Bagaimana cara mengintegrasikan perlindungan terhadap jangkitan arus lebih (surge protection) di kedua-dua belah sisi AC dan DC dalam sistem PV?

Mengintegrasikan peranti perlindungan lonjakan mengintegrasikan sistem fotovoltaik bukan sekadar soal menyambungkan satu komponen dan meneruskan proses. Ia memerlukan pendekatan yang sengaja dan berdasarkan kejuruteraan, yang mengambil kira ciri-ciri elektrik unik di kedua-dua bahagian AC dan DC pemasangan tersebut. Transien akibat kilat, surja suis, dan gangguan grid boleh memperkenalkan puncak voltan yang merosakkan, yang bergerak melalui sistem dan merosakkan penyebalik, kotak penggabungan, peralatan pemantauan, dan malah modul PV itu sendiri. Tanpa penempatan peranti perlindungan surja yang sesuai di kedua-dua bahagian tersebut, satu peristiwa transien sahaja boleh menyebabkan masa henti yang mahal serta penggantian peralatan.

Artikel ini menerangkan secara menyeluruh logik integrasi penuh untuk pemasangan peranti perlindungan terhadap surja di kedua-dua bahagian rentetan DC dan tatasusun serta di bahagian sambungan grid AC dalam sistem fotovoltaik (PV). Samada anda mereka bentuk pemasangan komersial di bumbung atau projek pemasangan berskala utiliti di tanah, memahami di mana harus meletakkan setiap peranti perlindungan terhadap surja, cara memilih spesifikasi yang sesuai, dan cara memasang kabel serta mengekalkan komponen-komponen ini dengan betul adalah penting bagi kebolehpercayaan jangka panjang sistem. Panduan di sini berdasarkan kejuruteraan medan praktikal dan selaras dengan piawaian IEC 61643 dan IEC 62305 yang mengawal perlindungan terhadap surja dalam persekitaran fotovoltaik.

Memahami Risiko Surja dalam Sistem PV

Mengapa Sistem PV Lebih Rentan

Sistem fotovoltaik terdedah secara berterusan kepada persekitaran luar, menjadikannya secara semula jadi rentan terhadap kilat dan peristiwa pelepasan atmosfera. Panjang kabel yang menghubungkan tatasusun PV dengan penyongsang bertindak sebagai antena, menangkap tenaga elektromagnet teraruh daripada kilat berdekatan walaupun tiada hentaman langsung berlaku. Tenaga teraruh ini bergerak sebagai lewat voltan sementara sepanjang kabel DC daripada modul dan kabel AC menuju ke titik sambungan grid.

Di bahagian DC, voltan litar terbuka suatu tali PV sudah boleh mencapai beberapa ratus volt dalam keadaan piawai. Apabila lewat voltan sementara bertindih pada voltan asas ini, puncak gabungan tersebut dengan mudah boleh melebihi keupayaan tahan tahap input penyongsang, diod laluan, dan kotak persimpangan komponen. Di sisi AC, peristiwa pengalihan grid, operasi bank kapasitor, dan kegagalan utiliti memperkenalkan transien berkelajuan tinggi yang boleh merosakkan tahap output penyebalik dan sebarang peralatan pengukuran atau komunikasi yang disambungkan.

Peranti perlindungan terhadap surja yang dipilih dan dipasang dengan betul di setiap sisi akan menghalang transien ini sebelum mencapai elektronik sensitif. Peranti ini mengekalkan voltan pada tahap yang selamat dan mengalihkan arus surja ke tanah, melindungi peralatan di hiliran. Tanpa lapisan perlindungan ini, walaupun transien sederhana pun boleh merosakkan penebatan, menyebabkan pemutusan tidak diingini, atau menyebabkan kegagalan komponen secara serta-merta.

