PV Kurulumları için DC Aşırı Gerilim Koruma Cihazları

Güneş Paneli PV Birleştirici Kutusu DC Aşırı Gerilim Koruyucu Cihaz

PV Kurulumları için DC Aşırı Gerilim Koruma Cihazları, güneş ışığına tam maruz kalma sağlayacak şekilde tasarlanması gerektiğinden, yıldırımın etkilerine karşı oldukça savunmasızdır. Bir PV dizisinin kapasitesi doğrudan maruz kalan yüzey alanıyla ilgilidir, bu nedenle yıldırım olaylarının potansiyel etkisi sistem boyutuyla birlikte artar. Aydınlatma olaylarının sık olduğu yerlerde, korumasız PV sistemleri ana bileşenlerde tekrarlanan ve önemli hasarlara maruz kalabilir. Bu, önemli onarım ve değiştirme maliyetleri, sistemin kapalı kalma süresi ve gelir kaybıyla sonuçlanır. Düzgün bir şekilde tasarlanmış, belirlenmiş ve monte edilmiş aşırı gerilim koruma cihazları (SPD'ler), tasarlanmış yıldırım koruma sistemleriyle birlikte kullanıldığında yıldırım olaylarının potansiyel etkisini en aza indirir.

Hava terminalleri, uygun iniş iletkenleri, tüm akım taşıyan bileşenler için eşpotansiyel bağlantı ve uygun topraklama ilkeleri gibi temel unsurları içeren bir yıldırımdan korunma sistemi, doğrudan çarpmalara karşı bir koruma kanopisi sağlar. PV tesisinizde herhangi bir yıldırım riski endişesi varsa, bir risk değerlendirme çalışması ve gerekirse bir koruma sistemi tasarımı sağlamak için bu alanda uzman olan profesyonel bir elektrik mühendisi tutmanızı şiddetle tavsiye ederim.

Yıldırımdan korunma sistemleri ile SPD'ler arasındaki farkı anlamak önemlidir. Yıldırımdan korunma sisteminin amacı, doğrudan yıldırım çarpmasını önemli miktarda akım taşıyan iletkenler üzerinden toprağa kanalize etmektir, böylece yapıları ve ekipmanı bu deşarj yolunda olmaktan veya doğrudan çarpılmaktan kurtarır. SPD'ler, bu sistemlerin bileşenlerinin yıldırımın veya güç sistemi anormalliklerinin doğrudan veya dolaylı etkilerinden kaynaklanan yüksek voltajlı geçişlere maruz kalmasını önlemek için toprağa deşarj yolu sağlamak için elektrik sistemlerine uygulanır. SPD'ler olmadan, harici bir yıldırımdan korunma sistemi yerinde olsa bile, yıldırımın etkileri bileşenlerde büyük hasara neden olabilir.

Bu makalenin amaçları doğrultusunda, bir tür yıldırımdan korunma sisteminin mevcut olduğunu varsayıyorum ve uygun SPD'lerin ek kullanımının türlerini, işlevlerini ve faydalarını inceliyorum. Düzgün tasarlanmış bir yıldırımdan korunma sistemi ile birlikte, SPD'lerin anahtar sistem konumlarında kullanılması, inverterler, modüller, birleştirme kutularındaki ekipman ve ölçüm, kontrol ve iletişim sistemleri gibi ana bileşenleri korur.

SPD'lerin Önemi

Dizilere doğrudan yıldırım çarpmasının sonuçlarının yanı sıra, birbirine bağlanan güç kabloları elektromanyetik olarak indüklenen geçici akımlara karşı çok hassastır. Doğrudan veya dolaylı olarak yıldırımın neden olduğu geçici olayların yanı sıra yardımcı program anahtarlama işlevlerinin ürettiği geçici olaylar, elektrikli ve elektronik ekipmanı çok kısa süreli (onlarca ila yüzlerce mikrosaniye) çok yüksek aşırı gerilimlere maruz bırakır. Bu geçici gerilimlere maruz kalma, mekanik hasar ve karbon izleme ile fark edilebilen veya fark edilemeyen ancak yine de bir ekipman veya sistem arızasına neden olan yıkıcı bir bileşen arızasına neden olabilir.

Düşük büyüklükteki geçişlere uzun süreli maruz kalma, nihai bir arıza olana kadar PV sistem ekipmanındaki dielektrik ve yalıtım malzemesini bozar. Ek olarak, ölçüm, kontrol ve iletişim devrelerinde gerilim geçişleri görünebilir. Bu geçişler hatalı sinyaller veya bilgiler gibi görünerek ekipmanın arızalanmasına veya kapanmasına neden olabilir. SPD'lerin stratejik yerleşimi, bu sorunları azaltır çünkü kısa devre veya kenetleme cihazları olarak işlev görürler.

