Cum se integrează protecția împotriva supratensiunilor pe ambele părți, AC și DC, ale unui sistem fotovoltaic?

Integrarea unei dispozitiv de protecție împotriva descărcărilor electrice integrarea într-un sistem fotovoltaic nu este doar o chestiune de conectare a unui component și trecere la următorul pas. Aceasta necesită o abordare intenționată, fundamentată pe inginerie, care ține cont de caracteristicile electrice specifice atât ale părții de curent alternativ (CA), cât și ale celei de curent continuu (CC) din instalație. Tranziențele induse de fulgere, supratensiunile provocate de comutare și perturbările rețelei pot introduce impulsuri de tensiune distructive care se propagă prin sistem, deteriorând invertorii, cutiile de combinare, echipamentele de monitorizare și chiar modulele fotovoltaice în sine. În lipsa unei amplasări corespunzătoare a dispozitivelor de protecție împotriva supratensiunilor pe ambele părți, un singur eveniment tranzitoriu poate duce la întreruperi costisitoare și la înlocuirea echipamentelor.

Acest articol explică în detaliu logica completă de integrare pentru implementarea dispozitivelor de protecție împotriva supratensiunilor, atât pe partea de șiruri DC și matrice, cât și pe partea de conectare la rețeaua CA a unui sistem fotovoltaic. Indiferent dacă proiectați o instalație comercială pe acoperiș sau un proiect de dimensiuni mari, montat pe sol, înțelegerea locurilor potrivite pentru plasarea fiecărui dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor, a modului de selecție a specificațiilor corespunzătoare și a modului corect de racordare și întreținere a acestor componente este esențială pentru fiabilitatea pe termen lung a sistemului. Recomandările prezentate aici se bazează pe inginerie practică din teren și sunt conforme cu standardele IEC 61643 și IEC 62305, care reglementează protecția împotriva supratensiunilor în medii fotovoltaice.

Înțelegerea riscurilor de supratensiune în sistemele fotovoltaice

De ce sunt sistemele fotovoltaice deosebit de vulnerabile

Sistemele fotovoltaice sunt expuse în mod continuu mediului exterior, ceea ce le face intrinsec susceptibile la fulger și descărcări atmosferice. Lungimea mare a cablurilor dintre panourile fotovoltaice și invertorii acționează ca antene, captând energia electromagnetică indusă de fulgerul din apropiere, chiar și atunci când nu are loc un impact direct. Această energie indusă se propagă sub formă de supratensiune tranzitorie atât pe cablurile de curent continuu (CC) provenite de la module, cât și pe cablurile de curent alternativ (CA) către punctul de conectare la rețea.

Pe partea CC, tensiunea în gol a unui șir fotovoltaic poate fi deja de câteva sute de volți în condiții standard. Când o supratensiune tranzitorie se suprapune peste această tensiune de bază, impulsul combinat poate ușor depăși capacitatea de rezistență a etapelor de intrare ale invertorului, a diodelor de derivație și a cutia de joncțiune componente. Pe partea de curent alternativ, evenimentele de comutare a rețelei, operațiunile bancurilor de condensatoare și defectele furnizorului introduc tranzienți cu creștere rapidă care pot deteriora etapa de ieșire a invertorului și orice echipament de măsurare sau comunicare conectat.

Un dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor, corect selectat și instalat pe fiecare parte, interceptează acești tranzienți înainte ca aceștia să ajungă la electronica sensibilă. Dispozitivul limitează tensiunea la un nivel sigur și deviază curentul de supratensiune către pământ, protejând astfel echipamentele din aval. Fără acest strat de protecție, chiar și un tranzient moderat poate degrada izolația, declanșa declanșări nedorite sau provoca o defecțiune imediată a componentelor.

