Як інтегрувати захист від імпульсних перенапружень як на змінному, так і на постійному струмі в ФЕС?

Інтеграція пристрій захисту від попереджень інтеграція в фотогальванічну систему — це не просто підключення компонента та подальше продовження роботи. Це вимагає свідомого, інженерно обґрунтованого підходу, який враховує унікальні електричні характеристики як змінного (AC), так і постійного (DC) струму в межах установки. Перехідні процеси, спричинені блискавкою, комутаційні перенапруги та порушення в мережі можуть викликати руйнівні стрибки напруги, які поширюються по системі й пошкоджують інвертори, комбінаційні коробки, обладнання для моніторингу, а навіть самі фотогальванічні модулі. Без належного розташування пристроїв захисту від імпульсних перенапруг з обох сторін один-єдиний перехідний процес може призвести до дорогостоячого простою та заміни обладнання.

У цій статті детально розглянуто повну логіку інтеграції пристроїв захисту від перевантаження як на стороні постійного струму (рядки та масиви), так і на стороні з’єднання з мережею змінного струму у фотovoltaїчній системі. Незалежно від того, чи проектуєте ви комерційну дахову установку чи проект наземної установки комунального масштабу, розуміння того, де розміщувати кожен пристрій захисту від перевантаження, як правильно обрати його технічні характеристики та як правильно підключити й обслуговувати ці компоненти, є критично важливим для забезпечення тривалої надійності системи. Наведені тут рекомендації ґрунтуються на практичному інженерному досвіді польових робіт і узгоджені з міжнародними стандартами IEC 61643 та IEC 62305, що регулюють захист від перевантаження у фотovoltaїчних середовищах.

Розуміння ризиків перевантаження у ФВ-системах

Чому ФВ-системи особливо вразливі

Фотовольтаїчні системи постійно піддаються впливу зовнішнього середовища, що робить їх природно схильними до блискавок та атмосферних розрядів. Довгі кабельні траси між фотоелектричними масивами та інверторами діють як антени, сприймаючи наведену електромагнітну енергію від близьких ударів блискавки навіть у разі відсутності прямого удару. Ця наведена енергія поширюється у вигляді короткочасного перевищення напруги як по постійному струмі (DC) від модулів, так і по змінному струмі (AC) у напрямку точки підключення до мережі.

З боку постійного струму (DC) напруга холостого ходу фотоелектричного рядка за стандартних умов уже може становити кілька сотень вольт. Коли на цю базову напругу накладається короткочасне перевищення, результуючий стрибок напруги легко може перевищити граничну напругу, яку здатні витримати вхідні каскади інвертора та обхідні діоди, коробка з'єднань компоненти. Зі сторони змінного струму події перемикання в мережі, операції конденсаторних батарей та аварії на стороні електромережі викликають швидко наростаючі перехідні процеси, які можуть пошкодити вихідний каскад інвертора та будь-яке підключене обладнання для обліку або зв’язку.

Правильно підібраний і встановлений пристрій захисту від імпульсних перенапружень з кожного боку перехоплює ці перехідні процеси, перш ніж вони досягнуть чутливих електронних компонентів. Пристрій обмежує напругу до безпечного рівня й відводить струм імпульсу в землю, забезпечуючи захист підключених нижче за ланцюгом пристроїв. Без цього рівня захисту навіть помірний перехідний процес може призвести до деградації ізоляції, спровокувати хибне спрацювання автоматичних вимикачів або викликати миттєву відмову компонентів.

Двохсторонній характер перенапружень у ФЕС

Одна з найпоширеніших помилок у плануванні захисту фотовольтаїчних систем від стрибків напруги полягає в тому, що систему сприймають як мающую лише одну вразливу точку. Насправді стрибки напруги можуть надходити з будь-якого боку. У разі блискавки поблизу сонячної електростанції енергія потрапляє на постійний струм (DC), тоді як порушення в мережі або перемикання навантаження на промислових об’єктах поблизу призводить до надходження енергії зі сторони змінного струму (AC). Обидва ці шляхи мають бути захищені окремо — для кожного з них необхідно встановити спеціальний пристрій захисту від стрибків напруги.

Інвертор розташований між цими двома сторонами й є найдорожчим окремим компонентом у більшості фотовольтаїчних установок. Він також є найбільш вразливим, оскільки його силова електроніка під час нормальної роботи функціонує в режимі, близькому до граничних значень напруги. Пристрій захисту від стрибків напруги на клемах постійного струму (DC) інвертора та ще один такий пристрій на клемах змінного струму (AC) створюють захисну «оболонку» навколо цього критичного компонента. Такий двосторонній підхід є обов’язковим для систем, розташованих у зонах з високим ризиком блискавок, а також для будь-яких установок, де втрати через простої мають значні фінансові наслідки.

Інтеграція пристрою захисту від імпульсних перенапружень на стороні постійного струму

Розташування в коробці об’єднання рядів

Перше й найважливіше місце розташування пристрою захисту від імпульсних перенапружень на стороні постійного струму — це коробка об’єднання рядів коробка комбінатора , також звана DC-коробкою об’єднання або коробкою з’єднання масиву. Саме тут кілька фотоелектричних рядів збираються разом перед тим, як об’єднаний вихід постійного струму надходить до інвертора. Розташування пристрою захисту від імпульсних перенапружень у цьому місці дозволяє перехоплювати імпульсні перенапруження на найранішій можливій ділянці кола постійного струму, запобігаючи їх поширенню далі в систему.

