Hoe kunt u overspanningsbeveiliging integreren aan zowel de AC- als de DC-zijde van een PV-systeem?

Integreren van overstromingsschermapparaat het integreren in een fotovoltaïsch systeem is niet zomaar een kwestie van een component aansluiten en verdergaan. Het vereist een doordachte, op engineering gebaseerde aanpak die rekening houdt met de unieke elektrische kenmerken van zowel de AC- als de DC-zijde van de installatie. Door bliksem veroorzaakte transiënten, schakelstoten en netstoringen kunnen allemaal destructieve spanningspieken introduceren die door het systeem reizen en omvormers, combiboxen, bewakingstoestellen en zelfs de PV-modules zelf beschadigen. Zonder juiste plaatsing van overspanningsbeveiligingsapparaten aan beide zijden kan één enkel transiëntgebeuren leiden tot kostbare stilstand en vervanging van apparatuur.

Dit artikel behandelt de volledige integratielogica voor de implementatie van overspanningsbeveiligingsapparaten aan zowel de DC-string- en arrayzijde als de AC-netaansluitzijde van een fotovoltaïsch systeem. Of u nu een commerciële dakinstallatie of een grootschalig grondgebonden nutsproject ontwerpt: het is essentieel om te begrijpen waar elk overspanningsbeveiligingsapparaat moet worden geplaatst, hoe u de juiste specificaties kiest en hoe u deze componenten correct aansluit en onderhoudt, om de betrouwbaarheid van het systeem op lange termijn te waarborgen. De richtlijnen hier zijn gebaseerd op praktische veldtechniek en zijn in overeenstemming met de IEC 61643- en IEC 62305-normen die overspanningsbeveiliging in fotovoltaïsche omgevingen regelen.

Begrip van overspanningsrisico’s in PV-systemen

Waarom PV-systemen bijzonder kwetsbaar zijn

Fotovoltaïsche systemen zijn continu aan de buitenomgeving blootgesteld, waardoor ze van nature gevoelig zijn voor bliksem en atmosferische ontladingsgebeurtenissen. De lange kabels tussen fotovoltaïsche arrays en omvormers fungeren als antennes die geïnduceerde elektromagnetische energie opvangen van nabijgelegen blikseminslagen, zelfs wanneer er geen directe inslag plaatsvindt. Deze geïnduceerde energie verspreidt zich als een transiënte overspanning zowel via de gelijkstroomkabels vanaf de modules als via de wisselstroomkabels richting het netaansluitpunt.

Aan de gelijkstroomzijde kan de open-klemspanning van een fotovoltaïsche string onder standaardomstandigheden al enkele honderden volt bedragen. Wanneer een transiënte zich hierop superponeert, kan de resulterende piekspanning gemakkelijk de weerstandsvermogens van de ingangstrappen van de omvormer en bypassdiodes overschrijden, en aansluitdoos componenten. Aan de AC-zijde veroorzaken netomschakelingen, het in- en uitschakelen van condensatorbanken en netstoringen snelle transiënten die de uitgangstrapping van de omvormer en eventuele aangesloten meet- of communicatieapparatuur kunnen beschadigen.

Een correct geselecteerd en geïnstalleerd overspanningsbeveiligingsapparaat aan elke zijde onderschept deze transiënten voordat ze gevoelige elektronica bereiken. Het apparaat begrenst de spanning tot een veilig niveau en leidt de overspanningsstroom naar aarde, waardoor de downstream-apparatuur wordt beschermd. Zonder deze beschermingslaag kan zelfs een matige transiënt de isolatie verslechteren, onnodige uitschakelingen veroorzaken of directe componentenfalen teweegbrengen.

De tweezijdige aard van overspanningsgevoeligheid bij PV-systemen

Eén van de meest voorkomende fouten bij het plannen van overspanningsbeveiliging voor zonneparken is het beschouwen van het systeem alsof het slechts één kwetsbaar punt heeft. In werkelijkheid kunnen overspanningen vanuit beide richtingen binnendringen. Een blikseminslag in de buurt van de zonnepanelen injecteert energie in de gelijkstroomzijde, terwijl een netstoring of het inschakelen van een nabijgelegen industriële belasting energie injecteert vanaf de wisselstroomzijde. Beide paden moeten onafhankelijk worden beschermd met een specifiek overspanningsbeveiligingsapparaat op elke locatie.

