentliga strömförande ledare till jorden, vilket sparar strukturer och utrustning från att vara i vägen för den urladdningen eller bli direkt slagen. SPD används på elektriska system för att ge en urladdningsväg till jorden för att rädda systemens komponenter från att utsättas för högspänningstransienter som orsakas av de direkta eller indirekta effekterna av blixt- eller kraftsystemavvikelser. Även med ett externt blixtskyddssystem på plats, utan SPD, kan effekterna av blixtnedslag fortfarande orsaka stora skador på komponenter.

I denna artikel antar jag att någon form av blixtskydd är på plats och undersöker typer, funktion och fördelar med ytterligare användning av lämpliga SPD. I kombination med ett korrekt konstruerat blixtskyddssystem skyddar användningen av SPD på viktiga systemplatser viktiga komponenter som växelriktare, moduler, utrustning i kombinationsboxar och mät-, styr- och kommunikationssystem.

Betydelsen av SPD

Bortsett från konsekvenserna av direkta blixtnedslag till matriserna, är sammankopplande kraftkablar mycket mottagliga för elektromagnetiskt inducerade transienter. Transienter som direkt eller indirekt orsakas av blixtar, såväl som transienter som genereras av funktionsomkopplingsfunktioner, utsätter elektrisk och elektronisk utrustning för mycket höga överspänningar av mycket kort varaktighet (tiotals till hundratals mikrosekunder). Exponering för dessa övergående spänningar kan orsaka ett katastrofalt komponentfel som kan märkas av mekaniska skador och kolspårning eller vara omärkbart men ändå orsaka ett utrustnings- eller systemfel.

Långvarig exponering för transienter av lägre storlek försämrar dielektriskt material och isoleringsmaterial i PV-systemutrustning tills det finns en slutlig nedbrytning. Dessutom kan spänningstransienter visas på mät-, styr- och kommunikationskretsar. Dessa transienter kan tyckas vara felaktiga signaler eller information som kan orsaka fel på utrustningen eller stängas av. Den strategiska placeringen av SPD: er mildrar dessa problem eftersom de fungerar som kortslutnings- eller fastspänningsenheter.

Tekniska egenskaper hos SPD

Den vanligaste SPD-tekniken som används i PV-applikationer är metalloxidvaristorn (MOV), som fungerar som en spännspänningsanordning. Andra SPD-teknologier inkluderar kisel lavindiod, kontrollerade gnistgap och gasurladdningsrör. De två sistnämnda är växlingsenheter som visas som kortslutning eller kofot. Varje teknik har sina egna egenskaper, vilket gör den mer eller mindre lämplig för en specifik applikation. Kombinationer av dessa enheter kan också samordnas för att ge mer optimala egenskaper än de erbjuder individuellt. Tabell 1 visar de viktigaste SPD-typerna som används i solcellssystem och beskriver deras allmänna driftsegenskaper.

En SPD måste kunna ändra tillstånd tillräckligt snabbt för den korta tid som en transient är närvarande och för att urladda storleken på den övergående strömmen utan att misslyckas. Enheten måste också minimera spänningsfallet över SPD-kretsen för att skydda utrustningen den är ansluten till. Slutligen bör SPD-funktionen inte störa den normala funktionen hos den kretsen.

SPD-funktionsegenskaper definieras av flera parametrar som den som gör valet för SPD: n måste förstå. Detta ämne kräver mer information som kan täckas här, men följande är några parametrar som bör övervägas: maximal kontinuerlig driftspänning, växelström eller likströmstillämpning, nominell urladdningsström (definierad av en storlek och en vågform), spänningsskyddsnivå ( anslutningsspänning som finns när SPD laddar ur en specifik ström) och tillfällig överspänning (en kontinuerlig överspänning som kan appliceras under en viss tid utan att SPD skadas).

SPD: er som använder olika komponentteknologier kan placeras i samma kretsar. De måste dock väljas med omsorg för att säkerställa energikoordinering mellan dem. Komponenttekniken med högre urladdningsgrad måste urlåsa den största transientströmens storlek medan den andra komponenttekniken reducerar den återstående transienta spänningen till en lägre storlek då den urladdar en mindre ström.

