Захист від блискавки та перенапруги для фотоелектричних систем на даху

В даний час встановлено багато фотоелектричних систем. Виходячи з того, що електроенергія, що генерується самостійно, загалом дешевша і забезпечує високий ступінь електричної незалежності від мережі, фотоелектричні системи стануть невід’ємною частиною електроустановок у майбутньому. Однак ці системи піддаються будь-яким погодним умовам і повинні витримувати їх протягом десятиліть.

Кабелі фотоелектричних систем часто потрапляють у будівлю і простягаються на великі відстані, поки не досягнуть точки підключення до мережі.

Блискавкові розряди спричиняють польові та проводяться електричні перешкоди. Цей ефект зростає по відношенню до збільшення довжини кабелю або контурів провідників. Перенапруги не тільки пошкоджують фотоелектричні модулі, інвертори та контрольну електроніку, а й пристрої в будівлі.

Що ще важливіше, виробничі потужності промислових будівель також можуть бути легко пошкоджені і виробництво може зупинитися.

Якщо в системи, що знаходяться далеко від електромережі, яка також називається автономною фотоелектричною системою, вводяться стрибки напруги, робота обладнання, що працює від сонячної електрики (наприклад, медичне обладнання, водопостачання), може бути порушена.

Необхідність системи блискавкозахисту на даху

Енергія, що виділяється розрядом блискавки, є однією з найпоширеніших причин пожежі. Тому особистий та протипожежний захист має першорядне значення у разі прямого удару блискавки в будівлю.

На стадії проектування фотоелектричної системи очевидно, чи встановлена ​​на будівлі система блискавкозахисту. Норми будівельних норм деяких країн вимагають, щоб громадські будівлі (наприклад, місця громадських зборів, школи та лікарні) були обладнані системою блискавкозахисту. У випадку промислових або приватних будівель, від їх розташування, типу конструкції та використання залежить, чи повинна бути встановлена ​​система блискавкозахисту. З цією метою слід визначити, чи слід очікувати удару блискавки, чи це може мати серйозні наслідки. Конструкції, що потребують захисту, повинні бути забезпечені постійно ефективними системами блискавкозахисту.

Відповідно до стану науково-технічних знань, встановлення фотоелектричних модулів не збільшує ризик удару блискавки. Отже, запит на грозозахисні заходи не може бути отриманий безпосередньо з простого існування фотоелектричної системи. Однак через ці системи в будівлю може потрапляти значне перешкода блискавки.

Отже, необхідно визначити ризик, що виникає внаслідок удару блискавки відповідно до IEC 62305-2 (EN 62305-2), і врахувати результати цього аналізу ризику при встановленні фотоелектричної системи.

Розділ 4.5 (Управління ризиками) Додатку 5 німецького стандарту DIN EN 62305-3 описує, що блискавкозахисна система, розроблена для класу LPS III (LPL III), відповідає звичайним вимогам до систем PV. Крім того, адекватні заходи захисту від блискавки перелічені в німецькому керівництві VdS 2010 (Орієнтований на ризик захист від блискавки та перенапруги), опублікованому Німецькою страховою асоціацією. Ця настанова також вимагає встановлення LPL III і, отже, системи блискавкозахисту відповідно до класу LPS III для фотоелектричних систем на даху (> 10 кВт_p) та вжити заходів захисту від перенапруги. Як правило, фотоелектричні системи на даху не повинні перешкоджати існуючим заходам блискавкозахисту.

