Hur integrerar man överspännings skydd på både växelströms- och likströmssidan i ett PV-system?

Att integrera en spikskydds enhet att integrera ett fotovoltaiskt system är inte bara en fråga om att koppla in en komponent och gå vidare. Det kräver en genomtänkt, ingenjörsinformerad metod som tar hänsyn till de unika elektriska egenskaperna hos både växelströms- och likströmsidan i installationen. Åskinducerade transienter, växlingsstötningar och nätstörningar kan alla introducera förstörande spänningspikar som färdas genom systemet och skadar omvandlare, kombinationsboxar, övervakningsutrustning och till och med PV-modulerna själva. Utan korrekt placering av överspännings skyddsanordningar på båda sidorna kan en enda transient händelse leda till kostsamma driftstopp och utrustningsutbyten.

Den här artikeln går igenom den fullständiga integrationslogiken för installation av överspännings skyddsanordningar både på DC-sträng- och arraysidan samt på AC-nätanslutningssidan i ett PV-system. Oavsett om du designar en kommersiell takinstallation eller ett storskaligt markmonterat kraftverk är det avgörande för långsiktig systemdriftsäkerhet att förstå var varje överspännings skyddsanordning ska placeras, hur man väljer rätt specifikationer och hur man kopplar och underhåller dessa komponenter korrekt. Den här vägledningen grundar sig på praktisk fältteknik och är inriktad på standarderna IEC 61643 och IEC 62305, som reglerar överspännings skydd i fotovoltaiska miljöer.

Att förstå överspänningsrisker i PV-system

Varför PV-system är särskilt sårbara

Fotovoltaiska system utsätts kontinuerligt för utomhusmiljön, vilket gör dem särskilt mottagliga för åsknedslag och atmosfäriska urladdningar. De långa kabellängderna mellan PV-arrayer och växelriktare fungerar som antenner som fångar inducerad elektromagnetisk energi från närliggande åsknedslag, även om det inte sker något direkt nedslag. Denna inducerade energi förs som en transient överspänning längs både likströmskablarna från modulerna och växelströmskablarna mot nätanslutningspunkten.

På likströmsidan kan öppen-krets-spänningen för en PV-sträng redan vara flera hundratal volt under standardförhållanden. När en transient överlagras på denna grundspänning kan den resulterande spikspänningen lätt överskrida inverkan på inverterns ingångssteg, bypass-dioder och kopplingsbox komponenter. På växelströmsidan introducerar nätomkoppling, kondensatorbankens drift och elnätsfel snabbt stigande transienter som kan skada växelriktningsutgången och eventuell ansluten mät- eller kommunikationsutrustning.

En korrekt vald och installerad överspännings skyddsanordning på varje sida avvärjer dessa transienter innan de når känslig elektronik. Anordningen begränsar spänningsnivån till en säker nivå och leder överspänningsströmmen till jord, vilket skyddar den nedströms placerade utrustningen. Utan detta skyddslager kan även en måttlig transient försämra isoleringen, orsaka oönskad utlöstning eller leda till omedelbar komponentfel.

Den tvåsidiga karaktären hos överspänningsutsättning för PV

Ett av de vanligaste misstagen vid planering av överspänningskydd för solcellsanläggningar är att behandla systemet som om det bara har en sårbar punkt. I verkligheten kan överspänningar komma från båda riktningarna. En åskhändelse i närheten av solcellspanelen injicerar energi i likströmsidan, medan en nätstörning eller in- och utkoppling av närliggande industriell last injicerar energi från växelströmsidan. Båda vägarna måste skyddas oberoende av var sin dedikerad överspänningsutrustning på respektive plats.

Omvandlaren sitter mellan dessa två sidor och är den dyraste enskilda komponenten i de flesta solcellsanläggningar. Den är också den mest sårbara, eftersom dess kraftelektronik arbetar nära sina spänningsgränser under normal drift. Ett överspänningskydd på likströmsingången till omvandlaren och ett annat på växelströmsutgången skapar en skyddande "omslag" runt denna kritiska komponent. Denna tvåsidiga ansats är inte frivillig för system i områden med hög åskrisk eller för någon installation där kostnaden för driftstopp är betydande.

