Kako integrirati zaščito pred izrednimi napetostmi na izmenični (AC) in enosmerni (DC) strani fotovoltaičnega sistema?

Integracija uređaj za varnost pred prehodom vključitev v fotovoltaični sistem ni preprosto zadeva priklopa sestavnega dela in nadaljevanja. Zahteva namenski, inženirsko utemeljen pristop, ki upošteva edinstvene električne lastnosti tako izmeničnega (AC) kot enosmernega (DC) dela namestitve. Prehodni pojav, povzročen s strelami, preklopni napetostni udari in motnje v omrežju, lahko vse skupaj povzročijo uničujoče napetostne vrhove, ki potujejo skozi sistem in poškodujejo pretvorilnike, združevalne omarice, opremo za spremljanje in celo same PV module. Brez ustrezne namestitve naprav za zaščito pred prehodnimi pojavi na obeh straneh lahko en sam prehodni pojav povzroči draga izpadanja in zamenjavo opreme.

Ta članek podrobno opisuje celotno logiko integracije za namestitev naprav za zaščito pred prenapetostmi na obeh straneh fotovoltaičnega sistema: na DC-nizi in nizi modulov ter na AC-strani priključitve na omrežje. Ali načrtujete komercialno namestitev na strehi ali projekta za uporabo v energetskih omrežjih z velikimi talnimi namestitvami, je razumevanje tega, kje namestiti posamezne naprave za zaščito pred prenapetostmi, kako izbrati ustrezne specifikacije in kako pravilno priključiti in vzdrževati te komponente, ključnega pomena za dolgoročno zanesljivost sistema. Ta navodila temeljijo na praktičnem inženirskem izkušnjam iz terena in so usklajena s standardi IEC 61643 in IEC 62305, ki urejajo zaščito pred prenapetostmi v fotovoltaičnih okoljih.

Razumevanje tveganj zaradi prenapetosti v fotovoltaičnih sistemih

Zakaj so fotovoltaični sistemi posebej ranljivi

Fotovoltaični sistemi so neprekinjeno izpostavljeni zunanji okolju, kar jih naredi občutljive na udare strele in atmosferske razbije. Dolgi kabli med fotovoltaičnimi paneli in pretvorniki delujejo kot antene in zajemajo inducirano elektromagnetno energijo sosednjih udarov strele, tudi kadar pride do posrednega udara. Ta inducirana energija se širi kot prehodna prenapetost po enosmernih kabljih od modulov in izmeničnih kabljih proti povezavi z omrežjem.

Na strani enosmerne napetosti lahko napetost v odprti vezavi fotovoltaičnega niza že pri standardnih pogojih znaša več sto voltov. Ko se na to osnovno napetost naloži prehodna napetost, lahko skupni vrh preprosto preseže odpornost vhodnih stopenj pretvornikov, zaobihodnih diod in sklopna polje komponente. Na izmeničnem toku (AC) vključevanje in izklopi mreže, delovanje kondenzatorskih baterij in napake omrežja povzročajo hitro naraščajoče prehodne pojavke, ki lahko poškodujejo izhodno stopnjo pretvornika ter katero koli povezano merilno ali komunikacijsko opremo.

Ustrezen izbran in pravilno nameščen naprava za zaščito pred prenapetostmi na vsaki strani te prehodne pojave zazna, preden dosežejo občutljivo elektroniko. Naprava omeji napetost na varno raven in preusmeri tok prenapetosti v zemljo, s tem zaščiti opremo v nadaljnjem tokokrogu. Brez te zaščitne plasti lahko celo zmerno prehodno pojavke povzročijo poslabšanje izolacije, lažne izklope ali takojšnjo odpoved komponent.

Dvostranska narava izpostavljenosti sončnim elektrarnam prenapetostnim pojavkom

Ena najpogostejših napak pri načrtovanju zaščite fotovoltaičnega sistema pred prenapetostmi je obravnavanje sistema kot da bi imel le eno ranljivo točko. V resnici pa prenapetosti lahko vstopijo z obeh strani. Udar električne razbije v bližini sončne elektrarne vnese energijo na DC-stran, medtem ko motnja v omrežju ali vklop/izklop industrijske obremenitve v bližini vnese energijo s strani AC-strani. Oba poti morata biti neodvisno zaščiteni z ločenim napravo za zaščito pred prenapetostmi na vsaki lokaciji.

