Как да се интегрира защита срещу преходни върхове както на страната на постояннотоковата (DC), така и на променливотоковата (AC) част на фотоволтаична система?

Интегриране на устройство за защита от импулси интегрирането във фотогалванична система не е просто въпрос на включване на компонент и продължаване нататък. Това изисква целенасочен, инженерно обоснован подход, който взема предвид уникалните електрически характеристики както на променливотоковата (AC), така и на постояннотоковата (DC) страна на инсталацията. Вълни от гръмотевични разряди, превключвателни върхове и смущения в електроразпределителната мрежа могат да внесат разрушителни високоволтови върхове, които се разпространяват през системата и повреждат инвертори, комбинирани кутии, оборудване за мониторинг и дори самите фотоволтаични модули. Без правилно разположение на устройства за защита от високоволтови импулси (SPD) от двете страни, един-единствен импулсен случай може да доведе до скъпо струващи простои и замяна на оборудване.

Тази статия представя пълната логика за интеграция на устройства за защита от пренапрежения както в DC веригата и масива, така и от страна на AC мрежовото свързване на фотоволтаична (ФВ) система. Независимо дали проектирате търговска инсталация на покрив или проект с големи мащаби за наземно монтиране, разбирането къде да се постави всяко устройство за защита от пренапрежения, как да се изберат подходящите технически характеристики и как правилно да се извърши електрическото свързване и поддръжка на тези компоненти, е от съществено значение за дългосрочната надеждност на системата. Предоставените насоки са базирани на практически инженерни опити от полето и са съгласувани със стандартите IEC 61643 и IEC 62305, които регулират защитата от пренапрежения във фотогалванични среди.

Разбиране на рисковете от пренапрежения във ФВ системи

Защо ФВ системите са особено уязвими

Фотоволтаичните системи са непрекъснато изложени на външна среда, което ги прави по своята същност уязвими към гръмотевици и атмосферни разряди. Дългите кабелни трасета между фотоволтаичните масиви и инверторите действат като антени, улавяйки индуцирана електромагнитна енергия от близки гръмотевични удари, дори когато не се случва директен удар. Тази индуцирана енергия се предава като преходно пренапрежение както по постояннотоковите кабели от модулите, така и по променливотоковите кабели към точката за свързване с мрежата.

От постояннотоковата страна напрежението на празен ход на фотоволтаичен низ вече може да достига няколко стотици волта при стандартни условия. Когато върху това базово напрежение се наложи преходно пренапрежение, резултантният връх лесно може да надвиши устойчивостта на входните стъпала на инвертора, байпас диодите и ключ за съединение компоненти. От страна на променливия ток (AC) превключването на мрежата, операциите с кондензаторни батерии и повредите в електрическата мрежа предизвикват бързо нарастващи преходни процеси, които могат да повредят изходната ступен на инвертора и всички свързани уреди за измерване или комуникация.

Правилно подбраното и инсталирано устройство за защита от преходни пренапрежения от двете страни улавя тези преходни процеси, преди те да достигнат чувствителната електроника. Устройството ограничава напрежението до безопасно ниво и отвежда тока от преходното пренапрежение към земята, за да защити оборудването по-нататък по веригата. Без този защитен слой дори умерен преходен процес може да доведе до остаряване на изолацията, ложни изключвания или незабавен отказ на компонентите.

Двустранният характер на преходните пренапрежения при фотоволтаични системи

Една от най-често срещаните грешки при проектирането на защита срещу пренапрежения във фотоволтаични системи е разглеждането на системата като имаща само една уязвима точка. В действителност пренапреженията могат да проникнат от двете посоки. Мълния, възникнала близо до панелния масив, инжектира енергия в DC-страната, докато смущение в мрежата или превключване на индустриално натоварване наблизо инжектират енергия от AC-страната. И двата пътя трябва да се защитават независимо един от друг чрез отделно устройство за защита срещу пренапрежения на всяка от тези локации.

Инверторът се намира между тези две страни и е най-скъпият единичен компонент в повечето фотоволтаични инсталации. Той е също така и най-уязвим, тъй като неговата силова електроника работи близо до своите гранични напрежения по време на нормална експлоатация. Устройство за защита срещу пренапрежения на DC-входните терминали на инвертора и друго такова устройство на AC-изходните му терминали създават защитна обвивка около този критичен компонент. Този подход с двустранна защита не е по избор за системи в зони с висок риск от мълнии или за всички инсталации, при които разходите, свързани с просто стояния, са значителни.