Необхідність захисту від перенапруг для фотоелектричних систем

У разі розряду блискавки на електричних провідниках виникають стрибки. Пристрої захисту від перенапруги (SPD), які повинні бути встановлені перед пристроями, що захищаються на стороні змінного, постійного та постійного струмів, виявилися дуже ефективними в захисті електричних систем від цих руйнівних піків напруги. Розділ 9.1 стандарту CENELEC CLC / TS 50539-12 (Принципи вибору та застосування - SPD, підключені до фотоелектричних установок) вимагає встановлення пристроїв захисту від перенапруги, якщо аналіз ризику не демонструє, що SPD не потрібні. Відповідно до стандарту IEC 60364-4-44 (HD 60364-4-44), пристрої захисту від перенапруги також повинні бути встановлені для будівель без зовнішньої системи блискавкозахисту, таких як комерційні та промислові будівлі, наприклад, сільськогосподарські об'єкти. Додаток 5 німецького стандарту DIN EN 62305-3 містить детальний опис типів SPD та місця їх встановлення.

Прокладка кабелів фотоелектричних систем

Кабелі повинні прокладатися таким чином, щоб уникнути великих контурів провідників. Цього слід дотримуватися при об'єднанні ланцюгів постійного струму для формування рядка та при з'єднанні декількох рядків. Більше того, дані або лінії датчиків не повинні прокладатись через декілька рядків і утворювати великі контури провідників з рядковими лініями. Це також слід дотримуватися при підключенні інвертора до мережевого з'єднання. З цієї причини лінії живлення (постійного та змінного струму) та лінії передачі даних (наприклад, датчик випромінювання, контроль потужності) повинні бути прокладені разом із провідниками зрівнювання потенціалів по всьому їх маршруту.

Заземлення фотоелектричних систем

Фотоелектричні модулі, як правило, фіксуються на металевих монтажних системах. Напружені фотоелектричні компоненти зі сторони постійного струму мають подвійну або посилену ізоляцію (порівнянну з попередньою захисною ізоляцією), як це вимагається стандартом IEC 60364-4-41. Поєднання численних технологій на стороні модуля та інвертора (наприклад, з або без гальванічної ізоляції) призводить до різних вимог до заземлення. Більше того, система контролю ізоляції, вбудована в інвертори, є ефективною лише тоді, коли система кріплення підключена до землі. Інформація про практичне впровадження наведена в додатку 5 німецького стандарту DIN EN 62305-3. Металева підструктура функціонально заземлена, якщо фотоелектрична система розташована в захищеному обсязі систем закінчення повітря і дотримується відстань відриву. Розділ 7 Додатка 5 вимагає мідних провідників перетином не менше 6 мм² або еквівалент функціонального заземлення (рисунок 1). Монтажні рейки також повинні бути постійно з'єднані за допомогою провідників цього перерізу. Якщо кріпильна система безпосередньо підключена до зовнішньої блискавкозахисної системи через те, що неможливо підтримувати відстань відриву s, ці провідники стають частиною блискавично-еквіпотенціальної системи зв’язку. Отже, ці елементи повинні бути здатними нести струми блискавки. Мінімальною вимогою до системи блискавкозахисту, розробленої для класу LPS III, є мідний провідник перетином 16 мм² або еквівалент. Крім того, в цьому випадку кріпильні рейки повинні бути постійно з'єднані за допомогою провідників цього перерізу (рис. 2). Функціональний провідник для еквіпотенціального заземлення / блискавки слід прокладати паралельно і якомога ближче до кабелів / ліній постійного та змінного струму.

Заземлювальні затискачі UNI (рисунок 3) можна закріпити на всіх загальноприйнятих системах кріплення. Вони з'єднують, наприклад, мідні провідники перетином 6 або 16 мм² і оголені дроти заземлення діаметром від 8 до 10 мм до системи кріплення таким чином, щоб вони могли нести струми блискавки. Вбудована контактна пластина з нержавіючої сталі (V4A) забезпечує захист від корозії для алюмінієвих монтажних систем.

Відстань розділення s згідно з IEC 62305-3 (EN 62305-3) Необхідно дотримуватися певної відстані відриву s між системою блискавкозахисту та PV системою. Він визначає відстань, необхідну для уникнення неконтрольованого спалаху до сусідніх металевих деталей, що є наслідком удару блискавки, до зовнішньої блискавкозахисної системи. У гіршому випадку такий неконтрольований спалах може підпалити будівлю. У цьому випадку пошкодження фотоелектричної системи стає неактуальним.