Inverter stoji med temi dvema stranema in je najdražji posamezen del večine fotovoltaičnih namestitev. Hkrati je tudi najranljivejši, saj njegovi močni elektronski elementi med normalnim delovanjem delujejo blizu svojih napetostnih meja. Naprava za zaščito pred prenapetostmi na DC-vhodnih priključkih in druga naprava za zaščito pred prenapetostmi na AC-izhodnih priključkih tvorita zaščitni ovoj okoli tega ključnega komponenta. Ta dvostranski pristop ni izbirna možnost za sisteme v območjih z visoko nevarnostjo udara električne razbije ali za katerekoli namestitev, kjer so stroški nedelovanja pomembni.

Vgrajena naprava za zaščito pred prenapetostmi na DC strani

Namestitev v združevalni ohišji nizov

Prva in najpomembnejša lokacija za namestitev naprave za zaščito pred prenapetostmi na DC strani je v nizu kombinirna škatla , ki se imenuje tudi DC združevalna ohišja ali povezovalna ohišja niza. To je mesto, kjer se več fotonapetostnih nizov združi, preden združeni DC izhod potuje do pretvornika. Namestitev naprave za zaščito pred prenapetostmi na tem mestu prekine prehodne pojavke čim prej v DC vezju in s tem prepreči njihovo nadaljnjo širitev v sistemu.

Za to pozicijo mora naprava za zaščito pred prenapetostmi izpolnjevati zahteve glede najvišje enosmerne napetosti v odprti vezavi (DC open-circuit voltage) fotovoltaičnega polja pri najslabših temperaturnih razmerah. Za sisteme, ki delujejo pri 1000 V DC, mora imeti naprava oceno zaščitne napetosti in najvišjo stalno delovno napetost, ki zanesljivo presegata to vrednost. Pogoste ocene, uporabljene v elektrarnah na podlagi fotovoltaike in komercialnih fotovoltaičnih namestitvah, vključujejo variante 1000 V DC in 1500 V DC ter impulzne tokovne ocene 20 kA ali 40 kA, odvisno od klasifikacije območja za zaščito pred strelami.

Naprava za zaščito pred prenapetostmi v združevalni ohišju naj bo priključena med vsak DC pol in zaščitni vodnik (PE). Pri dvopolni konfiguraciji to pomeni eno napravo med pozitivno tirnico in zemljo ter eno napravo med negativno tirnico in zemljo. Nekatere namestitve uporabljajo tripolno ali kombinirano napravo, ki hkrati obravnava oba pola. Izbira je odvisna od konfiguracije ozemljitve sistema in specifičnega načrtovanja izdelka za zaščito pred prenapetostmi.

Namestitev na DC vhod pretvornika

Tudi kadar je naprava za zaščito pred prenapetostmi nameščena v razdelilni omarici, je za sisteme z dolgimi kabelskimi povezavami med razdelilno omarico in pretokomnikom močno priporočljiva namestitev druge naprave na DC vhodnih sponkah pretoka. Induktivnost kabla omejuje učinkovitost oddaljene naprave za zaščito pred prenapetostmi pri zatiskanju hitro naraščajočih prehodnih pojavov na vhodnih sponkah pretoka. Ostankova napetost, ki se pojavi na vhodu pretoka po delovanju naprave v razdelilni omarici, lahko še vedno doseže tako visoko vrednost, da obremenjuje vhodne kondenzatorje in IGBT module pretoka.

