Jak integrovat ochranu proti přepětí na střídavé i stejnosměrné straně fotovoltaického systému?

Integrace zařízení na ochranu před blesky začlenění do fotovoltaického systému není pouze otázkou zapojení komponenty a pokračování dál. Vyžaduje účelný, inženýrsky zaměřený přístup, který zohledňuje jedinečné elektrické vlastnosti jak střídavé (AC), tak stejnosměrné (DC) strany instalace. Přepětí způsobená bleskem, spínací přepětí a rušení ze sítě mohou všechna způsobit ničivé napěťové špičky, které se šíří celým systémem a poškozují střídače, kombinační rozvaděče, monitorovací zařízení a dokonce i samotné fotovoltaické moduly. Bez správného umístění ochranných zařízení proti přepětí na obou stranách může jediná přepěťová událost vést k nákladnému výpadku provozu a nutnosti výměny zařízení.

Tento článek popisuje kompletní logiku integrace pro nasazení ochranných zařízení proti přepětí jak na straně stejnosměrného řetězce a pole, tak na střídavé straně připojení k elektrické síti fotovoltaického systému. Ať už navrhujete komerční střešní instalaci nebo projekt pozemního fotovoltaického systému výkonové úrovně pro veřejnou distribuci, je zásadní pochopit, kde umístit jednotlivá ochranná zařízení proti přepětí, jak vybrat správné technické parametry a jak tyto komponenty správně zapojit a udržovat, aby byla zajištěna dlouhodobá spolehlivost systému. Tato doporučení vycházejí z praktického inženýrského zkušeností z provozu a jsou v souladu se standardy IEC 61643 a IEC 62305, které upravují ochranu proti přepětí v prostředích fotovoltaických systémů.

Porozumění rizikům přepětí v fotovoltaických systémech

Proč jsou fotovoltaické systémy zvláště zranitelné

Fotovoltaické systémy jsou trvale vystaveny venkovnímu prostředí, čímž jsou z povahy věci náchylné k bleskům a atmosférickým výbojům. Dlouhé kabelové trasy mezi fotovoltaickými panely a střídači působí jako antény, které zachycují indukovanou elektromagnetickou energii z blízkých bleskových úderů, i když nedošlo k přímému zásahu. Tato indukovaná energie se šíří jako přechodné přepětí jak po stejnosměrných kabelech od modulů, tak po střídavých kabelech směrem k bodu připojení do sítě.

Na stejnosměrné straně může napětí naprázdno řetězce fotovoltaických panelů již za standardních podmínek dosahovat několika set voltů. Pokud je na toto základní napětí naloženo přechodné přepětí, výsledný špičkový napěťový impuls může snadno překročit odolnost vstupních stupňů střídače, bypassových diod a junkční box součásti. Na střídavé straně způsobují rychle se vyvíjející přechodné jevy, jako jsou spínací události sítě, provoz kondenzátorových bank a poruchy dodavatele elektrické energie, poškození výstupního stupně měniče a jakéhokoli připojeného měřicího nebo komunikačního zařízení.

Správně vybrané a nainstalované ochranné zařízení proti přepětí na každé straně tyto přechodné jevy zachytí dříve, než dosáhnou citlivé elektroniky. Zařízení omezuje napětí na bezpečnou úroveň a odvádí proud přepětí do země, čímž chrání zařízení nacházející se dále ve směru proudu. Bez této ochranné vrstvy dokonce i mírné přechodné jevy mohou způsobit degradaci izolace, vyvolat nežádoucí vypnutí nebo okamžité poškození součástí.

Dvoustranná povaha expozice fotovoltaických systémů přepětí

Jednou z nejčastějších chyb při plánování ochrany fotovoltaických systémů před přepětím je považování systému za mající pouze jeden zranitelný bod. Ve skutečnosti mohou přepětí vniknout z obou směrů. Blesková událost v blízkosti panelového pole vpraví energii do stejnosměrné (DC) části systému, zatímco porucha ve střídavé síti (AC) nebo spínání průmyslové zátěže v blízkosti vpraví energii ze strany střídavé (AC) části. Obě tyto cesty musí být nezávisle chráněny samostatnými přepěťovými ochrannými zařízeními umístěnými v každém z těchto míst.

Invertor je umístěn mezi těmito dvěma částmi a je nejdražším jednotlivým komponentem většiny fotovoltaických instalací. Je také nejzranitelnější, protože jeho výkonová elektronika během normálního provozu pracuje těsně u svých napěťových limitů. Přepěťové ochranné zařízení na vstupních DC svorkách invertoru a další na výstupních AC svorkách vytvářejí ochranný obal kolem tohoto kritického komponentu. Tento přístup s ochranou z obou stran není volitelný pro systémy v oblastech s vysokým rizikem blesků ani pro jakoukoli instalaci, u níž jsou náklady na výpadky významné.

