จะรวมอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากทั้งที่ด้าน AC และด้าน DC ของระบบพลังงานแสงอาทิตย์ได้อย่างไร?

การผสานรวม อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก การติดตั้งระบบพลังงานแสงอาทิตย์ไม่ใช่เพียงแค่เสียบชิ้นส่วนเข้าไปแล้วดำเนินการต่อไปอย่างง่ายดาย แต่จำเป็นต้องใช้วิธีการที่มีความรอบคอบและอาศัยหลักวิศวกรรม โดยคำนึงถึงลักษณะทางไฟฟ้าเฉพาะของทั้งฝั่งกระแสสลับ (AC) และฝั่งกระแสตรง (DC) ของระบบ การเกิดแรงดันชั่วคราวจากฟ้าผ่า แรงดันกระชากจากการเปิด-ปิดวงจร และความผิดปกติของระบบจ่ายไฟฟ้า ล้วนสามารถก่อให้เกิดแรงดันสูงแบบชั่วคราวซึ่งเดินทางผ่านระบบและทำลายอุปกรณ์ต่างๆ เช่น อินเวอร์เตอร์ กล่องรวมสาย (combiner boxes) อุปกรณ์ตรวจสอบระบบ (monitoring equipment) รวมถึงโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์เองด้วย หากไม่มีการติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกิน (surge protection device) อย่างเหมาะสมทั้งสองฝั่ง แม้เพียงเหตุการณ์แรงดันชั่วคราวเพียงครั้งเดียว ก็อาจส่งผลให้เกิดเวลาหยุดทำงานที่สูญเสียค่าใช้จ่ายสูงและต้องเปลี่ยนอุปกรณ์ใหม่

บทความนี้อธิบายตรรกะการรวมระบบอย่างสมบูรณ์สำหรับการติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชาก (surge protection device) ทั้งในส่วนของสายไฟกระแสตรง (DC string) และส่วนของอาร์เรย์ (array side) รวมถึงส่วนของการเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้ากระแสสลับ (AC grid-connection side) ของระบบพลังงานแสงอาทิตย์ (PV system) ไม่ว่าคุณจะออกแบบติดตั้งบนหลังคาสำหรับอาคารพาณิชย์ หรือโครงการติดตั้งแบบติดพื้นขนาดใหญ่ระดับสาธารณูปโภค การเข้าใจว่าควรติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากแต่ละตัวที่ตำแหน่งใด วิธีเลือกสเปกที่เหมาะสม และวิธีเดินสายไฟและบำรุงรักษาส่วนประกอบเหล่านี้อย่างถูกต้อง ล้วนมีความสำคัญยิ่งต่อความน่าเชื่อถือของระบบในระยะยาว คำแนะนำที่ให้ไว้ที่นี่อิงจากประสบการณ์วิศวกรรมภาคสนามจริง และสอดคล้องกับมาตรฐาน IEC 61643 และ IEC 62305 ซึ่งควบคุมด้านการป้องกันแรงดันกระชากในสภาพแวดล้อมระบบพลังงานแสงอาทิตย์

การเข้าใจความเสี่ยงจากแรงดันกระชากในระบบพลังงานแสงอาทิตย์

เหตุใดระบบพลังงานแสงอาทิตย์จึงมีความเปราะบางต่อแรงดันกระชากเป็นพิเศษ

ระบบพลังงานแสงอาทิตย์ถูกติดตั้งไว้กลางแจ้งอย่างต่อเนื่อง จึงมีความเสี่ยงโดยธรรมชาติต่อฟ้าผ่าและเหตุการณ์การปล่อยประจุจากชั้นบรรยากาศ สายเคเบิลที่มีความยาวระหว่างแผงเซลล์แสงอาทิตย์ (PV arrays) กับอินเวอร์เตอร์ทำหน้าที่คล้ายเสาอากาศ ดักจับพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นแบบเหนี่ยวนำจากฟ้าผ่าที่เกิดใกล้เคียง แม้จะไม่มีฟ้าผ่าลงมาโดยตรงก็ตาม พลังงานที่เหนี่ยวนำนี้จะเดินทางเป็นแรงดันเกินชั่วคราว (transient overvoltage) ไปตามสายเคเบิลกระแสตรง (DC cabling) จากโมดูล และสายเคเบิลกระแสสลับ (AC cabling) ไปยังจุดเชื่อมต่อกับระบบจำหน่ายไฟฟ้า