Интеграция на устройство за защита срещу преходни пренапрежения от страната на постояннотоковата верига

Монтиране в кутията за комбиниране на веригите

Първото и най-важно място за монтиране на устройство за защита срещу преходни пренапрежения от страната на постояннотоковата верига е в веригата комбинираща кутия , също известна като кутия за комбиниране на постояннотоковите вериги или кутия за съединяване на масива. Тук се събират множество фотоволтаични вериги, преди комбинираният постояннотоков изход да бъде насочен към инвертора. Монтирането на устройство за защита срещу преходни пренапрежения тук улавя преходните пренапрежения в най-ранния възможен момент в постояннотоковата верига и предотвратява тяхното разпространение по-нататък в системата.

За тази позиция устройството за защита от пренапрежения трябва да е проектирано за максималното постоянно напрежение на отворена верига на фотоволтаичния масив при най-неблагоприятни температурни условия. За системи, работещи при 1000 V DC, устройството трябва да има класификация на напрежението за защита и максимално непрекъснато работно напрежение, които значително надвишават тази стойност. Често използваните класификации в големи електроцентрали и комерсиални фотоволтаични инсталации включват варианти за 1000 V DC и 1500 V DC с импулсни токови класификации от 20 kA или 40 kA, в зависимост от класификацията на зоната за защита от гръмотевици на обекта.

Устройството за защита срещу пренапрежения в комбинираната кутия трябва да бъде свързано между всеки един от постоянните токови полюси и проводника за защитно заземяване. При двуполюсна конфигурация това означава едно устройство между положителната шина и земята и едно устройство между отрицателната шина и земята. Някои инсталации използват триполюсно или комбинирано устройство, което обхваща едновременно и двата полюса. Изборът зависи от конфигурацията на заземяването на системата и конкретния дизайн на продукта за защита срещу пренапрежения.

Поставяне на входа за постоянен ток на инвертора

Дори когато устройство за защита срещу преходни пренапрежения е инсталирано в разпределителната кутия, силно се препоръчва второ устройство на DC входните терминали на инвертора за системи с дълги кабелни трасета между разпределителната кутия и инвертора. Индуктивността на кабела ограничава ефективността, с която отдалечено устройство за защита срещу преходни пренапрежения може да ограничи бързо нарастващо преходно напрежение в терминалите на инвертора. Остатъчното напрежение, което се появява на входа на инвертора след активиране на устройството в разпределителната кутия, все още може да е достатъчно високо, за да предизвика напрежение върху входните кондензатори и IGBT модулите на инвертора.

Устройството за защита срещу пренапрежения на постояннотоковия вход на инвертора действа като втора линия отбрана, улавяйки остатъчната преходна енергия, която не е била напълно погълната от устройството по-горе по веригата. Този каскаден подход, понякога наричан координационна схема тип 1 плюс тип 2, е стандартна практика в добре проектирани фотоволтаични инсталации. Устройството на постояннотоковия вход на инвертора обикновено е устройство за защита срещу пренапрежения тип 2 с по-нисък номинален ток на разряд, тъй като устройството по-горе по веригата вече е погълнало основната част от енергията на пренапрежението.

Правилното свързване на устройството за защита срещу пренапрежения от постояннотоковата страна е от критично значение. Свързващите проводници между устройството и постояннотоковата шина трябва да са колкото е възможно по-къси, предпочтително под 50 см, за да се минимизира индуктивното падане на напрежение, което се добавя към напрежението на ограничаване, въздействащо върху инвертора. Използването на най-къси възможни проводници и избягването на ненужни завои в монтажната електропроводка са практически стъпки, които значително подобряват ефективността на инсталирането на устройството за защита срещу пренапрежения.

Интеграция на устройство за защита срещу пренапрежения от страна на променливия ток

Монтиране на изхода на инвертора за променлив ток

От страната на променливия ток основното място за монтиране на устройство за защита срещу пренапрежения е на изхода на инвертора за променлив ток, обикновено вътре или непосредствено до прекъсвача за променлив ток или комбиниращия панел. Това разположение предпазва изходния каскаден етап на инвертора от преходни процеси, идващи от мрежата, както и всякакво оборудване за наблюдение, измерване или комуникация, свързано към шината за променлив ток в тази точка.

