Пристрої захисту від перенапруги постійного струму для фотоелектричних установок

Панель сонячних батарей PV Combiner Box Захисний пристрій від перенапруги постійного струму

Оскільки пристрої захисту від перенапруги постійного струму для фотоелектричних установок повинні бути спроектовані для забезпечення повного впливу сонячного світла, вони дуже вразливі до впливу блискавки. Потужність фотоелектричного масиву безпосередньо залежить від площі його відкритої поверхні, тому потенційний вплив блискавичних подій збільшується із збільшенням розміру системи. Там, де випадки освітлення є частими, незахищені фотоелектричні системи можуть зазнати багаторазових та значних пошкоджень основних компонентів. Це призводить до значних витрат на ремонт та заміну, простою системи та втрати доходу. Правильно спроектовані, визначені та встановлені пристрої захисту від перенапруг (SPD) мінімізують потенційний вплив грозових подій при використанні у поєднанні з розробленими системами блискавкозахисту.

Система блискавкозахисту, яка включає в себе основні елементи, такі як повітряні термінали, належні провідники вниз, зрівнювання потенціалу для всіх струмопровідних компонентів та належні принципи заземлення, забезпечує захист від прямих ударів. Якщо на вашому об'єкті фотоелектрики є стурбованість ризиком блискавки, я настійно рекомендую найняти професійного інженера-електрика, який має досвід у цій галузі, щоб він надав дослідження оцінки ризику та дизайн системи захисту, якщо це необхідно.

Важливо розуміти різницю між системами блискавкозахисту та SPD. Призначення системи блискавкозахисту - направити прямий удар блискавки через значні струмопровідні провідники на землю, тим самим врятувавши конструкції та обладнання від потрапляння на шлях цього розряду або безпосереднього удару. SPD застосовуються до електричних систем, щоб забезпечити шлях розряду на землю, щоб врятувати компоненти цих систем від впливу високовольтних перехідних процесів, спричинених прямим або непрямим впливом блискавки або аномалій енергосистеми. Навіть із встановленою зовнішньою системою блискавкозахисту, без SPD, вплив блискавки все одно може завдати серйозної шкоди компонентам.

Для цілей цієї статті я припускаю, що існує певна форма блискавкозахисту, і вивчаю типи, функції та переваги додаткового використання відповідних SPD. У поєднанні з правильно розробленою системою блискавкозахисту використання SPD у ключових місцях системи захищає такі основні компоненти, як інвертори, модулі, обладнання в комбайнових коробках, а також системи вимірювання, управління та зв'язку.

Важливість SPD

Окрім наслідків прямого удару блискавки в решітки, з'єднувальні кабелі живлення дуже сприйнятливі до електромагнітних перехідних процесів. Перехідні процеси, прямо чи опосередковано спричинені блискавкою, а також перехідні процеси, що генеруються функціями комутації комунальних служб, піддають електричне та електронне обладнання дуже високим перенапругам дуже короткої тривалості (від десятків до сотень мікросекунд). Вплив цих перехідних напруг може спричинити катастрофічну несправність компонента, яка може бути помітною внаслідок механічних пошкоджень та відстеження вуглецю або бути непомітною, але все одно спричинити несправність обладнання або системи.

Тривалий вплив перехідних процесів меншої величини погіршує діелектричні та ізоляційні матеріали в обладнанні фотоелектричної системи до остаточного пробою. Крім того, перехідні напруги можуть з'являтися на схемах вимірювання, управління та зв'язку. Ці перехідні процеси можуть здаватися помилковими сигналами або інформацією, що спричиняє несправність обладнання або його вимкнення. Стратегічне розміщення SPD пом'якшує ці проблеми, оскільки вони функціонують як замикаючі або затискні пристрої.

Технічні характеристики SPD

Найбільш поширеною технологією SPD, яка використовується у фотоелектричних системах, є варистор з оксиду металу (MOV), який виконує функцію пристрою для затиску напруги. Інші технології SPD включають кремнієвий лавинний діод, контрольовані іскрові проміжки та газорозрядні трубки. Останні два - це комутаційні пристрої, які виглядають як коротке замикання або ломи. Кожна технологія має свої особливості, що робить її більш-менш придатною для конкретного застосування. Поєднання цих пристроїв також можна узгодити, щоб забезпечити більш оптимальні характеристики, ніж вони пропонують окремо. У таблиці 1 перераховані основні типи СПД, що використовуються у фотоелектричних системах, та детально описані їх загальні експлуатаційні характеристики.

SPD повинен мати можливість змінювати стан досить швидко протягом короткого часу, коли присутній перехідний процес, і розряджати величину перехідного струму без збоїв. Пристрій повинен також мінімізувати падіння напруги на ланцюзі SPD для захисту обладнання, до якого він підключений. Нарешті, функція SPD не повинна перешкоджати нормальній роботі цієї схеми.