Integration av överspännings skyddsanordning på DC-sidan

Placering i strängkombinationsboxen

Den första och viktigaste platsen för en överspännings skyddsanordning på DC-sidan är vid strängen kombinéringslåda , även kallad DC-kombinationsbox eller arrayanslutningsbox. Det är här flera PV-strängar samlas ihop innan den kombinerade DC-utgången går till växelriktaren. Genom att placera en överspännings skyddsanordning här avfängs transients så tidigt som möjligt i DC-kretsen, vilket förhindrar att de sprider sig vidare in i systemet.

För denna position måste överspänningsavledaren vara dimensionerad för den maximala likströmsöppen kretsens spänning för anordningen vid värsta temperaturförhållandena. För system som drivs vid 1000 V DC måste enheten ha en spännningsskyddsklassning och en maximal kontinuerlig driftspänning som klart överstiger detta värde. Vanliga klassningar som används i storskaliga elnäts- och kommersiella PV-installationer inkluderar 1000 V DC och 1500 V DC-varianter, med impulsströmklassningar på 20 kA eller 40 kA beroende på platsens klassificering enligt åskskyddszon.

Överspännings skyddsanordningen i kombinationslådan ska anslutas mellan varje likströmspol och den skyddsjordande ledaren. I en tvåpolig konfiguration innebär detta en anordning mellan den positiva skinnen och jorden samt en anordning mellan den negativa skinnen och jorden. Vissa installationer använder en trespols- eller kombinerad anordning som hanterar båda polerna samtidigt. Valet beror på systemets jordningskonfiguration och den specifika överspännings skyddsanordningens produktdesign.

Placering vid växelriktarens likströmsingång

Även om en överspännings skyddsanordning är installerad i kombinationsboxen rekommenderas starkt att installera en andra anordning vid växelriktarens likströmsingångsterminaler för system med långa kabellängder mellan kombinationsboxen och växelriktaren. Kabellinduktansen begränsar hur effektivt en avlägsen överspännings skyddsanordning kan begränsa en snabbt stigande transient vid växelriktarens terminaler. Den återstående spänningen som uppstår vid växelriktarens ingång efter att skyddsanordningen i kombinationsboxen har aktiverats kan fortfarande vara tillräckligt hög för att belasta växelriktarens ingångskondensatorer och IGBT-moduler.

Överspänningsskyddsutrustningen vid likströmsingången till omvandlaren fungerar som en andra försvarslinje och fångar upp all återstående transient energi som inte fullständigt absorberats av den uppströms placerade utrustningen. Denna kaskadmetod, som ibland kallas en samordningsschema av typ 1 plus typ 2, är standardpraxis i välkonstruerade solcellsanläggningar. Utrustningen vid omvandlarens ingång är vanligtvis ett överspänningskyddsutrustning av typ 2 med en lägre utlösningsströmförstärkning, eftersom den uppströms placerade utrustningen redan har absorberat större delen av överspänningsenergin.

Att ansluta överspänningskyddsutrustningen på likströmsidan korrekt är avgörande. Anslutningsledningarna mellan utrustningen och likströmsbussen bör vara så korta som möjligt, helst under 50 cm, för att minimera den induktiva spänningsfallet som adderas till den klämningspänning som omvandlaren utsätts för. Att använda så korta ledningar som möjligt och undvika onödiga böjningar i anslutningsledningarna är praktiska åtgärder som avsevärt förbättrar effektiviteten hos installationen av överspänningskyddsutrustningen.

Integration av överspänningsskyddsanordning på växelströmssidan

Placering vid växelströmsutgången från växelriktaren

På växelströmssidan är den primära platsen för en överspänningsskyddsanordning vid växelriktarens växelströmsutgång, vanligtvis inuti eller omedelbart intill växelströmsavbrytaren eller kombinationspanelen. Denna position skyddar växelriktarens utgångsstadie mot transienter som kommer från elnätet och skyddar även eventuell övervaknings-, mät- eller kommunikationsutrustning som är ansluten till växelströmsbussen på denna plats.