De omvormer bevindt zich tussen deze twee zijden en is het duurste afzonderlijke onderdeel in de meeste zonneparkinstallaties. Hij is ook het meest kwetsbaar, omdat zijn vermoelektronica tijdens normaal bedrijf werkt in de buurt van zijn spanningsgrenzen. Een overspanningsbeveiligingsapparaat op de gelijkstroomingangsterminals van de omvormer én een tweede op de wisselstroomuitgangsterminals vormt een beschermende omhulling rond dit kritieke component. Deze aanpak met bescherming aan beide zijden is niet optioneel voor systemen in gebieden met een hoog risico op blikseminslagen of voor elke installatie waarbij de kosten van stilstand aanzienlijk zijn.

Integratie van DC-zijde overspanningsbeveiligingsapparaat

Plaatsing in de stringcombinatiebox

De eerste en belangrijkste locatie voor een overspanningsbeveiligingsapparaat aan de DC-zijde is bij de string combinerdoos , ook wel DC-combinatiebox of arrayaansluitbox genoemd. Dit is de plek waar meerdere PV-strings samenkomen voordat de gecombineerde DC-uitgang naar de omvormer wordt geleid. Door hier een overspanningsbeveiligingsapparaat te plaatsen, worden transiënten op het vroegst mogelijke punt in de DC-circuit tegengehouden, waardoor wordt voorkomen dat ze verder het systeem binnendringen.

Voor deze positie moet het overspanningsbeveiligingsapparaat zijn uitgerust voor de maximale gelijkstroom open-kettingspanning van de array onder de meest ongunstige temperatuurvoorwaarden. Voor systemen die werken op 1000 V DC moet het apparaat een spanningsbeveiligingswaarde en een maximale continue bedrijfsspanning hebben die deze waarde ruimschoots overschrijden. Veelgebruikte waarderingen in nutsbedrijfs- en commerciële PV-installaties zijn 1000 V DC en 1500 V DC, met stootstroomwaarderingen van 20 kA of 40 kA, afhankelijk van de classificatie van de bliksembeveiligingszone van de locatie.

Het overspanningsbeveiligingsapparaat in de combibox moet worden aangesloten tussen elke gelijkstroompool en de beschermende aardingsgeleider. Bij een tweepoolconfiguratie betekent dit één apparaat tussen de positieve rail en aarde, en één apparaat tussen de negatieve rail en aarde. Sommige installaties gebruiken een drie-pool- of gecombineerd apparaat dat beide polen tegelijkertijd afhandelt. De keuze hangt af van de aardingsconfiguratie van het systeem en het specifieke ontwerp van het overspanningsbeveiligingsapparaat.

Plaatsing bij de gelijkstroomingang van de omvormer

Zelfs wanneer een overspanningsbeveiligingsapparaat is geïnstalleerd in de combibox, wordt sterk aanbevolen om een tweede apparaat te plaatsen op de gelijkstroom-ingangsterminals van de omvormer voor systemen met lange kabelafstanden tussen de combibox en de omvormer. De kabelinductantie beperkt de mate waarin een op afstand geplaatst overspanningsbeveiligingsapparaat een snel opkomende transiënte op de omvormerterminals effectief kan afschermen. De restspanning die na activering van het apparaat in de combibox op de ingang van de omvormer verschijnt, kan nog steeds hoog genoeg zijn om de ingangscondensatoren en IGBT-modules van de omvormer te belasten.