Робочі характеристики SPD визначаються кількома параметрами, які той, хто робить вибір для SPD, повинен розуміти. Цей предмет вимагає додаткових деталей, які можна висвітлити тут, але ось деякі параметри, які слід враховувати: максимальна безперервна робоча напруга, змінне або постійне струм, номінальний струм розряду (визначається величиною та формою хвилі), рівень захисту від напруги ( термінальна напруга, яка присутня, коли SPD розряджає певний струм) і тимчасова перенапруга (безперервна перенапруга, яка може застосовуватися протягом певного часу, не пошкоджуючи SPD).

SPD з використанням різних компонентних технологій можуть бути розміщені в одних і тих же схемах. Однак їх слід вибирати обережно, щоб забезпечити енергетичну координацію між ними. Компонентна технологія з вищим номіналом розряду повинна розряджати найбільшу величину доступного перехідного струму, тоді як інша компонентна технологія зменшує залишкову перехідну напругу до меншої величини, оскільки розряджає менший струм.

SPD повинен мати вбудований самозахисний пристрій, який відключає його від ланцюга, якщо пристрій виходить з ладу. Щоб зробити це відключення очевидним, багато SPD відображають прапор, який вказує на стан його відключення. Індикація стану SPD за допомогою вбудованого допоміжного набору контактів є вдосконаленою функцією, яка може подавати сигнал до віддаленого місця. Ще однією важливою характеристикою продукту, яку слід врахувати, є те, чи використовує SPD захисний від пальців знімний модуль, який дозволяє легко замінити несправний модуль без інструментів або необхідність знеструмлювати ланцюг.

Пристрої захисту від перенапруги змінного струму для фотоелектричних установок

Блискавки спалахують із хмар у блискавкозахисну систему, фотоелектричну структуру або сусідній грунт, що спричиняє місцевий підйом потенціалу землі щодо віддалених еталонів землі. Провідники, що охоплюють ці відстані, піддають обладнання значним напругам. Ефекти підняття потенціалу на землю відчуваються в першу чергу в точці з'єднання між мережевою фотоелектричною системою та мережею на вході в службу - точці, де локальний заземлення електрично з'єднаний з віддаленим контрольним грунтом.

Захист від перенапруги слід розмістити біля службового входу, щоб захистити сторону інвертора від пошкодження перешкод. Перехідні процеси, що спостерігаються в цьому місці, мають велику величину і тривалість, і тому повинні управлятися захистом від перенапруги з відповідно високою номінальною напругою струму. Для цього ідеально підходять контрольовані іскрові зазори, що використовуються в координації з MOV. Технологія іскрового зазору може розряджати сильні струми блискавки, забезпечуючи функцію зрівняння потенціалу під час перехідного процесу блискавки. Узгоджений MOV має здатність затискати залишкову напругу до прийнятного рівня.

На додаток до ефектів підняття потенціалу на землю, на змінну сторону інвертора можуть впливати перехідні процеси, що спричиняються блискавкою, та комутаційні мережі, які також з'являються на вході в службу. Щоб мінімізувати потенційні пошкодження обладнання, слід застосовувати відповідний номінальний захист від перенапруги змінного струму якомога ближче до висновків змінного струму інвертора з максимально коротким і прямим маршрутом для провідників з достатньою площею перерізу. Нереалізація цього критерію проектування призводить до падіння напруги в ланцюзі SPD вище необхідного під час розряду та піддає захищене обладнання вищим перехідним напругам, ніж це необхідно.

Пристрої захисту від перенапруги постійного струму для фотоелектричних установок

Прямі удари по прилеглих заземлених конструкціях (включаючи систему блискавкозахисту), а також між- і внутрішньохмарні спалахи, які можуть бути потужністю 100 кА, можуть спричинити пов'язані з ними магнітні поля, які індукують перехідні струми в кабелі постійного струму фотоелектричної системи. Ці перехідні напруги виникають на затискачах обладнання та спричиняють пошкодження ізоляції та діелектриків ключових компонентів.

Розміщення SPD у визначених місцях пом'якшує вплив цих індукованих та часткових струмів блискавки. SPD розміщується паралельно між провідниками, що перебувають під напругою, і землею. Він змінює стан від пристрою з високим опором до пристрою з низьким опором, коли виникає перенапруга. У цій конфігурації SPD розряджає пов'язаний з цим перехідний струм, мінімізуючи перенапругу, яка в іншому випадку була б присутня на клемах обладнання. Цей паралельний пристрій не несе струму навантаження. Вибраний SPD повинен бути спеціально розроблений, розрахований і схвалений для застосування на постійних напругах PV. Вбудований роз'єднувач SPD повинен мати можливість переривати більш серйозну дугу постійного струму, якої немає в додатках змінного струму.

