Ako integrovať ochranu proti prepätiam na striedavom aj jednosmernom strane fotovoltického systému?

Integrácia zariadenie na ochranu pred preťažením zapojenie do fotovoltického systému nie je len otázkou pripojenia komponentu a pokračovania ďalej. Vyžaduje úmyselný, inžiniersky založený prístup, ktorý berie do úvahy jedinečné elektrické charakteristiky ako striedavého (AC), tak aj jednosmerného (DC) prúdu v inštalácii. Prevedené bleskové prepätia, prepätia spôsobené prepínaním a poruchy siete môžu všetky spôsobiť ničivé napäťové špičky, ktoré sa šíria cez systém a poškodzujú meniče, kombinačné skrinky, monitorovacie zariadenia a dokonca aj samotné fotovoltické moduly. Bez správneho umiestnenia ochranných zariadení proti prepätiam na oboch stranách môže jediná prepäťová udalosť viesť k nákladnému výpadku prevádzky a nutnosti výmeny zariadení.

Tento článok prechádza úplnou logikou integrácie pre nasadenie zariadení na ochranu pred prepätím na strane DC reťazca a poľa, ako aj na strane striedavého prúdu (AC) pre pripojenie do siete fotovoltického (FV) systému. Bez ohľadu na to, či navrhujete komerčnú strešnú inštaláciu alebo projekt veľkých FV elektrární na zemi, je dôležité pochopiť, kde umiestniť jednotlivé zariadenia na ochranu pred prepätím, ako vybrať správne technické špecifikácie a ako tieto komponenty správne zapojiť a udržiavať – všetko to je nevyhnutné pre dlhodobú spoľahlivosť systému. Táto príručka je založená na praktickom inžinierskom skúsenosti z terénu a je v súlade so štandardmi IEC 61643 a IEC 62305, ktoré upravujú ochranu pred prepätím v prostredí fotovoltických systémov.

Pochopenie rizík spojených s prepätím v FV systémoch

Prečo sú FV systémy obzvlášť zraniteľné

Fotovoltické systémy sú neustále vystavené vonkajšiemu prostrediu, čo ich zásadne robí zraniteľnými voči bleskom a atmosférickým výbojom. Dlhé káblové trasy medzi fotovoltickými panelmi a striedačmi pôsobia ako antény, ktoré zachytávajú indukovanú elektromagnetickú energiu z blízkych bleskov, aj keď nedochádza k priamemu zásahu. Táto indukovaná energia sa šíri ako prechodné prepätie po jednosmernom (DC) kábli od modulov aj po striedavom (AC) kábli smerom k miestu pripojenia do siete.

Na strane jednosmerného prúdu (DC) môže napätie voľného chodu reťazca fotovoltických panelov už za štandardných podmienok dosahovať niekoľko stoviek volťov. Keď sa na toto základné napätie nahrnie prechodné prepätie, výsledný špičkový impulz môže ľahko prekročiť odolnosť vstupných stupňov striedača, obvodových diód a spojovacia skriňa komponenty. Na striedavom (AC) strane spôsobujú prepätia s rýchlym nárastom udalosti prepínania siete, prevádzka kondenzátorových batérií a poruchy dodávateľa, ktoré môžu poškodiť výstupnú časť meniča a akékoľvek pripojené meracie alebo komunikačné zariadenia.

Správne vybrané a nainštalované zariadenie na ochranu pred prepätiami na každej strane tieto prepätia zachytí, kým nedosiahnu citlivú elektroniku. Zariadenie obmedzí napätie na bezpečnú úroveň a odvedie prúd prepätia do uzemnenia, čím chráni zariadenia v nasledujúcej časti obvodu. Bez tohto ochranného mechanizmu dokonca aj mierne prepätie môže spôsobiť degradáciu izolácie, nežiaduce vypnutie alebo okamžité zlyhanie komponentov.

Dvojstranná povaha prepäťového zaťaženia fotovoltaických systémov

Jednou z najčastejších chýb pri plánovaní ochrany fotovoltaických systémov pred prepätím je považovanie systému za majúci len jeden zraniteľný bod. V skutočnosti môžu prepätia vniknúť z oboch smerov. Búrková udalosť v blízkosti panelového poľa vstrekne energiu do DC strany, zatiaľ čo porucha v elektrickej sieti alebo prepínanie zaťaženia v blízkosti priemyselného zariadenia vstrekne energiu zo strany striedavého prúdu (AC). Obe tieto cesty musia byť nezávisle chránené pomocou samostatného zariadenia na ochranu pred prepätím umiestneného v každom príslušnom mieste.