Natura bilaterală a expunerii la supratensiuni în sistemele fotovoltaice

Una dintre cele mai frecvente greșeli în planificarea protecției împotriva supratensiunilor în sistemele fotovoltaice constă în tratarea sistemului ca având un singur punct vulnerabil. În realitate, supratensiunile pot pătrunde din ambele direcții. Un eveniment de fulger în apropierea panourilor injectează energie în partea CC, în timp ce o perturbare a rețelei sau comutarea unei sarcini industriale din apropiere injectează energie din partea CA. Ambele căi trebuie protejate independent, cu un dispozitiv dedicat de protecție împotriva supratensiunilor la fiecare locație.

Invertorul este situat între aceste două părți și reprezintă componenta individuală cea mai scumpă în majoritatea instalațiilor fotovoltaice. Este, de asemenea, cea mai vulnerabilă, deoarece electronica de putere funcționează în condiții normale la limitele superioare ale tensiunii. Un dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor la bornele de intrare CC ale invertorului și un altul la bornele de ieșire CA creează un „înveliș” protector în jurul acestei componente critice. Această abordare pe ambele părți nu este opțională pentru sistemele situate în zone cu risc ridicat de fulger sau pentru orice instalație în care costurile legate de întreruperea funcționării sunt semnificative.

Integrarea dispozitivului de protecție împotriva supratensiunilor pe partea CC

Amplasare în cutia de combinare a șirurilor

Prima și cea mai importantă locație pentru un dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor pe partea CC este în șirul cutie combinator , denumită și cutie de combinare CC sau cutie de joncțiune a panourilor fotovoltaice. Aici se adună mai multe șiruri PV înainte ca ieșirea CC combinată să ajungă la invertor. Amplasarea unui dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor în acest punct interceptează tranziențele la cel mai timpuriu punct posibil din circuitul CC, împiedicându-le să se propage mai departe în sistem.

Pentru această poziție, dispozitivul de protecție împotriva supratensiunilor trebuie să fie dimensionat pentru tensiunea maximă în gol în curent continuu (CC) a panoului fotovoltaic, în condițiile cele mai defavorabile de temperatură. Pentru sistemele care funcționează la 1000 V CC, dispozitivul trebuie să aibă o clasă de protecție la tensiune și o tensiune maximă de funcționare continuă care să depășească confortabil această valoare. Clasele uzuale utilizate în instalațiile fotovoltaice de mare putere și comerciale includ variantele de 1000 V CC și 1500 V CC, cu valori nominale ale curentului de impuls de 20 kA sau 40 kA, în funcție de clasa zonei de protecție împotriva fulgerelor a locației.

Dispozitivul de protecție împotriva supratensiunilor de la cutia de combinare trebuie conectat între fiecare pol DC și conductorul de protecție (pământ). Într-o configurație cu două poli, aceasta înseamnă un dispozitiv între racordul pozitiv și pământ și unul între racordul negativ și pământ. Unele instalații folosesc un dispozitiv cu trei poli sau unul combinat care gestionează simultan ambele poli. Alegerea depinde de configurația de legare la pământ a sistemului și de proiectarea specifică a produsului pentru protecția împotriva supratensiunilor.

Amplasare la intrarea CC a invertorului

Chiar și atunci când un dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor este instalat în cutia de combinare, se recomandă în mod puternic instalarea unui al doilea dispozitiv la bornele de intrare CC ale invertorului pentru sistemele cu lungimi mari de cablu între cutia de combinare și invertor. Inductanța cablului limitează eficacitatea cu care un dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor situat la distanță poate limita o tranzitorie cu creștere rapidă la bornele invertorului. Tensiunea reziduală care apare la intrarea invertorului după declanșarea dispozitivului din cutia de combinare poate fi încă suficient de mare pentru a suprasolicita condensatorii de intrare și modulele IGBT ale invertorului.

Dispozitivul de protecție împotriva supratensiunilor la intrarea în curent continuu (CC) a invertorului acționează ca o a doua linie de apărare, interceptând orice energie tranzitorie reziduală care nu a fost complet absorbită de dispozitivul situat în amonte. Această abordare în cascadă, uneori denumită schemă de coordonare de tip 1 plus tip 2, este o practică standard în instalațiile fotovoltaice bine proiectate. Dispozitivul de la intrarea invertorului este, de obicei, un dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor de tip 2, cu o valoare nominală mai mică a curentului de descărcare, deoarece dispozitivul situat în amonte a absorbit deja cea mai mare parte a energiei supratensiunii.