Het overspanningsbeveiligingsapparaat op de gelijkstroom-ingang van de omvormer fungeert als een tweede verdedigingslinie en vangt eventuele resterende transiënte energie op die niet volledig is geabsorbeerd door het stroomopwaartse apparaat. Deze trapsgewijze aanpak, soms aangeduid als een coördinatieschema van type 1 plus type 2, is standaardpraktijk bij goed ontworpen fotovoltaïsche installaties. Het apparaat op de ingang van de omvormer is doorgaans een overspanningsbeveiligingsapparaat van type 2 met een lagere afvoerstroomwaarde, aangezien het stroomopwaartse apparaat al het grootste deel van de overspanningsenergie heeft geabsorbeerd.

Het correct aansluiten van het overspanningsbeveiligingsapparaat aan de gelijkstroomzijde is van cruciaal belang. De aansluitdraden tussen het apparaat en de gelijkstroombus moeten zo kort mogelijk zijn, ideaal onder de 50 cm, om de inductieve spanningdaling te minimaliseren die wordt toegevoegd aan de clampingspanning die de omvormer ziet. Het gebruik van de kortst mogelijke aansluitdraadlengte en het vermijden van onnodige bochten in de aansluitkabels zijn praktische maatregelen die de effectiviteit van de installatie van het overspanningsbeveiligingsapparaat aanzienlijk verbeteren.

Integratie van overspanningsbeveiligingsapparaat aan AC-zijde

Plaatsing aan de AC-uitgang van de omvormer

Aan de AC-zijde is de primaire locatie voor een overspanningsbeveiligingsapparaat de AC-uitgang van de omvormer, meestal binnen of direct naast de AC-ontkoppeling of combinatorische panel. Deze positie beschermt de uitgangstrapper van de omvormer tegen transiënten die van het net komen en beschermt ook eventuele bewakings-, meet- of communicatieapparatuur die op dit punt met de AC-bus is verbonden.

Het overspanningsbeveiligingsapparaat dat voor de AC-zijde wordt geselecteerd, moet zijn gespecificeerd voor de AC-spanning van het systeem, wat meestal 230 V enkelfasig of 400 V driefasig is voor de meeste commerciële en industriële PV-installaties. Het apparaat moet ook compatibel zijn met de netfrequentie en moet een maximale continu bedrijfsspanning hebben die rekening houdt met normale netspanningsfluctuaties. Voor driefasige systemen is een driefasig of vierpolig overspanningsbeveiligingsapparaat vereist dat alle lijnleiders en de nulgeleider bestrijkt.

De stroomstootwaarde voor het AC-zijde overspanningsbeveiligingsapparaat moet worden geselecteerd op basis van de bliksembeveiligingszone en de afstand tot de hoofdvoedingingang. Een overspanningsbeveiligingsapparaat van type 2 met een stroomstootwaarde van 20 kA of 40 kA is geschikt voor de meeste PV-AC-uitgangstoepassingen. Indien de installatie zich bevindt in een zone met een hoog risico op blikseminslag of indien de AC-kabelafstand naar de hoofdschakelkast lang is, kan op het niveau van de hoofdschakelkast een apparaat van type 1 met een hogere stroomstootwaarde gerechtvaardigd zijn.

Plaatsing bij de hoofd-AC-schakelkast of het punt van gemeenschappelijke koppeling

Voor grotere PV-systemen die voeden naar een hoofdschakelkast of een punt van gemeenschappelijke koppeling met andere belastingen, biedt een extra overspanningsbeveiligingsapparaat op het niveau van de schakelkast systeembrede bescherming. Dit apparaat verwerkt overspanningen die vanaf de netzijde binnenkomen en voorkomt dat deze niet alleen de omvormer, maar ook andere gevoelige belastingen die zijn aangesloten op dezelfde schakelkast bereiken.

De coördinatie tussen het overspanningsbeveiligingsapparaat aan de AC-uitgang van de omvormer en het apparaat op het hoofdschakelbord volgt dezelfde trapvormige logica als aan de DC-zijde. Het apparaat op schakelbordniveau, meestal een type 1- of gecombineerd type 1- en type 2-apparaat, verwerkt de initiële hoogenergetische overspanning, terwijl het apparaat op omvormerniveau de resterende energie opvangt. Deze gelaagde aanpak zorgt ervoor dat geen enkel apparaat overbelast raakt en dat de bescherming effectief blijft over een breed scala aan overspanningsgroottes en -vormen.