บนฝั่งกระแสตรง (DC side) แรงดันวงจรเปิดของสายโซ่เซลล์แสงอาทิตย์ (PV string) อาจมีค่าสูงถึงหลายร้อยโวลต์แล้วภายใต้สภาวะมาตรฐาน เมื่อแรงดันเกินชั่วคราว (transient) เกิดซ้อนทับกับแรงดันพื้นฐานนี้ แรงดันรวมที่เกิดขึ้นอาจสูงเกินขีดความสามารถในการทนแรงดันของส่วนรับเข้าอินเวอร์เตอร์ ไดโอดบายพาส และ กล่องแยก ชิ้นส่วนต่างๆ บนด้าน AC การสลับการทำงานของระบบจ่ายไฟฟ้า การทำงานของธนาคารตัวเก็บประจุ (capacitor bank) และข้อบกพร่องของระบบสาธารณูปโภค จะก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนแบบพุ่งสูงอย่างรวดเร็ว ซึ่งอาจทำลายขั้นตอนเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์ และอุปกรณ์วัดค่าหรืออุปกรณ์สื่อสารที่เชื่อมต่ออยู่

อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชาก (surge protection device) ที่เลือกและติดตั้งอย่างเหมาะสมบนแต่ละด้าน จะดักจับสัญญาณรบกวนเหล่านี้ก่อนที่จะถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไวต่อการรบกวน อุปกรณ์ดังกล่าวจะควบคุมระดับแรงดันให้อยู่ในขอบเขตที่ปลอดภัย และเบี่ยงเบนกระแสแรงดันกระชากไปยังสายดิน เพื่อปกป้องอุปกรณ์ที่อยู่ด้านหลัง หากไม่มีชั้นการป้องกันนี้ แม้สัญญาณรบกวนระดับปานกลางก็อาจทำให้ฉนวนเสื่อมสภาพ เกิดการตัดวงจรโดยไม่จำเป็น หรือทำให้ชิ้นส่วนล้มเหลวทันที

ลักษณะของการได้รับแรงดันกระชากจากทั้งสองด้านในระบบพลังงานแสงอาทิตย์

หนึ่งในข้อผิดพลาดที่พบบ่อยที่สุดในการวางแผนการป้องกันแรงดันไฟฟ้ากระชาก (Surge Protection) สำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) คือ การมองว่าระบบมีจุดที่เปราะบางเพียงจุดเดียว ที่จริงแล้ว แรงดันไฟฟ้ากระชากสามารถเข้าสู่ระบบได้จากทั้งสองทิศทาง ตัวอย่างเช่น เหตุฟ้าผ่าใกล้แผงโซลาร์เซลล์จะทำให้พลังงานไหลเข้าสู่ฝั่งกระแสตรง (DC side) ในขณะที่ความผันผวนของกริด (grid disturbance) หรือการเปิด-ปิดโหลดอุตสาหกรรมบริเวณใกล้เคียง จะทำให้พลังงานไหลเข้าสู่ฝั่งกระแสสลับ (AC side) ดังนั้น ทั้งสองเส้นทางนี้จำเป็นต้องได้รับการป้องกันแยกจากกัน โดยต้องติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้ากระชาก (Surge Protection Device: SPD) แบบเฉพาะทางไว้ที่แต่ละตำแหน่ง

อินเวอร์เตอร์ตั้งอยู่ระหว่างสองฝั่งนี้ และถือเป็นชิ้นส่วนเดี่ยวที่มีราคาแพงที่สุดในระบบพลังงานแสงอาทิตย์ส่วนใหญ่ นอกจากนี้ยังเป็นชิ้นส่วนที่เปราะบางที่สุดด้วย เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังขับ (power electronics) ภายในทำงานใกล้กับขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าสูงสุดของมันในภาวะการใช้งานปกติ การติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้ากระชากที่ขั้วต่อกระแสตรง (DC input terminals) ของอินเวอร์เตอร์ และอีกหนึ่งชุดที่ขั้วต่อกระแสสลับ (AC output terminals) จะสร้าง 'เกราะป้องกัน' ล้อมรอบชิ้นส่วนสำคัญนี้ แนวทางการป้องกันทั้งสองฝั่งนี้จึงไม่ใช่เรื่องเสริม แต่เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับระบบที่ตั้งอยู่ในพื้นที่ที่มีความเสี่ยงสูงต่อฟ้าผ่า หรือสำหรับทุกระบบที่ค่าใช้จ่ายจากการหยุดให้บริการ (downtime costs) มีน้ำหนักมาก

การรวมอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากด้าน DC

การติดตั้งที่กล่องรวมสาย (String Combiner Box)

ตำแหน่งแรกและสำคัญที่สุดสำหรับอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากด้าน DC คือที่สาย (string) กล่องเครื่องรวม ซึ่งยังเรียกว่ากล่องรวมกระแสตรง (DC combiner) หรือกล่องเชื่อมต่ออาร์เรย์ (array junction box) ซึ่งเป็นจุดที่สายแผงเซลล์แสงอาทิตย์ (PV strings) หลายเส้นถูกรวมเข้าด้วยกัน ก่อนที่กระแสตรงรวมจะส่งไปยังอินเวอร์เตอร์ การติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากไว้ที่จุดนี้จะช่วยดักจับสัญญาณรบกวนแบบชั่วคราว (transients) ตั้งแต่จุดแรกสุดในวงจรด้าน DC จึงป้องกันไม่ให้สัญญาณรบกวนแพร่กระจายเข้าสู่ระบบต่อไป