Sifat Dua-Sisi Pendedahan Surja PV

Salah satu kesilapan paling biasa dalam perancangan perlindungan terhadap surja PV ialah menganggap sistem hanya mempunyai satu titik yang rentan. Pada kenyataannya, surja boleh masuk dari kedua-dua arah. Peristiwa kilat berdekatan susunan panel suria memasukkan tenaga ke sisi DC, manakala gangguan grid atau pengalihan beban industri berdekatan memasukkan tenaga dari sisi AC. Kedua-dua laluan ini mesti dilindungi secara berasingan dengan peranti perlindungan surja khusus di setiap lokasi.

Inverter terletak di antara kedua-dua sisi ini dan merupakan komponen tunggal paling mahal dalam kebanyakan pemasangan PV. Ia juga paling rentan kerana elektronik kuasanya beroperasi hampir pada had voltan semasa operasi normal. Peranti perlindungan surja pada terminal input DC inverter dan satu lagi pada terminal output AC mencipta 'selubung perlindungan' di sekeliling komponen kritikal ini. Pendekatan dua-sisi ini bukanlah pilihan tetapi wajib bagi sistem di zon berisiko tinggi kilat atau bagi mana-mana pemasangan di mana kos masa henti adalah signifikan.

Integrasi Peranti Perlindungan Terhadap Lonjakan di Bahagian DC

Penempatan di Kotak Penggabung Tali

Lokasi pertama dan paling penting untuk peranti perlindungan terhadap lonjakan di bahagian DC adalah di tali kotak Penggabungkan , juga dikenali sebagai kotak penggabung DC atau kotak sambungan tatasusun. Di sinilah beberapa tali PV digabungkan sebelum keluaran DC gabungan dialirkan ke penyebalik. Penempatan peranti perlindungan terhadap lonjakan di sini akan menghalang transien pada titik awal yang paling mungkin dalam litar DC, menghalangnya daripada merambat lebih jauh ke dalam sistem.

Bagi kedudukan ini, peranti perlindungan terhadap surja mesti mempunyai kadar voltan buka-arus terus (DC) maksimum bagi tatasusun di bawah keadaan suhu paling buruk. Bagi sistem yang beroperasi pada 1000 V DC, peranti tersebut mesti mempunyai kadar perlindungan voltan dan voltan operasi berterusan maksimum yang melebihi nilai ini dengan selesa. Kadar biasa yang digunakan dalam pemasangan fotovoltaik (PV) berskala utiliti dan komersial termasuk varian 1000 V DC dan 1500 V DC, dengan kadar arus impuls sebanyak 20 kA atau 40 kA bergantung kepada klasifikasi zon perlindungan kilat lokasi.

Peranti perlindungan terhadap surja di kotak penggabung harus disambungkan di antara setiap kutub DC dan konduktor bumi pelindung. Dalam konfigurasi dua kutub, ini bermaksud satu peranti di antara rel positif dan bumi serta satu lagi di antara rel negatif dan bumi. Sesetengah pemasangan menggunakan peranti tiga kutub atau peranti gabungan yang mengendalikan kedua-dua kutub secara serentak. Pilihan bergantung kepada konfigurasi pentanahan sistem dan rekabentuk produk spesifik peranti perlindungan terhadap surja.

Penempatan pada Input DC Inverter

Walaupun peranti perlindungan terhadap surja dipasang di kotak penggabung, pemasangan peranti kedua di terminal input DC penyebalik sangat digalakkan untuk sistem dengan jarak kabel yang panjang antara kotak penggabung dan penyebalik. Aruhan kabel menghadkan keberkesanan peranti perlindungan terhadap surja yang jauh dalam menekan transien berkelajuan tinggi di terminal penyebalik. Voltan baki yang muncul di input penyebalik setelah peranti di kotak penggabung beroperasi masih boleh cukup tinggi untuk memberi tekanan kepada kapasitor input dan modul IGBT penyebalik.