Invertor sa nachádza medzi týmito dvoma stranami a je najdrahšou jednotlivou súčasťou v väčšine fotovoltaických inštalácií. Je tiež najzraniteľnejší, pretože jeho výkonová elektronika počas normálneho prevádzkovania pracuje v blízkosti svojich napäťových limít. Zariadenie na ochranu pred prepätím na DC vstupných svorkách invertora a ďalšie zariadenie na ochranu pred prepätím na AC výstupných svorkách vytvárajú ochranný obal okolo tejto kritickej súčasti. Tento dvojstranný prístup nie je voliteľný pre systémy v oblastiach s vysokým rizikom bleskov alebo pre akúkoľvek inštaláciu, pri ktorej sú náklady na výpadok významné.

Integrácia zariadenia na ochranu pred prepätím na strane jednosmerného prúdu

Umiestnenie v kombinačnej krabici reťazca

Prvé a najdôležitejšie miesto pre zariadenie na ochranu pred prepätím na strane jednosmerného prúdu je v reťazci kombinátor Box , tiež nazývaná DC kombinačná krabica alebo spojovacia krabica poľa. Tu sa spájajú viaceré fotovoltaické reťazce predtým, než sa kombinovaný výstup jednosmerného prúdu smeruje do meniča. Umiestnenie zariadenia na ochranu pred prepätím práve tu zachytí prepätia v najskoršom možnom bode v obvode jednosmerného prúdu a zabráni ich ďalšiemu šíreniu do systému.

Pre túto pozíciu musí mať zariadenie na ochranu pred prepäťmi hodnotenie pre maximálne striedavé napätie v režime otvorenej slučky poľa pri najhorších podmienkach teploty. Pre systémy prevádzkované pri 1000 V DC musí mať zariadenie hodnotenie ochrany pred napätím a maximálne trvalé prevádzkové napätie, ktoré výrazne presahujú túto hodnotu. Bežné hodnotenia používané v elektrárňach na úrovni verejných rozvodných sietí a komerčných fotovoltaických inštaláciách zahŕňajú varianty 1000 V DC a 1500 V DC s impulzným prúdovým hodnotením 20 kA alebo 40 kA v závislosti od klasifikácie zóny ochrany pred bleskom na danom mieste.

Zariadenie na ochranu pred prepätím v kombinačnej skrini by sa malo pripojiť medzi každú DC pólu a ochranný vodič (PE). V dvojpólovej konfigurácii to znamená jedno zariadenie medzi kladnou lištou a uzemnením a jedno medzi zápornou lištou a uzemnením. Niektoré inštalácie používajú trojpólové alebo kombinované zariadenie, ktoré zároveň spracováva obe póly. Voľba závisí od konfigurácie uzemnenia systému a od špecifického návrhu výrobku zariadenia na ochranu pred prepätím.

Umiestnenie na DC vstupe striedavého meniča

Aj keď je v kombinačnej skrini nainštalované zariadenie na ochranu pred prepätím, pre systémy s dlhými kábelovými trasami medzi kombinačnou skrinou a striedačom sa odporúča silne inštalovať druhé zariadenie na DC vstupných svorkách striedača. Indukčnosť kábla obmedzuje účinnosť vzdialeného zariadenia na ochranu pred prepätím pri potlačení rýchlo stúpajúcej prechodovej záťaže na vstupných svorkách striedača. Zvyškové napätie, ktoré sa objaví na vstupoch striedača po aktivácii zariadenia v kombinačnej skrinke, môže stále byť dostatočne vysoké na to, aby namáhalo vstupné kondenzátory a IGBT moduly striedača.