Överspänningsskyddsanordningen som väljs för växelströmssidan måste ha ett spänningsklassificeringsvärde som motsvarar systemets växelströmspänning, vilket vanligtvis är 230 V enfasig eller 400 V trefasig för de flesta kommersiella och industriella PV-installationer. Anordningen måste också vara kompatibel med nätets frekvens och ha en maximal kontinuerlig driftspänning som tar hänsyn till normala nätspänningsvariationer. För trefassystem krävs en trefasig eller fyrfasig överspänningsskyddsanordning som täcker alla ledande ledare samt neutralledaren.

Impulströdratingen för överspännings skyddsanordningen på växelströmsidan bör väljas utifrån åskskydds zonen och avståndet från huvudingången. En typ 2-överspännings skyddsanordning med en rating på 20 kA eller 40 kA är lämplig för de flesta PV-växelströmsutgångsapplikationer. Om installationen sker i en högrisk-zon för åsknedslag eller om den växelströmskabel som går till huvudcentralen är lång, kan en typ 1-anordning med högre impulströdrating vara motiverad på nivån för huvudcentralen.

Placering vid huvudväxelströmcentralen eller vid gemensam kopplingspunkt

För större PV-system som matar in till en huvudväxelströmcentral eller till en gemensam kopplingspunkt tillsammans med andra laster ger en ytterligare överspännings skyddsanordning på centralnivån systemomfattande skydd. Denna anordning hanterar överspänningar som kommer från elnätssidan och förhindrar att de når inte bara växelriktaren utan även andra känsliga laster som är anslutna till samma central.

Samordningen mellan överspännings skyddsanordningen vid växelriktarens AC-utgång och den vid huvudcentralen följer samma kaskadlogik som på DC-sidan. Anordningen på centralnivå, vanligtvis en typ 1 eller kombinerad typ 1 och typ 2, hanterar den initiala högenergiska överspänningen, medan anordningen på växelriktarnivå fångar upp återstående energi. Denna lagerade ansats säkerställer att ingen enskild anordning överbelastas och att skyddet förblir effektivt över ett brett spektrum av överspänningsstorlekar och vågformer.

När man väljer överspännings skyddsanordning för huvudcentralen är det viktigt att verifiera att anordningens spännings skyddsnivå är samordnad med inverterns och andra anslutna utrustnings impulsbeständighet. Skyddsnivån för överspännings skyddsanordningen måste vara lägre än utrustningens beständighet för att säkerställa att anordningen begränsar transienten innan den kan orsaka skada. Denna samordningskontroll är ett obligatoriskt steg i varje professionell design av överspännings skydd för solcellsanläggningar.

Jordning, kablings- och installationsbästa praxis

Rollen av ett lågimpedans jordningssystem

En överspännings skyddsanordning kan endast utföra sin funktion effektivt om den har en lågimpedansförbindelse till jord genom vilken den kan avleda överspänningsströmmen. Jordningssystemet för PV-installationen är därför lika viktigt som själva överspännings skyddsanordningen. En högimpedans- eller dåligt ansluten jordförbindelse gör att överspännings skyddsanordningen utvecklar en hög spänning över sina poler under drift, vilket minskar dess effektivitet och potentiellt tillåter skadliga spänningar att nå de skyddade apparaterna.

För PV-installationer bör jordningssystemet inkludera en dedicerad jordelektrod vid arrayens plats, ansluten till det strukturella monteringssystemet och till jordanslutningen på DC-sidans överspännings skyddsanordning. AC-sidans överspännings skyddsanordning bör anslutas till byggnadens eller anläggningens huvudsakliga skyddsjordledare. Alla jordanslutningar bör utföras med ledare av lämplig storlek, vanligtvis 6 mm² eller större för jordledare till överspännings skyddsanordningar, för att kunna hantera impulsströmmen utan för stor spänningsfall.