Peranti perlindungan terhadap surja di input DC penyebalik berfungsi sebagai barisan pertahanan kedua, menangkap sebarang tenaga sementara baki yang tidak sepenuhnya diserap oleh peranti hulu. Pendekatan berperingkat ini, yang kadangkala dipanggil skema koordinasi Jenis 1 ditambah Jenis 2, merupakan amalan piawai dalam pemasangan PV yang direkabentuk dengan baik. Peranti di input penyebalik biasanya merupakan peranti perlindungan terhadap surja Jenis 2 dengan kadar arus pelupusan yang lebih rendah, memandangkan peranti hulu telah menyerap sebahagian besar tenaga surja tersebut.

Pemasangan peranti perlindungan terhadap surja di sisi DC secara betul adalah kritikal. Wayar sambungan antara peranti dan bas DC haruslah sependek mungkin, idealnya kurang daripada 50 cm, bagi meminimumkan jatuhan voltan induktif yang menambah kepada voltan pengapit yang dialami oleh penyebalik. Menggunakan panjang wayar sambungan yang sependek mungkin serta mengelakkan kelengkungan tidak perlu pada wayar sambungan merupakan langkah praktikal yang meningkatkan secara ketara keberkesanan pemasangan peranti perlindungan terhadap surja.

Integrasi Peranti Perlindungan Hadapan Sisi AC

Penempatan di Keluaran AC Inverter

Di sisi AC, lokasi utama untuk peranti perlindungan hadapan ialah di keluaran AC inverter, biasanya di dalam atau bersebelahan terus dengan panel pemutus AC atau panel penggabung. Kedudukan ini melindungi peringkat keluaran inverter daripada transien yang tiba dari grid dan juga melindungi sebarang peralatan pemantauan, pengukuran, atau komunikasi yang disambungkan ke bas AC pada titik ini.

Peranti perlindungan hadapan yang dipilih untuk sisi AC mesti mempunyai kadar voltan AC sistem, iaitu biasanya 230 V fasa tunggal atau 400 V tiga fasa bagi kebanyakan pemasangan PV komersial dan industri. Peranti tersebut juga mesti sesuai dengan frekuensi grid dan mesti mempunyai voltan operasi berterusan maksimum yang mengambil kira pelbagai voltan grid normal. Bagi sistem tiga fasa, diperlukan peranti perlindungan hadapan tiga kutub atau empat kutub yang merangkumi semua konduktor fasa dan neutral.

Kadar arus denyut untuk peranti perlindungan gelombang surja di sisi AC harus dipilih berdasarkan zon perlindungan kilat dan jarak dari pintu masuk perkhidmatan utama. Peranti perlindungan gelombang surja Jenis 2 dengan kadar 20 kA atau 40 kA adalah sesuai untuk kebanyakan aplikasi keluaran AC PV. Jika pemasangan dilakukan di zon kilat berisiko tinggi atau jika panjang laluan kabel AC ke panel suis utama adalah jauh, penggunaan peranti Jenis 1 dengan kadar arus denyut yang lebih tinggi mungkin diperlukan pada tahap panel suis utama.

Penempatan di Panel Suis AC Utama atau Titik Penghubung Sepunya

Bagi sistem PV yang lebih besar yang bersambung ke panel suis utama atau titik penghubung sepunya bersama beban lain, penambahan peranti perlindungan gelombang surja pada tahap panel suis memberikan perlindungan menyeluruh kepada sistem. Peranti ini menguruskan gelombang surja yang memasuki dari bahagian grid utiliti dan menghalangnya daripada mencapai bukan sahaja inverter tetapi juga beban sensitif lain yang disambungkan ke panel suis yang sama.

Koordinasi antara peranti perlindungan terhadap lonjakan di keluaran AC penyebalik dan peranti di panel suis utama mengikuti logik bertingkat yang sama seperti di sisi DC. Peranti di aras panel suis, yang biasanya merupakan peranti Jenis 1 atau peranti gabungan Jenis 1 dan Jenis 2, menangani lonjakan berenergi tinggi pada peringkat awal, manakala peranti di aras penyebalik menangkap tenaga baki. Pendekatan berlapis ini memastikan tiada satu peranti pun terbeban secara berlebihan dan perlindungan kekal berkesan merentas julat magnitud dan bentuk gelombang lonjakan yang luas.