Naprava za zaščito pred prenapetostmi na DC vhodu inverterja deluje kot druga obrambna linija in ujame vsako ostankovo prehodno energijo, ki je bila delno absorbirana z napravo v virovni smeri. Ta zaporedni pristop, ki se včasih imenuje koordinacijski načrt tipa 1 plus tipa 2, je standardna praksa pri dobro projektiranih fotovoltaičnih (PV) namestitvah. Naprava na vhodu v inverter je običajno naprava za zaščito pred prenapetostmi tipa 2 z nižjo nazivno izločilno tokovno zmogljivostjo, saj je naprava v virovni smeri že absorbirala večino energije prenapetosti.

Pravilno priključitev naprave za zaščito pred prenapetostmi na DC strani je ključnega pomena. Priključne vodnike med napravo in DC avtobusom je treba izvesti čim krajše, idealno pod 50 cm, da se zmanjša induktivni padec napetosti, ki se prišteva k napetosti omejitve, ki jo vidi inverter. Uporaba najkrajših možnih priključnih vodnikov in izogibanje nepotrebnim ukrivitvam v priključnih vodnikih sta praktični ukrepa, ki znatno izboljšata učinkovitost namestitve naprave za zaščito pred prenapetostmi.

Integracija naprave za zaščito pred prenapetostmi na izmenični strani

Namestitev na izhodu izmeničnega toka inverterja

Na izmenični strani je glavno mesto za namestitev naprave za zaščito pred prenapetostmi izhod izmeničnega toka inverterja, običajno znotraj ali neposredno ob odklopnem stikalu izmeničnega toka ali združevalni plošči. Ta položaj ščiti izhodno stopnjo inverterja pred prehodnimi pojavki, ki prihajajo iz omrežja, ter hkrati ščiti vso nadzorno, merilno ali komunikacijsko opremo, priključeno na izmenični avtobus na tem mestu.

Naprava za zaščito pred prenapetostmi na izmenični strani mora biti dimenzionirana za izmenično napetost sistema, ki je za večino komercialnih in industrijskih fotovoltaičnih instalacij običajno 230 V enofazno ali 400 V trifazno. Naprava mora biti tudi združljiva z omrežno frekvenco in mora imeti najvišjo stalno delovno napetost, ki upošteva običajne nihanja omrežne napetosti. Za trifazne sisteme je potrebna tripolna ali štiripolna naprava za zaščito pred prenapetostmi, ki zajema vse fazne vodnike in nevtralni vodnik.

Impulzni tokovni rating za napravo za zaščito pred prenapetostmi na izmenični strani je treba izbrati glede na zono zaščite pred strelami in razdaljo od glavnega vstopa električne napeljave. Za večino fotovoltaičnih aplikacij na izhodu izmeničnega toka je primerna naprava za zaščito pred prenapetostmi tipa 2 z ratingom 20 kA ali 40 kA. V primerih, ko je namestitev v visoko tvegani strelski zoni ali kadar je dolžina izmeničnega kabla do glavnega razdelilnega omarice velika, je na ravni glavne razdelilne omarice morda opravičena uporaba naprave tipa 1 z višjim impulznim tokovnim ratingom.

Namestitev na glavni izmenični razdelilni omarici ali na točki skupne povezave

Za večje fotovoltaične sisteme, ki napajajo glavno razdelilno omarico ali točko skupne povezave skupaj z drugimi obremenitvami, dodatna naprava za zaščito pred prenapetostmi na ravni razdelilne omarice zagotavlja zaščito celotnega sistema. Ta naprava zajame prenapetosti, ki vstopajo s strani omrežja dobavitelja električne energije, in prepreči njihov dostop ne le do pretokovnika, temveč tudi do drugih občutljivih obremenitev, priključenih na isto razdelilno omarico.

Usklajevanje med napravo za zaščito pred prenapetostmi na izmeničnem izhodu inverterja in napravo na glavnem razdelilnem omarici sledi isti kaskadni logiki kot na enosmerni strani. Naprava na ravni razdelilne omarice, običajno tipa 1 ali kombinirana naprava tipa 1 in tipa 2, absorbira začetni visokoenergijski prenapetostni impulz, medtem ko naprava na ravni inverterja ujame ostankovo energijo. Ta večplastna strategija zagotavlja, da nobena posamezna naprava ni preobremenjena in da ostane zaščita učinkovita v širokem spektru velikosti in oblik prenapetostnih impulzov.