Bij het selecteren van het overspanningsbeveiligingsapparaat voor de hoofdschakelkast is het belangrijk om te verifiëren of het spanningsbeveiligingsniveau van het apparaat gecoördineerd is met de stootspanningsvastheid van de omvormer en andere aangesloten apparatuur. Het beveiligingsniveau van het overspanningsbeveiligingsapparaat moet lager zijn dan de stootspanningsvastheid van de apparatuur om te garanderen dat het apparaat de transiënte onderdrukt voordat deze schade kan veroorzaken. Deze coördinatiecontrole is een verplichte stap in elk professioneel ontwerp voor overspanningsbeveiliging van PV-systemen.

Aarding, bedrading en installatiebest practices

De rol van een laag-impedantie-aardingsysteem

Een overspanningsbeveiligingsapparaat kan zijn functie alleen effectief uitvoeren als het een laag-impedantiepad naar aarde heeft waardoor het stroomstoten kan afleiden. Het aardingssysteem van de PV-installatie is daarom even belangrijk als het overspanningsbeveiligingsapparaat zelf. Een aansluiting met hoge weerstand of een slecht geaarde verbinding zorgt ervoor dat het overspanningsbeveiligingsapparaat tijdens bedrijf een hoge spanning over zijn aansluitingen ontwikkelt, waardoor de werking wordt verminderd en schadelijke spanningen mogelijk toch bij de te beschermen apparatuur terechtkomen.

Voor PV-installaties moet het aardingsysteem een speciale aardelektrode op de locatie van de zonnepanelenarray omvatten, die is verbonden met het structurele montage-systeem en met de aansluitklem voor aarding van het DC-zekeringssysteem tegen spanningspieken. Het AC-zekeringssysteem tegen spanningspieken moet worden verbonden met de hoofdaardingsgeleider van het gebouw of de installatie. Alle aansluitingen op aarde moeten worden uitgevoerd met geleiders van geschikte dwarsdoorsnede, meestal 6 mm² of groter voor de aardingsleidingen van het zekeringssysteem tegen spanningspieken, om de impulsstroom te kunnen verwerken zonder een te grote spanningsval.

Equipotentiaalverbinding tussen de DC-aarding, de AC-aarding en de structurele aarding van het PV-montagesysteem is essentieel om een stijging van het aardpotentiaal tijdens een spanningspiekgebeurtenis te voorkomen. Wanneer verschillende delen van het systeem tijdens een transiënte gebeurtenis verschillende aardpotentialen hebben, kan het spanningsverschil tussen deze delen apparatuur beschadigen, zelfs als elk individueel zekeringssysteem tegen spanningspieken correct functioneert. Een geïntegreerd, laagimpedant aardingsysteem elimineert dit risico.

Bewaking en onderhoud van geïnstalleerde apparaten

Een overspanningsbeveiligingsapparaat is een verbruiksonderdeel voor bescherming. Elke keer dat het een overspanningsgebeurtenis absorbeert, verbruikt het een deel van zijn beschermingscapaciteit. Na een zware blikseminslag of een reeks kleinere overspanningen kan het apparaat het einde van zijn levensduur bereiken en vervanging vereisen. De meeste moderne overspanningsbeveiligingsapparaten producten hebben een visuele statusindicator, meestal een venster dat van kleur verandert of een vlag die naar beneden valt, om aan te geven wanneer het apparaat is verslechterd en vervanging nodig heeft.

Het opnemen van statuscontroles van overspanningsbeveiligingsapparaten in het reguliere onderhoudsprogramma van het PV-systeem is een eenvoudige, maar vaak over het hoofd gezien maatregel. Een kwartaallijkse visuele inspectie van alle geïnstalleerde apparaten, gecombineerd met een inspectie na elk zwaar onweer in de omgeving, waarborgt dat de bescherming actief blijft. Sommige geavanceerde modellen overspanningsbeveiligingsapparaten zijn voorzien van externe bewakingscontacten die kunnen worden aangesloten op het SCADA- of bewakingssysteem van het systeem, waardoor automatische meldingen worden gegenereerd wanneer een apparaat moet worden vervangen.