Integrace zařízení pro ochranu proti přepětí na straně stejnosměrného proudu

Umístění v kombinační krabici řetězce

První a nejdůležitější umístění zařízení pro ochranu proti přepětí na straně stejnosměrného proudu je v řetězci kombinační skříň , také označované jako DC kombinační krabice nebo spojovací krabice pole. Zde se sbírají více fotovoltaických řetězců, než je jejich kombinovaný výstup stejnosměrného proudu vedoucí k invertoru. Umístění zařízení pro ochranu proti přepětí zde zachytí přechodné jevy v co nejranějším bodě stejnosměrného obvodu a zabrání jejich šíření dále do systému.

Pro tuto pozici musí mít ochranné zařízení proti přepětí hodnotu napětí v režimu rozpojení stejnosměrného proudu (DC), která odpovídá maximálnímu napětí v režimu rozpojení celého pole za nejnepříznivějších podmínek teploty. U systémů provozovaných při 1000 V DC musí zařízení mít hodnotu napětí ochrany a maximální trvalé provozní napětí, které výrazně překračují tuto hodnotu. Běžné hodnoty používané v elektrárničních a komerčních fotovoltaických instalacích zahrnují varianty s napětím 1000 V DC a 1500 V DC s impulzní proudovou zátěží 20 kA nebo 40 kA, v závislosti na klasifikaci místa do zón ochrany před bleskem.

Zařízení proti přepětí v kombinační krabici by mělo být připojeno mezi každý stejnosměrný pól a ochranný vodič (PE). V dvoupólové konfiguraci to znamená jedno zařízení mezi kladnou sběrnici a zemí a jedno mezi zápornou sběrnici a zemí. Některé instalace používají třípólové nebo kombinované zařízení, které zpracovává oba póly současně. Volba závisí na konfiguraci uzemnění systému a konkrétním konstrukčním řešení daného zařízení proti přepětí.

Umístění na stejnosměrném vstupu střídače

I když je v kombinační krabici nainstalováno ochranné zařízení proti přepětí, pro systémy s dlouhými kabelovými trasami mezi kombinační krabicí a střídačem je důrazně doporučeno druhé zařízení na stejnosměrných vstupních svorkách střídače. Indukčnost kabelu omezuje účinnost vzdáleného ochranného zařízení proti přepětí při potlačování rychle se zvyšujícího přechodného jevu na svorkách střídače. Zbytkové napětí, které se objeví na vstupu střídače po aktivaci zařízení v kombinační krabici, může stále být dostatečně vysoké na to, aby zatěžovalo vstupní kondenzátory a IGBT moduly střídače.

Zařízení pro ochranu proti přepětí na stejnosměrném vstupu střídače funguje jako druhá obranná linie a zachytí jakoukoli zbytkovou přechodnou energii, kterou neabsorbovalo zařízení umístěné v horním toku. Tento kaskádový přístup, někdy označovaný jako koordinační schéma typu 1 plus typu 2, je standardní praxí v dobře navržených fotovoltaických instalacích. Zařízení na vstupu střídače je obvykle zařízení pro ochranu proti přepětí typu 2 s nižším proudovým výkonem vybavení, protože zařízení v horním toku již absorbovalo většinu energie přepětí.

Správné zapojení zařízení pro ochranu proti přepětí na stejnosměrné straně je rozhodující. Přívodní vodiče mezi zařízením a stejnosměrnou sběrnou kolejnicí by měly být co nejkratší, ideálně kratší než 50 cm, aby se minimalizoval induktivní úbytek napětí, který se přičítá ke zvětšenému napětí omezení považovanému střídačem. Použití co nejkratších přívodních vodičů a vyhnutí se zbytečným ohybům v přívodních vodičích jsou praktická opatření, která výrazně zvyšují účinnost instalace zařízení pro ochranu proti přepětí.

Integrace ochranného zařízení proti přepětí na střídavé straně

Umístění na střídavém výstupu střídače

Na střídavé straně je hlavní umístění ochranného zařízení proti přepětí na střídavém výstupu střídače, obvykle uvnitř nebo bezprostředně vedle střídavého odpojovacího nebo kombinačního panelu. Toto umístění chrání výstupní stupeň střídače před přechodnými jevy pocházejícími ze sítě a zároveň chrání jakékoli monitorovací, měřicí nebo komunikační zařízení připojené k střídavé sběrnici v tomto bodě.