SPD'lerin Teknik Özellikleri

PV uygulamalarında kullanılan en yaygın SPD teknolojisi, voltaj sıkıştırma cihazı olarak işlev gören metal oksit varistördür (MOV). Diğer SPD teknolojileri arasında silikon çığ diyotu, kontrollü kıvılcım aralıkları ve gaz boşaltma tüpleri bulunur. Son ikisi, kısa devre veya levye olarak görünen anahtarlama cihazlarıdır. Her teknolojinin kendine has özellikleri vardır ve bu da onu belirli bir uygulama için aşağı yukarı uygun hale getirir. Bu cihazların kombinasyonları, ayrı ayrı sunduklarından daha optimum özellikler sağlamak için de koordine edilebilir. Tablo 1, PV sistemlerinde kullanılan başlıca SPD türlerini listeler ve genel işletim özelliklerini detaylandırır.

Bir SPD, bir geçici durumun mevcut olduğu kısa süre için durumları yeterince hızlı değiştirebilmeli ve geçici akımın büyüklüğünü arıza yapmadan boşaltabilmelidir. Cihaz ayrıca bağlı olduğu ekipmanı korumak için SPD devresindeki voltaj düşüşünü en aza indirmelidir. Son olarak, SPD işlevi, o devrenin normal işlevine müdahale etmemelidir.

SPD çalışma özellikleri, SPD'ler için seçimi yapan kişinin anlaması gereken çeşitli parametrelerle tanımlanır. Bu konu, burada ele alınabilecek daha fazla ayrıntı gerektirir, ancak aşağıdakiler dikkate alınması gereken bazı parametrelerdir: maksimum sürekli çalışma voltajı, ac veya dc uygulaması, nominal deşarj akımı (bir büyüklük ve dalga formu ile tanımlanır), voltaj koruma seviyesi ( SPD belirli bir akımı boşaltırken mevcut olan terminal voltajı) ve geçici aşırı voltaj (SPD'ye zarar vermeden belirli bir süre uygulanabilen sürekli bir aşırı voltaj).

Farklı bileşen teknolojileri kullanan SPD'ler aynı devrelere yerleştirilebilir. Ancak, aralarında enerji koordinasyonunu sağlamak için özenle seçilmelidirler. Daha yüksek deşarj derecesine sahip bileşen teknolojisi, mevcut geçici akımın en büyük büyüklüğünü deşarj etmelidir, diğer bileşen teknolojisi ise artık geçici gerilimi daha düşük bir akımı boşaltırken daha düşük bir büyüklüğe düşürür.

SPD, cihazın arızalanması durumunda devre ile bağlantısını kesen entegre bir kendini koruma cihazına sahip olmalıdır. Bu kopukluğu görünür kılmak için birçok SPD, bağlantı kesme durumunu gösteren bir bayrak görüntüler. SPD'nin durumunu dahili bir yardımcı kontak seti aracılığıyla belirtmek, uzak bir konuma sinyal sağlayabilen gelişmiş bir özelliktir. Göz önünde bulundurulması gereken bir diğer önemli ürün özelliği, SPD'nin, arızalı bir modülün aletsiz veya devrenin enerjisinin kesilmesi gerekmeden kolayca değiştirilmesine izin veren parmak korumalı, çıkarılabilir bir modül kullanıp kullanmadığıdır.

PV Kurulumları için AC Aşırı Gerilim Koruma Cihazları

Bulutlardan yıldırımdan korunma sistemine, PV yapısına veya yakındaki bir zemine yıldırım çakmaları, uzak yer referanslarına göre yerel bir toprak potansiyeli artışına neden olur. Bu mesafeleri kapsayan iletkenler, ekipmanı önemli voltajlara maruz bırakır. Toprak potansiyeli artışlarının etkileri, öncelikle şebekeye bağlı bir PV sistemi ile hizmet girişindeki hizmet birimi arasındaki bağlantı noktasında - yerel toprağın elektriksel olarak uzak bir referans toprağa bağlandığı noktada deneyimlenir.