Vervanging van een versleten overspanningsbeveiligingsapparaat dient onmiddellijk plaats te vinden. Het exploiteren van een PV-systeem met een defect overspanningsbeveiligingsapparaat aan de AC- of DC-zijde laat de omvormer en bijbehorende apparatuur volledig blootgesteld aan de volgende transiënte gebeurtenis. Gezien de relatief lage kosten van een overspanningsbeveiligingsapparaat vergeleken met de kosten van vervanging van een omvormer of systeemstilstand, is tijdig onderhoud een eenvoudige economische beslissing.

Het juiste overspanningsbeveiligingsapparaat selecteren voor PV-toepassingen

Belangrijke elektrische parameters om te beoordelen

Het selecteren van het juiste overspanningsbeveiligingsapparaat voor een PV-toepassing vereist het beoordelen van verschillende belangrijke elektrische parameters. De maximale continue bedrijfsspanning van het apparaat moet hoger zijn dan de hoogste spanning die onder normale bedrijfsomstandigheden over de aansluitklemmen verschijnt, inclusief eventuele toleranties van de netspanning. Voor DC-zijde-apparaten betekent dit dat rekening moet worden gehouden met de maximale open-klemspanning van de PV-installatie bij de laagst verwachte omgevingstemperatuur, aangezien de spanning van een PV-module stijgt naarmate de temperatuur daalt.

De nominale afvoerstroom en de maximale impulsstroombepalingen bepalen hoeveel overspanningsenergie het overspanningsbeveiligingsapparaat kan verwerken. Deze waarden moeten worden afgestemd op de classificatie van de bliksembeveiligingszone van de installatieplaats, die wordt bepaald door de lokale grondflitsdichtheid van bliksem en de fysieke kenmerken van de constructie. Een overspanningsbeveiligingsapparaat met een impulsstroomwaarde van 40 kA biedt een grotere veiligheidsmarge dan een apparaat van 20 kA en is geschikt voor blootgestelde locaties of installaties met een hoge waarde.

Het spanningsbeveiligingsniveau van het overspanningsbeveiligingsapparaat, uitgedrukt in kilovolt, geeft de maximale spanning aan die over de aansluitingen van het apparaat optreedt tijdens een gestandaardiseerde overspanningstest. Deze waarde moet lager zijn dan de stootspanningsvastheid van de te beschermen apparatuur. Voor PV-omvormers wordt de stootspanningsvastheid van de gelijkstroom-ingang doorgaans opgegeven in de productdatasheet, en het overspanningsbeveiligingsapparaat moet zodanig worden gekozen dat zijn beveiligingsniveau een voldoende marge onder deze waarde biedt.

Conformiteitsnormen en certificatievereisten

Voor PV-toepassingen moet het overspanningsbeveiligingsapparaat voldoen aan IEC 61643-11 voor apparaten aan de wisselstroomzijde en aan IEC 61643-31 voor apparaten aan de gelijkstroomzijde. Deze normen definiëren de testmethoden, prestatievereisten en markeringseisen voor overspanningsbeveiligingsapparaten die respectievelijk worden gebruikt in laagspanningsvoedingssystemen en PV-installaties. De naleving van deze normen garandeert dat het apparaat onafhankelijk is getest en geverifieerd op het specificatieconforme functioneren onder gestandaardiseerde overspanningsomstandigheden.

Naast naleving van de IEC-normen vereisen vele markten en projectspecificaties CE-markering en TÜV-certificering voor overspanningsbeveiligingsapparaten die worden gebruikt in PV-systemen. Deze certificaten bieden extra zekerheid over de kwaliteit van het product en de consistentie van de productie. Bij het specificeren van een overspanningsbeveiligingsapparaat voor een commercieel of nutsbedrijfsgericht PV-project is het verifiëren dat het product de juiste certificeringen voor de doelmarkt bezit, een belangrijke stap in het inkoopproces.