Likpotentialjordning mellan DC-jorden, AC-jorden och den strukturella jorden för PV-monteringssystemet är avgörande för att förhindra jordpotentialhöjning vid en överspänningshändelse. När olika delar av systemet har olika jordpotentialer under en transient kan spänningsdifferensen mellan dem skada utrustningen även om varje enskild överspännings skyddsanordning fungerar korrekt. Ett enhetligt, lågimpedans jordningssystem eliminerar denna risk.

Övervakning och underhåll av installerade enheter

En överspännings skyddsenhet är en förbrukningsartikel som ger skydd. Varje gång den absorberar en överspänning försämras dess skyddskapacitet något. Efter en kraftig åskåverkan eller en serie mindre överspänningar kan enheten ha nått slutet på sin livslängd och behöva ersättas. De flesta moderna överspännings skyddsenheter produkter innehåller en visuell statusindikator, vanligtvis ett fönster som ändrar färg eller en flagga som faller ner, för att signalera när enheten har försämrats och behöver ersättas.

Att inkludera kontroller av överspänningsskyddens status i den regelbundna underhållsschemat för PV-systemet är en enkel men ofta översehen praktik. En kvartalsvis visuell inspektion av alla installerade enheter, kombinerad med en inspektion efter storm om det skett någon betydande åskaktivitet i området, säkerställer att skyddet förblir aktivt. Vissa avancerade modeller av överspänningsskydd inkluderar fjärrövervakningskontakter som kan anslutas till systemets SCADA- eller övervakningsplattform, vilket möjliggör automatiska varningar när en enhet behöver bytas ut.

Ett nedbrutet överspänningskydd bör bytas ut omedelbart. Att driva ett PV-system med ett felaktigt överspänningskydd på antingen AC- eller DC-sidan lämnar växelriktaren och den tillhörande utrustningen fullständigt oskyddade mot nästa transient händelse. Med tanke på den relativt låga kostnaden för ett överspänningskydd jämfört med kostnaden för att byta ut en växelriktare eller systemnedstopp är tidig underhåll en enkel ekonomisk beslut.

Välja rätt överspänningsskydd för PV-applikationer

Viktiga elektriska parametrar att utvärdera

Att välja rätt överspänningsskydd för en PV-applikation kräver att flera viktiga elektriska parametrar utvärderas. Den maximala kontinuerliga driftspänningen för enheten måste överstiga den högsta spänning som kommer att förekomma över dess anslutningar under normala driftförhållanden, inklusive eventuell nätspänningsvariation. För DC-sidaenheter innebär detta att ta hänsyn till den maximala öppen-krets-spänningen för PV-arrangen vid den lägsta förväntade omgivningstemperaturen, eftersom PV-modulens spänning ökar när temperaturen sjunker.

Den nominella utsläppströmmen och den maximala stötpulsströmmen avgör hur mycket överspänningsenergi överspännings skyddsanordningen kan hantera. Dessa värden bör anpassas till klassificeringen av belysnings skydds zonen för installationsplatsen, vilken bestäms av den lokala åsknedslagsfrekvensen i marken och de fysiska egenskaperna hos byggnaden. En överspännings skyddsanordning med en stötpulsströmmen på 40 kA ger en högre säkerhetsmarginal än en anordning med 20 kA och är lämplig för exponerade platser eller installationer med högt värde.

Spännningsskyddsnivån för överspännings skyddsanordningen, uttryckt i kilovolt, anger den maximala spänningen som uppstår över anordningens terminaler under en standardiserad överspänningsprovning. Detta värde måste vara lägre än impulshållfastheten för den utrustning som ska skyddas. För PV-omvandlare anges vanligtvis impulshållfastheten för likströmsingången i produktens datablad, och överspännings skyddsanordningen måste väljas så att dess skyddsnivå ger en tillräcklig marginal under detta värde.