İnverterin şebeke tarafını geçici hasarlardan korumak için servis girişine aşırı gerilim koruma yerleştirilmelidir. Bu konumda görülen geçici akımlar yüksek büyüklük ve süreye sahiptir ve bu nedenle uygun şekilde yüksek deşarj akım değerlerine sahip aşırı gerilim koruma tarafından yönetilmelidir. MOV'lar ile koordineli olarak kullanılan kontrollü kıvılcım boşlukları bu amaç için idealdir. Kıvılcım aralığı teknolojisi, yıldırım geçişi sırasında eşpotansiyel bağlantı işlevi sağlayarak yüksek yıldırım akımlarını boşaltabilir. Koordineli MOV, artık gerilimi kabul edilebilir bir seviyeye sabitleme yeteneğine sahiptir.

Toprak potansiyeli artışının etkilerine ek olarak, eviricinin ac tarafı, hizmet girişinde de görülen yıldırım kaynaklı ve yardımcı anahtarlama geçişlerinden etkilenebilir. Olası ekipman hasarını en aza indirmek için, uygun şekilde derecelendirilmiş AC aşırı gerilim koruması, yeterli kesit alanına sahip iletkenler için en kısa ve en düz yol ile, sürücünün ac terminallerine mümkün olduğu kadar yakın uygulanmalıdır. Bu tasarım kriterinin uygulanmaması, deşarj sırasında SPD devresinde gerekenden daha yüksek voltaj düşüşüne neden olur ve korunan ekipmanı gerekenden daha yüksek geçici voltajlara maruz bırakır.

PV Kurulumları için DC Aşırı Gerilim Koruma Cihazları

Yakındaki topraklanmış yapılara (yıldırımdan korunma sistemi dahil) doğrudan darbeler ve 100 kA büyüklüğünde olabilen bulut içi ve bulut içi flaşlar, PV sistemi dc kablolarına geçici akımlara neden olan ilişkili manyetik alanlara neden olabilir. Bu geçici gerilimler, ekipman terminallerinde görünür ve temel bileşenlerin yalıtıma ve dielektrik arızalarına neden olur.

SPD'lerin belirtilen yerlere yerleştirilmesi, bu indüklenen ve kısmi yıldırım akımlarının etkisini azaltır. SPD, enerjili iletkenler ile toprak arasına paralel olarak yerleştirilir. Aşırı gerilim meydana geldiğinde, durumu yüksek empedanslı bir cihazdan düşük empedanslı bir cihaza değiştirir. Bu konfigürasyonda, SPD ilgili geçici akımı deşarj ederek, aksi takdirde ekipman terminallerinde mevcut olacak aşırı gerilimi en aza indirir. Bu paralel cihaz herhangi bir yük akımı taşımaz. Seçilen SPD, dc PV voltajlarında uygulama için özel olarak tasarlanmalı, derecelendirilmeli ve onaylanmalıdır. Entegre SPD bağlantı kesme, ac uygulamalarında bulunmayan daha şiddetli dc arkını kesebilmelidir.

MOV modüllerini bir Y konfigürasyonunda bağlamak, maksimum 600 veya 1,000 Vdc'lik bir açık devre voltajında ​​çalışan büyük ticari ve şebeke ölçeğindeki PV sistemlerinde yaygın olarak kullanılan bir SPD konfigürasyonudur. Y'nin her bir ayağı, her bir kutba ve toprağa bağlı bir MOV modülü içerir. Topraksız bir sistemde, her bir kutup arasında ve hem kutup hem de toprak arasında iki modül vardır. Bu konfigürasyonda, her modül sistem voltajının yarısı için derecelendirilmiştir, bu nedenle kutuptan toprağa bir hata oluşsa bile, MOV modülleri nominal değerlerini aşmaz.

Güç Dışı Sistem Aşırı Gerilim Koruma Hususları

Güç sistemi ekipmanı ve bileşenleri yıldırımın etkilerine duyarlı olduğu gibi, bu kurulumlarla ilişkili ölçüm, kontrol, enstrümantasyon, SCADA ve iletişim sistemlerinde bulunan ekipman da öyle. Bu durumlarda, aşırı gerilim korumanın temel konsepti, güç devrelerindeki ile aynıdır. Bununla birlikte, bu ekipman genellikle aşırı gerilim darbelerine daha az toleranslı olduğundan ve hatalı sinyallere daha duyarlı olduğundan ve devrelere seri veya paralel bileşenlerin eklenmesinden olumsuz etkilenmeye karşı, eklenen her bir SPD'nin özelliklerine daha fazla özen gösterilmelidir. Bu bileşenlerin bükümlü çift, CAT 6 Ethernet veya koaksiyel RF aracılığıyla iletişim kurup kurmadığına göre belirli SPD'ler istenir. Buna ek olarak, güçsüz devreler için seçilen SPD'ler, geçici akımları hatasız olarak boşaltabilmeli, yeterli bir voltaj koruma seviyesi sağlamalı ve sistemin işlevine müdahale etmekten kaçınmalıdır - seri empedans, hatlar arası ve toprak kapasitesi ve frekans bant genişliği dahil .