Pri izbiri naprave za zaščito pred prenapetostmi za glavno razdelilno omarico je pomembno preveriti, ali je nivo napetostne zaščite naprave usklajen z udarno vzdržljivostjo napetosti inverterja in drugih priključenih naprav. Nivo zaščite naprave za zaščito pred prenapetostmi mora biti nižji od vzdržljivosti napetosti opreme, da se zagotovi, da naprava omeji prehodne napetosti, preden lahko povzročijo škodo. Ta preverjanje usklajenosti je obvezna korak v vsaki profesionalni načrtovanju zaščite fotovoltaičnega sistema pred prenapetostmi.

Zazemljitev, vodenje kablov in najboljše prakse namestitve

Vloga zemlje z nizko impedanco

Naprava za zaščito pred prenapetostmi lahko učinkovito opravlja svojo funkcijo le, če ima nizkoimpedančno pot do zemlje, prek katere lahko odvede tok prenapetosti. Zato je sistem za ozemljitev fotovoltaične namestitve enako pomemben kot sama naprava za zaščito pred prenapetostmi. Visokoimpedančna ali slabo povezana ozemljitev povzroči, da se med delovanjem na sponkah naprave za zaščito pred prenapetostmi razvije visoka napetost, kar zmanjša njeno učinkovitost in lahko omogoči, da škodljive napetosti dosežejo zaščiteno opremo.

Za namestitve fotovoltaičnih (PV) sistemov mora sistem za ozemljitev vključevati posamezno zemeljsko elektrodo na lokaciji niza, ki je povezana s konstrukcijskim montažnim sistemom in zemeljskim priključkom naprave za zaščito pred prenapetostmi na DC-strani. Naprava za zaščito pred prenapetostmi na AC-strani naj bo povezana z glavnim zaščitnim zemeljskim vodnikom stavbe ali objekta. Vse zemeljske povezave naj uporabljajo ustrezno dimenzionirane vodnike, običajno 6 mm² ali večje za zemeljske vodnike naprav za zaščito pred prenapetostmi, da lahko prenašajo impulzni tok brez prevelikega padca napetosti.

Ekvipotencialna povezava med DC-ozemljitvijo, AC-ozemljitvijo in konstrukcijsko ozemljitvijo PV-montažnega sistema je bistvena za preprečevanje dviga potenciala ozemlja med dogodkom prenapetosti. Ko so različni deli sistema med prehodnim pojavom na različnih ozemljitvenih potencialih, lahko napetostna razlika med njimi poškoduje opremo, tudi če vsaka posamezna naprava za zaščito pred prenapetostmi pravilno deluje. Enotni, nizkoimpedančni ozemljitveni sistem ta tveganja odpravi.

Nadzor in vzdrževanje nameščenih naprav

Naprava za zaščito pred prenapetostmi je potrošni zaščitni element. Vsakič, ko absorbira dogodek prenapetosti, porabi del svoje zaščitne zmogljivosti. Po močnem strelu ali zaporedju manjših prenapetosti naprava morda doseže konec svoje življenjske dobe in jo je treba zamenjati. Večina sodobnih naprav za zaščito pred prenapetostmi izdelki vključuje vizualni indikator stanja, običajno okence, ki spremeni barvo, ali zastavico, ki pade, da signalizira, ko je naprava izgubila učinkovitost in jo je treba zamenjati.

Vključitev preverjanja stanja naprav za zaščito pred izrednimi napetostmi v redni vzdrževalni načrt fotovoltaičnega sistema je preprosta, a pogosto prezrana praksa. Četrvrtni vizualni pregled vseh nameščenih naprav v kombinaciji z nadzorom po nevihti po vsaki pomembnejši dejanosti streljajoče elektrike v območju zagotavlja, da ostane zaščita aktivna. Nekatere napredne modele naprav za zaščito pred izrednimi napetostmi vključujejo kontakti za oddaljen nadzor, ki jih je mogoče priključiti na SCADA-sistem ali platformo za nadzor sistema, kar omogoča samodejna opozorila ob potrebi po zamenjavi naprave.