SPD måste ha en integrerad självskyddande enhet som kopplar bort den från kretsen om enheten skulle misslyckas. För att göra denna urkoppling uppenbar visar många SPD: er en flagga som anger dess bortkopplingsstatus. Att indikera SPD: s status via en integrerad extra uppsättning kontakter är en förbättrad funktion som kan ge en signal till en fjärrplats. En annan viktig produktegenskap att tänka på är om SPD använder en fingersäker, avtagbar modul som gör det möjligt att enkelt byta ut en misslyckad modul utan verktyg eller behovet av att koppla ur kretsen.

AC-överspänningsskyddsenheter för övervägande av PV-installationer

Blixtar blinkar från moln till blixtskyddssystemet, solcellsstrukturen eller en närliggande mark orsakar en lokal markpotentialökning med avseende på avlägsna markreferenser. Ledare som sträcker sig över dessa avstånd utsätter utrustningen för betydande spänningar. Effekterna av markpotentialhöjningar upplevs främst vid anslutningspunkten mellan ett nätbundet PV-system och elnätet vid serviceingången - den punkt där den lokala marken är elektriskt ansluten till en avlägsen referensmark.

Överspänningsskydd ska placeras vid serviceingången för att skydda omformarens verktygssida från att skada transienter. Transienterna som ses på denna plats är av stor storlek och varaktighet och måste därför hanteras med överspänningsskydd med lämpligt högt urladdningsströmvärde. Kontrollerade gnistgap som används i samordning med MOV är perfekta för detta ändamål. Gnistgap-tekniken kan urladda höga blixtströmmar genom att tillhandahålla en potentialutjämningsfunktion under blixtens övergående. Den samordnade MOV har förmågan att klämma restspänningen till en acceptabel nivå.

Förutom effekterna av markpotentialökning kan växelriktarens AC-sida påverkas av blixtinducerade och strömbrytande transienter som också uppträder vid serviceingången. För att minimera potentiell utrustningsskada bör AC-överspänningsskydd med lämpligt betyg tillämpas så nära växelriktarens växelströmskontakter som möjligt, med den kortaste och rakaste vägen för ledare med tillräcklig tvärsnittsarea. Att inte implementera detta designkriterium resulterar i högre än nödvändigt spänningsfall i SPD-kretsen under urladdning och utsätter den skyddade utrustningen för högre transienta spänningar än nödvändigt.

DC-överspänningsskyddsenheter för övervägande av solcelleanläggningar

Direkta stötar till närliggande jordade strukturer (inklusive blixtskyddssystemet) och inter- och inom molnblixtar som kan vara i storleksordningen 100 kA kan orsaka tillhörande magnetfält som inducerar övergående strömmar till solcelledningar för solceller. Dessa övergående spänningar uppträder vid terminaler på utrustningen och orsakar isolering och dielektriska fel hos viktiga komponenter.

Att placera SPD på specifika platser mildrar effekten av dessa inducerade och partiella blixtströmmar. SPD är placerad parallellt mellan strömförsörjda ledare och jord. Det ändrar tillstånd från en högimpedansanordning till en lågimpedansanordning när överspänningen uppstår. I denna konfiguration laddar SPD ut den tillhörande övergående strömmen, vilket minimerar den överspänning som annars skulle vara närvarande vid utrustningsterminalerna. Denna parallella enhet har ingen belastningsström. Den valda SPD måste vara specifikt utformad, klassad och godkänd för användning på likspänning. Den integrerade SPD-kopplingen måste kunna avbryta den allvarligare likströmsbågen, vilket inte finns på växelströmstillämpningar.

Anslutning av MOV-moduler i en Y-konfiguration är en vanligt förekommande SPD-konfiguration på stora kommersiella PV-system som arbetar med en maximal öppen kretsspänning på 600 eller 1,000 Vdc. Varje ben på Y innehåller en MOV-modul ansluten till varje pol och till jord. I ett ojordat system finns det två moduler mellan varje pol och mellan både pol och mark. I denna konfiguration klassas varje modul för halva systemspänningen, så även om ett jord-till-jord-fel uppstår överskrider MOV-modulerna inte deras nominella värde.

