光伏装置的直流电涌保护装置
太阳能电池板光伏汇流箱直流电涌保护器
因为必须将用于光伏装置的直流电涌保护设备设计为能完全暴露在阳光下，所以它们极易受到雷击的影响。 PV阵列的容量与其裸露的表面积直接相关，因此雷电事件的潜在影响会随系统尺寸的增加而增加。 在频繁发生照明的地方，未受保护的光伏系统可能会反复遭受严重损坏，严重损坏关键组件。 这导致大量的维修和更换成本，系统停机时间以及收入损失。 与工程雷电保护系统配合使用时，正确设计，指定和安装的电涌保护装置（SPD）可以将雷电事件的潜在影响最小化。
包含基本元素（如空气端子，适当的引下线，所有载流组件的等电位联结和适当的接地原理）的雷电保护系统可提供保护，防止直接触电。 如果您的光伏站点存在雷击风险，我强烈建议您聘请在该领域具有专业知识的专业电气工程师进行风险评估研究，并在必要时进行保护系统设计。
重要的是要了解防雷系统和SPD之间的区别。 防雷系统的目的是通过大量的载流导体将直接的雷击引导到地面，从而避免结构和设备进入放电路径或被直接击中。 SPD应用于电气系统，以提供接地的放电路径，以防止这些系统的组件暴露于雷电或电力系统异常的直接或间接影响所导致的高压瞬变中。 即使在没有SPD的情况下安装了外部避雷系统，雷电影响仍可能对组件造成重大损坏。
出于本文的目的，我假设已采取某种形式的防雷措施，并研究了额外使用适当的SPD的类型，功能和好处。 结合适当设计的防雷系统，在关键系统位置使用SPD可以保护主要组件，例如逆变器，模块，汇流箱中的设备以及测量，控制和通信系统。
SPD的重要性
除了直接雷击阵列的后果外，互连的电源线非常容易受到电磁感应的瞬变的影响。 由雷电直接或间接引起的瞬态，以及由公用事业切换功能产生的瞬态，会使电气和电子设备承受持续时间很短（数十至数百微秒）的非常高的过电压。 暴露在这些瞬态电压下可能会导致灾难性的组件故障，这种故障可能会因机械损坏和碳跟踪而引起注意，或者不明显，但仍会导致设备或系统出现故障。
长期暴露于较低幅值的瞬态会使光伏系统设备中的绝缘材料和绝缘材料变质，直到最终发生故障为止。 另外，电压瞬变可能出现在测量，控制和通信电路上。 这些瞬变可能是错误的信号或信息，从而导致设备发生故障或关机。 SPD的策略性布置缓解了这些问题，因为它们可以用作短路或夹紧装置。
浪涌保护器的技术特性
光伏应用中最常用的浪涌保护器技术是金属氧化物压敏电阻（MOV），它用作电压钳位器件。 其他SPD技术包括硅雪崩二极管，可控制的火花隙和气体放电管。 后两个是显示为短路或撬棒的开关设备。 每种技术都有其自身的特征，使其或多或少地适合于特定应用。 这些设备的组合也可以进行协调，以提供比其各自提供的最佳特性。 表1列出了光伏系统中使用的主要SPD类型，并详细说明了它们的一般操作特性。
SPD必须能够在短暂的瞬态时间内足够快地改变状态，并能够释放瞬态电流的大小而不会失败。 该设备还必须最小化SPD电路两端的电压降，以保护所连接的设备。 最后，SPD功能不应干扰该电路的正常功能。
SPD的运行特性由几个参数定义，任何选择SPD的人都必须了解这些参数。 本主题需要在此处涵盖的更多详细信息，但以下是应考虑的一些参数：最大连续工作电压，交流或直流应用，标称放电电流（由幅度和波形定义），电压保护级别（最大SPD放电特定电流时出现的最大端电压）和临时过电压（可以在特定时间内施加的连续过电压而不会损坏SPD）。
使用不同组件技术的SPD可以放置在同一电路中。 但是，必须谨慎选择它们，以确保它们之间的能量协调。 具有较高放电额定值的组件技术必须释放最大量的可用瞬态电流，而另一种组件技术则由于其释放较小的电流，因此将残余瞬态电压降低到较低的大小。
SPD必须具有一个集成的自我保护设备，如果设备发生故障，则可以将其与电路断开。 为了使这种断开很明显，许多SPD会显示一个标志，指示其断开状态。 通过集成的辅助触点组指示SPD的状态是一项增强的功能，可以向远程位置提供信号。 要考虑的另一个重要产品特性是SPD是否使用手指安全，可移动的模块，该模块允许故障模块很容易地更换而无需工具，也无需断开电路电源。
用于光伏装置的交流电涌保护装置注意事项
雷电从云层闪到雷电保护系统，PV结构或附近的地面，导致远处的地面参考电位出现局部地电位上升。 跨越这些距离的导体会使设备承受大量电压。 地面电位上升的影响主要发生在并网光伏系统与公用事业部门服务入口之间的连接点处，即本地接地点与远处参考接地点的连接点。
应在维修入口处设置电涌保护器，以保护逆变器的设备侧免受瞬变的损害。 在此位置看到的瞬变具有很高的幅度和持续时间，因此必须通过具有适当高放电电流额定值的电涌保护来进行管理。 与MOV配合使用的受控火花隙是实现此目的的理想选择。 火花隙技术可通过在雷电瞬变期间提供等电位联结功能来释放高雷电流。 协调的MOV可以将残余电压钳位到可接受的水平。