สำหรับตำแหน่งนี้ อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากต้องมีค่าการจัดอันดับที่สอดคล้องกับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (DC) สูงสุดในสภาวะวงจรเปิดของอาร์เรย์ภายใต้อุณหภูมิที่เลวร้ายที่สุด สำหรับระบบที่ทำงานที่แรงดัน 1000 V DC อุปกรณ์ดังกล่าวต้องมีค่าการจัดอันดับแรงดันป้องกัน (Voltage Protection Rating) และแรงดันใช้งานต่อเนื่องสูงสุด (Maximum Continuous Operating Voltage) ซึ่งสูงกว่าค่านี้อย่างเพียงพอโดยไม่เกิดความตึงเครียด ค่าการจัดอันดับที่นิยมใช้ในการติดตั้งระบบพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) ระดับสาธารณูปโภคและเชิงพาณิชย์ ได้แก่ รุ่นที่รองรับแรงดัน 1000 V DC และ 1500 V DC โดยมีค่าการจัดอันดับกระแสแรงดันกระชาก (Impulse Current Rating) ที่ 20 kA หรือ 40 kA ขึ้นอยู่กับการจัดหมวดหมู่โซนการป้องกันฟ้าผ่า (Lightning Protection Zone Classification) ของสถานที่

อุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินที่กล่องรวมสาย (combiner box) ควรต่อเชื่อมระหว่างขั้วกระแสตรงแต่ละขั้วกับตัวนำดินเพื่อการป้องกัน (protective earth conductor) ในการจัดวางแบบสองขั้ว (two-pole configuration) หมายความว่า ต้องมีอุปกรณ์หนึ่งชิ้นต่อระหว่างรางบวกกับดิน และอีกหนึ่งชิ้นต่อระหว่างรางลบกับดิน บางระบบติดตั้งอาจใช้อุปกรณ์แบบสามขั้ว (three-pole) หรืออุปกรณ์แบบรวม (combined device) ซึ่งสามารถจัดการทั้งสองขั้วพร้อมกันได้ การเลือกใช้อุปกรณ์ขึ้นอยู่กับรูปแบบการต่อลงดินของระบบ (system grounding configuration) และการออกแบบเฉพาะของผลิตภัณฑ์อุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินนั้น

ตำแหน่งการติดตั้งที่ขาเข้ากระแสตรงของอินเวอร์เตอร์

แม้จะมีการติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชาก (surge protection device) ที่กล่องรวมสาย (combiner box) แล้ว ก็ยังแนะนำให้ติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากตัวที่สองที่ขั้วเข้ากระแสตรง (DC input terminals) ของอินเวอร์เตอร์อย่างยิ่งสำหรับระบบที่มีความยาวของสายไฟระหว่างกล่องรวมสายกับอินเวอร์เตอร์มาก การเหนี่ยวนำของสายไฟ (cable inductance) จะจำกัดประสิทธิภาพในการควบคุม (clamp) คลื่นแรงดันชั่วคราวที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว (fast-rising transient) ที่ขั้วอินเวอร์เตอร์โดยอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากที่ติดตั้งห่างออกไป แรงดันคงเหลือ (residual voltage) ที่ปรากฏที่ขั้วเข้าของอินเวอร์เตอร์หลังจากที่อุปกรณ์ในกล่องรวมสายทำงานแล้ว อาจยังสูงพอที่จะทำให้ตัวเก็บประจุขาเข้า (input capacitors) และโมดูล IGBT ของอินเวอร์เตอร์ได้รับความเครียด

อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากที่ติดตั้งที่ส่วนเข้ากระแสตรง (DC input) ของอินเวอร์เตอร์ทำหน้าที่เป็นแนวป้องกันขั้นที่สอง โดยจับพลังงานชั่วคราวที่เหลืออยู่ซึ่งไม่ได้ถูกดูดซับอย่างสมบูรณ์โดยอุปกรณ์ด้านต้นทาง แนวทางแบบลำดับชั้นนี้ ซึ่งบางครั้งเรียกว่า ระบบการประสานงานแบบ Type 1 ร่วมกับ Type 2 เป็นแนวทางปฏิบัติมาตรฐานในโครงการติดตั้งแผงเซลล์แสงอาทิตย์ (PV) ที่ออกแบบมาอย่างดี อุปกรณ์ที่ติดตั้งที่ส่วนเข้าของอินเวอร์เตอร์มักเป็นอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากแบบ Type 2 ที่มีค่ากระแสปล่อย (discharge current rating) ต่ำกว่า เนื่องจากอุปกรณ์ด้านต้นทางได้ดูดซับพลังงานแรงดันกระชากส่วนใหญ่ไปแล้ว

การเดินสายอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากฝั่งกระแสตรง (DC-side surge protection device) อย่างถูกต้องนั้นมีความสำคัญยิ่ง สายเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์กับบัสกระแสตรง (DC bus) ควรสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ โดยอุดมคติคือไม่เกิน 50 ซม. เพื่อลดแรงดันตกเชิงเหนี่ยวนำ (inductive voltage drop) ซึ่งจะเพิ่มเข้าไปยังแรงดันจำกัด (clamping voltage) ที่อินเวอร์เตอร์รับรู้ การใช้ความยาวสายเชื่อมต่อให้สั้นที่สุดและหลีกเลี่ยงการโค้งงอสายโดยไม่จำเป็น คือมาตรการเชิงปฏิบัติที่ช่วยยกระดับประสิทธิภาพของการติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากได้อย่างมาก

การรวมอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากด้าน AC

การติดตั้งที่เอาต์พุต AC ของอินเวอร์เตอร์

บนด้าน AC ตำแหน่งหลักสำหรับอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากคือที่เอาต์พุต AC ของอินเวอร์เตอร์ โดยทั่วไปจะติดตั้งอยู่ภายในหรือใกล้เคียงกับแผงตัดวงจร AC หรือแผงรวม (combiner panel) ตำแหน่งนี้ช่วยปกป้องขั้นตอนเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์จากสัญญาณรบกวนแบบชั่วคราวที่เข้ามาจากโครงข่ายไฟฟ้า และยังช่วยปกป้องอุปกรณ์ตรวจสอบ วัดค่า หรือสื่อสารใดๆ ที่เชื่อมต่อกับบัส AC ที่จุดนี้ด้วย

อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากที่เลือกใช้ด้าน AC ต้องมีค่าแรงดัน AC ที่ระบุไว้ตามระบบ ซึ่งโดยทั่วไปคือ 230 V แบบเฟสเดียว หรือ 400 V แบบสามเฟส สำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์เชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ อุปกรณ์ดังกล่าวต้องสามารถใช้งานร่วมกับความถี่ของโครงข่ายไฟฟ้าได้ด้วย และต้องมีแรงดันทำงานต่อเนื่องสูงสุดที่สามารถรองรับการเปลี่ยนแปลงของแรงดันโครงข่ายในภาวะปกติได้ สำหรับระบบสามเฟส จะต้องใช้อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากแบบสามขั้วหรือสี่ขั้ว ซึ่งครอบคลุมตัวนำเฟสทั้งหมดและสายกลาง

ค่ากระแสไฟฟ้าชั่วคราวสูงสุด (impulse current rating) ของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากที่ด้าน AC ควรเลือกตามโซนการป้องกันฟ้าผ่าและระยะทางจากจุดเข้าระบบหลัก สำหรับการใช้งานด้านเอาต์พุต AC ของระบบพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) ส่วนใหญ่ อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากแบบ Type 2 ที่มีค่ากระแสไฟฟ้าชั่วคราวสูงสุด 20 kA หรือ 40 kA เหมาะสมที่สุด อย่างไรก็ตาม หากติดตั้งในพื้นที่ที่มีความเสี่ยงสูงต่อฟ้าผ่า หรือหากสายเคเบิล AC ที่เชื่อมไปยังแผงสวิตช์บอร์ดหลักมีความยาวมาก อาจจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากแบบ Type 1 ที่มีค่ากระแสไฟฟ้าชั่วคราวสูงสุดสูงกว่าที่ระดับแผงสวิตช์บอร์ดหลัก

การติดตั้งที่แผงสวิตช์บอร์ด AC หลัก หรือจุดเชื่อมร่วม (Point of Common Coupling)

สำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) ขนาดใหญ่ที่จ่ายพลังงานเข้าสู่แผงสวิตช์บอร์ดหลัก หรือจุดเชื่อมร่วม (point of common coupling) ร่วมกับโหลดอื่นๆ การติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากเพิ่มเติมที่ระดับแผงสวิตช์บอร์ดจะให้การป้องกันทั่วทั้งระบบ อุปกรณ์นี้ทำหน้าที่จัดการกับแรงดันกระชากที่เข้ามาจากฝั่งโครงข่ายไฟฟ้าสาธารณูปโภค และป้องกันไม่ให้แรงดันกระชากเหล่านั้นเดินทางไปยังอินเวอร์เตอร์เท่านั้น แต่ยังป้องกันไม่ให้ไปถึงโหลดที่ไวต่อแรงดันกระชากอื่นๆ ที่เชื่อมต่อกับแผงสวิตช์บอร์ดเดียวกันด้วย

