Как обеспечить защиту от импульсных перенапряжений как на стороне переменного, так и на стороне постоянного тока в ФЭС?

Интеграция устройство защиты от перенапряжений интеграция в фотогальваническую систему — это не просто подключение компонента и переход к следующему этапу. Требуется продуманный, основанный на инженерных принципах подход, учитывающий уникальные электрические характеристики как переменного (AC), так и постоянного тока (DC) в составе установки. Импульсные перенапряжения, вызванные грозовыми разрядами, коммутационными бросками и возмущениями в сети, могут приводить к появлению разрушительных всплесков напряжения, распространяющихся по системе и повреждающих инверторы, распределительные коробки, оборудование для мониторинга и даже сами фотоэлектрические модули. При отсутствии правильного размещения устройств защиты от импульсных перенапряжений на обеих сторонах системы одно лишь импульсное событие может привести к дорогостоящему простою и необходимости замены оборудования.

В этой статье подробно описана полная логика интеграции устройств защиты от импульсных перенапряжений как на стороне постоянного тока (в цепи строк и массива), так и на стороне переменного тока (подключение к электросети) в фотогальванической системе. Независимо от того, проектируете ли вы коммерческую установку на крыше или крупномасштабный наземный проект для энергосистемы, понимание того, где размещать каждое устройство защиты от импульсных перенапряжений, как выбрать подходящие технические характеристики и как правильно выполнить монтаж и обслуживание этих компонентов, имеет решающее значение для обеспечения долгосрочной надёжности системы. Приведённые здесь рекомендации основаны на практическом инженерном опыте эксплуатации и соответствуют стандартам IEC 61643 и IEC 62305, регулирующим защиту от импульсных перенапряжений в фотогальванических системах.

Понимание рисков импульсных перенапряжений в фотогальванических системах

Почему фотогальванические системы особенно уязвимы

Фотоэлектрические системы постоянно подвергаются воздействию внешней среды, что делает их принципиально уязвимыми к молниям и атмосферным разрядам. Длинные кабельные трассы между фотоэлектрическими массивами и инверторами действуют как антенны, поглощая наведённую электромагнитную энергию от близких ударов молнии, даже если прямого попадания не происходит. Эта наведённая энергия распространяется в виде переходного перенапряжения как по постоянному току (по кабелям от модулей), так и по переменному току (по кабелям в сторону точки подключения к сети).

На стороне постоянного тока напряжение холостого хода одной фотоэлектрической строки уже может составлять несколько сотен вольт при стандартных условиях. При наложении переходного процесса на это базовое напряжение результирующий выброс легко превышает предел выдерживаемого напряжения входных каскадов инвертора, обходных диодов и коробка соединений компоненты. На стороне переменного тока переключения в сетевой части, операции конденсаторных батарей и аварии со стороны энергоснабжающей организации вызывают быстрорастущие переходные процессы, которые могут повредить выходной каскад инвертора, а также любое подключенное измерительное или коммуникационное оборудование.

Правильно выбранный и установленный устройство защиты от импульсных перенапряжений на каждой стороне перехватывает эти переходные процессы до того, как они достигнут чувствительной электроники. Устройство ограничивает напряжение до безопасного уровня и отводит импульсный ток на землю, защищая оборудование, расположенное ниже по цепи. Без этого уровня защиты даже умеренный переходный процесс может привести к деградации изоляции, ложным срабатываниям автоматических выключателей или немедленному выходу компонентов из строя.

Двусторонний характер воздействия импульсных перенапряжений на ФЭМ

Одна из наиболее распространенных ошибок при проектировании систем защиты от импульсных перенапряжений в фотогальванических установках заключается в том, что система рассматривается как имеющая лишь одну уязвимую точку. На самом деле перенапряжения могут проникать с обеих сторон. Молния, возникшая вблизи солнечной батареи, вводит энергию в постоянный ток (DC), тогда как нарушение в сети или коммутация мощных промышленных нагрузок поблизости вводит энергию со стороны переменного тока (AC). Оба этих пути должны быть защищены независимо друг от друга — для каждого из них требуется отдельное устройство защиты от импульсных перенапряжений, установленное в соответствующем месте.