Apabila memilih peranti perlindungan terhadap surja untuk papan suis utama, adalah penting untuk mengesahkan bahawa tahap perlindungan voltan peranti tersebut selaras dengan voltan tahan impuls inverter dan peralatan lain yang disambungkan. Tahap perlindungan peranti perlindungan terhadap surja mesti lebih rendah daripada voltan tahan peralatan untuk memastikan peranti tersebut mengekalkan surja sementara sebelum ia menyebabkan kerosakan. Semakan keselarasan ini merupakan langkah wajib dalam mana-mana rekabentuk profesional perlindungan terhadap surja PV.

Amalan Terbaik untuk Penyambungan Bumi, Pemasangan Kabel, dan Pemasangan

Peranan Sistem Penyambungan Bumi Berimpedans Rendah

Peranti perlindungan lonjakan hanya dapat menjalankan fungsinya secara berkesan jika ia mempunyai laluan impedans rendah ke tanah, yang membolehkannya mengalihkan arus lonjakan. Sistem pembumian pemasangan PV oleh itu sama pentingnya dengan peranti perlindungan lonjakan itu sendiri. Sambungan tanah berintegriti tinggi atau sambungan yang tidak diikat dengan baik akan menyebabkan peranti perlindungan lonjakan menghasilkan voltan tinggi merentasi terminalnya semasa operasi, mengurangkan keberkesanannya dan berpotensi membenarkan voltan yang boleh merosakkan mencapai peralatan yang dilindungi.

Untuk pemasangan PV, sistem pembumian harus merangkumi elektrod bumi khusus di lokasi tatasusun, yang dihubungkan dengan sistem pemasangan struktur dan terminal pembumian peranti perlindungan gelombang kejut di bahagian DC. Peranti perlindungan gelombang kejut di bahagian AC harus dihubungkan dengan konduktor pembumian pelindung utama bangunan atau kemudahan tersebut. Semua sambungan pembumian harus menggunakan konduktor yang bersaiz sesuai, biasanya 6 mm² atau lebih besar untuk saluran pembumian peranti perlindungan gelombang kejut, bagi menangani arus denyutan tanpa turun voltan yang berlebihan.

Pengikatan kesetaraan keupayaan antara pembumian DC, pembumian AC, dan pembumian struktur sistem pemasangan PV adalah penting untuk mencegah peningkatan keupayaan bumi semasa kejadian gelombang kejut. Apabila bahagian-bahagian sistem berada pada keupayaan bumi yang berbeza semasa transien, beza voltan antara bahagian-bahagian tersebut boleh merosakkan peralatan walaupun setiap peranti perlindungan gelombang kejut berfungsi dengan betul. Sistem pembumian bersatu yang mempunyai rintangan rendah menghilangkan risiko ini.

Pemantauan dan Penyelenggaraan Peranti yang Dipasang

Peranti perlindungan hentakan adalah komponen pelindung yang boleh digunakan sehingga habis. Setiap kali ia menyerap peristiwa hentakan, sebahagian daripada kapasiti perlindungannya akan terpakai. Selepas peristiwa kilat utama atau siri hentakan kecil, peranti tersebut mungkin mencapai akhir jangka hayat perkhidmatannya dan memerlukan penggantian. Kebanyakan peranti perlindungan hentakan moden produk mempunyai penunjuk status visual, biasanya sebuah tingkap yang berubah warna atau bendera yang jatuh, untuk memberi isyarat apabila peranti tersebut telah terjejas dan memerlukan penggantian.

Menggabungkan pemeriksaan status peranti perlindungan terhadap lonjakan ke dalam jadual penyelenggaraan berkala sistem PV merupakan amalan yang mudah tetapi sering diabaikan. Pemeriksaan visual setiap suku tahun terhadap semua peranti yang dipasang, dikombinasikan dengan pemeriksaan selepas ribut setelah sebarang aktiviti kilat yang signifikan di kawasan tersebut, memastikan bahawa perlindungan kekal aktif. Sesetengah model peranti perlindungan terhadap lonjakan yang canggih termasuk sambungan pemantauan jarak jauh yang boleh disambungkan ke platform SCADA atau pemantauan sistem, membolehkan amaran automatik apabila peranti perlu digantikan.