Zariadenie na ochranu pred prepäťím na DC vstupe invertora slúži ako druhá obranná línia a zachytáva akúkoľvek zvyšnú prechodnú energiu, ktorú predchádzajúce zariadenie úplne neabsorbovalo. Tento postupný prístup, niekedy označovaný ako koordinačné schéma typu 1 plus typu 2, je štandardnou praxou v dobre navrhnutých fotovoltických inštaláciách. Zariadenie na vstupe invertora je zvyčajne zariadenie na ochranu pred prepäťím typu 2 s nižším menovitým vybavovacím prúdom, keďže predchádzajúce zariadenie už absorbovalo väčšinu energie prepätia.

Správne pripojenie zariadenia na ochranu pred prepäťím na DC strane je kritické. Pripojovacie vodiče medzi zariadením a DC zbernicou by mali byť čo najkratšie, ideálne kratšie ako 50 cm, aby sa minimalizoval pokles napätia spôsobený indukciou, ktorý sa pripočíta k napätiu obmedzenia, ktoré vidí inverter. Použitie čo najkratších možných pripojovacích vodičov a vyhýbanie sa nepotrebným ohybom v pripojovacom vedení sú praktické opatrenia, ktoré významne zvyšujú účinnosť inštalácie zariadenia na ochranu pred prepäťím.

Integrácia zariadenia na ochranu pred prepätím na striedavom prúde

Umiestnenie na výstupe striedavého prúdu invertora

Na strane striedavého prúdu je primárnym miestom pre zariadenie na ochranu pred prepätím výstup striedavého prúdu invertora, zvyčajne vo vnútri alebo priamo vedľa vypínacej skrinky alebo spojovacej dosky pre striedavý prúd. Toto umiestnenie chráni výstupnú časť invertora pred prechodnými prepäťmi prichádzajúcimi zo siete a zároveň chráni akékoľvek monitorovacie, meracie alebo komunikačné zariadenia pripojené k zbernickej sieti striedavého prúdu v tomto bode.

Zariadenie na ochranu pred prepätím vybrané pre stranu striedavého prúdu musí byť dimenzované pre striedavé napätie systému, ktoré je zvyčajne 230 V jednofázové alebo 400 V trojfázové pre väčšinu komerčných a priemyselných fotovoltaických inštalácií. Zariadenie musí byť tiež kompatibilné s frekvenciou siete a musí mať maximálne trvalé prevádzkové napätie, ktoré zohľadňuje bežné kolísania napätia v sieti. Pre trojfázové systémy je vyžadované trojpólové alebo štvorpólové zariadenie na ochranu pred prepätím, ktoré pokrýva všetky fázové vodiče a neutrálny vodič.

Impulzné prúdové zaťaženie pre zariadenie na ochranu pred prepätím na striedavom strane sa má vyberať na základe zóny ochrany pred bleskom a vzdialenosti od hlavného vstupného miesta elektrickej energie. Pre väčšinu aplikácií striedavého výstupu fotovoltických systémov je vhodné zariadenie na ochranu pred prepätím typu 2 s impulzným prúdovým zaťažením 20 kA alebo 40 kA. Ak je inštalácia umiestnená v oblasti s vysokým rizikom blesku alebo ak je dĺžka striedavého kábla vedúceho k hlavnej rozvodnej doske veľká, môže byť na úrovni hlavnej rozvodnej dosky odôvodnené použitie zariadenia typu 1 s vyšším impulzným prúdovým zaťažením.

Umiestnenie na hlavnej rozvodnej doske striedavého prúdu alebo v bode spoločného pripojenia

Pre väčšie fotovoltické systémy, ktoré napájajú hlavnú rozvodnú dosku alebo bod spoločného pripojenia spoločne s inými záťažami, poskytuje dodatočné zariadenie na ochranu pred prepätím na úrovni rozvodnej dosky celosystémovú ochranu. Toto zariadenie zvláda prepätia vstupujúce zo strany dodávateľa elektrickej energie a zabráňuje ich preniknutiu nielen do meniča, ale aj do iných citlivých záťaží pripojených k tej istej rozvodnej doske.

Koordinačný vzťah medzi zariadením na ochranu pred prepätím na striedavom výstupe invertora a zariadením na hlavnom rozvádzači sleduje rovnakú kaskádovú logiku ako na strane jednosmerného prúdu. Zariadenie na úrovni rozvádzača, zvyčajne typu 1 alebo kombinované zariadenie typu 1 a typu 2, zvláda počiatočné vysokoenergetické prepätie, zatiaľ čo zariadenie na úrovni invertora zachytáva zvyšnú energiu. Tento vrstvený prístup zabezpečuje, že žiadne jednotlivé zariadenie nie je preťažené a ochrana zostáva účinná v širokej škále veľkostí a tvarov vlny prepätia.