Инвертор располагается между этими двумя сторонами и является самым дорогим отдельным компонентом в большинстве фотогальванических установок. Он также наиболее уязвим, поскольку его силовая электроника во время нормальной работы функционирует вблизи предельных напряжений. Устройство защиты от импульсных перенапряжений на входных клеммах инвертора постоянного тока (DC) и ещё одно устройство на выходных клеммах переменного тока (AC) создают защитную «оболочку» вокруг этого критически важного компонента. Двухсторонний подход не является опциональным для систем, расположенных в зонах с высоким риском грозовых разрядов, а также для любых установок, где стоимость простоев является значительной.

Интеграция устройства защиты от импульсных перенапряжений на стороне постоянного тока

Установка в коробке коммутации строк

Первое и самое важное место для установки устройства защиты от импульсных перенапряжений на стороне постоянного тока — это коробка коммутации строк коробка комбайнера , также называемая DC-комбинером или распределительной коробкой массива. Именно здесь объединяются несколько фотоэлектрических строк перед тем, как суммарный выходной сигнал постоянного тока поступает на инвертер. Установка устройства защиты от импульсных перенапряжений в этом месте позволяет перехватить переходные процессы в самой ранней возможной точке цепи постоянного тока, предотвращая их распространение дальше по системе.

Для данной позиции устройство защиты от импульсных перенапряжений должно быть рассчитано на максимальное постоянное напряжение холостого хода массива в условиях наихудшей температуры. Для систем, работающих при напряжении 1000 В постоянного тока, устройство должно иметь рейтинг напряжения защиты и максимальное непрерывное рабочее напряжение, превышающие это значение с запасом. Распространённые номиналы, применяемые в крупномасштабных и коммерческих фотоэлектрических установках, включают варианты на 1000 В постоянного тока и 1500 В постоянного тока, а также импульсные токовые рейтинги 20 кА или 40 кА в зависимости от классификации зоны молниезащиты объекта.

Устройство защиты от перенапряжений в распределительной коробке должно быть подключено между каждым полюсом постоянного тока и проводником защитного заземления. В двухполюсной конфигурации это означает наличие одного устройства между положительной шиной и землёй и одного — между отрицательной шиной и землёй. В некоторых установках используются трёхполюсные или комбинированные устройства, одновременно обрабатывающие оба полюса. Выбор зависит от конфигурации системы заземления и конструктивных особенностей конкретного устройства защиты от перенапряжений.

Размещение на входе инвертора постоянного тока

Даже при установке устройства защиты от импульсных перенапряжений в распределительной коробке настоятельно рекомендуется установить второе устройство на входных клеммах постоянного тока инвертора для систем с длинными кабельными линиями между распределительной коробкой и инвертором. Индуктивность кабеля ограничивает эффективность подавления быстрорастущего переходного процесса на клеммах инвертора удалённым устройством защиты от импульсных перенапряжений. Остаточное напряжение, возникающее на входе инвертора после срабатывания устройства в распределительной коробке, может оставаться достаточно высоким, чтобы вызвать перегрузку входных конденсаторов и модулей IGBT инвертора.

Устройство защиты от импульсных перенапряжений на постоянном токе на входе инвертора выполняет функцию второй линии обороны, поглощая остаточную импульсную энергию, которая не была полностью поглощена устройством, расположенным выше по потоку. Такой каскадный подход, иногда называемый схемой координации типа 1 плюс тип 2, является стандартной практикой в хорошо спроектированных фотоэлектрических установках. Устройство на входе инвертора обычно представляет собой устройство защиты от импульсных перенапряжений типа 2 с более низким номинальным током разряда, поскольку устройство, расположенное выше по потоку, уже поглотило основную часть энергии импульса.

Правильное подключение устройства защиты от импульсных перенапряжений на стороне постоянного тока имеет решающее значение. Соединительные провода между устройством и шиной постоянного тока должны быть как можно короче — желательно менее 50 см — для минимизации индуктивного падения напряжения, которое суммируется с напряжением ограничения, воспринимаемым инвертором. Использование максимально коротких проводов и исключение ненужных изгибов в соединительных проводах — это простые, но эффективные меры, значительно повышающие эффективность установки устройства защиты от импульсных перенапряжений.

Интеграция устройства защиты от перенапряжений на стороне переменного тока

Установка на выходе инвертора переменного тока

На стороне переменного тока основное место установки устройства защиты от перенапряжений — выход инвертора переменного тока, обычно внутри или непосредственно рядом с устройством отключения переменного тока или комбинированным щитом. Такое расположение защищает выходную ступень инвертора от импульсных перенапряжений, поступающих от электросети, а также обеспечивает защиту любого оборудования мониторинга, учёта или связи, подключённого к шине переменного тока в этой точке.