Основні тіні на сонячних елементах

Відстань між сонячним генератором та зовнішньою грозозахисною системою є абсолютно важливою для запобігання надмірного затінення. Дифузні тіні, що відбиваються, наприклад, повітряними лініями, суттєво не впливають на систему ПВ і вихід. Однак у випадку основних тіней темна чітко окреслена тінь відкидається на поверхню позаду об’єкта, змінюючи струм, що протікає через PV-модулі. З цієї причини на сонячні елементи та пов'язані з ними байпасні діоди не повинні впливати тіні ядра. Цього можна досягти, підтримуючи достатню відстань. Наприклад, якщо стрижень повітря діаметром 10 мм затінює модуль, тінь сердечника постійно зменшується із збільшенням відстані від модуля. Через 1.08 м на модуль кидається лише дифузна тінь (рис. 4). Додаток А Додатку 5 німецького стандарту DIN EN 62305-3 містить більш детальну інформацію щодо розрахунку тіней серцевини.

Спеціальні пристрої захисту від перенапруги для постійного струму на стороні фотоелектричних систем

Характеристики U / I фотоелектричних джерел струму сильно відрізняються від характеристик звичайних джерел постійного струму: вони мають нелінійну характеристику (рисунок 5) і спричиняють тривалу стійкість запалених дуг. Ця унікальна природа джерел струму ФВ вимагає не тільки більших фотоелектричних вимикачів та запобіжників, але й роз'єднувача пристрою захисту від перенапруги, який пристосований до цієї унікальної природи та здатний протистояти ФВ струмам. Додаток 5 німецького стандарту DIN EN 62305-3 (підрозділ 5.6.1, таблиця 1) описує вибір адекватних SPD.

Для полегшення вибору SPD типу 1 у таблицях 1 та 2 наведено необхідну здатність імпульсного струму блискавки I_бісеня залежно від класу LPS, ряду пускових провідників зовнішніх блискавкозахисних систем, а також типу SPD (обмежувач напруги на основі варистора або розрядник на основі іскрового розрядника з перемиканням напруги). Необхідно використовувати SPD, які відповідають чинному стандарту EN 50539-11. Підрозділ 9.2.2.7 CENELEC CLC / TS 50539-12 також посилається на цей стандарт.

Розрядник постійного струму типу 1 для використання в фотоелектричних системах:

Багатополюсний розрядник постійного струму типу 1 + тип 2 FLP7-PV. Цей пристрій перемикання постійного струму складається з комбінованого пристрою відключення та короткого замикання з термодинамічним контролем та запобіжником на байпасному шляху. Ця схема безпечно від'єднує розрядник від напруги генератора в разі перевантаження і надійно гасить дуги постійного струму. Таким чином, це дозволяє захистити PV-генератори до 1000 А без додаткового резервного запобіжника. Цей розрядник поєднує в собі розрядник блискавки та розрядник перенапруги в одному пристрої, забезпечуючи таким чином ефективний захист кінцевого обладнання. З його розрядною здатністю I_{загальний} 12.5 кА (10/350 мкс), його можна гнучко використовувати для найвищих класів LPS. FLP7-PV доступний для напруг U_CPV 600 В, 1000 В та 1500 В і має ширину лише 3 модулі. Тому FLP7-PV є ідеальним комбінованим розрядником типу 1 для використання в системах фотоелектричного живлення.

SPD типу 1 на основі іскрового перемикача напруги, наприклад, FLP12,5-PV, - це ще одна потужна технологія, яка дозволяє розряджати часткові струми блискавки у випадку систем постійного струму постійного струму. Завдяки своїй технології іскрового зазору та схемі згасання постійного струму, що дозволяє ефективно захищати електронні системи, розташовані за течією, ця серія розрядників має надзвичайно високу розрядну здатність струму блискавки I_{загальний} 50 кА (10/350 мкс), що є унікальним на ринку.