Penggantian peranti perlindungan terhadap lonjakan yang telah terdegradasi harus dilakukan segera. Mengendalikan sistem PV dengan peranti perlindungan terhadap lonjakan yang gagal di sebelah AC atau DC akan mendedahkan inverter dan peralatan berkaitan sepenuhnya kepada peristiwa transien seterusnya. Memandangkan kos peranti perlindungan terhadap lonjakan yang relatif rendah berbanding kos penggantian inverter atau masa henti sistem, penyelenggaraan tepat pada masanya merupakan keputusan ekonomi yang mudah.

Memilih Peranti Perlindungan Hamparan yang Sesuai untuk Aplikasi PV

Parameter Elektrik Utama untuk Dinilai

Memilih peranti perlindungan hamparan yang betul untuk aplikasi PV memerlukan penilaian terhadap beberapa parameter elektrik utama. Voltan operasi berterusan maksimum peranti tersebut mesti melebihi voltan tertinggi yang akan wujud merentasi terminalnya dalam keadaan operasi normal, termasuk sebarang toleransi voltan grid. Bagi peranti di sisi DC, ini bermakna mengambil kira voltan litar-terbuka maksimum tatasusun PV pada suhu ambien terendah yang dijangka, kerana voltan modul PV meningkat apabila suhu menurun.

Arus keluaran nominal dan kadar arus impuls maksimum menentukan jumlah tenaga surja yang boleh ditangani oleh peranti perlindungan surja. Kadar-kadar ini harus dipadankan dengan klasifikasi zon perlindungan kilat di lokasi pemasangan, yang ditentukan oleh ketumpatan kilat tanah tempatan dan ciri-ciri fizikal struktur tersebut. Peranti perlindungan surja dengan kadar arus impuls 40 kA memberikan jarak keselamatan yang lebih tinggi berbanding peranti 20 kA dan sesuai untuk lokasi terdedah atau pemasangan bernilai tinggi.

Aras perlindungan voltan bagi peranti perlindungan terhadap surja, yang dinyatakan dalam kilovolt, menunjukkan voltan maksimum yang akan muncul merentasi terminal peranti semasa ujian surja piawaian. Nilai ini mesti lebih rendah daripada voltan tahan impuls bagi peralatan yang sedang dilindungi. Bagi penyebalik PV, voltan tahan impuls input DC biasanya dispesifikasikan dalam lembaran data produk, dan peranti perlindungan terhadap surja mesti dipilih supaya aras perlindungannya memberikan jarak keselamatan yang mencukupi di bawah nilai ini.

Piawaian Pematuhan dan Keperluan Sijil

Untuk aplikasi PV, peranti perlindungan terhadap surja hendaklah mematuhi IEC 61643-11 bagi peranti di sisi AC dan IEC 61643-31 bagi peranti di sisi DC. Piawaian ini menetapkan kaedah ujian, keperluan prestasi, dan keperluan penandaan bagi peranti perlindungan surja yang digunakan dalam sistem kuasa voltan rendah dan pemasangan PV masing-masing. Pematuhan terhadap piawaian ini memastikan bahawa peranti tersebut telah diuji dan disahkan secara bebas untuk berfungsi sebagaimana yang ditentukan di bawah keadaan surja yang distandardkan.

Selain pematuhan IEC, banyak pasaran dan spesifikasi projek menghendaki penandaan CE dan sijil TUV bagi produk peranti perlindungan terhadap surja yang digunakan dalam sistem PV. Sijil-sijil ini memberikan jaminan tambahan terhadap kualiti produk dan konsistensi pengeluaran. Apabila menentukan peranti perlindungan terhadap surja untuk projek PV komersial atau berskala utiliti, mengesahkan bahawa produk tersebut mempunyai sijil-sijil yang sesuai untuk pasaran sasaran merupakan langkah penting dalam proses pembelian.

