Thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền DC cho việc lắp đặt PV

Bảng điều khiển năng lượng mặt trời Hộp kết hợp PV Thiết bị bảo vệ chống sét lan truyền DC

Bởi vì Thiết bị Bảo vệ Chống sét lan truyền DC cho Lắp đặt PV phải được thiết kế để có thể tiếp xúc hoàn toàn với ánh sáng mặt trời, chúng rất dễ bị ảnh hưởng của sét. Công suất của mảng PV liên quan trực tiếp đến diện tích bề mặt tiếp xúc của nó, do đó tác động tiềm tàng của các sự kiện sét sẽ tăng theo kích thước hệ thống. Ở những nơi thường xuyên xảy ra sự cố chiếu sáng, hệ thống PV không được bảo vệ có thể bị hư hại nhiều lần và nghiêm trọng đối với các bộ phận chính. Điều này dẫn đến chi phí sửa chữa và thay thế đáng kể, thời gian ngừng hoạt động của hệ thống và mất doanh thu. Các thiết bị chống sét lan truyền (SPD) được thiết kế, chỉ định và lắp đặt phù hợp giúp giảm thiểu tác động tiềm tàng của các sự kiện sét khi sử dụng cùng với hệ thống chống sét được thiết kế.

Một hệ thống chống sét kết hợp các yếu tố cơ bản như đầu nối không khí, dây dẫn sét thích hợp, liên kết đẳng thế cho tất cả các bộ phận mang dòng và các nguyên tắc nối đất phù hợp cung cấp một lớp bảo vệ chống lại các cuộc tấn công trực tiếp. Nếu có bất kỳ lo ngại nào về rủi ro sét tại địa điểm PV của bạn, tôi thực sự khuyên bạn nên thuê một kỹ sư điện chuyên nghiệp có chuyên môn trong lĩnh vực này để cung cấp nghiên cứu đánh giá rủi ro và thiết kế hệ thống bảo vệ nếu cần.

Điều quan trọng là phải hiểu sự khác biệt giữa hệ thống chống sét và SPD. Mục đích của hệ thống chống sét là dẫn dòng sét đánh trực tiếp qua các dây dẫn mang dòng điện đáng kể xuống đất, do đó tiết kiệm cho các cấu trúc và thiết bị không nằm trong đường phóng điện đó hoặc bị đánh trực tiếp. SPDs được áp dụng cho các hệ thống điện để cung cấp một đường phóng điện xuống đất để ngăn các bộ phận của hệ thống đó tiếp xúc với quá độ điện áp cao do tác động trực tiếp hoặc gián tiếp của sét hoặc sự bất thường của hệ thống điện. Ngay cả khi có hệ thống chống sét bên ngoài, không có SPDs, ảnh hưởng của sét vẫn có thể gây ra thiệt hại lớn cho các bộ phận.

Với mục đích của bài viết này, tôi giả định rằng một số hình thức bảo vệ chống sét được đưa ra và xem xét các loại, chức năng và lợi ích của việc sử dụng thêm SPDs thích hợp. Cùng với hệ thống chống sét được thiết kế phù hợp, việc sử dụng SPDs tại các vị trí hệ thống chính sẽ bảo vệ các thành phần chính như bộ biến tần, mô-đun, thiết bị trong hộp kết hợp và hệ thống đo lường, điều khiển và truyền thông.

Tầm quan trọng của SPDs

Ngoài hậu quả của sét đánh trực tiếp vào các mảng, hệ thống cáp điện kết nối rất dễ bị cảm ứng điện từ quá độ. Quá độ trực tiếp hoặc gián tiếp do sét gây ra, cũng như quá độ được tạo ra bởi các chức năng chuyển mạch tiện ích, làm cho thiết bị điện và điện tử bị quá điện áp rất cao trong thời gian rất ngắn (hàng chục đến hàng trăm micro giây). Tiếp xúc với các điện áp thoáng qua này có thể gây ra hỏng hóc bộ phận nghiêm trọng có thể gây ra hư hỏng cơ học và theo dõi carbon hoặc không thể nhận thấy được nhưng vẫn gây ra hỏng hóc thiết bị hoặc hệ thống.

Tiếp xúc lâu dài với quá độ cường độ thấp hơn làm suy giảm chất điện môi và vật liệu cách điện trong thiết bị hệ thống PV cho đến khi có sự cố cuối cùng. Ngoài ra, quá độ điện áp có thể xuất hiện trên các mạch đo lường, điều khiển và giao tiếp. Các tín hiệu chuyển tiếp này có thể là tín hiệu hoặc thông tin sai, khiến thiết bị hoạt động sai hoặc tắt. Vị trí chiến lược của SPDs giảm thiểu những vấn đề này vì chúng hoạt động như các thiết bị đoản mạch hoặc kẹp chặt.