Ochranné zařízení proti přepětí vybrané pro střídavou stranu musí být dimenzováno pro střídavé napětí systému, které je u většiny komerčních a průmyslových fotovoltaických instalací obvykle 230 V jednofázové nebo 400 V třífázové. Zařízení musí být také kompatibilní se síťovou frekvencí a jeho maximální trvalé provozní napětí musí zohledňovat běžné kolísání napětí ve vedení. U třífázových systémů je vyžadováno třípólové nebo čtyřpólové ochranné zařízení proti přepětí pokrývající všechny fázové vodiče i nulový vodič.

Impulzní proudová hodnota pro zařízení ochrany proti přepětí na střídavé straně by měla být vybrána na základě zóny ochrany před bleskem a vzdálenosti od hlavního vstupu napájení. Pro většinu aplikací střídavého výstupu fotovoltaických systémů je vhodné použít zařízení ochrany proti přepětí typu 2 s impulzní proudovou hodnotou 20 kA nebo 40 kA. V případě instalace v oblasti s vysokým rizikem blesků nebo při dlouhém vedení střídavého kabelu ke hlavní rozvodnici může být na úrovni hlavní rozvodnice osvědčené použití zařízení typu 1 s vyšší impulzní proudovou hodnotou.

Umístění u hlavní střídavé rozvodnice nebo v bodu společného připojení

U větších fotovoltaických systémů, které napájejí hlavní rozvodnici nebo bod společného připojení společný pro jiné zátěže, poskytuje další zařízení ochrany proti přepětí na úrovni rozvodnice celosystémovou ochranu. Toto zařízení odvádí přepětí vstupující ze strany veřejné sítě a brání jeho šíření nejen do střídače, ale také do jiných citlivých spotřebičů připojených ke stejné rozvodnici.

Koordinace mezi ochranným zařízením proti přepětí na střídavém výstupu měniče a zařízením na hlavním rozváděči sleduje stejnou kaskádovou logiku jako na stejnosměrné straně. Zařízení na úrovni rozváděče, obvykle typu 1 nebo kombinovaného typu 1 a 2, zpracovává počáteční vysokoenergetické přepětí, zatímco zařízení na úrovni měniče zachycuje zbytkovou energii. Tento vrstvený přístup zajišťuje, že žádné jednotlivé zařízení není přetíženo a že ochrana zůstává účinná v širokém rozsahu velikostí a tvarů přepětí.

Při výběru ochranného zařízení proti přepětí pro hlavní rozváděč je důležité ověřit, zda je úroveň napěťové ochrany zařízení koordinována s impulzním výdržným napětím střídače a dalšího připojeného zařízení. Úroveň ochrany zařízení proti přepětí musí být nižší než výdržné napětí zařízení, aby se zajistilo, že zařízení omezuje přechodné přepětí dříve, než může způsobit poškození. Tato koordinační kontrola je povinným krokem při jakémkoli profesionálním návrhu ochrany fotovoltaických systémů proti přepětí.

Zemnění, zapojení a osvědčené postupy instalace

Role uzemnění s nízkou impedancí

Přepěťová ochrana může plnit svou funkci efektivně pouze tehdy, má-li nízkoimpedanční cestu do země, prostřednictvím níž může odvést proud přepětí. Zemnicí systém fotovoltaické instalace je proto stejně důležitý jako samotné zařízení proti přepětí. Vysokootporové nebo špatně spojené zemní připojení způsobí, že se během provozu na svorkách zařízení proti přepětí vyvine vysoké napětí, čímž se sníží jeho účinnost a potenciálně mohou do chráněného zařízení proniknout poškozující napětí.

U fotovoltaických instalací by měl uzemňovací systém zahrnovat samostatnou uzemňovací elektrodu umístěnou v místě panelového pole, která je spojena se stavebním upevňovacím systémem a se svorkou uzemnění ochranného zařízení proti přepětí na DC straně. Ochranné zařízení proti přepětí na AC straně by mělo být spojeno s hlavním ochranným uzemňovacím vodičem budovy nebo zařízení. Všechna uzemnění by měla být provedena vodiči vhodného průřezu, obvykle 6 mm² nebo větší pro uzemňovací vodiče ochranných zařízení proti přepětí, aby odolaly impulznímu proudu bez nadměrného úbytku napětí.