Розрядник типу 2 постійного струму для використання в фотоелектричних системах: SLP40-PV

Надійна робота SPD в ланцюгах постійного струму також необхідна при використанні пристроїв захисту від перенапруги типу 2. З цією метою розрядники перенапруги серії SLP40-PV також мають стійкий до несправностей Y захисний контур, а також підключені до генераторів PV до 1000 А без додаткового запобіжника.

Численні технології, поєднані в цих розрядниках, запобігають пошкодженню пристрою захисту від перенапруги через несправності ізоляції в PV-ланцюзі, ризик пожежі перевантаженого розрядника та приводить розрядник у безпечний електричний стан, не порушуючи роботу PV-системи. Завдяки захисному ланцюгу характеристика обмеження напруги варісторів може бути повністю використана навіть у схемах постійного струму фотоелектричних систем. Крім того, постійно активний пристрій захисту від перенапруги мінімізує численні малі піки напруги.

Вибір SPD відповідно до рівня захисту напруги U_p

Робоча напруга на стороні постійного струму фотоелектричних систем відрізняється від системи до системи. В даний час можливі значення до 1500 В постійного струму. Отже, діелектрична міцність кінцевого обладнання також відрізняється. Щоб забезпечити надійну захист фотоелектричної системи, рівень захисту від напруги U_p до SPD повинна бути нижчою за діелектричну міцність фотоелектричної системи, яку вона повинна захищати. Стандарт CENELEC CLC / TS 50539-12 вимагає, щоб Up був принаймні на 20% нижчим за діелектричну міцність фотоелектричної системи. SPD типу 1 або типу 2 повинні узгоджуватися з енергією з введенням кінцевого обладнання. Якщо SPD вже вбудовані в кінцеве обладнання, координація між SPD типу 2 та вхідним ланцюгом кінцевого обладнання забезпечується виробником.

Приклади застосування:

Будівля без зовнішньої системи блискавкозахисту (ситуація А)

На рисунку 12 представлена ​​концепція захисту від перенапруги для фотоелектричної системи, встановленої на будівлі без зовнішньої системи блискавкозахисту. Небезпечні перенапруги потрапляють в фотоелектричну систему через індуктивне зчеплення, що виникає внаслідок ударів блискавки поблизу або переміщення від системи електроживлення через службовий вхід до споживчої установки. SPD типу 2 слід встановлювати в таких місцях:

- сторона постійного струму модулів та інверторів

- вихід змінного струму інвертора

- Головна низьковольтна розподільна плата

- Інтерфейси дротового зв'язку

Кожен вхід постійного струму (MPP) інвертора повинен бути захищений пристроєм захисту від перенапруги типу 2, наприклад, серією SLP40-PV, який надійно захищає сторону постійного струму фотоелектричних систем. Стандарт CENELEC CLC / TS 50539-12 вимагає встановити додатковий розрядник типу 2 постійного струму на стороні модуля, якщо відстань між входом інвертора та PV-генератором перевищує 10 м.

Виходи змінного струму перетворювачів достатньо захищені, якщо відстань між перетворювачами PV та місцем встановлення розрядника типу 2 у точці підключення до мережі (подача низької напруги) менше 10 м. У випадку більшої довжини кабелю, додатковий пристрій захисту від перенапруги типу 2, наприклад, серію SLP40-275, повинен бути встановлений перед входом змінного струму перетворювача відповідно до CENELEC CLC / TS 50539-12.

Більше того, перед лічильником подачі низької напруги повинен бути встановлений пристрій захисту від перенапруги типу 2 SLP40-275. CI (Circuit Interruption) означає узгоджений запобіжник, інтегрований в захисний шлях розрядника, що дозволяє використовувати розрядник у змінній ланцюзі без додаткового резервного запобіжника. Серія SLP40-275 доступна для будь-якої конфігурації низьковольтної системи (TN-C, TN-S, TT).