Устройство защиты от перенапряжений, выбранное для стороны переменного тока, должно быть рассчитано на рабочее напряжение переменного тока системы, которое обычно составляет 230 В однофазного или 400 В трёхфазного тока для большинства коммерческих и промышленных фотоэлектрических установок. Устройство также должно быть совместимо с частотой электросети и иметь максимальное непрерывное рабочее напряжение, учитывающее нормальные колебания сетевого напряжения. Для трёхфазных систем требуется устройство защиты от перенапряжений с тремя или четырьмя полюсами, охватывающее все линейные проводники и нейтральный проводник.

Импульсный токовый номинал устройства защиты от перенапряжений на стороне переменного тока следует выбирать с учётом зоны молниезащиты и расстояния от главного ввода питания. Устройство защиты от перенапряжений типа 2 с номиналом 20 кА или 40 кА подходит для большинства применений на выходе переменного тока фотоэлектрических систем. В случае установки в зоне повышенного риска поражения молнией или при большой длине кабеля переменного тока, проложенного до главного распределительного щита, на уровне главного распределительного щита может потребоваться устройство защиты типа 1 с более высоким номиналом импульсного тока.

Установка на главном распределительном щите переменного тока или в точке общего подключения

Для крупных фотоэлектрических систем, подключённых к главному распределительному щиту или к точке общего подключения совместно с другими нагрузками, дополнительное устройство защиты от перенапряжений на уровне распределительного щита обеспечивает защиту всей системы. Данное устройство подавляет перенапряжения, поступающие со стороны сети электроснабжения, и предотвращает их распространение не только на инвертер, но и на другие чувствительные нагрузки, подключённые к тому же распределительному щиту.

Согласование между устройством защиты от импульсных перенапряжений на переменном токе на выходе инвертора и устройством на главном распределительном щите осуществляется по той же каскадной логике, что и на стороне постоянного тока. Устройство на уровне распределительного щита, как правило, типа 1 или комбинированное устройство типа 1 и типа 2, принимает на себя первоначальный высоковольтный импульс, в то время как устройство на уровне инвертора поглощает остаточную энергию. Такой многоуровневый подход гарантирует, что ни одно из устройств не будет перегружено, а защита останется эффективной в широком диапазоне амплитуд и форм импульсных перенапряжений.

При выборе устройства защиты от перенапряжений для главного распределительного щита важно убедиться, что уровень напряжения защиты устройства согласован с импульсным выдерживаемым напряжением инвертора и другого подключённого оборудования. Уровень защиты устройства защиты от перенапряжений должен быть ниже выдерживаемого напряжения оборудования, чтобы устройство ограничивало переходные процессы до того, как они смогут нанести повреждение. Проверка такого согласования является обязательным этапом при любом профессиональном проектировании систем защиты от перенапряжений в фотогальванических установках.

Заземление, прокладка кабелей и передовые практики монтажа

Роль системы заземления с низким импедансом

Устройство защиты от перенапряжений может эффективно выполнять свою функцию только при наличии низкоимпедансного пути к земле, по которому оно способно отводить ток перенапряжения. Следовательно, система заземления фотоэлектрической установки столь же важна, как и само устройство защиты от перенапряжений. Заземление с высоким сопротивлением или плохо выполненное соединение с землёй приведёт к возникновению высокого напряжения на выводах устройства защиты от перенапряжений во время его работы, что снизит его эффективность и потенциально позволит опасным напряжениям достичь защищаемого оборудования.

Для фотоэлектрических (PV) установок система заземления должна включать отдельный заземляющий электрод, расположенный в месте размещения солнечных панелей, который соединён с несущей конструкцией крепления и с заземляющим выводом устройства защиты от импульсных перенапряжений на стороне постоянного тока (DC). Устройство защиты от импульсных перенапряжений на стороне переменного тока (AC) должно быть соединено с главным защитным проводником заземления здания или объекта. Все заземляющие соединения должны выполняться проводниками соответствующего сечения, как правило, не менее 6 мм² для заземляющих проводов устройств защиты от импульсных перенапряжений, чтобы выдерживать импульсный ток без чрезмерного падения напряжения.