การประสานงานระหว่างอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากที่เอาต์พุต AC ของอินเวอร์เตอร์ กับอุปกรณ์ที่แผงควบคุมหลักนั้นใช้หลักการแบบลำดับขั้น (cascaded logic) เหมือนกับฝั่ง DC อุปกรณ์ระดับแผงควบคุม ซึ่งโดยทั่วไปเป็นอุปกรณ์ประเภทที่ 1 หรืออุปกรณ์แบบรวมประเภทที่ 1 และประเภทที่ 2 จะรับมือกับแรงดันกระชากพลังงานสูงในระยะแรก ในขณะที่อุปกรณ์ระดับอินเวอร์เตอร์จะจัดการกับพลังงานที่เหลืออยู่ การออกแบบแบบชั้นซ้อนนี้ทำให้ไม่มีอุปกรณ์ใดอุปกรณ์หนึ่งต้องรับภาระเกินขีดจำกัด และยังคงให้การป้องกันที่มีประสิทธิภาพได้ในช่วงกว้างของขนาดและรูปคลื่นของแรงดันกระชาก

เมื่อเลือกอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกิน (surge protection device) สำหรับแผงควบคุมหลัก (main switchboard) จะต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าระดับแรงดันป้องกันของอุปกรณ์สอดคล้องกับแรงดันทนต่อการกระแทก (impulse withstand voltage) ของอินเวอร์เตอร์และอุปกรณ์อื่นๆ ที่เชื่อมต่ออยู่ ระดับการป้องกันของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันเกินจะต้องต่ำกว่าแรงดันทนต่อการกระแทกของอุปกรณ์ เพื่อให้มั่นใจว่าอุปกรณ์จะจำกัด (clamp) แรงดันชั่วคราวก่อนที่จะก่อให้เกิดความเสียหาย ขั้นตอนการตรวจสอบความสอดคล้องนี้เป็นข้อกำหนดบังคับในทุกการออกแบบระบบป้องกันแรงดันเกินสำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) แบบมืออาชีพ

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการต่อกราวด์ การเดินสายไฟ และการติดตั้ง

บทบาทของระบบกราวด์ที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำ

อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากสามารถทำหน้าที่ได้อย่างมีประสิทธิภาพได้ก็ต่อเมื่อมีเส้นทางการต่อพื้นที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำ ซึ่งจะช่วยให้สามารถเบี่ยงเบนกระแสแรงดันกระชากออกไปได้ ดังนั้น ระบบต่อพื้นของระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) จึงมีความสำคัญไม่แพ้อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากเอง ถ้าการต่อพื้นมีความต้านทานสูง หรือการเชื่อมต่อระหว่างชิ้นส่วนต่าง ๆ ไม่ดีพอ จะทำให้เกิดแรงดันสูงขึ้นที่ขั้วต่อของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากขณะทำงาน ส่งผลให้ประสิทธิภาพในการป้องกันลดลง และอาจทำให้แรงดันที่เป็นอันตรายรุ่นถึงอุปกรณ์ที่อยู่ภายใต้การป้องกันได้

สำหรับการติดตั้งแผงเซลล์แสงอาทิตย์ (PV) ระบบต่อพื้นดินควรมีขั้วต่อพื้นดินเฉพาะที่ตำแหน่งของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งต้องเชื่อมต่อกับโครงสร้างที่ใช้ยึดแผงเซลล์แสงอาทิตย์ และเชื่อมต่อกับขั้วต่อพื้นดินของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากฝั่งกระแสตรง (DC-side surge protection device) ส่วนอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากฝั่งกระแสสลับ (AC-side surge protection device) ควรเชื่อมต่อกับสายนำส่งกระแสไฟฟ้าเพื่อการป้องกันหลัก (main protective earth conductor) ของอาคารหรือสถานที่ทั้งหมด การต่อพื้นดินทุกจุดควรใช้สายนำไฟฟ้าที่มีขนาดเหมาะสม โดยทั่วไปมีขนาดอย่างน้อย 6 มม.² หรือใหญ่กว่านั้น สำหรับสายนำส่งกระแสไฟฟ้าจากอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชาก เพื่อให้สามารถรองรับกระแสไฟฟ้าแบบฉับพลันได้โดยไม่เกิดการตกของแรงดันมากเกินไป

การเชื่อมต่อให้ศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน (Equipotential bonding) ระหว่างระบบต่อพื้นดินฝั่งกระแสตรง (DC ground) ระบบต่อพื้นดินฝั่งกระแสสลับ (AC ground) และระบบต่อพื้นดินของโครงสร้างที่ใช้ยึดแผงเซลล์แสงอาทิตย์ (structural ground of the PV mounting system) เป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการเพิ่มขึ้นของศักย์พื้นดิน (ground potential rise) ขณะเกิดเหตุการณ์แรงดันกระชาก หากส่วนต่าง ๆ ของระบบมีศักย์พื้นดินไม่เท่ากันในช่วงเวลาที่เกิดการเปลี่ยนแปลงทางไฟฟ้าชั่วคราว (transient) ความต่างศักย์ระหว่างส่วนต่าง ๆ เหล่านั้นอาจทำให้อุปกรณ์เสียหายได้ แม้ว่าอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากแต่ละตัวจะทำงานได้ตามปกติก็ตาม ระบบต่อพื้นดินที่รวมเป็นหนึ่งเดียวและมีค่าความต้านทานต่ำ (unified, low-impedance ground system) จะช่วยกำจัดความเสี่ยงนี้ได้อย่างสมบูรณ์