Đặc tính kỹ thuật của SPDs

Công nghệ SPD phổ biến nhất được sử dụng trong các ứng dụng PV là biến thể oxit kim loại (MOV), có chức năng như một thiết bị kẹp điện áp. Các công nghệ SPD khác bao gồm diode tuyết lở silicon, khoảng trống tia lửa được kiểm soát và ống phóng khí. Hai thứ sau là thiết bị chuyển mạch xuất hiện dưới dạng ngắn mạch hoặc xà beng. Mỗi công nghệ có những đặc điểm riêng, làm cho nó ít nhiều phù hợp với một ứng dụng cụ thể. Sự kết hợp của các thiết bị này cũng có thể được phối hợp để cung cấp các đặc tính tối ưu hơn so với chúng cung cấp riêng lẻ. Bảng 1 liệt kê các loại SPD chính được sử dụng trong hệ thống PV và nêu chi tiết các đặc điểm hoạt động chung của chúng.

SPD phải có khả năng thay đổi trạng thái đủ nhanh trong thời gian ngắn có dòng điện quá độ và phóng điện quá độ mà không bị hỏng. Thiết bị cũng phải giảm thiểu điện áp rơi trên mạch SPD để bảo vệ thiết bị mà nó được kết nối. Cuối cùng, chức năng SPD không được can thiệp vào chức năng bình thường của mạch đó.

Đặc tính hoạt động của SPD được xác định bởi một số tham số mà bất kỳ ai đang thực hiện lựa chọn SPD đều phải hiểu. Chủ đề này yêu cầu thêm chi tiết có thể được đề cập ở đây, nhưng sau đây là một số thông số cần được xem xét: điện áp hoạt động liên tục tối đa, ứng dụng xoay chiều hoặc một chiều, dòng phóng điện danh định (được xác định bằng cường độ và dạng sóng), mức bảo vệ điện áp ( điện áp đầu cuối hiện diện khi SPD đang phóng một dòng điện cụ thể) và quá áp tạm thời (quá áp liên tục có thể được áp dụng trong một thời gian cụ thể mà không làm hỏng SPD).

SPDs sử dụng các công nghệ thành phần khác nhau có thể được đặt trong cùng một mạch. Tuy nhiên, chúng phải được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo sự phối hợp năng lượng giữa chúng. Công nghệ thành phần có định mức phóng điện cao hơn phải phóng điện ở cường độ lớn nhất của dòng điện quá độ hiện có trong khi công nghệ thành phần khác giảm điện áp quá độ dư xuống mức thấp hơn khi nó phóng ra dòng điện nhỏ hơn.

SPD phải có một thiết bị tự bảo vệ tích hợp ngắt kết nối nó khỏi mạch nếu thiết bị bị lỗi. Để làm rõ ràng tình trạng ngắt kết nối này, nhiều SPD hiển thị cờ cho biết trạng thái ngắt kết nối của nó. Chỉ báo trạng thái của SPD thông qua một bộ tiếp điểm phụ không thể thiếu là một tính năng nâng cao có thể cung cấp tín hiệu đến một vị trí từ xa. Một đặc tính quan trọng khác của sản phẩm cần xem xét là liệu SPD có sử dụng mô-đun có thể tháo rời, an toàn bằng ngón tay cho phép dễ dàng thay thế mô-đun hỏng hóc mà không cần dụng cụ hoặc không cần ngắt điện mạch hay không.

Cân nhắc thiết bị bảo vệ chống sét AC cho việc lắp đặt PV

Tia chớp từ các đám mây đến hệ thống chống sét, cấu trúc PV hoặc mặt đất gần đó gây ra sự gia tăng điện thế mặt đất cục bộ liên quan đến các tham chiếu mặt đất ở xa. Các dây dẫn trải dài những khoảng cách này khiến thiết bị tiếp xúc với điện áp đáng kể. Tác động của sự gia tăng điện thế mặt đất chủ yếu xảy ra tại điểm kết nối giữa hệ thống PV nối lưới và tiện ích tại lối vào dịch vụ — điểm mà đất địa phương được kết nối điện với mặt đất tham chiếu ở xa.

Bảo vệ chống sét lan truyền nên được đặt ở lối vào dịch vụ để bảo vệ phía tiện ích của biến tần khỏi làm hỏng quá độ. Quá độ nhìn thấy tại vị trí này có cường độ và thời lượng cao và do đó phải được quản lý bằng bảo vệ chống sét lan truyền với xếp hạng dòng phóng điện cao thích hợp. Khoảng trống tia lửa được kiểm soát được sử dụng phối hợp với MOV là lý tưởng cho mục đích này. Công nghệ khe hở tia lửa có thể phóng dòng điện sét cao bằng cách cung cấp chức năng liên kết đẳng thế trong quá trình sét đánh. MOV phối hợp có khả năng kẹp điện áp dư đến mức chấp nhận được.