Sesetengah pengendali grid dan penyedia insurans mempunyai keperluan khusus untuk pemasangan peranti perlindungan terhadap surges dalam sistem PV yang bersambung ke grid. Meninjau keperluan-keperluan ini pada peringkat awal proses rekabentuk memastikan bahawa peranti perlindungan terhadap surges yang dipilih memenuhi semua piawaian yang berkenaan dan kaedah pemasangannya mematuhi kod elektrik tempatan. Pemasangan yang tidak mematuhi piawaian mungkin menghadapi masalah semasa kelulusan sambungan ke grid atau tuntutan insurans selepas kejadian kerugian akibat surge.

Soalan Lazim

Adakah saya memerlukan peranti perlindungan terhadap surges di kedua-dua bahagian AC dan DC sistem PV saya?

Ya. Lonjakan boleh memasuki sistem PV dari mana-mana arah — dari bahagian tatasurya semasa kejadian kilat atau dari bahagian grid semasa transien suis. Pemasangan peranti perlindungan lonjakan hanya di satu bahagian akan meninggalkan inverter dan peralatan berkaitan terdedah kepada transien dari bahagian yang tidak dilindungi. Strategi perlindungan lengkap memerlukan peranti perlindungan lonjakan di penggabung DC atau input DC inverter, serta satu lagi di output AC inverter atau papan suis utama.

Apakah kadar voltan yang harus saya pilih untuk peranti perlindungan lonjakan di bahagian DC?

Peranti perlindungan terhadap surja mesti mempunyai voltan operasi berterusan maksimum yang melebihi voltan litar-terbuka maksimum susunan PV dalam keadaan suhu terdingin yang dijangka. Bagi sistem yang direka untuk beroperasi pada 1000 V DC, diperlukan peranti perlindungan terhadap surja yang diperkadangkan untuk 1000 V DC atau lebih tinggi. Bagi sistem 1500 V DC, peranti yang diperkadangkan pada 1500 V DC mesti digunakan. Sentiasa tambah jarak keselamatan di atas voltan maksimum susunan yang dikira semasa memilih kadar peranti.

Berapa kerap saya perlu memeriksa atau menggantikan peranti perlindungan terhadap surja dalam pemasangan PV?

Pemeriksaan visual terhadap semua unit peranti perlindungan kilat yang dipasang harus dijalankan sekurang-kurangnya setiap tiga bulan sekali dan selepas sebarang aktiviti kilat yang ketara di kawasan tersebut. Kebanyakan peranti dilengkapi dengan penunjuk status yang berubah rupa apabila peranti tersebut telah terjejas. Sebarang peranti perlindungan kilat yang menunjukkan indikasi kegagalan harus digantikan dengan segera. Walaupun tanpa kerosakan yang kelihatan, peranti di kawasan dengan aktiviti kilat yang tinggi mungkin memerlukan penggantian setiap lima hingga tujuh tahun sebagai langkah pencegahan.

Bolehkah saya menggunakan peranti perlindungan kilat AC piawai di bahagian DC sistem PV?

Tidak. Produk peranti perlindungan terhadap surja AC piawai tidak sesuai untuk aplikasi DC. Litar DC tidak mempunyai titik sifar semula arus secara semula jadi, yang bermaksud apabila peranti perlindungan terhadap surja mula mengalirkan arus, ia mesti secara aktif menghentikan arus susulan untuk mengelakkan lengkung elektrik yang berterusan. Produk peranti perlindungan terhadap surja yang diperakui untuk DC direka khas dengan mekanisme pemadam lengkung elektrik dan penarafan komponen yang sesuai dengan ciri voltan dan arus DC. Penggunaan peranti AC pada litar DC menimbulkan risiko kebakaran dan keselamatan yang serius.