Устройството за защита срещу пренапрежения, избрано за страната на променливия ток, трябва да е с номинален клас, съответстващ на напрежението на системата за променлив ток, което обикновено е 230 V еднофазно или 400 V трифазно за повечето търговски и индустриални фотоволтаични инсталации. Устройството трябва също така да е съвместимо с честотата на мрежата и да има максимално постоянно работно напрежение, което отчита нормалните колебания на напрежението в мрежата. За трифазни системи е необходимо триполюсно или четиринулево устройство за защита срещу пренапрежения, покриващо всички линейни проводници и неутралния проводник.

Номиналният импулсен ток за устройството за защита срещу пренапрежения от страната на променливия ток трябва да се избере въз основа на зоната за защита от гръмотевици и разстоянието от главния вход за електроснабдяване. Устройство за защита срещу пренапрежения от тип 2 с номинален импулсен ток от 20 kA или 40 kA е подходящо за повечето приложения с изход на променлив ток от фотоволтаични системи. Когато инсталацията се намира в зона с висок риск от гръмотевици или когато дължината на кабела за променлив ток до главния разпределителен табло е значителна, може да се наложи използването на устройство от тип 1 с по-висок номинален импулсен ток на нивото на главния разпределителен табло.

Местоположение в главния разпределителен табло за променлив ток или в точката на обща връзка

За по-големи фотоволтаични системи, които подават енергия към главен разпределителен табло или към точка на обща връзка заедно с други товари, допълнително устройство за защита срещу пренапрежения на нивото на разпределителния табло осигурява защита на цялата система. Това устройство поема пренапреженията, които проникват от страната на електрическата мрежа, и предотвратява достигането им не само до инвертора, но и до други чувствителни товари, свързани към същия разпределителен табло.

Координацията между устройството за защита от пренапрежения на изхода на инвертора за променлив ток и устройството на главното разпределително табло следва същата каскадна логика, както и от страна на постояннотоковата верига. Устройството на ниво разпределително табло, обикновено от тип 1 или комбинирано устройство от тип 1 и тип 2, поема първоначалната високоенергийна вълна на пренапрежение, докато устройството на ниво инвертор улавя остатъчната енергия. Този многослойен подход гарантира, че нито едно от устройствата не се претоварва и че защитата остава ефективна при широк спектър от величини и форми на вълни на пренапрежение.

При избора на устройство за защита срещу преходни пренапрежения за главното разпределително табло е важно да се провери дали нивото на напрежение на защита на устройството е координирано с импулсното издръжливо напрежение на инвертора и другото свързано оборудване. Нивото на защита на устройството за защита срещу преходни пренапрежения трябва да е по-ниско от издръжливото напрежение на оборудването, за да се гарантира, че устройството ще ограничи преходното пренапрежение, преди то да причини повреда. Тази проверка за координация е задължителна стъпка при всеки професионален проект за защита срещу преходни пренапрежения в фотоелектрични системи.

Най-добрите практики за заземяване, кабелиране и монтаж

Ролята на заземителната система с ниско омово съпротивление

Устройството за защита от пренапрежения може да изпълнява функцията си ефективно само ако има нискоимпедансен път към земята, чрез който да отвежда тока от пренапрежението. Затова системата за заземяване на фотоволтаичната инсталация е толкова важна, колкото и самото устройство за защита от пренапрежения. Високото съпротивление или лошо свързаната земна връзка ще предизвикат възникването на високо напрежение между клемите на устройството за защита от пренапрежения по време на неговата работа, което намалява ефективността му и потенциално позволява на разрушителните напрежения да достигнат защитеното оборудване.

За фотоволтаични инсталации системата за заземяване трябва да включва отделен заземител на мястото на масива, свързан с конструкционната монтажна система и с клемата за заземяване на устройството за защита от преходни пренапрежения от страната на постоянното напрежение (DC). Устройството за защита от преходни пренапрежения от страната на променливото напрежение (AC) трябва да бъде свързано с главния защитен заземителен проводник на сградата или обекта. Всички заземителни връзки трябва да използват проводници с подходящо сечение, обикновено 6 mm² или по-голямо за заземителните проводници на устройствата за защита от преходни пренапрежения, за да издържат импулсния ток без прекомерно падане на напрежението.