Zamenjavo izrabljene naprave za zaščito pred izrednimi napetostmi je treba izvesti takoj. Delovanje fotovoltaičnega sistema z nefunkcionirajočo napravo za zaščito pred izrednimi napetostmi na izmenični (AC) ali enosmerni (DC) strani pusti inverter in povezano opremo popolnoma izpostavljene naslednjemu prehodnemu pojavu. Glede na relativno nizko ceno naprave za zaščito pred izrednimi napetostmi v primerjavi s stroški zamenjave inverterja ali izgubljene proizvodnje zaradi izpadov sistema je pravočasno vzdrževanje preprosta ekonomska odločitev.

Izbira pravilnega naprave za zaščito pred prenapetostmi za fotovoltaične aplikacije

Ključni električni parametri za oceno

Izbira ustrezne naprave za zaščito pred prenapetostmi za fotovoltaično aplikacijo zahteva oceno več ključnih električnih parametrov. Najvišja stalna delovna napetost naprave mora presegati najvišjo napetost, ki se bo pojavila na njenih priključkih ob normalnih delovnih pogojih, vključno z morebitno toleranco omrežne napetosti. Za naprave na DC-strani to pomeni, da je treba upoštevati najvišjo napetost v odprti vezji fotovoltaičnega polja pri najnižji pričakovani okoljski temperaturi, saj se napetost fotovoltaičnih modulov poveča z zniževanjem temperature.

Nazivni izhodni tok in najvišja vrednost impulznega toka določata, koliko energije prenapetosti lahko varnostna naprava za zaščito pred prenapetostjo absorbira. Te vrednosti je treba prilagoditi razredu zaščitne cone pred strelami, ki ga določa lokalna gostota udarov strel v tla in fizične značilnosti objekta. Naprava za zaščito pred prenapetostjo z vrednostjo impulznega toka 40 kA zagotavlja višjo varnostno rezervo kot naprava z vrednostjo 20 kA ter je primerna za izpostavljena mesta ali namestitve visoke vrednosti.

Nivo napetostne zaščite naprave za zaščito pred prenapetostmi, izražen v kilovoltih, kaže najvišjo napetost, ki se pojavi med priključki naprave med standardiziranim preskusom prenapetosti. Ta vrednost mora biti nižja od impulzne vzdržljivosti opreme, ki jo želimo zaščititi. Pri fotonapetostnih inverterjih je impulzna vzdržljivost na DC vhodu običajno navedena v tehničnem podatkovnem listu izdelka, zato mora biti naprava za zaščito pred prenapetostmi izbrana tako, da njen nivo zaščite zagotavlja ustrezno varnostno mejo pod to vrednostjo.

Standardi skladnosti in zahteve glede certifikacije

Za fotovoltaične (PV) aplikacije naprava za zaščito pred prenapetostmi mora izpolnjevati standard IEC 61643-11 za naprave na izmenični strani in standard IEC 61643-31 za naprave na enosmerni strani. Ti standardi določajo preskusne metode, zahteve glede zmogljivosti in zahteve glede označevanja za naprave za zaščito pred prenapetostmi, ki se uporabljajo v nizkonapetostnih električnih omrežjih in pri fotovoltaičnih namestitvah. Skladnost s temi standardi zagotavlja, da je bila naprava neodvisno preskušena in potrjena kot delujoča v skladu z določenimi specifikacijami pod standardiziranimi pogoji prenapetosti.

Poleg skladnosti z IEC-standardi za naprave za zaščito pred prenapetostmi, ki se uporabljajo v fotovoltaičnih sistemih, veliko trgov in projektne specifikacije zahtevajo oznako CE in certifikat TÜV. Te certifikacije zagotavljajo dodatno jamstvo kakovosti izdelka in doslednosti proizvodnje. Pri določanju naprave za zaščito pred prenapetostmi za komercialni ali energetski fotovoltaični projekt je preverjanje, ali ima izdelek ustrezne certifikate za ciljni trg, pomemben korak v postopku nabave.