Підключення модулів MOV в конфігурації Y - це загальновживана конфігурація SPD у великих комерційних та комунальних фотоелектричних системах, що працюють при максимальній напрузі розімкнутого контуру 600 або 1,000 В постійного струму. Кожна ніжка Y містить модуль MOV, підключений до кожного полюса і до землі. У незаземленій системі є два модулі між кожним полюсом, а також між полюсом і землею. У цій конфігурації кожен модуль розрахований на половину напруги системи, тому навіть якщо виникає несправність полюса-землі, модулі MOV не перевищують їх номінальне значення.

Міркування щодо захисту від перенапруги в енергетичній системі

Подібно до того, як обладнання та компоненти енергосистеми сприйнятливі до дії блискавки, так само обладнання, що знаходиться у вимірювальних, контрольних, контрольно-вимірювальних приладах, SCADA та системах зв'язку, пов'язаних з цими установками. У цих випадках основна концепція захисту від перенапруги така ж, як і в ланцюгах живлення. Однак, оскільки це обладнання, як правило, менш толерантне до імпульсів перенапруги і є більш сприйнятливим до помилкових сигналів і негативно впливає додаванням послідовних або паралельних компонентів до ланцюгів, слід приділити більше уваги характеристикам кожного доданого SPD. Спеціальні SPD вимагаються залежно від того, чи взаємодіють ці компоненти через кручену пару, CAT 6 Ethernet або коаксіальний RF. Крім того, SPD, вибрані для несилових ланцюгів, повинні мати можливість безперебійно розряджати перехідні струми, забезпечувати адекватний рівень захисту від напруги та утримуватися від втручання у функціонування системи, включаючи послідовний опір, ємність лінії до лінії та землю та смугу частот. .

Поширені неправильні застосування СПД

SPD застосовуються в ланцюгах живлення протягом багатьох років. Більшість сучасних ланцюгів живлення є системами змінного струму. Таким чином, більшість обладнання для захисту від перенапруг розроблено для використання в системах змінного струму. Порівняно недавнє впровадження великих комерційних та комунальних фотоелектричних систем та збільшення кількості розгорнутих систем призвели до, на жаль, неправильного застосування SPD, призначених для систем змінного струму, на стороні постійного струму. У цих випадках SPD працюють неналежно, особливо під час режиму їх відмови, через характеристики систем постійного струму.

MOV забезпечують чудові характеристики для роботи в якості SPD. Якщо вони правильно оцінені та застосовані правильно, вони виконують цю функцію якісно. Однак, як і всі електротехнічні вироби, вони можуть вийти з ладу. Помилка може бути спричинена нагріванням навколишнього середовища, розрядними струмами, більшими, ніж пристрій призначений для обробки, розряджанням занадто багато разів або постійним перенапруженням.

Отже, SPD розроблені з термічним роз'єднувальним перемикачем, який відокремлює їх від паралельного підключення до ланцюга постійного струму під напругою, якщо це стане необхідним. Оскільки деякий струм протікає, коли SPD переходить у режим відмови, при спрацьовуванні перемикача теплового роз'єднання з'являється невелика дуга. При застосуванні в ланцюзі змінного струму перший перехід нуля струму, що подається генератором, гасить цю дугу, і SPD безпечно виймається з ланцюга. Якщо цей самий змінний струм SPD застосовується до сторони постійного струму фотоелектричної системи, особливо високих напруг, не буде нульового перетину струму у формі постійного струму. Звичайний термічний вимикач не може погасити струм дуги, і пристрій виходить з ладу.

Розміщення паралельного ланцюга обхідного байпасу навколо MOV є одним із методів подолання гасіння дуги несправності постійного струму. Якщо тепловий роз'єднувач спрацьовує, дуга все ще з'являється на його контактах, що відкриваються; але цей струм дуги перенаправляється на паралельний шлях, що містить запобіжник, де дуга згасає, і запобіжник перериває струм несправності.

Наплавлення на вищій частині перед SPD, як це може застосовуватися в системах змінного струму, не є доречним у системах постійного струму. Доступного струму короткого замикання для спрацьовування запобіжника (як у пристрої захисту від перевантаження) може бути недостатньо, коли генератор має знижену вихідну потужність. Як наслідок, деякі виробники SPD врахували це при своїй розробці. UL змінила свій попередній стандарт, доповнивши його останнім стандартом захисту від перенапруги - UL 1449. Це третє видання спеціально застосовується до фотоелектричних систем.

Контрольний список SPD

Незважаючи на високий блискавичний ризик, якому піддаються багато фотоелектричні установки, їх можна захистити застосуванням SPD та правильно розробленою системою блискавкозахисту. Ефективна реалізація СПД повинна включати такі міркування:

• Правильне розміщення в системі
• Вимоги щодо припинення
• Правильне заземлення та скріплення системи обладнання-земля
• Клас розряду
• Рівень захисту напруги
• Придатність для розглянутої системи, включаючи програми постійного та змінного струму
• Режим відмови
• Місцева та віддалена індикація стану
• Легко замінні модулі
• На нормальну функціонування системи це не повинно впливати, особливо на безенергетичні системи