Еквипотенциалното свързване между заземяването на постоянното напрежение (DC), заземяването на променливото напрежение (AC) и заземяването на конструкцията на фотоволтаичната монтажна система е от съществено значение за предотвратяване на повишаване на потенциала на земята по време на събитие с преходно пренапрежение. Когато различните части от системата имат различен потенциал спрямо земята по време на преходен процес, напрежението между тях може да повреди оборудването, дори ако всяко отделно устройство за защита от преходни пренапрежения функционира правилно. Обединена заземителна система с ниско омово съпротивление елиминира този риск.

Мониторинг и поддръжка на инсталираните устройства

Устройството за защита от пренапрежение е консумиран компонент за защита. Всеки път, когато абсорбира събитие на пренапрежение, то изразходва част от своята защитна способност. След силно гръмотевичното събитие или поредица от по-малки пренапрежения устройството може да достигне края на своя експлоатационен срок и да се нуждае от замяна. Повечето съвременни устройства за защита от пренапрежение пРОДУКТИ включват визуален индикатор за статус, обикновено прозорец, който променя цвета си, или флаг, който пада, за да покаже, че устройството е деградирало и се нуждае от замяна.

Включването на проверки на състоянието на устройствата за защита от преходни пренапрежения в редовния график за поддръжка на фотоволтаичната система е проста, но често пренебрегвана практика. Тримесечна визуална инспекция на всички инсталирани устройства, комбинирана с проверка след буря след всяка значителна гръмотевична активност в региона, гарантира, че защитата остава активна. Някои напреднали модели на устройства за защита от преходни пренапрежения включват контакти за дистанционно наблюдение, които могат да се свържат към SCADA-системата или платформата за наблюдение на системата, като по този начин се осигуряват автоматични предупреждения при нужда от замяна на устройството.

Замяната на деградирало устройство за защита от преходни пренапрежения трябва да се извърши незабавно. Експлоатацията на фотоволтаична система с нефункциониращо устройство за защита от преходни пренапрежения както на AC-, така и на DC-страна оставя инвертора и свързаното оборудване напълно незащитени при следващото преходно събитие. С оглед на сравнително ниската цена на устройството за защита от преходни пренапрежения в сравнение с цената на замяна на инвертора или загубата от просто стояне на системата, своевременната поддръжка е проста икономическа необходимост.

Избор на подходящо устройство за защита от пренапрежения за фотоволтаични приложения

Основни електрически параметри за оценка

Изборът на правилно устройство за защита от пренапрежения за фотоволтаично приложение изисква оценка на няколко ключови електрически параметъра. Максималното постоянно работно напрежение на устройството трябва да надвишава най-високото напрежение, което ще се появи между неговите клеми при нормални работни условия, включително и допустимата толерантност на мрежовото напрежение. За устройствата от страна на постояннотоковата част това означава да се вземе предвид максималното напрежение на отворена верига на фотоволтаичния масив при най-ниската очаквана околна температура, тъй като напрежението на фотоволтаичния модул нараства при намаляване на температурата.

Номиналният ток на разряд и номиналният максимален импулсен ток определят количеството вълнова енергия, която устройството за защита от пренапрежения може да поеме. Тези номинални стойности трябва да съответстват на класификацията на зоната за мълниезащита на обекта за инсталиране, която се определя от локалната плътност на мълниеносните удари в земята и физическите характеристики на конструкцията. Устройство за защита от пренапрежения с номинален импулсен ток от 40 kA осигурява по-висока степен на безопасност в сравнение с устройство от 20 kA и е подходящо за изложени места или инсталации с висока стойност.

Нивото на защита от напрежение на устройството за защита от пренапрежения, изразено в киловолтове, показва максималното напрежение, което ще се появи между терминалите на устройството по време на стандартизиран тест за пренапрежение. Тази стойност трябва да е по-ниска от импулсното издръжливо напрежение на оборудването, което се предпазва. За PV инверторите импулсното издръжливо напрежение на постояннотоковия вход обикновено се указва в техническия паспорт на продукта, а устройството за защита от пренапрежения трябва да се избере така, че нивото му на защита да осигурява достатъчен запас под тази стойност.