การตรวจสอบและบำรุงรักษาอุปกรณ์ที่ติดตั้งแล้ว

อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากเป็นส่วนประกอบป้องกันแบบสิ้นเปลือง ทุกครั้งที่อุปกรณ์ดูดซับเหตุการณ์แรงดันกระชาก มันจะสูญเสียความสามารถในการป้องกันบางส่วนไป หลังจากเกิดฟ้าผ่าครั้งรุนแรง หรือเกิดแรงดันกระชากขนาดเล็กซ้ำๆ กันหลายครั้ง อุปกรณ์อาจถึงจุดสิ้นสุดอายุการใช้งาน และจำเป็นต้องเปลี่ยนใหม่ อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากสมัยใหม่ส่วนใหญ่ ผลิตภัณฑ์ มีตัวบ่งชี้สถานะแบบมองเห็นได้ ซึ่งโดยทั่วไปเป็นหน้าต่างที่เปลี่ยนสี หรือธงที่ตกลงมา เพื่อแจ้งให้ทราบว่าอุปกรณ์เสื่อมสภาพแล้วและจำเป็นต้องเปลี่ยนใหม่

การรวมการตรวจสอบสถานะของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้ากระชาก (Surge Protection Device) เข้าไว้ในตารางการบำรุงรักษาปกติของระบบพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) เป็นแนวทางปฏิบัติที่เรียบง่ายแต่มักถูกมองข้ามบ่อยครั้ง การตรวจสอบด้วยสายตาทุกไตรมาสสำหรับอุปกรณ์ที่ติดตั้งทั้งหมด ร่วมกับการตรวจสอบหลังเกิดพายุ โดยเฉพาะหลังจากมีฟ้าผ่าอย่างรุนแรงในพื้นที่ จะช่วยให้มั่นใจได้ว่าระบบป้องกันยังคงทำงานอย่างมีประสิทธิภาพ ทั้งนี้ อุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้ากระชากรุ่นขั้นสูงบางรุ่นมาพร้อมช่องต่อการตรวจสอบระยะไกล (remote monitoring contacts) ซึ่งสามารถเดินสายเข้ากับระบบ SCADA หรือแพลตฟอร์มการตรวจสอบของระบบ เพื่อแจ้งเตือนโดยอัตโนมัติเมื่ออุปกรณ์จำเป็นต้องเปลี่ยนใหม่

การเปลี่ยนอุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้ากระชากที่เสื่อมสภาพควรดำเนินการทันที เมื่อระบบพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) ยังคงใช้งานต่อไปท่ามกลางอุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้ากระชากที่เสียหายแล้ว ไม่ว่าจะอยู่ฝั่ง AC หรือ DC ก็ตาม จะทำให้เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า (inverter) และอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องทั้งหมดอยู่ในภาวะเสี่ยงต่อเหตุการณ์แรงดันไฟฟ้าชั่วคราว (transient event) ครั้งต่อไปอย่างเต็มที่ เนื่องจากราคาของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันไฟฟ้ากระชากนั้นค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า (inverter) หรือความเสียหายจากการหยุดทำงานของระบบ การบำรุงรักษาอย่างทันท่วงทีจึงถือเป็นการตัดสินใจเชิงเศรษฐศาสตร์ที่ชัดเจน

การเลือกอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานในระบบพลังงานแสงอาทิตย์ (PV)

พารามิเตอร์ทางไฟฟ้าหลักที่ต้องประเมิน

การเลือกอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากที่ถูกต้องสำหรับการใช้งานในระบบพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) จำเป็นต้องประเมินพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าหลักหลายประการ แรงดันทำงานต่อเนื่องสูงสุดของอุปกรณ์จะต้องสูงกว่าแรงดันสูงสุดที่จะปรากฏข้ามขั้วของอุปกรณ์ภายใต้สภาวะการใช้งานปกติ รวมถึงความคลาดเคลื่อนของแรงดันระบบจ่ายไฟฟ้าด้วย สำหรับอุปกรณ์ที่ติดตั้งฝั่งกระแสตรง (DC-side devices) หมายความว่าต้องคำนึงถึงแรงดันวงจรเปิดสูงสุดของอาร์เรย์เซลล์แสงอาทิตย์ที่อุณหภูมิแวดล้อมต่ำสุดที่คาดว่าจะเกิดขึ้น เนื่องจากแรงดันของโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์จะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลง

กระแสไฟฟ้าที่ปล่อยออกตามค่าที่ระบุ (nominal discharge current) และค่ากระแสสูงสุดที่สามารถรับได้จากคลื่นกระชาก (maximum impulse current) กำหนดปริมาณพลังงานจากคลื่นกระชากที่อุปกรณ์ป้องกันคลื่นกระชากสามารถรองรับได้ ค่าเหล่านี้ควรสอดคล้องกับการจัดหมวดหมู่โซนการป้องกันฟ้าผ่า (lightning protection zone classification) ของสถานที่ติดตั้ง ซึ่งพิจารณาจากความหนาแน่นของการเกิดฟ้าผ่าลงพื้นดินในพื้นที่นั้น (lightning ground flash density) และลักษณะทางกายภาพของโครงสร้าง อุปกรณ์ป้องกันคลื่นกระชากที่มีค่ากระแสสูงสุดที่สามารถรับได้จากคลื่นกระชากเท่ากับ 40 kA จะให้ขอบเขตความปลอดภัยที่สูงกว่าอุปกรณ์ที่มีค่า 20 kA และเหมาะสมสำหรับสถานที่ที่เปิดรับสภาพแวดล้อมภายนอกหรือสถานที่ที่มีมูลค่าสูง

ระดับการป้องกันแรงดันของอุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่า ซึ่งแสดงเป็นหน่วยกิโลโวลต์ หมายถึงแรงดันสูงสุดที่จะปรากฏระหว่างขั้วต่อของอุปกรณ์ในระหว่างการทดสอบแรงดันกระชากตามมาตรฐาน ค่านี้จะต้องต่ำกว่าแรงดันทนต่อคลื่นแรงดันกระชาก (impulse withstand voltage) ของอุปกรณ์ที่ต้องการป้องกัน สำหรับอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ (PV inverter) แรงดันทนต่อคลื่นแรงดันกระชากที่ขาเข้ากระแสตรง (DC input impulse withstand voltage) มักระบุไว้ในเอกสารข้อมูลจำเพาะของผลิตภัณฑ์ (product datasheet) และอุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่าจะต้องเลือกให้มีระดับการป้องกันที่ต่ำกว่าค่านี้อย่างเพียงพอ เพื่อให้มีระยะความปลอดภัยที่เหมาะสม

มาตรฐานความสอดคล้องและข้อกำหนดด้านการรับรอง

สำหรับการใช้งานในระบบพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากควรสอดคล้องตามมาตรฐาน IEC 61643-11 สำหรับอุปกรณ์ด้าน AC และมาตรฐาน IEC 61643-31 สำหรับอุปกรณ์ด้าน DC มาตรฐานเหล่านี้กำหนดวิธีการทดสอบ ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ และข้อกำหนดด้านการติดเครื่องหมายสำหรับอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากที่ใช้ในระบบไฟฟ้าแรงต่ำและระบบติดตั้งพลังงานแสงอาทิตย์ตามลำดับ การสอดคล้องตามมาตรฐานเหล่านี้รับรองว่าอุปกรณ์นั้นผ่านการทดสอบและตรวจสอบอย่างเป็นอิสระแล้วว่าสามารถทำงานได้ตามที่ระบุไว้ภายใต้สภาวะแรงดันกระชากที่กำหนดมาตรฐาน

นอกเหนือจากการสอดคล้องตามมาตรฐาน IEC แล้ว หลายตลาดและข้อกำหนดของโครงการยังกำหนดให้อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากที่ใช้ในระบบพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) ต้องมีเครื่องหมาย CE และใบรับรอง TUV ซึ่งใบรับรองเหล่านี้ให้หลักประกันเพิ่มเติมเกี่ยวกับคุณภาพของผลิตภัณฑ์และความสม่ำเสมอในการผลิต เมื่อกำหนดรายละเอียดอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากสำหรับโครงการพลังงานแสงอาทิตย์เชิงพาณิชย์หรือโครงการขนาดใหญ่ระดับสาธารณูปโภค การตรวจสอบว่าผลิตภัณฑ์มีใบรับรองที่เหมาะสมสำหรับตลาดเป้าหมายนั้นถือเป็นขั้นตอนสำคัญหนึ่งในกระบวนการจัดซื้อจัดจ้าง

ผู้ให้บริการระบบส่งไฟฟ้าบางรายและบริษัทประกันภัยบางแห่งมีข้อกำหนดเฉพาะสำหรับการติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากในระบบพลังงานแสงอาทิตย์แบบเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า ดังนั้น การตรวจสอบข้อกำหนดเหล่านี้ตั้งแต่ระยะเริ่มต้นของกระบวนการออกแบบจะช่วยให้มั่นใจได้ว่า อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากที่เลือกใช้นั้นสอดคล้องกับมาตรฐานที่เกี่ยวข้องทั้งหมด และวิธีการติดตั้งนั้นเป็นไปตามข้อบังคับด้านไฟฟ้าท้องถิ่น ทั้งนี้ การติดตั้งที่ไม่สอดคล้องกับข้อกำหนดอาจก่อให้เกิดปัญหาในระหว่างขั้นตอนการอนุมัติการเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า หรือในการยื่นขอรับค่าสินไหมทดแทนจากบริษัทประกันภัยหลังเหตุการณ์ความเสียหายจากแรงดันกระชาก

คำถามที่พบบ่อย

ฉันจำเป็นต้องติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากทั้งฝั่ง AC และฝั่ง DC ของระบบพลังงานแสงอาทิตย์ของฉันหรือไม่?