Уравнивание потенциалов между заземлением постоянного тока (DC), заземлением переменного тока (AC) и заземлением несущей конструкции фотоэлектрической (PV) системы критически важно для предотвращения повышения потенциала земли во время импульсного перенапряжения. Если различные части системы имеют разные потенциалы земли во время переходного процесса, разность потенциалов между ними может привести к повреждению оборудования даже при исправной работе каждого отдельного устройства защиты от импульсных перенапряжений. Единая система заземления с низким импедансом устраняет такой риск.

Мониторинг и техническое обслуживание установленных устройств

Устройство защиты от импульсных перенапряжений — это расходуемый защитный компонент. Каждый раз, когда оно поглощает импульсное перенапряжение, часть его защитного ресурса расходуется. После сильного грозового разряда или серии меньших всплесков устройство может исчерпать свой срок службы и требовать замены. Большинство современных устройств защиты от импульсных перенапряжений продукция имеют визуальный индикатор состояния, обычно окно, меняющее цвет, или флажок, опускающийся вниз, чтобы сигнализировать о снижении защитных характеристик устройства и необходимости его замены.

Включение проверки состояния устройств защиты от импульсных перенапряжений в регулярный график технического обслуживания фотоэлектрической системы — это простая, но зачастую упускаемая из виду практика. Квартальный визуальный осмотр всех установленных устройств в сочетании с проверкой после любого значительного грозового события в районе обеспечивает сохранение активности защиты. Некоторые современные модели устройств защиты от импульсных перенапряжений оснащены контактами для удалённого мониторинга, которые могут быть подключены к SCADA-системе или платформе мониторинга системы, что позволяет автоматически отправлять оповещения при необходимости замены устройства.

Замену деградировавшего устройства защиты от импульсных перенапряжений следует выполнить незамедлительно. Эксплуатация фотоэлектрической системы с неисправным устройством защиты от импульсных перенапряжений на стороне переменного тока (AC) или постоянного тока (DC) полностью лишает инвертор и связанное оборудование защиты от следующего переходного процесса. Учитывая относительно низкую стоимость устройства защиты от импульсных перенапряжений по сравнению со стоимостью замены инвертора или простоем системы, своевременное техническое обслуживание представляет собой очевидное экономическое решение.

Выбор правильного устройства защиты от импульсных перенапряжений для фотоэлектрических систем

Ключевые электрические параметры для оценки

Выбор правильного устройства защиты от импульсных перенапряжений для фотоэлектрической системы требует оценки нескольких ключевых электрических параметров. Максимальное постоянное рабочее напряжение устройства должно превышать наибольшее напряжение, которое будет приложено к его выводам в нормальных условиях эксплуатации, включая допуски сетевого напряжения. Для устройств на стороне постоянного тока это означает учёт максимального напряжения холостого хода фотоэлектрического массива при самой низкой ожидаемой температуре окружающей среды, поскольку напряжение фотомодулей возрастает при снижении температуры.

Номинальный ток разряда и максимальное значение импульсного тока определяют, какую энергию перенапряжения может выдержать устройство защиты от импульсных перенапряжений. Эти параметры должны соответствовать классификации зоны молниезащиты объекта установки, которая определяется локальной плотностью ударов молний в землю и физическими характеристиками здания. Устройство защиты от импульсных перенапряжений с номинальным импульсным током 40 кА обеспечивает больший запас безопасности по сравнению с устройством на 20 кА и подходит для открытых мест установки или объектов высокой стоимости.

Уровень защиты от перенапряжения устройства защиты от импульсных перенапряжений, выраженный в киловольтах, указывает максимальное напряжение, которое возникает на выводах устройства во время стандартизованного испытания на импульсное перенапряжение. Это значение должно быть ниже импульсного выдерживаемого напряжения защищаемого оборудования. Для инвертеров фотоэлектрических модулей (PV) импульсное выдерживаемое напряжение постоянного тока на входе обычно указано в техническом описании изделия, а устройство защиты от импульсных перенапряжений должно быть выбрано таким образом, чтобы его уровень защиты обеспечивал достаточный запас по сравнению с этим значением.

Стандарты соответствия и требования к сертификации

Для применения в фотоэлектрических системах устройства защиты от импульсных перенапряжений должны соответствовать стандарту IEC 61643-11 для устройств на стороне переменного тока и стандарту IEC 61643-31 для устройств на стороне постоянного тока. Эти стандарты определяют методы испытаний, требования к эксплуатационным характеристикам и требования к маркировке устройств защиты от импульсных перенапряжений, применяемых соответственно в низковольтных силовых системах и в фотоэлектрических установках. Соответствие этим стандартам гарантирует, что устройство прошло независимые испытания и подтверждено как соответствующее заявленным характеристикам при стандартизированных условиях импульсного перенапряжения.