Pri výbere zariadenia na ochranu pred prepätím pre hlavný rozvádzač je dôležité overiť, či úroveň ochrany zariadenia pred prepätím je koordinovaná s impulzným výdržovým napätím meniča a iného pripojeného zariadenia. Úroveň ochrany zariadenia pred prepätím musí byť nižšia ako výdržové napätie zariadenia, aby sa zabezpečilo, že zariadenie obmedzí prechodné napätie skôr, než by mohlo spôsobiť poškodenie. Táto kontrola koordinácie je povinným krokom pri každom profesionálnom návrhu ochrany fotovoltaických systémov pred prepätím.

Základné postupy pri uzemňovaní, vedení a inštalácii

Úloha uzemňovacieho systému s nízkou impedanciou

Zariadenie na ochranu pred prepätím môže plniť svoju funkciu len vtedy, ak má nízkoprezistnú cestu do zeme, cez ktorú môže odvádzať prúd prepätia. Zemniaci systém fotovoltického (FV) zariadenia je preto rovnako dôležitý ako samotné zariadenie na ochranu pred prepätím. Zemniaca spojka s vysokým odporom alebo zle vykonané zemnenie spôsobia, že počas prevádzky sa na svorkách zariadenia na ochranu pred prepätím vytvorí vysoké napätie, čo zníži jeho účinnosť a potenciálne umožní poškodzujúcim napätiam dosiahnuť chránené zariadenia.

Pre fotovoltaické inštalácie by mala uzemňovacia sústava zahŕňať vyhradenú uzemňovaciu elektródu na mieste panelového poľa, ktorá je spojená s konštrukčným montážnym systémom a so svorkou uzemnenia ochranného zariadenia proti prepätiu na DC-strane. Ochranné zariadenie proti prepätiu na AC-strane by malo byť spojené s hlavným ochranným uzemňovacím vodičom budovy alebo zariadenia. Všetky uzemňovacie pripojenia by mali používať vodiče vhodného prierezu, zvyčajne 6 mm² alebo väčšie pre uzemňovacie vodiče ochranných zariadení proti prepätiu, aby odolali impulznému prúdu bez nadmerného úbytku napätia.

Vyrovnanie potenciálov medzi uzemnením na DC-strane, uzemnením na AC-strane a uzemnením konštrukčného systému montáže fotovoltaických panelov je nevyhnutné na zabránenie zvýšenia uzemňovacieho potenciálu počas udalosti s prepätím. Ak sa rôzne časti systému počas prechodného javu nachádzajú na rôznych uzemňovacích potenciáloch, rozdiel napätia medzi nimi môže poškodiť zariadenia, aj keď každé jednotlivé ochranné zariadenie proti prepätiu funguje správne. Jednotný uzemňovací systém s nízkou impedanciou tento riziko eliminuje.

Monitorovanie a údržba nainštalovaných zariadení

Zariadenie na ochranu pred prepätím je spotrebná ochranná súčiastka. Pri každej absorpcii prepäťového javu spotrebuje časť svojej ochrannej kapacity. Po významnej bleskovej udalosti alebo série menších prepäťových javov môže zariadenie dosiahnuť koniec svojej životnosti a vyžadovať výmenu. Väčšina moderných zariadení na ochranu pred prepätím výrobky obsahuje vizuálny indikátor stavu, zvyčajne okienko, ktoré mení farbu, alebo príslušnú značku, ktorá sa spustí, aby signalizovala, že zariadenie stratilo svoju účinnosť a vyžaduje výmenu.

Zahrnutie kontrol stavu zariadení na ochranu pred prepätím do pravidelného údržbového plánu fotovoltického systému je jednoduchá, avšak často opomínaná prax. Štvrťročná vizuálna kontrola všetkých nainštalovaných zariadení v kombinácii s kontrolou po búrke po akomkoľvek významnom bleskovom aktivite v oblasti zabezpečuje, že ochrana zostáva aktívna. Niektoré pokročilé modely zariadení na ochranu pred prepätím obsahujú kontakty pre diaľkové monitorovanie, ktoré možno zapojiť do SCADA systému alebo monitorovacej platformy systému, čím sa umožňujú automatické upozornenia v prípade, že zariadenie vyžaduje výmenu.