SPD'lerin Yaygın Yanlış Uygulamaları

SPD'ler uzun yıllardır güç devrelerine uygulanmaktadır. Çağdaş güç devrelerinin çoğu alternatif akım sistemleridir. Bu nedenle, çoğu aşırı gerilim koruma ekipmanı, ac sistemlerinde kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Büyük ticari ve hizmet ölçeğindeki PV sistemlerinin nispeten yakın zamanda piyasaya sürülmesi ve yerleştirilen sistemlerin sayısının artması, ne yazık ki ac sistemleri için tasarlanmış SPD'lerin dc tarafında yanlış uygulamaya yol açmıştır. Bu durumlarda, SPD'ler, dc PV sistemlerinin özellikleri nedeniyle, özellikle arıza modlarında uygunsuz bir şekilde çalışır.

MOV'lar, SPD'ler olarak hizmet vermek için mükemmel özellikler sağlar. Düzgün derecelendirilir ve doğru uygulanırsa, o işlev için kaliteli bir şekilde çalışırlar. Ancak tüm elektrikli ürünler gibi arızalanabilirler. Arıza, ortamın ısınması, cihazın üstesinden gelmek için tasarlandığından daha yüksek akımların boşaltılması, çok fazla deşarj olması veya sürekli aşırı voltaj koşullarına maruz kalmasından kaynaklanabilir.

Bu nedenle, SPD'ler, gerektiğinde onları paralel bağlantıdan enerjili dc devresine ayıran, termal olarak çalıştırılan bir bağlantı kesme anahtarı ile tasarlanmıştır. SPD arıza moduna girerken bir miktar akım geçtiği için, termal bağlantı kesme anahtarı çalışırken hafif bir ark belirir. Bir ac devresine uygulandığında, jeneratör tarafından sağlanan akımın ilk sıfır geçişi bu arkı söndürür ve SPD devreden güvenli bir şekilde çıkarılır. Aynı ac SPD, bir PV sisteminin dc tarafına, özellikle yüksek voltajlara uygulanırsa, bir dc dalga formunda akımın sıfır geçişi olmaz. Normal termal olarak çalıştırılan anahtar ark akımını söndüremez ve cihaz arızalanır.

MOV etrafına paralel sigortalı bir baypas devresi yerleştirmek, dc arıza arkının söndürülmesinin üstesinden gelmek için bir yöntemdir. Termik ayırma çalışıyorsa, açık kontakları boyunca hala bir ark görünür; ancak bu ark akımı, arkın söndüğü bir sigorta içeren paralel bir yola yönlendirilir ve sigorta, arıza akımını keser.

AC sistemlerinde uygulanabildiği gibi, SPD'nin önündeki yukarı akış kaynaştırma, dc sistemlerde uygun değildir. Sigortayı çalıştırmak için mevcut kısa devre akımı (bir aşırı akım koruma cihazında olduğu gibi), jeneratör düşük güç çıkışındayken yeterli olmayabilir. Sonuç olarak, bazı SPD üreticileri bunu tasarımlarında dikkate almıştır. UL, en son aşırı gerilim koruma standardı olan UL 1449'u ekleyerek önceki standardını değiştirmiştir. Bu üçüncü baskı özellikle PV sistemlerine uygulanabilir.

SPD Kontrol Listesi

Birçok PV kurulumunun maruz kaldığı yüksek yıldırım riskine rağmen, SPD'lerin uygulanması ve uygun şekilde tasarlanmış bir yıldırım koruma sistemi ile korunabilirler. Etkili SPD uygulaması aşağıdaki hususları içermelidir:

• Sisteme doğru yerleştirme
• Fesih gereksinimleri
• Ekipman zemin sisteminin uygun şekilde topraklanması ve bağlanması
• Deşarj derecesi
• Gerilim koruma seviyesi
• DC'ye karşı ac uygulamaları dahil olmak üzere söz konusu sistem için uygunluk
• Hata modu
• Yerel ve uzak durum göstergesi
• Kolayca değiştirilebilen modüller
• Normal sistem işlevi, özellikle güçsüz sistemlerde etkilenmemelidir