Conectarea corectă a dispozitivului de protecție împotriva supratensiunilor pe partea în curent continuu este esențială. Conductorii de legătură dintre dispozitiv și magistrala în curent continuu trebuie să fie cât mai scurți posibil, ideal sub 50 cm, pentru a minimiza căderea de tensiune inductivă care se adaugă la tensiunea de limitare percepută de invertor. Utilizarea unor lungimi cât mai mici ale conductorilor de legătură și evitarea îndoirilor inutile în cablurile de conectare sunt măsuri practice care îmbunătățesc semnificativ eficacitatea instalării dispozitivului de protecție împotriva supratensiunilor.

Integrarea dispozitivului de protecție împotriva supratensiunilor pe partea AC

Amplasare la ieșirea AC a invertorului

Pe partea AC, locul principal pentru un dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor este la ieșirea AC a invertorului, de obicei în interiorul sau imediat lângă panoul de deconectare AC sau panoul de combinare. Această poziție protejează etapa de ieșire a invertorului împotriva supratensiunilor provenite din rețea și protejează, de asemenea, orice echipament de monitorizare, măsurare sau comunicații conectat la magistrala AC în acest punct.

Dispozitivul de protecție împotriva supratensiunilor selectat pentru partea AC trebuie să fie clasificat pentru tensiunea AC a sistemului, care este, de obicei, 230 V monofazat sau 400 V trifazat pentru majoritatea instalațiilor fotovoltaice comerciale și industriale. Dispozitivul trebuie, de asemenea, să fie compatibil cu frecvența rețelei și trebuie să aibă o tensiune maximă de funcționare continuă care să țină cont de fluctuațiile normale ale tensiunii rețelei. Pentru sistemele trifazate, este necesar un dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor cu trei poli sau patru poli, care să acopere toate conductoarele de fază și conductorul neutru.

Valoarea nominală a curentului de impuls pentru dispozitivul de protecție împotriva supratensiunilor de pe partea CA trebuie aleasă în funcție de zona de protecție împotriva fulgerelor și de distanța față de intrarea principală în instalație. Un dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor de Tip 2, cu o valoare nominală de 20 kA sau 40 kA, este potrivit pentru majoritatea aplicațiilor de ieșire CA ale sistemelor fotovoltaice. În cazul în care instalarea se află într-o zonă cu risc ridicat de fulger sau dacă lungimea cablului CA până la tabloul principal de comutare este mare, poate fi justificată utilizarea unui dispozitiv de Tip 1, cu o valoare nominală mai mare a curentului de impuls, la nivelul tabloului principal de comutare.

Amplasare la tabloul principal de comutare CA sau la punctul de cuplare comună

Pentru sistemele fotovoltaice mai mari, care alimentează un tablou principal de comutare sau un punct de cuplare comună împreună cu alte sarcini, un dispozitiv suplimentar de protecție împotriva supratensiunilor la nivelul tabloului de comutare asigură o protecție la nivelul întregului sistem. Acest dispozitiv preia supratensiunile care pătrund din partea rețelei de distribuție și le împiedică să ajungă nu doar la invertor, ci și la alte sarcini sensibile conectate la același tablou de comutare.

Coordonarea dintre dispozitivul de protecție împotriva supratensiunilor de la ieșirea în curent alternativ (CA) a invertorului și cel de la tabloul principal de comutare urmează aceeași logică în cascadă ca și pe partea de curent continuu (CC). Dispozitivul de la nivelul tabloului de comutare, de obicei un dispozitiv de Tip 1 sau un dispozitiv combinat de Tip 1 și Tip 2, preia prima supratensiune de înaltă energie, în timp ce dispozitivul de la nivelul invertorului captează energia reziduală. Această abordare stratificată asigură faptul că niciun dispozitiv nu este suprasolicitat și că protecția rămâne eficientă pe o gamă largă de mărimi și forme de undă ale supratensiunilor.