ใช่ คลื่นแรงดันกระชากสามารถเข้าสู่ระบบพลังงานแสงอาทิตย์ได้จากทั้งสองทิศทาง — จากฝั่งอาร์เรย์ในระหว่างเหตุฟ้าผ่า หรือจากฝั่งโครงข่ายไฟฟ้าในระหว่างการเปลี่ยนสถานะของอุปกรณ์สวิตช์ ซึ่งการติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากเพียงฝั่งเดียวจะทำให้อินเวอร์เตอร์และอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องเสี่ยงต่อแรงดันกระชากจากฝั่งที่ไม่มีการป้องกัน การดำเนินกลยุทธ์การป้องกันอย่างสมบูรณ์จำเป็นต้องติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากที่ตู้รวมกระแสตรง (DC combiner) หรือที่ขาเข้ากระแสตรงของอินเวอร์เตอร์ และอีกหนึ่งชุดที่ขาออกกระแสสลับของอินเวอร์เตอร์ หรือที่แผงควบคุมหลัก

ควรเลือกอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากฝั่งกระแสตรง (DC-side) ที่มีค่าแรงดันกำหนดไว้เท่าใด?

อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากต้องมีค่าแรงดันใช้งานต่อเนื่องสูงสุดที่สูงกว่าแรงดันวงจรเปิดสูงสุดของอาร์เรย์พลังงานแสงอาทิตย์ภายใต้สภาวะอุณหภูมิต่ำสุดที่คาดการณ์ได้ สำหรับระบบที่ออกแบบให้ทำงานที่ 1000 V DC จะต้องใช้อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากที่มีค่าจัดอันดับอย่างน้อย 1000 V DC หรือสูงกว่า สำหรับระบบที่ใช้แรงดัน 1500 V DC จะต้องใช้อุปกรณ์ที่มีค่าจัดอันดับที่ 1500 V DC เสมอ ทั้งนี้ ควรเพิ่มค่าความปลอดภัย (Safety Margin) ไว้เหนือค่าแรงดันสูงสุดที่คำนวณได้ของอาร์เรย์เมื่อเลือกค่าจัดอันดับของอุปกรณ์

ฉันควรตรวจสอบหรือเปลี่ยนอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากในระบบพลังงานแสงอาทิตย์บ่อยแค่ไหน?

ควรตรวจสอบด้วยสายตาทุกหน่วยของอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากที่ติดตั้งไว้เป็นระยะอย่างน้อยทุกสามเดือน และหลังจากเกิดฟ้าผ่าอย่างรุนแรงในพื้นที่นั้นๆ ทั้งนี้ อุปกรณ์ส่วนใหญ่จะมีตัวบ่งชี้สถานะซึ่งจะเปลี่ยนลักษณะภายนอกเมื่ออุปกรณ์เสื่อมประสิทธิภาพแล้ว สำหรับอุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากใดๆ ที่แสดงสัญญาณข้อบกพร่อง ควรเปลี่ยนทดแทนทันที แม้ไม่มีการเสื่อมสภาพที่มองเห็นได้ แต่อุปกรณ์ที่ติดตั้งในพื้นที่ที่มีฟ้าผ่าบ่อยอาจจำเป็นต้องเปลี่ยนทดแทนทุก 5–7 ปี เพื่อการป้องกันเชิงรุก

ฉันสามารถใช้อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากแบบ AC มาตรฐานกับด้าน DC ของระบบพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) ได้หรือไม่?

ไม่ได้ ผลิตภัณฑ์อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากแบบมาตรฐานสำหรับกระแสสลับ (AC) ไม่เหมาะสมสำหรับการใช้งานกับกระแสตรง (DC) เนื่องจากวงจรกระแสตรงไม่มีจุดที่ค่ากระแสผ่านศูนย์ตามธรรมชาติ ซึ่งหมายความว่า เมื่ออุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากเริ่มนำกระแสแล้ว จะต้องตัดกระแสตามหลัง (follow current) อย่างแข้งขันเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดอาร์กที่คงอยู่ต่อเนื่อง อุปกรณ์ป้องกันแรงดันกระชากที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับกระแสตรง (DC-rated) นั้นมีกลไกดับอาร์ก (arc-quenching mechanisms) และส่วนประกอบที่มีค่าการรับโหลดที่เหมาะสมกับลักษณะของแรงดันและกระแสไฟฟ้ากระแสตรง การใช้อุปกรณ์สำหรับกระแสสลับ (AC) กับวงจรกระแสตรงจึงก่อให้เกิดความเสี่ยงอย่างรุนแรงต่อการเกิดเพลิงไหม้และอันตรายต่อความปลอดภัย