Якщо інвертори підключені до ліній передачі даних та датчиків для контролю виходу, потрібні відповідні пристрої захисту від перенапруги. Серія FLD2, яка має термінали для двох пар, наприклад для вхідних та вихідних ліній даних, може використовуватися для систем передачі даних на базі RS 485.

Будівля із зовнішньою системою блискавкозахисту та достатньою відстанню відриву s (ситуація B)

малюнок 13 показана концепція захисту від перенапруги для фотоелектричної системи із зовнішньою грозозахисною системою та достатньою відстанню s між фотоелектричною системою та зовнішньою блискавкозахисною системою.

Основною метою захисту є уникнення пошкодження людей та майна (пожежа будівлі) внаслідок удару блискавки. У цьому контексті важливо, щоб фотоелектрична система не перешкоджала роботі зовнішньої блискавкозахисної системи. Більше того, сама фотоелектрична система повинна бути захищена від прямих ударів блискавки. Це означає, що фотоелектрична система повинна бути встановлена ​​в захищеному об'ємі зовнішньої блискавкозахисної системи. Цей захищений об'єм утворюється системами припинення повітря (наприклад, стрижнями повітря), які запобігають прямим ударам блискавки в фотоелектричні модулі та кабелі. Метод захисного кута (Малюнок 14) або метод кочення сфери (Малюнок 15) як описано в підрозділі 5.2.2 стандарту IEC 62305-3 (EN 62305-3), для визначення цього захищеного об'єму може бути використано. Необхідно дотримуватися певної відстані відриву s між усіма струмопровідними частинами фотоелектричної системи та блискавкозахисної системи. У цьому контексті слід запобігати появі тіньових ядер, наприклад, підтримуючи достатню відстань між стрижнями повітряного завершення та PV-модулем.

Еквіпотенціальне зв’язування блискавки є невід’ємною частиною системи блискавкозахисту. Він повинен бути реалізований для всіх провідних систем та ліній, що входять у будівлю, які можуть нести струм блискавки. Це досягається безпосереднім підключенням всіх металевих систем та опосередкованим підключенням всіх систем, що живляться, через захисні пристрої струму блискавки типу 1 до системи замикання на землю. Еквіпотенціальне зв’язування блискавки слід здійснювати якомога ближче до точки входу в будівлю, щоб запобігти потраплянню часткових струмів блискавки в будівлю. Точка підключення до мережі повинна бути захищена багатополюсним запобіжником типу 1 на основі іскрових розрядників, наприклад, комбінованим розрядником типу 1 FLP25GR. Цей розрядник поєднує в собі розрядник блискавки та розрядник перенапруги в одному пристрої. Якщо довжина кабелю між розрядником та інвертором менше 10 м, забезпечується достатній захист. У разі більшої довжини кабелю, додаткові пристрої захисту від перенапруги типу 2 повинні бути встановлені перед входом змінного струму перетворювачів відповідно до CENELEC CLC / TS 50539-12.

Кожен постійний струм вхідного перетворювача повинен бути захищений захисником ПВ типу 2, наприклад, серією SLP40-PV (рис. 16). Це також стосується безтрансформаторних пристроїв. Якщо інвертори підключені до ліній передачі даних, наприклад, щоб контролювати вихід, для захисту передачі даних повинні бути встановлені пристрої захисту від перенапруги. Для цього серія FLPD2 може бути передбачена для ліній з аналоговими системами сигналів і систем шин даних, таких як RS485. Він визначає робочу напругу корисного сигналу та регулює рівень захисту напруги до цієї робочої напруги.

Високовольтний, ізольований провідник HVI

Ще однією можливістю підтримувати відстань розділення є використання стійких до напруги ізольованих провідників HVI, що дозволяють підтримувати відстань відстані до 0.9 м у повітрі. Провідники HVI можуть безпосередньо контактувати з фотоелектричною системою після закінчення ущільнення. Більш детальна інформація щодо застосування та встановлення провідників HVI наведена в цьому Посібнику із захисту від блискавки або у відповідних інструкціях з монтажу.