Nekateri operaterji omrežja in zavarovalnice imajo posebne zahteve glede namestitve naprav za zaščito pred prenapetostmi v fotovoltaičnih sistemih, povezanih z omrežjem. Preverjanje teh zahtev že v zgodnji fazi načrtovanja zagotavlja, da izbrana naprava za zaščito pred prenapetostmi izpolnjuje vse veljavne standarde in da način namestitve ustreza lokalnim električnim predpisom. Namestitve, ki niso skladne z zahtevami, lahko povzročijo težave pri odobritvi priključitve na omrežje ali pri zavarovalnih zahtevkih po dogodku, povezanem s prenapetostjo.

Pogosto zastavljena vprašanja

Ali potrebujem napravo za zaščito pred prenapetostmi na obeh straneh (AC in DC) svojega fotovoltaičnega sistema?

Da. Prekinitveni tokovi lahko vstopijo v fotovoltaični sistem iz obeh smeri – s strani niza med udari strele ali s strani omrežja med preklopnimi prehodnimi pojavi. Namestitev naprave za zaščito pred prekinitvenimi toki le na eni strani pusti pretvornik in povezane opreme izpostavljene prehodnim pojavom s strani, ki ni zaščitena. Popolna strategija zaščite zahteva namestitev naprave za zaščito pred prekinitvenimi toki na DC združevalniku ali na DC vhodu pretvornika ter še eno napravo za zaščito pred prekinitvenimi toki na AC izhodu pretvornika ali na glavnem razdelilnem omarici.

Katero napetostno oceno naj izberem za napravo za zaščito pred prekinitvenimi toki na DC strani?

Naprava za zaščito pred prenapetostmi mora imeti največjo stalno delovno napetost, ki presega največjo napetost na razpravljah fotovoltaičnega (PV) polja pri najhladnejših pričakovanih temperaturnih razmerah. Za sisteme, zasnovane za delovanje pri 1000 V DC, je potrebna naprava za zaščito pred prenapetostmi z nazivno napetostjo 1000 V DC ali višjo. Za sisteme 1500 V DC je treba uporabiti napravo z nazivno napetostjo 1500 V DC. Pri izbiri nazivne napetosti naprave vedno dodajte varnostni faktor nad izračunano najvišjo napetostjo polja.

Kako pogosto naj preverim ali zamenjam napravo za zaščito pred prenapetostmi v fotovoltaični namestitvi?

Vizualni pregled vseh nameščenih enot za zaščito pred izjemnimi napetostmi je treba opraviti vsaj kvartalno in po vsaki pomembnejši dejanosti streljave v območju. Večina naprav vključuje kazalec stanja, ki spreminja videz, ko je naprava izgubila del svoje učinkovitosti. Vsako napravo za zaščito pred izjemnimi napetostmi, ki kaže indikacijo okvare, je treba takoj zamenjati. Tudi če ni vidne degradacije, bi naprave v območjih z visoko frekvenco streljave lahko koristilo zamenjati vsakih pet do sedem let kot preventivno ukrepanje.

Ali lahko na DC-strani fotovoltaičnega sistema uporabim standardno AC napravo za zaščito pred izjemnimi napetostmi?

Ne. Standardni izdelki za zaščito pred prenapetostmi iz omrežja AC niso primerni za uporabo v vezjih DC. V vezjih DC ni naravnega ničelnega prehoda toka, kar pomeni, da se po začetku prevajanja varnostnega naprave za zaščito pred prenapetostmi mora aktivno prekiniti sledilni tok, da se prepreči trajna lokovna razbija. Izdelki za zaščito pred prenapetostmi, ki so ocenjeni za uporabo v vezjih DC, so posebej zasnovani z mehanizmi za ugašanje loka in z ocenitvami komponent, primernimi za napetostne in tokovne značilnosti vezij DC. Uporaba naprave za omrežje AC v vezju DC predstavlja resno nevarnost požara in varnosti.