Помимо соответствия стандартам IEC, во многих рынках и в технических заданиях на проекты требуется наличие знака CE и сертификата TUV для устройств защиты от импульсных перенапряжений, используемых в фотоэлектрических системах. Эти сертификаты предоставляют дополнительные гарантии качества продукции и стабильности производственных процессов. При выборе устройства защиты от импульсных перенапряжений для коммерческого или крупномасштабного фотоэлектрического проекта проверка наличия у изделия соответствующих сертификатов для целевого рынка является важным этапом процесса закупок.

Некоторые операторы электросетей и страховые компании предъявляют специфические требования к установке устройств защиты от импульсных перенапряжений в фотоэлектрических системах, подключённых к сети. Ранний анализ этих требований на этапе проектирования обеспечивает соответствие выбранного устройства защиты от импульсных перенапряжений всем применимым стандартам, а также соответствие метода его установки местным правилам электромонтажа. Установки, не соответствующие требованиям, могут вызвать проблемы при получении разрешения на подключение к сети или при рассмотрении страховых претензий после потерь, вызванных импульсными перенапряжениями.

Часто задаваемые вопросы

Нужно ли устанавливать устройство защиты от импульсных перенапряжений как на переменном, так и на постоянном токе моей фотоэлектрической системы?

Да. Импульсные перенапряжения могут проникать в фотогальваническую систему с любой стороны — со стороны массива во время грозовых явлений или со стороны сети при коммутационных переходных процессах. Установка устройства защиты от импульсных перенапряжений только с одной стороны оставляет инвертор и связанное оборудование подверженными воздействию переходных процессов со стороны, не защищённой устройством. Полноценная стратегия защиты требует установки устройства защиты от импульсных перенапряжений на стороне постоянного тока — либо в месте объединения постоянного тока (DC combiner), либо на входе инвертора по постоянному току, а также ещё одного устройства защиты на выходе инвертора по переменному току или в главном распределительном щите.

Какой номинальный напряжения следует выбрать для устройства защиты от импульсных перенапряжений на стороне постоянного тока?

Устройство защиты от перенапряжений должно иметь максимальное постоянное рабочее напряжение, превышающее максимальное напряжение холостого хода фотогальванического массива при самых низких ожидаемых температурных условиях. Для систем, рассчитанных на работу при постоянном напряжении 1000 В, требуется устройство защиты от перенапряжений с номинальным напряжением 1000 В постоянного тока или выше. Для систем с напряжением 1500 В постоянного тока необходимо использовать устройство с номинальным напряжением 1500 В постоянного тока. При выборе номинала устройства всегда следует предусматривать запас по напряжению сверх расчётного максимального напряжения массива.

Как часто следует проводить осмотр или замену устройства защиты от перенапряжений в фотогальванической установке?

Визуальный осмотр всех установленных устройств защиты от импульсных перенапряжений должен проводиться не реже одного раза в квартал, а также после любой значительной грозовой активности в данном районе. Большинство устройств оснащены индикатором состояния, который меняет внешний вид при деградации устройства. Любое устройство защиты от импульсных перенапряжений, показывающее признаки неисправности, должно быть немедленно заменено. Даже при отсутствии видимой деградации устройства, установленные в районах с высокой грозовой активностью, рекомендуется заменять каждые пять–семь лет в профилактических целях.

Можно ли использовать стандартное устройство защиты от импульсных перенапряжений переменного тока на стороне постоянного тока фотогальванической системы?

Нет. Стандартные устройства защиты от импульсных перенапряжений переменного тока не подходят для применения в цепях постоянного тока. В цепях постоянного тока отсутствует естественное пересечение тока через ноль, что означает: как только устройство защиты от импульсных перенапряжений начинает проводить ток, ему необходимо активно прервать сопровождающий ток, чтобы избежать устойчивой дуги. Устройства защиты от импульсных перенапряжений, рассчитанные на постоянный ток, специально разработаны с механизмами гашения дуги и параметрами компонентов, соответствующими характеристикам напряжения и тока постоянного тока. Применение устройства, предназначенного для переменного тока, в цепи постоянного тока создаёт серьёзную пожароопасность и угрозу безопасности.