Výmenu degradovaného zariadenia na ochranu pred prepätím je potrebné vykonať bezodkladne. Prevádzka fotovoltického systému so zlyhaným zariadením na ochranu pred prepätím na strane striedavého (AC) alebo jednosmerného (DC) prúdu úplne vystavuje invertor a príslušné zariadenia ďalšej prechodovej udalosti. Vzhľadom na relatívne nízku cenu zariadenia na ochranu pred prepätím v porovnaní s nákladmi na výmenu inverzora alebo výpadok systému je včasná údržba jednoduchým ekonomickým rozhodnutím.

Výber správneho zariadenia na ochranu pred prepätím pre fotovoltaické aplikácie

Kľúčové elektrické parametre na vyhodnotenie

Výber správneho zariadenia na ochranu pred prepätím pre fotovoltaickú aplikáciu vyžaduje vyhodnotenie niekoľkých kľúčových elektrických parametrov. Maximálne trvalé prevádzkové napätie zariadenia musí presahovať najvyššie napätie, ktoré sa objaví na jeho svorkách za normálnych prevádzkových podmienok, vrátane akéhokoľvek tolerovaného rozptylu napätia siete. Pre zariadenia na DC-strane to znamená zohľadniť maximálne napätie voľného chodu fotovoltaickej batérie pri najnižšej očakávanej okolitej teplote, pretože napätie fotovoltaického modulu stúpa so znižujúcou sa teplotou.

Menovitý výstupný prúd a maximálna hodnota impulzného prúdu určujú, koľko energie prepätia môže ochranné zariadenie proti prepätiám odobrať. Tieto hodnoty by mali zodpovedať klasifikácii zóny ochrany pred bleskom na inštalačnom mieste, ktorá sa určuje podľa miestnej hustoty bleskových úderov do zeme a fyzikálnych charakteristík stavby. Ochranné zariadenie proti prepätiám s hodnotou impulzného prúdu 40 kA poskytuje vyššiu bezpečnostnú rezervu ako zariadenie s hodnotou 20 kA a je vhodné pre vystavené polohy alebo inštalácie s vysokou hodnotou.

Úrovne ochrany pred napätím ochranného zariadenia proti prepätiu, vyjadrené v kilovoltov, udávajú maximálne napätie, ktoré sa objaví na svorkách zariadenia počas štandardizovanej skúšky prepätia. Táto hodnota musí byť nižšia ako impulzné výdržné napätie chráneného zariadenia. Pre striedavé meniče fotovoltických systémov je impulzné výdržné napätie na jednosmernom vstupe zvyčajne uvedené v technickom listku výrobku a ochranné zariadenie proti prepätiu sa musí vybrať tak, aby jeho úroveň ochrany poskytovala dostatočnú bezpečnostnú medzeru pod touto hodnotou.

Predpisy o zhode a certifikačné požiadavky

Pre fotovoltaické aplikácie by zariadenie na ochranu pred prepätím malo spĺňať normu IEC 61643-11 pre zariadenia na striedavom strane a normu IEC 61643-31 pre zariadenia na jednosmernom strane. Tieto normy definujú skúšobné metódy, požiadavky na výkon a požiadavky na označovanie zariadení na ochranu pred prepätím používaných v nízko napäťových elektrických sústavách a v fotovoltaických inštaláciách. Dodržiavanie týchto noriem zabezpečuje, že zariadenie bolo nezávisle skúšané a overené tak, aby vykazovalo špecifikovaný výkon za štandardizovaných podmienok prepätia.

Okrem dodržiavania noriem IEC vyžadujú mnohé trhy a projektové špecifikácie pre zariadenia na ochranu pred prepätím používané v fotovoltaických systémoch označenie CE a certifikáciu TÜV. Tieto certifikáty poskytujú ďalšiu záruku kvality výrobku a konzistencie výroby. Pri určovaní zariadenia na ochranu pred prepätím pre komerčný alebo veľkopočetný fotovoltaický projekt je overenie, či výrobok má príslušné certifikáty pre cieľový trh, dôležitým krokom v procese zakúpky.