Sommige netbeheerders en verzekeraars hebben specifieke eisen voor de installatie van overspanningsbeveiligingsapparaten in netgekoppelde fotovoltaïsche (PV) systemen. Het tijdig onderzoeken van deze eisen tijdens het ontwerpproces garandeert dat het geselecteerde overspanningsbeveiligingsapparaat voldoet aan alle toepasselijke normen en dat de installatiemethode voldoet aan de lokale elektriciteitsvoorschriften. Niet-conforme installaties kunnen problemen ondervinden bij de goedkeuring van de aansluiting op het elektriciteitsnet of bij verzekeringsclaims na een schadegeval ten gevolge van een overspanning.

Veelgestelde vragen

Heb ik een overspanningsbeveiligingsapparaat nodig aan zowel de wisselstroom- (AC) als de gelijkstroomzijde (DC) van mijn PV-systeem?

Ja. Overspanningen kunnen een fotovoltaïsch (PV) systeem van beide kanten binnendringen — vanaf de arrayzijde tijdens blikseminslagen of vanaf de netzijde tijdens schakeltransiënten. Het installeren van een overspanningsbeveiligingsapparaat aan slechts één zijde laat de omvormer en de bijbehorende apparatuur blootstaan aan transiënten vanaf de onbeschermd gebleven zijde. Een volledige beschermingsstrategie vereist een overspanningsbeveiligingsapparaat op de gelijkstroomcombinatiebox of aan de gelijkstroomingang van de omvormer, én een tweede apparaat aan de wisselstroomuitgang van de omvormer of op het hoofdschakelbord.

Welke spanningswaarde moet ik kiezen voor een gelijkstroomzijde-overspanningsbeveiligingsapparaat?

Het overspanningsbeveiligingsapparaat moet een maximale continue bedrijfsspanning hebben die hoger is dan de maximale open-klemspanning van de PV-array onder de koudste verwachte temperatuurvoorwaarden. Voor systemen die zijn ontworpen voor bedrijf op 1000 V DC is een overspanningsbeveiligingsapparaat vereist met een nominale spanning van 1000 V DC of hoger. Voor 1500 V DC-systemen moet een apparaat met een nominale spanning van 1500 V DC worden gebruikt. Voeg bij het selecteren van de nominale spanning van het apparaat altijd een veiligheidsmarge toe boven de berekende maximale arrayspanning.

Hoe vaak moet ik een overspanningsbeveiligingsapparaat inspecteren of vervangen in een PV-installatie?

Een visuele inspectie van alle geïnstalleerde eenheden voor overspanningsbeveiliging moet minstens één keer per kwartaal en na elke significante blikseminslag in het gebied worden uitgevoerd. De meeste apparaten zijn voorzien van een statusindicator die van uiterlijk verandert wanneer het apparaat is verslechterd. Elk apparaat voor overspanningsbeveiliging dat een foutindicatie toont, dient onmiddellijk te worden vervangen. Zelfs zonder zichtbare verslechtering kan het in gebieden met veel blikseminslagen preventief nuttig zijn om apparaten om de vijf tot zeven jaar te vervangen.

Kan ik een standaard wisselstroomoverspanningsbeveiligingsapparaat gebruiken aan de gelijkstroomzijde van een PV-systeem?

Nee. Standaard AC overspanningsbeveiligingsapparaten zijn niet geschikt voor DC-toepassingen. DC-circuits hebben geen natuurlijke stroomnuldoorgang, wat betekent dat, zodra een overspanningsbeveiligingsapparaat begint te geleiden, het actief de naschakelstroom moet onderbreken om een aanhoudende boog te voorkomen. Voor DC bedoelde overspanningsbeveiligingsapparaten zijn specifiek ontworpen met boogdempingsmechanismen en componentwaarderingen die geschikt zijn voor de spanning- en stroomkenmerken van DC. Het gebruik van een AC-apparaat in een DC-circuit vormt een ernstig brand- en veiligheidsrisico.