Будівля із зовнішньою системою блискавкозахисту з недостатньою відстанню відстані (ситуація C)

Якщо покрівля виконана з металу або утворена самою фотоелектричною системою, відстань відриву s неможливо зберегти. Металеві компоненти монтажної системи ПВ повинні бути підключені до зовнішньої блискавкозахисної системи таким чином, щоб вони могли нести струми блискавки (мідний провідник перетином не менше 16 мм² або еквівалент). Це означає, що блискавично-еквіпотенціальне зв’язування також повинно бути здійснено для ліній PV, що входять у будівлю ззовні (рис. 17). Згідно з додатком 5 німецького стандарту DIN EN 62305-3 та стандарту CENELEC CLC / TS 50539-12, лінії постійного струму повинні бути захищені SPD типу 1 для фотоелектричних систем.

Для цього використовується комбінований розрядник типу 1 і тип 2 FLP7-PV. Еквіпотенціальний зв’язок блискавки також повинен бути реалізований у подачі низької напруги. Якщо PV (-і) інвертор (-и) знаходиться (-ють) більше ніж на 10 м від SPD типу 1, встановленого в точці підключення до мережі, додатковий SPD типу 1 повинен бути встановлений на стороні змінного струму інвертора (-ов) (наприклад, тип 1 + комбінований розрядник типу 2 FLP25GR). Також повинні бути встановлені відповідні пристрої захисту від перенапруги, щоб захистити відповідні лінії даних для контролю врожаю. Пристрої захисту від перенапруг серії FLD2 використовуються для захисту систем передачі даних, наприклад, на базі RS 485.

Фотоелектричні системи з мікроінверторами

Мікроінвертори вимагають іншої концепції захисту від перенапруги. Для цього лінія постійного струму модуля або пари модулів безпосередньо підключена до малогабаритного інвертора. У цьому процесі слід уникати зайвих кондукторних петель. Індуктивне зв’язування в такі невеликі структури постійного струму зазвичай має лише низький потенціал енергетичного руйнування. Широкі кабелі фотоелектричної системи з мікроінверторами розташовані збоку змінного струму (рис. 18). Якщо мікроінвертор безпосередньо встановлений на модулі, пристрої захисту від перенапруги можуть бути встановлені лише на стороні змінного струму:

- Будинки без зовнішньої системи блискавкозахисту = розрядники типу 2 SLP40-275 для змінного / трифазного струму в безпосередній близькості від мікроінверторів та SLP40-275 при подачі низької напруги.

- Будинки із зовнішньою системою блискавкозахисту та достатньою відстанню відриву s = розрядники типу 2, наприклад, SLP40-275, в безпосередній близькості від мікроінверторів та розрядників струму блискавки, що несуть струм блискавки типу 1 при подачі низької напруги, наприклад, FLP25GR.

- Будинки із зовнішньою грозозахисною системою та недостатньою відстанню відриву s = розрядники типу 1, наприклад, SLP40-275, в безпосередній близькості до мікроінверторів та струму блискавки, що несуть розрядники типу 1 FLP25GR на подачі низької напруги.

Незалежно від конкретних виробників, мікроінвертори мають системи моніторингу даних. Якщо дані модулюються на лінії змінного струму через мікроінвертори, на окремих приймальних блоках повинен бути передбачений пристрій захисту від перенапруги (експорт даних / обробка даних). Те саме стосується інтерфейсних з'єднань із шинними системами нижчого рівня та їх напруги (наприклад, Ethernet, ISDN).

Системи сонячної енергії є невід’ємною частиною сучасних електричних систем. Вони повинні бути оснащені достатніми грозозахисними захисниками, таким чином забезпечуючи тривалу безвідмовну роботу цих джерел електроенергії.