La selectarea dispozitivului de protecție împotriva supratensiunilor pentru tabloul principal de comandă, este important să verificați dacă nivelul de protecție la tensiune al dispozitivului este coordonat cu tensiunea de rezistență la impuls a invertorului și a celorlalte echipamente conectate. Nivelul de protecție al dispozitivului de protecție împotriva supratensiunilor trebuie să fie mai mic decât tensiunea de rezistență a echipamentelor, pentru a asigura faptul că dispozitivul limitează tranzientul înainte ca acesta să poată provoca deteriorări. Această verificare de coordonare reprezintă o etapă obligatorie în orice proiect profesional de protecție împotriva supratensiunilor în sisteme fotovoltaice.

Practici recomandate privind legarea la pământ, cablarea și montajul

Rolul unui sistem de legare la pământ cu impedanță scăzută

Un dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor poate îndeplini eficient funcția sa doar dacă dispune de o cale de legare la pământ cu impedanță scăzută, prin care să poată deriva curentul de supratensiune. Sistemul de legare la pământ al instalației fotovoltaice este, așadar, la fel de important ca și dispozitivul de protecție împotriva supratensiunilor în sine. O legătură la pământ cu rezistență ridicată sau slab realizată va determina apariția unei tensiuni ridicate între bornele dispozitivului de protecție împotriva supratensiunilor în timpul funcționării acestuia, reducându-i eficacitatea și putând permite, în mod potențial, ajungerea unor tensiuni periculoase la echipamentele protejate.

Pentru instalațiile fotovoltaice, sistemul de legare la pământ trebuie să includă un electrod de pământ dedicat în locația panourilor, conectat la sistemul structural de montare și la borna de legare la pământ a dispozitivului de protecție împotriva supratensiunilor de pe partea CC. Dispozitivul de protecție împotriva supratensiunilor de pe partea CA trebuie să fie conectat la conductorul principal de protecție la pământ al clădirii sau instalației. Toate conexiunile la pământ trebuie să utilizeze conductori de dimensiune adecvată, de obicei de 6 mm² sau mai mari pentru conductoarele de legare la pământ ale dispozitivelor de protecție împotriva supratensiunilor, pentru a suporta curentul de impuls fără cădere excesivă de tensiune.

Legarea la echipotențial între pământul de pe partea CC, pământul de pe partea CA și pământul structural al sistemului de montare PV este esențială pentru prevenirea creșterii potențialului de pământ în timpul unui eveniment de supratensiune. Când diferite părți ale sistemului se află la potențiale de pământ diferite în timpul unei tranzitorii, diferența de tensiune dintre ele poate deteriora echipamentele, chiar dacă fiecare dispozitiv individual de protecție împotriva supratensiunilor funcționează corect. Un sistem de legare la pământ unificat și cu impedanță scăzută elimină acest risc.

Monitorizarea și întreținerea dispozitivelor instalate

Un dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor este un component protectiv consumabil. De fiecare dată când absoarbe un eveniment de supratensiune, acesta consumă o parte din capacitatea sa de protecție. După un eveniment major de fulger sau o serie de supratensiuni mai mici, dispozitivul poate ajunge la sfârșitul duratei sale de funcționare și necesită înlocuire. Majoritatea dispozitivelor moderne de protecție împotriva supratensiunilor pRODUSE includ un indicator vizual de stare, de obicei o fereastră care își schimbă culoarea sau o banderolă care cade, pentru a semnala momentul în care dispozitivul s-a degradat și necesită înlocuire.

Includerea verificărilor stării dispozitivelor de protecție împotriva supratensiunilor în programul regulat de întreținere al sistemului fotovoltaic este o practică simplă, dar adesea neglijată. O inspecție vizuală trimestrială a tuturor dispozitivelor instalate, combinată cu o verificare ulterioară după furtună, efectuată după orice activitate semnificativă de fulger din zonă, asigură menținerea eficacității protecției. Unele modele avansate de dispozitive de protecție împotriva supratensiunilor includ contacte de monitorizare la distanță care pot fi conectate la platforma SCADA sau de monitorizare a sistemului, permițând alerte automate atunci când un dispozitiv necesită înlocuire.

