光伏裝置的直流電湧保護裝置
太陽能電池板光伏匯流箱直流電湧保護器
因為必須將用於光伏裝置的直流電湧保護設備設計為能完全暴露在陽光下，所以它們極易受到雷擊的影響。 PV陣列的容量與其裸露的表面積直接相關，因此雷電事件的潛在影響會隨系統尺寸的增加而增加。 在頻繁發生照明的地方，未受保護的光伏系統可能會反复遭受嚴重損壞，嚴重損壞關鍵組件。 這導致大量的維修和更換成本，系統停機時間以及收入損失。 與工程雷電保護系統配合使用時，正確設計，指定和安裝的電湧保護裝置（SPD）可以將雷電事件的潛在影響最小化。
包含基本元素（如空氣端子，正確的引下線，所有載流組件的等電位聯結和正確的接地原理）的雷電保護系統可提供保護層，以防止直擊。 如果您的光伏站點存在雷擊風險，我強烈建議您聘請在該領域具有專業知識的專業電氣工程師進行風險評估研究，並在必要時進行保護系統設計。
重要的是要了解防雷系統和SPD之間的區別。 防雷系統的目的是通過大量的載流導體將直接的雷擊引導到地面，從而避免結構和設備進入放電路徑或被直接擊中。 SPD應用於電氣系統，以提供接地的放電路徑，以防止這些系統的組件暴露於雷電或電力系統異常的直接或間接影響所導致的高壓瞬變中。 即使在沒有SPD的情況下安裝了外部避雷系統，雷電影響仍可能對組件造成重大損壞。
出於本文的目的，我假設已採取某種形式的防雷措施，並研究了額外使用適當的SPD的類型，功能和好處。 結合適當設計的防雷系統，在關鍵系統位置使用SPD可以保護主要組件，例如逆變器，模塊，匯流箱中的設備以及測量，控制和通信系統。
SPD的重要性
除了直接雷擊陣列的後果外，互連的電源線非常容易受到電磁感應的瞬變的影響。 由雷電直接或間接引起的瞬態，以及由公用事業切換功能產生的瞬態，會使電氣和電子設備承受持續時間很短（數十至數百微秒）的非常高的過電壓。 暴露在這些瞬態電壓下可能會導致災難性的組件故障，這種故障可能會因機械損壞和碳跟踪而引起注意，或者不明顯，但仍會導致設備或系統出現故障。
長期暴露於較低幅值的瞬態會使光伏系統設備中的絕緣材料和絕緣材料變質，直到最終發生故障為止。 另外，電壓瞬變可能出現在測量，控制和通信電路上。 這些瞬變可能是錯誤的信號或信息，從而導致設備發生故障或關機。 SPD的策略性佈置緩解了這些問題，因為它們可以用作短路或夾緊裝置。
浪湧保護器的技術特性
光伏應用中最常用的浪湧保護器技術是金屬氧化物壓敏電阻（MOV），它用作電壓箝位器件。 其他SPD技術包括矽雪崩二極管，可控制的火花隙和氣體放電管。 後兩個是顯示為短路或撬棒的開關設備。 每種技術都有其自身的特徵，使其或多或少地適合於特定應用。 這些設備的組合也可以進行協調，以提供比單獨提供的更多的最佳特性。 表1列出了光伏系統中使用的主要SPD類型，並詳細說明了它們的一般操作特性。
SPD必須能夠在短暫的瞬態時間內足夠快地改變狀態，並能夠釋放瞬態電流的大小而不會失敗。 該設備還必須最小化SPD電路兩端的電壓降，以保護所連接的設備。 最後，SPD功能不應干擾該電路的正常功能。
SPD的運行特性由幾個參數定義，任何選擇SPD的人都必須了解這些參數。 本主題需要在此處涵蓋的更多詳細信息，但以下是應考慮的一些參數：最大連續工作電壓，交流或直流應用，標稱放電電流（由幅度和波形定義），電壓保護級別（最大SPD放電特定電流時出現的最大端電壓）和臨時過電壓（可以在特定時間內施加的連續過電壓而不會損壞SPD）。
使用不同組件技術的SPD可以放置在同一電路中。 但是，必須謹慎選擇它們，以確保它們之間的能量協調。 具有較高放電額定值的組件技術必須釋放最大量的可用瞬態電流，而另一種組件技術則是將剩餘的瞬態電壓減小到較低的大小，因為它放電的電流較小。
SPD必須具有一個集成的自我保護設備，如果設備發生故障，則可以將其與電路斷開。 為了使這種斷開很明顯，許多SPD會顯示一個標誌，指示其斷開狀態。 通過集成的輔助觸點組指示SPD的狀態是一項增強的功能，可以向遠程位置提供信號。 要考慮的另一個重要產品特性是SPD是否使用手指安全，可移動的模塊，該模塊可以在不使用工具的情況下輕鬆更換發生故障的模塊，也無需斷開電路的電源。
用於光伏裝置的交流電湧保護裝置注意事項
雷電從雲層閃到雷電保護系統，PV結構或附近的地面，導致遠處的地面參考電位出現局部地電位上升。 跨越這些距離的導體會將設備暴露在高電壓下。 地面電位上升的影響主要發生在並網光伏系統與公用事業部門服務入口之間的連接點，即當地地面與遠處參考地面的電連接點。
應在維修入口處設置電湧保護器，以保護逆變器的設備側免受瞬變的損害。 在此位置看到的瞬變具有很高的幅度和持續時間，因此必須通過具有適當高放電電流額定值的電湧保護來進行管理。 與MOV配合使用的受控火花隙是實現此目的的理想選擇。 火花隙技術可通過在雷電瞬變期間提供等電位聯結功能來釋放高雷電流。 協調的MOV可以將殘餘電壓箝位到可接受的水平。