Krav på efterlevnad och certifiering

För PV-applikationer bör överspänningsavledaren uppfylla IEC 61643-11 för AC-sidaenheter och IEC 61643-31 för DC-sidaenheter. Dessa standarder definierar provningsmetoder, prestandakrav och märkningskrav för överspänningsavledare som används i lågspänningskraftsystem respektive PV-installationer. Överensstämmelse med dessa standarder säkerställer att enheten har testats och verifierats oberoende för att fungera enligt angivna specifikationer under standardiserade överspänningsförhållanden.

Utöver överensstämmelse med IEC kräver många marknader och projektspecifikationer CE-märkning och TÜV-certifiering för överspänningsavledarprodukter som används i PV-system. Dessa certifieringar ger ytterligare garanti för produktkvalitet och tillverkningskonsekvens. När man specificerar en överspänningsavledare för ett kommersiellt eller storskaligt PV-projekt är det ett viktigt steg i inköpsprocessen att verifiera att produkten har de lämpliga certifieringarna för den avsedda marknaden.

Vissa elnätsoperatörer och försäkringsbolag har specifika krav på installation av överspännings skyddsanordningar i nätanslutna PV-system. Att granska dessa krav tidigt i designprocessen säkerställer att den valda överspännings skyddsanordningen uppfyller alla tillämpliga standarder och att installationsmetoden överensstämmer med lokala elkodex. Installationer som inte uppfyller kraven kan stöta på problem vid godkännande av nätanslutning eller vid försäkringsanspråk efter en skada orsakad av överspänning.

Vanliga frågor

Behöver jag en överspännings skyddsanordning både på AC- och DC-sidan av mitt PV-system?

Ja. Överspänningar kan komma in i ett PV-system från båda riktningarna – från arraysidan vid åskväder eller från nätanslutningssidan vid växlingsstörningar. Att installera en överspännings skyddsenhet endast på ena sidan lämnar växelriktaren och den tillhörande utrustningen oskyddade mot störningar från den oskyddade sidan. En komplett skyddstrategi kräver en överspännings skyddsenhet vid DC-kombinatorn eller vid växelriktarens DC-ingång samt en annan vid växelriktarens AC-utgång eller huvudcentralen.

Vilken spänningsklass bör jag välja för en överspännings skyddsenhet på DC-sidan?

Överspännings skyddsanordningen måste ha en maximal kontinuerlig driftsspänning som överstiger den maximala öppen-krets-spänningen för PV-arrayen under de kallaste förväntade temperaturförhållandena. För system som är utformade för drift vid 1000 V DC krävs en överspännings skyddsanordning med en märkspänning på 1000 V DC eller högre. För 1500 V DC-system måste en anordning med märkspänning 1500 V DC användas. Lägg alltid till en säkerhetsmarginal ovanför den beräknade maximala arrayspänningen vid val av anordningens märkspänning.

Hur ofta bör jag inspektera eller byta ut en överspännings skyddsanordning i en PV-installation?

En visuell inspektion av alla installerade överspännings skyddsenheter bör utföras minst kvartalsvis och efter varje betydande åskaktivitet i området. De flesta enheter inkluderar en statusindikator som förändrar sitt utseende när enheten har försämrats. Alla överspännings skyddsenheter som visar felindikation bör omedelbart bytas ut. Även utan synlig försämring kan enheter i områden med hög åskaktivitet dra nytta av att bytas ut vart femte till sjunde år som en förebyggande åtgärd.

Kan jag använda en standard AC-överspännings skyddsenhet på DC-sidan av ett PV-system?

Nej. Standard AC överspännings skyddsanordningar är inte lämpliga för DC-användning. DC-kretsar har ingen naturlig ström-nollgenomgång, vilket innebär att om en överspännings skyddsanordning börjar leda måste den aktivt avbryta följströmmen för att undvika en varaktig båge. Överspännings skyddsanordningar som är godkända för DC är särskilt utformade med bågsläckningsmekanismer och komponenter som är dimensionerade för DC-spänning och DC-ström. Att använda en AC-anordning i en DC-krets skapar en allvarlig brand- och säkerhetsrisk.