Înlocuirea unui dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor degradat trebuie efectuată imediat. Funcționarea unui sistem fotovoltaic cu un astfel de dispozitiv defect, fie pe partea AC, fie pe partea DC, expune complet invertorul și echipamentele asociate următorului eveniment tranzitoriu. Având în vedere costul relativ scăzut al unui dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor comparativ cu costul înlocuirii invertorului sau cu pierderea de timp de funcționare a sistemului, întreținerea la timp reprezintă o decizie economică simplă.

Selectarea dispozitivului corect de protecție împotriva supratensiunilor pentru aplicațiile fotovoltaice

Parametrii electrici cheie de evaluat

Selectarea dispozitivului corect de protecție împotriva supratensiunilor pentru o aplicație fotovoltaică necesită evaluarea mai multor parametri electrici cheie. Tensiunea maximă continuă de funcționare a dispozitivului trebuie să depășească tensiunea cea mai mare care va apărea la bornele acestuia în condiții normale de funcționare, inclusiv orice toleranță a tensiunii rețelei. Pentru dispozitivele de pe partea curentului continuu (DC), aceasta înseamnă luarea în considerare a tensiunii maxime în gol a panoului fotovoltaic la cea mai scăzută temperatură ambientală prevăzută, deoarece tensiunea modulelor fotovoltaice crește odată cu scăderea temperaturii.

Curentul nominal de descărcare și valoarea maximă a curentului de impuls determină cantitatea de energie supratensionată pe care dispozitivul de protecție împotriva supratensiunilor o poate suporta. Aceste valori trebuie să corespundă clasificării zonei de protecție împotriva fulgerelor pentru locul de instalare, care este stabilită în funcție de densitatea locală a fulgerelor care lovesc solul și de caracteristicile fizice ale structurii. Un dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor cu o valoare a curentului de impuls de 40 kA oferă o marjă de siguranță mai mare decât un dispozitiv de 20 kA și este potrivit pentru locuri expuse sau pentru instalații de mare valoare.

Nivelul de protecție la tensiune al dispozitivului de protecție împotriva supratensiunilor, exprimat în kilovolți, indică tensiunea maximă care apare între bornele dispozitivului în timpul unui test standardizat de supratensiune. Această valoare trebuie să fie mai mică decât tensiunea de rezistență la impuls a echipamentului protejat. Pentru invertorii fotovoltaici, tensiunea de rezistență la impuls la intrarea în curent continuu este de obicei specificată în fișa tehnică a produsului, iar dispozitivul de protecție împotriva supratensiunilor trebuie ales astfel încât nivelul său de protecție să ofere un interval adecvat sub această valoare.

Standarde de conformitate și cerințe de certificare

Pentru aplicațiile PV, dispozitivul de protecție împotriva supratensiunilor trebuie să respecte standardul IEC 61643-11 pentru dispozitivele de pe partea CA și IEC 61643-31 pentru dispozitivele de pe partea CC. Aceste standarde definesc metodele de încercare, cerințele de performanță și cerințele privind marcarea dispozitivelor de protecție împotriva supratensiunilor utilizate în sistemele de alimentare cu tensiune joasă, respectiv în instalațiile fotovoltaice. Conformitatea cu aceste standarde asigură faptul că dispozitivul a fost testat și verificat independent pentru a funcționa conform specificațiilor în condiții standardizate de supratensiune.

În plus față de conformitatea cu standardele IEC, multe piețe și specificații de proiect cer marcarea CE și certificarea TÜV pentru produsele de protecție împotriva supratensiunilor utilizate în sistemele fotovoltaice. Aceste certificări oferă o garanție suplimentară privind calitatea produsului și consistența procesului de fabricație. La specificarea unui dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor pentru un proiect fotovoltaic comercial sau de mare scală, verificarea faptului că produsul deține certificatele corespunzătoare pentru piața țintă reprezintă un pas important în procesul de achiziție.