Överväganden om skydd mot överspänningsskydd utan kraft

Precis som kraftsystemets utrustning och komponenter är mottagliga för effekterna av blixtar, så finns den utrustning som finns i mät-, kontroll-, instrument-, SCADA- och kommunikationssystem som är associerade med dessa installationer. I dessa fall är det grundläggande konceptet för överspänningsskydd detsamma som för strömkretsar. Eftersom denna utrustning vanligtvis är mindre tolerant mot överspänningsimpulser och mer mottaglig för felaktiga signaler och påverkas negativt av tillägget av serier eller parallella komponenter till kretsarna, måste man ägna större omsorg åt egenskaperna för varje SPD som läggs till. Specifika SPD: er efterfrågas beroende på om dessa komponenter kommunicerar via tvinnat par, CAT 6 Ethernet eller koaxial RF. Dessutom måste SPDs som valts för icke-strömkretsar kunna urladda de övergående strömmarna utan fel, för att ge en tillräcklig spänningsskyddsnivå och avstå från att störa systemets funktion - inklusive serieimpedans, linje-till-linje- och jordkapacitans och frekvensbandbredd .

Vanliga felanvändningar av SPD

SPD har använts på strömkretsar i många år. De flesta moderna strömkretsar är växelströmssystem. Som sådan har de flesta överspänningsskyddsutrustningar utformats för användning i växelströmssystem. Den relativt nya introduktionen av stora kommersiella solpaneler och användningsskalor och det ökande antalet utplacerade system har tyvärr lett till felanvändning på likströmssidan av SPD: er avsedda för växelsystem. I dessa fall fungerar SPD: erna felaktigt, särskilt under deras felläge, på grund av egenskaperna hos DC-solcellssystem.

MOVs ger utmärkta egenskaper för att fungera som SPD. Om de klassificeras korrekt och tillämpas korrekt, utför de på ett kvalitetssätt för den funktionen. Men som alla elektriska produkter kan de misslyckas. Fel kan orsakas av omgivande uppvärmning, urladdning av strömmar som är större än enheten är konstruerad för att hantera, urladdning för många gånger eller genom att utsättas för kontinuerliga överspänningsförhållanden.

Därför är SPD: er utformade med en termiskt manövrerad brytare som skiljer dem från den parallella anslutningen till den strömförsörjda likströmskretsen om det skulle bli nödvändigt. Eftersom en del ström strömmar igenom när SPD går in i felfunktion, uppträder en liten båge när termisk brytare fungerar. När den appliceras på en växelströmskrets slocknar den första nollkorsningen av den genererade strömmen som böjer och SPD avlägsnas säkert från kretsen. Om samma AC SPD appliceras på likströmssidan av ett PV-system, särskilt höga spänningar, finns det ingen nollkorsning av strömmen i en likströmsvågform. Den normala termiskt manövrerade strömbrytaren kan inte släcka bågströmmen och enheten misslyckas.

Att placera en parallell smält förbikopplingskrets runt MOV är en metod för att övervinna släckningen av likströmsbågen. Om den termiska avbrytaren fungerar fungerar en båge fortfarande över dess öppningskontakter; men den bågströmmen omdirigeras till en parallell väg som innehåller en säkring där bågen släcks, och säkringen avbryter felströmmen.

Uppströms smältning före SPD, som kan tillämpas på växelströmssystem, är inte lämpligt på likströmssystem. Kortslutningsströmmen för säkring (som i en överströmsskyddsanordning) kanske inte är tillräcklig när generatorn har en reducerad effekt. Som en konsekvens har vissa SPD-tillverkare beaktat detta i sin design. UL har modifierat sin tidigare standard genom tillägg till den senaste överspänningsskyddsstandarden - UL 1449. Den här tredje utgåvan är speciellt tillämplig på solcellssystem.

SPD-checklista

Trots den höga blixtrisken som många solcelleanläggningar utsätts för kan de skyddas genom användning av SPD och ett ordentligt konstruerat blixtskyddssystem. Effektiv SPD-implementering bör innehålla följande överväganden:

• Korrekt placering i systemet
• Uppsägningskrav
• Korrekt jordning och limning av utrustningens jordsystem
• Utsläppsbetyg
• Spänningsskyddsnivå
• Lämplighet för systemet i fråga, inklusive likströms- och växelströmsapplikationer
• Feltillstånd
• Lokal och fjärrstatusindikering
• Enkelt utbytbara moduler
• Normal systemfunktion bör inte påverkas, särskilt på icke-strömförsörjda system