Стандарти за съответствие и изисквания за сертифициране

За приложения във фотогалванични (PV) системи устройството за защита от пренапрежения трябва да отговаря на стандарта IEC 61643-11 за устройства от страна на променливия ток (AC) и на стандарта IEC 61643-31 за устройства от страна на постояннотоковата (DC) верига. Тези стандарти определят методите за изпитване, изискванията към експлоатационните характеристики и изискванията към маркирането на устройствата за защита от пренапрежения, използвани съответно в нисковолтови електроенергийни системи и PV инсталации. Съответствието с тези стандарти гарантира, че устройството е било независимо изпитано и проверено, за да работи както е предвидено при стандартизирани условия на пренапрежение.

Освен съответствието с IEC, много пазари и проектни спецификации изискват CE маркировка и сертифициране от TUV за устройства за защита от пренапрежения, използвани в PV системи. Тези сертификати предоставят допълнителна гаранция за качеството на продукта и последователността на производствения процес. При избора на устройство за защита от пренапрежения за комерсиален или големи по мащаб PV проекти потвърждаването, че продуктът притежава подходящите сертификати за целевия пазар, е важна стъпка в процеса на набавяне.

Някои оператори на електрическата мрежа и застрахователни компании имат специфични изисквания за инсталиране на устройства за защита срещу пренапрежения в фотоелектрични системи, свързани към мрежата. Проверката на тези изисквания още в началото на проектантския процес гарантира, че избраното устройство за защита срещу пренапрежения отговаря на всички приложими стандарти и че методът на инсталиране съответства на местните електротехнически норми. Несъответстващите инсталации могат да срещнат затруднения по време на одобрението за свързване към мрежата или при обработката на застрахователни искове след загуба, причинена от пренапрежение.

Често задавани въпроси

Има ли нужда от устройство за защита срещу пренапрежения както на AC-, така и на DC-страната на моята фотоелектрична система?

Да. Вълните на пренапрежение могат да проникнат в фотоелектричната система от двете посоки — от страната на масива по време на гръмотевични събития или от страната на мрежата по време на превключвателни преходни процеси. Инсталирането на устройство за защита срещу пренапрежения само от едната страна оставя инвертора и свързаното оборудване изложени на преходни процеси от незащитената страна. Пълната стратегия за защита изисква устройство за защита срещу пренапрежения при DC-съединителя или при DC-входа на инвертора и друго устройство за защита срещу пренапрежения при AC-изхода на инвертора или при главното разпределително табло.

Какво напрежение на работно състояние трябва да избера за устройство за защита срещу пренапрежения от DC-страната?

Устройството за защита от пренапрежения трябва да има максимално постоянно работно напрежение, което надвишава максималното напрежение на отворена верига на фотоволтаичния масив при най-ниските очаквани температурни условия. За системи, проектирани за работа при 1000 V DC, е задължително използването на устройство за защита от пренапрежения с номинално напрежение 1000 V DC или по-високо. За системи с 1500 V DC трябва да се използва устройство с номинално напрежение 1500 V DC. При избора на номиналното напрежение на устройството винаги добавяйте безопасен запас над изчисленото максимално напрежение на масива.

Колко често трябва да инспектирам или заменя устройството за защита от пренапрежения във фотоволтаична инсталация?

Визуална инспекция на всички монтирани устройства за защита от пренапрежения трябва да се извършва поне веднъж на три месеца и след всяка значителна гръмотевична активност в региона. Повечето устройства включват индикатор за състояние, който променя външния си вид, когато устройството е деградирало. Всички устройства за защита от пренапрежения, които показват индикация за неизправност, трябва незабавно да бъдат заменени. Дори и при липса на видима деградация, устройствата в региони с висока гръмотевична активност могат да се подменят всяка пет до седем години като превентивна мярка.

Мога ли да използвам стандартно устройство за защита от пренапрежения за променлив ток (AC) от страна на постояннотоковата (DC) част на фотоволтаична (PV) система?

Не. Стандартните устройства за защита срещу пренапрежения за променлив ток не са подходящи за приложения с постоянен ток. В веригите с постоянен ток няма естествено прекъсване на тока (нулево преминаване), което означава, че веднъж щом устройството за защита срещу пренапрежения започне да провежда, то трябва активно да прекъсне последващия ток, за да се избегне устойчива дъга. Устройствата за защита срещу пренапрежения, предназначени за постоянен ток, са специално проектирани с механизми за гасене на дъга и компоненти с параметри, подходящи за характеристиките на напрежението и тока при постоянен ток. Използването на устройство за променлив ток в верига с постоянен ток създава сериозен риск от пожар и заплаха за безопасността.