Vyrovnání potenciálů mezi uzemněním na DC straně, uzemněním na AC straně a uzemněním konstrukce fotovoltaického upevňovacího systému je nezbytné pro zabránění nárůstu uzemněného potenciálu během přepěťové události. Pokud jsou různé části systému během přechodného jevu na různých uzemněných potenciálech, může rozdíl napětí mezi nimi poškodit zařízení i v případě, že každé jednotlivé ochranné zařízení proti přepětí funguje správně. Jednotný, nízkookrový uzemňovací systém tento riziko eliminuje.

Monitorování a údržba nainstalovaných zařízení

Zařízení proti přepětí je spotřební ochrannou součástí. Při každé absorpci přepěťové události spotřebuje část své ochranné kapacity. Po významné bleskové události nebo sérii menších přepětí může zařízení dosáhnout konce své životnosti a vyžadovat výměnu. Většina moderních zařízení proti přepětí produkty obsahuje vizuální indikátor stavu, obvykle okénko, které mění barvu, nebo páku, která se spustí, aby signalizovalo, že zařízení ztratilo svou účinnost a vyžaduje výměnu.

Zahrnutí kontrol stavu ochranných zařízení proti přepětí do pravidelného údržbového plánu fotovoltaického systému je jednoduchá, avšak často opomíjená praxe. Čtvrtletní vizuální kontrola všech nainstalovaných zařízení v kombinaci s kontrolou po bouřce po jakékoli významné bleskové aktivitě v dané oblasti zajišťuje, že ochrana zůstává funkční. Některé pokročilé modely ochranných zařízení proti přepětí jsou vybaveny kontakty pro dálkové monitorování, které lze zapojit do SCADA systému nebo monitorovací platformy systému a umožňují tak automatické upozornění v případě, že zařízení vyžaduje výměnu.

Výměna degradovaného ochranného zařízení proti přepětí by měla být provedena bezodkladně. Provoz fotovoltaického systému s nefunkčním ochranným zařízením proti přepětí na straně střídavého nebo stejnosměrného proudu plně vystavuje střídač a příslušná zařízení dalšímu přechodnému jevu. Vzhledem k relativně nízké ceně ochranného zařízení proti přepětí ve srovnání s náklady na výměnu střídače nebo prostoj systému je včasná údržba jednoduchým ekonomickým rozhodnutím.

Výběr správného zařízení pro ochranu proti přepětí pro fotovoltaické aplikace

Klíčové elektrické parametry k vyhodnocení

Výběr správného zařízení pro ochranu proti přepětí pro fotovoltaickou aplikaci vyžaduje vyhodnocení několika klíčových elektrických parametrů. Maximální trvalé provozní napětí zařízení musí překročit nejvyšší napětí, které se objeví na jeho svorkách za normálních provozních podmínek, včetně jakékoli tolerance napětí sítě. U zařízení na stejnosměrné straně to znamená zohlednit maximální napětí v režimu bez zátěže (Voc) fotovoltaického pole při nejnižší očekávané okolní teplotě, protože napětí fotovoltaického modulu roste s klesající teplotou.

Jmenovitý vybíjecí proud a maximální impulzní proud určují, jakou velikost přepětí může ochranné zařízení proti přepětí zpracovat. Tyto hodnoty je třeba přizpůsobit klasifikaci zón ochrany před bleskem na místě instalace, která se stanovuje na základě lokální hustoty bleskových úderů do země a fyzických charakteristik konstrukce. Ochranné zařízení proti přepětí s hodnotou impulzního proudu 40 kA poskytuje vyšší bezpečnostní rezervu než zařízení s hodnotou 20 kA a je vhodné pro vystavená místa nebo instalace s vysokou hodnotou.

Úrověň ochrany proti přepětí ochranného zařízení proti přepětí, vyjádřená v kilovoltech, udává maximální napětí, které se objeví mezi svorkami zařízení během standardizovaného zkouškového přepětí. Tato hodnota musí být nižší než impulzní výdržné napětí chráněného zařízení. U fotovoltaických střídačů je impulzní výdržné napětí na stejnosměrném vstupu obvykle uvedeno v technické dokumentaci výrobku a ochranné zařízení proti přepětí musí být vybráno tak, aby jeho úroveň ochrany poskytovala dostatečnou bezpečnostní mez pod touto hodnotou.

Požadavky na soulad se standardy a certifikacemi

Pro fotovoltaické aplikace musí zařízení pro ochranu proti přepětí splňovat normu IEC 61643-11 pro zařízení na střídavé straně a normu IEC 61643-31 pro zařízení na stejnosměrné straně. Tyto normy stanovují zkušební metody, požadavky na výkon a požadavky na označení ochranných zařízení proti přepětí používaných v nízkoúrovňových napájecích systémech a fotovoltaických instalacích. Dodržení těchto norem zajišťuje, že zařízení bylo nezávisle zkoušeno a ověřeno tak, aby plnilo stanovené požadavky za standardizovaných podmínek přepětí.