除了接地電位上升的影響外，逆變器的交流側可能還會受到雷電感應和公用事業開關瞬變的影響，這些瞬變也出現在服務入口處。 為了最大程度地減少設備的潛在損壞，應在變頻器的交流端子附近盡可能使用額定值合適的交流電湧保護，並以最短和最直的路徑連接橫截面積足夠大的導體。 不執行該設計標準會導致放電期間SPD電路中的壓降高於必要，並使受保護的設備承受高於必要電壓的瞬態電壓。
用於光伏裝置的直流電湧保護設備註意事項
直接撞擊附近的接地結構（包括防雷系統），以及雲間和雲內的閃爍（幅度可能為100 kA）會引起相關的磁場，從而將瞬態電流感應到光伏系統的直流電纜中。 這些瞬態電壓出現在設備端子上，並導致關鍵組件的絕緣和介電故障。
將SPD放置在指定位置可減輕這些感應雷電和部分雷電電流的影響。 SPD並聯放置在通電的導體和地面之間。 當發生過壓時，它會從高阻抗設備變為低阻抗設備。 在這種配置下，SPD會釋放相關的瞬態電流，從而最大程度地減少了設備端子上可能出現的過電壓。 該並聯設備不承載任何負載電流。 所選的SPD必須經過專門設計，額定和批准才能用於DC PV電壓。 集成的SPD斷開開關必須能夠中斷更嚴重的直流電弧，這在交流應用中是找不到的。
Y型連接MOV模塊是大型商業和公用事業規模PV系統上以600或1,000 Vdc的最大開路電壓運行的常用SPD配置。 Y的每個分支都包含一個MOV模塊，該模塊連接到每個極並接地。 在不接地的系統中，每個極之間以及極和地面之間都有兩個模塊。 在這種配置下，每個模塊的額定電壓為系統電壓的一半，因此，即使發生極對地故障，MOV模塊也不會超過其額定值。
非電力系統電湧保護注意事項
就像電力系統的設備和組件容易受到雷擊的影響一樣，在與這些裝置相關的測量，控制，儀表，SCADA和通信系統中也可以找到該設備。 在這些情況下，電湧保護的基本概念與電源電路相同。 但是，由於該設備通常對過電壓脈衝的容忍度較低，並且更容易受到錯誤信號的影響，並且容易受到串聯或併聯組件添加到電路的不利影響，因此，必須更加小心所添加的每個SPD的特性。 根據這些組件是通過雙絞線，CAT 6以太網還是同軸RF進行通信，需要特定的SPD。 此外，為非電源電路選擇的浪湧保護器必須能夠無故障地釋放瞬態電流，以提供足夠的電壓保護水平，並避免干擾系統的功能-包括串聯阻抗，線對線和接地電容以及頻率帶寬。
SPD的常見誤用
SPD已在電源電路中應用了很多年。 大多數現代電源電路都是交流電系統。 因此，大多數電湧保護設備已設計用於交流系統。 不幸的是，相對較新的大型商業和公用事業規模的PV系統的引入以及部署的系統數量的增加，導致了為交流系統設計的SPD直流側的誤用。 在這些情況下，由於直流光伏系統的特性，SPD的運行不當，尤其是在其故障模式期間。
MOV具有出色的特性，可以用作SPD。 如果對它們進行了正確的評級和正確的應用，它們將以高質量的方式執行該功能。 但是，像所有電氣產品一樣，它們可能會失效。 故障可能是由於環境溫度升高，放電電流大於設備設計處理的能力，放電次數過多或暴露於連續的過電壓條件下引起的。
因此，SPD設計有熱隔離開關，必要時可將其與並聯連接到通電的直流電路分開。 由於在SPD進入故障模式時會流過一些電流，因此當熱斷開開關操作時會出現輕微的電弧。 當將其應用於交流電路時，發電機提供的電流的第一個零交叉點將熄滅該電弧，從而將SPD安全地從電路中移除。 如果將相同的交流SPD應用於光伏系統的直流側，尤其是高壓，則直流波形中的電流不會過零。 普通的熱控開關無法熄滅電弧電流，並且設備會發生故障。
在MOV周圍放置一個並聯的熔斷旁路電路是克服直流故障電弧熄滅的一種方法。 如果熱斷開操作，則在其斷開觸點上仍會出現電弧。 但是電弧電流會重定向到包含熔斷器的並聯路徑，在熔斷器中電弧會熄滅，熔斷器會中斷故障電流。
在交流電系統中可能會應用在SPD之前的上游熔斷，在直流電系統中是不合適的。 當發電機輸出功率降低時，用於操作保險絲的短路可用電流（如在過電流保護設備中）可能不足。 結果，一些SPD製造商在其設計中已考慮到這一點。 UL通過對最新的電湧保護標準（UL 1449）進行補充，對早期標准進行了修改。該第三版特別適用於光伏系統。
SPD清單
儘管許多光伏裝置面臨很高的雷擊風險，但可以通過使用SPD和經過適當設計的防雷系統來對它們進行保護。 有效的SPD實施應包括以下注意事項：
- 正確放置在系統中
- 終止要求
- 正確接地並連接設備接地系統
- 放電等級
- 電壓保護等級
- 適用於相關係統，包括直流與交流應用
- 故障模式
- 本地和遠程狀態指示
- 易於更換的模塊
- 正常的系統功能應不受影響，特別是在非電源系統上