Ngoài các tác động của sự gia tăng điện thế đất, phía xoay chiều của biến tần có thể bị ảnh hưởng bởi quá độ chuyển mạch tiện ích và cảm ứng sét gây ra cũng xuất hiện ở lối vào dịch vụ. Để giảm thiểu hư hỏng thiết bị có thể xảy ra, nên áp dụng bảo vệ chống sét lan truyền AC danh định thích hợp càng gần các đầu nối xoay chiều của biến tần càng tốt, với tuyến ngắn nhất và thẳng nhất cho các dây dẫn có đủ diện tích mặt cắt ngang. Không thực hiện tiêu chí thiết kế này dẫn đến sụt áp cao hơn mức cần thiết trong mạch SPD trong quá trình phóng điện và làm cho thiết bị được bảo vệ ở điện áp quá độ cao hơn mức cần thiết.

Cân nhắc thiết bị bảo vệ chống sét DC cho việc lắp đặt PV

Các cuộc tấn công trực tiếp vào các cấu trúc được nối đất gần đó (bao gồm cả hệ thống chống sét) và các tia chớp giữa và trong đám mây có thể có cường độ 100 kA có thể gây ra từ trường liên quan tạo ra dòng điện quá độ vào hệ thống cáp một chiều của hệ thống PV. Các điện áp quá độ này xuất hiện tại các đầu nối của thiết bị và gây ra hư hỏng cách điện và điện môi của các bộ phận chính.

Việc đặt SPD tại các vị trí xác định sẽ giảm thiểu ảnh hưởng của các dòng sét cảm ứng và một phần này. SPD được đặt song song giữa các dây dẫn được cấp điện và đất. Nó thay đổi trạng thái từ thiết bị trở kháng cao sang thiết bị trở kháng thấp khi xảy ra quá áp. Trong cấu hình này, SPD phóng ra dòng điện quá độ liên quan, giảm thiểu quá điện áp có thể có ở các đầu nối thiết bị. Thiết bị song song này không mang bất kỳ dòng tải nào. SPD được chọn phải được thiết kế đặc biệt, đánh giá và phê duyệt để áp dụng trên điện áp PV một chiều. Ngắt kết nối SPD tích hợp phải có khả năng ngắt hồ quang một chiều nghiêm trọng hơn, không có trên các ứng dụng xoay chiều.

Kết nối mô-đun MOV trong cấu hình Y là cấu hình SPD thường được sử dụng trên các hệ thống PV quy mô thương mại và tiện ích lớn hoạt động ở điện áp mạch hở tối đa là 600 hoặc 1,000 Vdc. Mỗi chân của Y chứa một mô-đun MOV được kết nối với mỗi cực và nối đất. Trong một hệ thống không bao quanh, có hai mô-đun giữa mỗi cực, và giữa cả cực và đất. Trong cấu hình này, mỗi mô-đun được đánh giá cho một nửa điện áp hệ thống, vì vậy ngay cả khi xảy ra sự cố từ cực nối đất, các mô-đun MOV không vượt quá giá trị danh định của chúng.

Cân nhắc Bảo vệ Hệ thống Chống xung điện

Cũng như các thiết bị và thành phần của hệ thống điện dễ bị ảnh hưởng của sét, thiết bị được tìm thấy trong hệ thống đo lường, điều khiển, thiết bị đo đạc, SCADA và hệ thống thông tin liên lạc liên quan đến các hệ thống này. Trong những trường hợp này, khái niệm cơ bản về bảo vệ chống sét lan truyền giống như trên các mạch nguồn. Tuy nhiên, vì thiết bị này thường ít chịu được xung quá áp và dễ bị tín hiệu sai hơn và bị ảnh hưởng bất lợi khi bổ sung các thành phần nối tiếp hoặc song song vào mạch, nên cần phải chú ý đến các đặc tính của từng SPD được thêm vào. Các SPD cụ thể được gọi tùy theo việc các thành phần này đang giao tiếp thông qua cặp xoắn, Ethernet CAT 6 hay RF đồng trục. Ngoài ra, SPDs được chọn cho các mạch điện không phải có khả năng phóng điện quá độ mà không bị hỏng, để cung cấp mức bảo vệ điện áp thích hợp và không can thiệp vào chức năng của hệ thống — bao gồm trở kháng nối tiếp, đường dây và điện dung nối đất và băng thông tần số .