除了接地电位上升的影响外，逆变器的交流侧可能还会受到雷电感应和公用事业开关瞬变的影响，这些瞬变也出现在服务入口处。 为了最大程度地减少设备的潜在损坏，应在变频器的交流端子附近尽可能使用额定值合适的交流电涌保护，并以最短和最直的路径连接横截面积足够大的导体。 不执行该设计标准会导致放电期间SPD电路中的压降高出不必要的程度，并使受保护的设备承受比必要的更高的瞬态电压。
用于光伏装置的直流电涌保护设备注意事项
直接撞击附近的接地结构（包括防雷系统），以及云间和云内的闪烁（幅度可能为100 kA）会引起相关的磁场，从而将瞬态电流感应到光伏系统的直流电缆中。 这些瞬态电压出现在设备端子上，并导致关键组件的绝缘和介电故障。
将SPD放置在指定位置可减轻这些感应和部分雷电电流的影响。 SPD并联放置在通电的导体和地面之间。 当发生过压时，它会从高阻抗设备变为低阻抗设备。 在这种配置中，SPD会释放相关的瞬态电流，从而最大程度地减少了否则会出现在设备端子上的过电压。 该并联设备不承载任何负载电流。 所选的SPD必须经过专门设计，额定和批准才能用于DC PV电压。 集成的SPD断开开关必须能够中断更严重的直流电弧，这在交流应用中是找不到的。
Y型连接MOV模块是大型商业和公用事业规模PV系统上以600或1,000 Vdc的最大开路电压运行的常用SPD配置。 Y的每个分支都包含一个MOV模块，该模块连接到每个极并接地。 在不接地的系统中，每个极之间以及极与地面之间都有两个模块。 在这种配置下，每个模块的额定电压为系统电压的一半，因此即使发生极对地故障，MOV模块也不会超过其额定值。
非电源系统电涌保护注意事项
就像电力系统的设备和组件容易受到雷击的影响一样，在与这些装置相关的测量，控制，仪表，SCADA和通信系统中也可以找到该设备。 在这些情况下，电涌保护的基本概念与电源电路相同。 但是，由于该设备通常对过电压脉冲的容忍度较低，并且更容易受到错误信号的影响，并且容易受到串联或并联组件添加到电路的不利影响，因此，必须更加小心所添加的每个SPD的特性。 根据这些组件是通过双绞线，CAT 6以太网还是同轴RF进行通信，需要特定的SPD。 此外，为非电源电路选择的浪涌保护器必须能够无故障地释放瞬态电流，以提供足够的电压保护水平，并避免干扰系统的功能-包括串联阻抗，线对线和接地电容以及频率带宽。
SPD的常见误用
SPD已在电源电路中应用了很多年。 大多数当代电源电路是交流电系统。 因此，大多数电涌保护设备已设计用于交流系统。 不幸的是，相对较新的大型商业和公用事业规模的PV系统的引入以及部署的系统数量的增加，导致了为交流系统设计的SPD直流侧的误用。 在这些情况下，由于直流光伏系统的特性，SPD的运行不当，尤其是在其故障模式期间。
MOV具有出色的特性，可以用作SPD。 如果对它们进行了正确的评级和正确的应用，它们将以高质量的方式执行该功能。 但是，像所有电气产品一样，它们可能会失效。 故障可能是由于环境温度升高，放电电流大于设备设计处理的能力，放电次数过多或暴露于连续的过电压条件下引起的。
因此，SPD设计有热隔离开关，必要时可将其与并联连接到通电的直流电路分开。 由于某些电流会在SPD进入故障模式时流过，因此当热熔断开关操作时会出现轻微的电弧。 当将其应用于交流电路时，发电机提供的电流的第一个零交叉点将熄灭该电弧，从而将SPD安全地从电路中移除。 如果将相同的交流SPD应用于光伏系统的直流侧，尤其是高压，则直流波形中的电流不会过零。 普通的热控开关无法熄灭电弧电流，并且设备会发生故障。
在MOV周围放置一个并联的熔断旁路电路是克服直流故障电弧熄灭的一种方法。 如果热断开操作，则在其断开触点上仍会出现电弧； 但是该电弧电流被重定向到包含熔断器的并联路径，在熔断器中电弧被熄灭，并且熔断器中断了故障电流。
在交流电系统中可能会应用在SPD之前的上游熔断，在直流电系统中是不合适的。 当发电机输出功率降低时，用于操作保险丝的短路可用电流（如在过电流保护设备中）可能不足。 结果，一些SPD制造商在其设计中已考虑到这一点。 UL通过对最新的电涌保护标准（UL 1449）进行补充，对早期标准进行了修改。该第三版特别适用于光伏系统。
SPD清单
尽管许多光伏装置面临很高的雷击风险，但可以通过使用SPD和经过适当设计的防雷系统来对它们进行保护。 有效的SPD实施应包括以下注意事项：
- 正确放置在系统中
- 终止要求
- 正确接地并连接设备接地系统
- 放电等级
- 电压保护等级
- 适用于相关系统，包括直流与交流应用
- 故障模式
- 本地和远程状态指示
- 易于更换的模块
- 正常的系统功能应不受影响，特别是在非电源系统上