Unii operatori de rețea și furnizori de asigurări au cerințe specifice privind instalarea dispozitivelor de protecție împotriva supratensiunilor în sistemele fotovoltaice conectate la rețea. Analizarea acestor cerințe în stadiul inițial al proiectării asigură faptul că dispozitivul de protecție împotriva supratensiunilor selectat respectă toate standardele aplicabile și că metoda de instalare este conformă cu normele electrice locale. Instalările neconforme pot întâmpina probleme în timpul aprobării conectării la rețea sau în cadrul cererilor de despăgubire de asigurare după un eveniment de pierdere cauzat de o supratensiune.

Întrebări frecvente

Am nevoie de un dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor pe ambele părți, AC și DC, ale sistemului meu fotovoltaic?

Da. Supratensiunile pot pătrunde într-un sistem fotovoltaic din ambele direcții — din partea panourilor solare în timpul descărcărilor electrice sau din partea rețelei electrice în timpul tranziențelor cauzate de comutare. Instalarea unui dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor doar pe una dintre cele două părți lasă invertorul și echipamentele aferente expuse la tranziențe provenite din partea ne-protejată. O strategie completă de protecție necesită un dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor la nivelul combinatorului CC sau la intrarea CC a invertorului, precum și un alt dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor la nivelul ieșirii CA a invertorului sau al tabloului principal de comutație.

Ce clasă de tensiune trebuie să aleg pentru un dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor pe partea CC?

Dispozitivul de protecție împotriva supratensiunilor trebuie să aibă o tensiune maximă continuă de funcționare care să depășească tensiunea maximă în gol a panourilor fotovoltaice în condițiile cele mai reci de temperatură prevăzute. Pentru sistemele proiectate să funcționeze la 1000 V CC, este necesar un dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor clasificat pentru 1000 V CC sau mai mare. Pentru sistemele de 1500 V CC, trebuie utilizat un dispozitiv clasificat la 1500 V CC. În permanență adăugați o marjă de siguranță peste tensiunea maximă calculată a panourilor atunci când alegeți clasificarea dispozitivului.

Cât de des trebuie să inspectez sau să înlocuiesc un dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor într-o instalație fotovoltaică?

O inspecție vizuală a tuturor unităților de protecție împotriva supratensiunilor instalate trebuie efectuată cel puțin trimestrial și după orice activitate semnificativă de fulgerare din zonă. Majoritatea dispozitivelor includ un indicator de stare care își schimbă aspectul atunci când dispozitivul a fost degradat. Orice dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor care indică o defecțiune trebuie înlocuit imediat. Chiar și în absența unei degradări vizibile, dispozitivele din zonele cu activitate intensă de fulgerare pot beneficia de înlocuirea lor la fiecare cinci până la șapte ani ca măsură preventivă.

Pot folosi un dispozitiv standard de protecție împotriva supratensiunilor în curent alternativ (CA) pe partea în curent continuu (CC) a unui sistem fotovoltaic?

Nu. Produsele standard de protecție împotriva supratensiunilor în curent alternativ nu sunt potrivite pentru aplicații în curent continuu. Circuitele în curent continuu nu au o trecere naturală prin zero a curentului, ceea ce înseamnă că, odată ce un dispozitiv de protecție împotriva supratensiunilor începe să conducă, trebuie să interrupă activ curentul de urmărire pentru a evita formarea unui arc electric persistent. Produsele de protecție împotriva supratensiunilor concepute pentru curent continuu sunt specifice proiectate cu mecanisme de stinguere a arcului electric și cu componente dimensionate corespunzător caracteristicilor de tensiune și curent în curent continuu. Utilizarea unui dispozitiv conceput pentru curent alternativ într-un circuit în curent continuu creează un risc grav de incendiu și de siguranță.