Các ứng dụng sai phổ biến của SPDs

SPDs đã được áp dụng cho các mạch nguồn trong nhiều năm. Hầu hết các mạch điện đương đại là hệ thống dòng điện xoay chiều. Như vậy, hầu hết các thiết bị chống sét lan truyền đã được thiết kế để sử dụng trong các hệ thống xoay chiều. Sự ra đời tương đối gần đây của các hệ thống PV quy mô tiện ích và thương mại lớn và số lượng ngày càng tăng các hệ thống được triển khai, thật không may, đã dẫn đến việc áp dụng sai cho mặt dc của SPD được thiết kế cho các hệ thống xoay chiều. Trong những trường hợp này, SPDs hoạt động không đúng cách, đặc biệt là trong chế độ hỏng hóc của chúng, do đặc tính của hệ thống PV một chiều.

MOV cung cấp các đặc tính tuyệt vời để phục vụ như SPD. Nếu chúng được đánh giá đúng và được áp dụng đúng cách, chúng sẽ thực hiện một cách chất lượng cho chức năng đó. Tuy nhiên, giống như tất cả các sản phẩm điện, chúng có thể bị lỗi. Hỏng hóc có thể do môi trường xung quanh nóng lên, dòng phóng điện lớn hơn thiết bị được thiết kế để xử lý, phóng điện quá nhiều lần hoặc tiếp xúc với điều kiện quá điện áp liên tục.

Do đó, SPD được thiết kế với một công tắc ngắt kết nối hoạt động bằng nhiệt để tách chúng khỏi kết nối song song với mạch một chiều được cung cấp năng lượng sẽ trở nên cần thiết. Vì một số dòng điện chạy qua khi SPD chuyển sang chế độ hỏng hóc, một hồ quang nhỏ xuất hiện khi công tắc ngắt kết nối nhiệt hoạt động. Khi được đặt trên mạch xoay chiều, điểm giao cắt XNUMX đầu tiên của dòng điện do máy phát cung cấp sẽ dập tắt hồ quang đó và SPD được loại bỏ an toàn khỏi mạch. Nếu cùng một SPD xoay chiều đó được áp dụng cho phía một chiều của hệ thống PV, đặc biệt là điện áp cao, thì không có sự vượt qua bằng không của dòng điện trong dạng sóng một chiều. Công tắc hoạt động bằng nhiệt bình thường không thể dập tắt dòng điện hồ quang, và thiết bị bị hỏng.

Đặt một mạch rẽ nhánh hợp nhất song song xung quanh MOV là một phương pháp để khắc phục việc dập tắt hồ quang sự cố một chiều. Nếu ngắt kết nối nhiệt hoạt động, hồ quang vẫn xuất hiện trên các tiếp điểm đang mở của nó; nhưng dòng điện hồ quang đó được chuyển hướng đến một đường dẫn song song có chứa cầu chì nơi hồ quang bị dập tắt và cầu chì ngắt dòng điện sự cố.

Quá trình nung chảy ngược dòng trước SPD, như có thể được áp dụng trên hệ thống xoay chiều, không thích hợp trên hệ thống một chiều. Dòng điện khả dụng ngắn mạch để vận hành cầu chì (như trong thiết bị bảo vệ quá dòng) có thể không đủ khi máy phát ở mức công suất đầu ra giảm. Do đó, một số nhà sản xuất SPD đã cân nhắc điều này trong thiết kế của họ. UL đã sửa đổi tiêu chuẩn trước đó bằng cách bổ sung cho tiêu chuẩn chống sét lan truyền mới nhất — UL 1449. Phiên bản thứ ba này được áp dụng cụ thể cho các hệ thống PV.

Danh sách kiểm tra SPD

Mặc dù có nguy cơ sét cao mà nhiều công trình lắp đặt PV tiếp xúc, chúng có thể được bảo vệ bằng cách áp dụng SPDs và hệ thống chống sét được thiết kế phù hợp. Việc triển khai SPD hiệu quả cần bao gồm các cân nhắc sau:

• Vị trí chính xác trong hệ thống
• Yêu cầu chấm dứt
• Nối đất và liên kết thích hợp của hệ thống thiết bị-nối đất
• Đánh giá xuất viện
• Cấp bảo vệ điện áp
• Tính phù hợp cho hệ thống được đề cập, bao gồm các ứng dụng dc và ac
• Chế độ thất bại
• Chỉ báo trạng thái cục bộ và từ xa
• Các mô-đun có thể thay thế dễ dàng
• Chức năng hệ thống bình thường sẽ không bị ảnh hưởng, đặc biệt là trên các hệ thống không sử dụng điện