Kromě souladu s normami IEC vyžadují mnohé trhy a projektové specifikace pro zařízení pro ochranu proti přepětí používaná v fotovoltaických systémech označení CE a certifikaci TÜV. Tyto certifikace poskytují dodatečnou záruku kvality výrobku a konzistence výroby. Při specifikaci zařízení pro ochranu proti přepětí pro komerční nebo veřejně využívaný fotovoltaický projekt je ověření, zda výrobek disponuje příslušnými certifikacemi pro cílový trh, důležitým krokem v procesu zakoupení.

Některé provozovatele sítě a pojišťovny mají konkrétní požadavky na instalaci ochranných zařízení proti přepětí v fotovoltaických systémech připojených k síti. Prozkoumání těchto požadavků již v rané fázi návrhu zajišťuje, že vybrané ochranné zařízení proti přepětí splňuje všechny příslušné normy a že způsob jeho instalace je v souladu s místními elektrotechnickými předpisy. Instalace, které nejsou v souladu s těmito předpisy, mohou narazit na potíže při schválení připojení k síti nebo při uplatnění pojistného plnění po události související s přepětím.

Často kladené otázky

Potřebuji ochranné zařízení proti přepětí na obou stranách (střídavé i stejnosměrné) svého fotovoltaického systému?

Ano. Přepětí může do fotovoltaického systému vniknout z obou směrů – ze strany pole při bleskových událostech nebo ze strany sítě při spínacích přechodových jevech. Umístění ochranného zařízení proti přepětí pouze na jedné straně nechrání střídač a související zařízení před přechodovými jevy ze strany bez ochrany. Komplexní strategie ochrany vyžaduje instalaci ochranného zařízení proti přepětí na stejnosměrné straně u DC kombinátoru nebo na vstupu střídače do stejnosměrného proudu a dalšího ochranného zařízení proti přepětí na střídavé straně na výstupu střídače nebo v hlavním rozváděči.

Jaké napětí bych měl zvolit pro ochranné zařízení proti přepětí na stejnosměrné straně?

Zařízení proti přepětí musí mít maximální trvalé provozní napětí, které překračuje maximální napětí v režimu bez zátěže fotovoltaického pole za nejchladnějších očekávaných teplotních podmínek. U systémů navržených pro provoz při 1000 V stejnosměrného proudu je vyžadováno zařízení proti přepětí s hodnocením 1000 V stejnosměrného proudu nebo vyšším. U systémů 1500 V stejnosměrného proudu musí být použito zařízení s hodnocením 1500 V stejnosměrného proudu. Při výběru hodnocení zařízení je vždy třeba přidat bezpečnostní rezervu nad vypočteným maximálním napětím pole.

Jak často bych měl/a kontrolovat nebo vyměňovat zařízení proti přepětí ve fotovoltaické instalaci?

Vizuální kontrola všech nainstalovaných jednotek ochrany proti přepětí by měla být prováděna nejméně jednou čtvrtletně a po jakékoli významné aktivitě blesků v dané oblasti. Většina zařízení obsahuje indikátor stavu, který změní svůj vzhled, pokud došlo k degradaci zařízení. Jakékoli zařízení ochrany proti přepětí, které ukazuje indikaci poruchy, je třeba co nejdříve vyměnit. I v případě, že není viditelná žádná degradace, mohou být zařízení v oblastech s vysokou frekvencí blesků jako preventivní opatření vyměněna každých pět až sedm let.

Můžu použít standardní střídavé (AC) zařízení ochrany proti přepětí na stejnosměrné (DC) straně fotovoltaického systému?

Ne. Standardní produkty ochranných zařízení proti přepětí střídavého proudu nejsou vhodné pro aplikace stejnosměrného proudu. Obvody stejnosměrného proudu nemají přirozený nulový průchod proudu, což znamená, že jakmile začne ochranné zařízení proti přepětí vést proud, musí aktivně přerušit následný proud, aby se zabránilo trvalému oblouku. Produkty ochranných zařízení proti přepětí určené pro stejnosměrný proud jsou speciálně navrženy s mechanizmy potlačení oblouku a s hodnocením součástek vhodným pro charakteristiky napětí a proudu stejnosměrného proudu. Použití zařízení určeného pro střídavý proud v obvodu stejnosměrného proudu představuje vážné riziko požáru a ohrožení bezpečnosti.