Niektorí prevádzkovatelia siete a poisťovní majú špecifické požiadavky na inštaláciu zariadení na ochranu pred prepätím v fotovoltaických systémoch pripojených k sieti. Skoré preštudovanie týchto požiadaviek v návrhovej fáze zabezpečuje, že vybrané zariadenie na ochranu pred prepätím spĺňa všetky príslušné normy a že spôsob inštalácie je v súlade s miestnymi elektrotechnickými predpismi. Inštalácie, ktoré nie sú v súlade s predpismi, môžu mať problémy pri schválení pripojenia k sieti alebo pri vybavovaní poisťovných nárokov po udalosti spojenej s prepätím.

Často kladené otázky

Potrebujem zariadenie na ochranu pred prepätím na striedavom (AC) i jednosmernom (DC) strane svojho fotovoltaického systému?

Áno. Prepäťové impulzy môžu do fotovoltaického systému vstúpiť z oboch smerov – zo strany panelov počas bleskových udalostí alebo zo strany siete počas prepínacích prechodových javov. Inštalácia ochranného zariadenia proti prepätiu iba na jednej strane necháva striedačku a príslušné zariadenia vystavené prechodovým javom zo strany bez ochrany. Komplexná stratégiou ochrany vyžaduje inštaláciu ochranného zariadenia proti prepätiu v DC kombinátore alebo na DC vstupe striedačky a ďalšieho ochranného zariadenia proti prepätiu na AC výstupe striedačky alebo v hlavnom rozvádzači.

Aké napätie by som mal zvoliť pre ochranné zariadenie proti prepätiu na DC strane?

Zariadenie na ochranu pred prepätím musí mať maximálne trvalé prevádzkové napätie, ktoré presahuje maximálne napätie voľného chodu fotovoltického (FV) poľa za najnižších očakávaných teplotných podmienok. Pre systémy navrhnuté na prevádzku pri 1000 V DC je vyžadované zariadenie na ochranu pred prepätím s hodnotením 1000 V DC alebo vyšším. Pre systémy 1500 V DC sa musí použiť zariadenie s hodnotením 1500 V DC. Pri výbere hodnotenia zariadenia vždy pridajte bezpečnostnú rezervu nad vypočítaným maximálnym napätím poľa.

Ako často by ste mali preverovať alebo vymeniť zariadenie na ochranu pred prepätím v FV inštalácii?

Vizuálna kontrola všetkých nainštalovaných jednotiek ochrany pred prepätím by sa mala vykonávať najmenej štvrťročne a po každej významnej bleskovej aktivite v danom regióne. Väčšina zariadení obsahuje indikátor stavu, ktorý mení svoj vzhľad v prípade, že zariadenie stratilo svoju účinnosť. Akékoľvek zariadenie ochrany pred prepätím, ktoré ukazuje indikáciu poruchy, je potrebné okamžite vymeniť. Aj v prípade, že nie je viditeľné žiadne zhoršenie, zariadenia v oblastiach s vysokou bleskovou aktivitou môžu ako preventívna opatrenie profitovať z výmeny každých päť až sedem rokov.

Môžem použiť štandardné striedavé napätie (AC) zariadenie na ochranu pred prepätím na strane jednosmerného prúdu (DC) fotovoltického systému?

Nie. Štandardné zariadenia na ochranu pred prepätím striedavého prúdu nie sú vhodné pre aplikácie jednosmerného prúdu. V obvodoch jednosmerného prúdu neexistuje prirodzené nulové pretínanie prúdu, čo znamená, že ak začne zariadenie na ochranu pred prepätím viesť prúd, musí aktívne prerušiť nasledujúci prúd, aby sa zabránilo trvalému oblúku. Zariadenia na ochranu pred prepätím určené pre jednosmerný prúd sú špeciálne navrhnuté s mechanizmami na potláčanie oblúka a s hodnotením komponentov vhodným pre charakteristiky napätia a prúdu jednosmerného prúdu. Použitie zariadenia pre striedavý prúd v obvode jednosmerného prúdu predstavuje vážne riziko požiaru a bezpečnostné riziko.