Для цієї позиції пристрій захисту від імпульсних перенапруг повинен мати номінальне значення максимальної постійної напруги холостого ходу масиву за найгірших умов температури. Для систем, що працюють при 1000 В постійного струму, пристрій повинен мати номінальну напругу захисту та максимальну постійну робочу напругу, які безпечно перевищують це значення. Поширені номінальні значення, що використовуються в мережевих та комерційних фотоелектричних установках, включають варіанти на 1000 В постійного струму та 1500 В постійного струму з імпульсним струмом 20 кА або 40 кА залежно від класифікації зони захисту від блискавки на об’єкті.

Пристрій захисту від перевищення напруги у комбінаційному боксі має бути підключений між кожним постійним струмом (DC) полюсом та провідником захисного заземлення. У двополюсній конфігурації це означає, що один пристрій розташований між позитивною шиною та землею, а інший — між негативною шиною та землею. Деякі установки використовують триполюсний або комбінований пристрій, який одночасно обслуговує обидва полюси. Вибір залежить від конфігурації заземлення системи та конкретного конструктивного виконання пристрою захисту від перевищення напруги.

Розташування на вході постійного струму інвертора

Навіть якщо пристрій захисту від перевищення напруги встановлено в комбінаційному боксі, для систем із довгими кабельними лініями між комбінаційним боксом та інвертором рекомендовано встановити другий такий пристрій на клемах постійного струму інвертора. Індуктивність кабелю обмежує ефективність віддаленого пристрою захисту від перевищення напруги щодо придушення швидко наростаючих перехідних процесів на клемах інвертора. Залишкова напруга, що виникає на вході інвертора після спрацювання пристрою в комбінаційному боксі, може залишатися достатньо високою, щоб навантажити вхідні конденсатори та модулі IGBT інвертора.

Пристрій захисту від перевищення напруги на постійному струмі на вході інвертора виступає як друга лінія захисту, уловлюючи будь-яку залишкову імпульсну енергію, яку не було повністю поглинено пристроєм, розташованим вище за струмом. Такий каскадний підхід, який іноді називають схемою координації типу 1 плюс тип 2, є стандартною практикою в добре спроектованих фотоелектричних установках. Пристрій на вході інвертора зазвичай є пристроєм захисту від перевищення напруги типу 2 з нижчим номінальним струмом відведення, оскільки пристрій, розташований вище за струмом, уже поглинув основну частину енергії імпульсу.

Правильне підключення пристрою захисту від перевищення напруги на стороні постійного струму має вирішальне значення. З’єднувальні проводи між пристроєм та шиною постійного струму мають бути якомога коротшими — ідеально менше 50 см — для мінімізації індуктивного падіння напруги, яке додається до напруги обмеження, що сприймає інвертор. Використання найкоротших можливих проводів з’єднання та уникнення зайвих вигинів у монтажних проводах — це практичні заходи, які значно підвищують ефективність встановлення пристрою захисту від перевищення напруги.

Інтеграція пристрою захисту від імпульсних перенапружень з боку змінного струму

Розташування на вихідному змінному струмі інвертора

З боку змінного струму основним місцем встановлення пристрою захисту від імпульсних перенапружень є вихідний змінний струм інвертора, зазвичай усередині або безпосередньо поруч із роз’єднувальним або комбінаційним щитом змінного струму. Таке розташування захищає вихідну ступінь інвертора від імпульсних перенапружень, що надходять із мережі, а також захищає будь-яке обладнання для моніторингу, обліку або зв’язку, підключене до шини змінного струму в цій точці.

Пристрій захисту від імпульсних перенапружень, обраний для сторони змінного струму, має бути розрахованим на напругу змінного струму системи, яка зазвичай становить 230 В однофазна або 400 В трифазна для більшості комерційних та промислових фотоелектричних установок. Пристрій також має бути сумісним із частотою мережі й мати максимальну тривалу робочу напругу, що враховує нормальні коливання напруги в мережі. Для трифазних систем потрібен триполюсний або чотирьохполюсний пристрій захисту від імпульсних перенапружень, що охоплює всі лінійні провідники та нейтраль.

Номінальний імпульсний струм пристрою захисту від перенапруг з боку змінного струму слід вибирати залежно від зони захисту від блискавки та відстані від головного вводу електропостачання. Для більшості застосувань змінного струму у фотовольтаїчних системах підходить пристрій захисту від перенапруг типу 2 з номінальним імпульсним струмом 20 кА або 40 кА. У разі встановлення в зоні з високим ризиком удару блискавки або при великій довжині кабелю змінного струму до головного розподільного щита може знадобитися пристрій захисту від перенапруг типу 1 з вищим номінальним імпульсним струмом на рівні головного розподільного щита.

Розташування на головному розподільному щиті змінного струму або в точці спільного з’єднання

Для більших фотовольтаїчних систем, які підключаються до головного розподільного щита або до точки спільного з’єднання з іншими навантаженнями, додатковий пристрій захисту від перенапруг на рівні розподільного щита забезпечує захист усієї системи. Цей пристрій поглинає перенапруги, що надходять з боку мережі електропостачання, і запобігає їх поширенню не лише до інвертора, а й до інших чутливих навантажень, підключених до того самого розподільного щита.

Координація між пристроєм захисту від імпульсних перенапружень на змінному струмі на виході інвертора та пристроєм на головному розподільному щиті відповідає тій самій каскадній логіці, що й на постійному струмі. Пристрій рівня розподільного щита, як правило, типу 1 або комбінований типу 1 і типу 2, забезпечує захист від початкового високоенергетичного імпульсу, тоді як пристрій рівня інвертора поглинає залишкову енергію. Такий багаторівневий підхід забезпечує, що жоден окремий пристрій не буде перевантажений і що захист залишатиметься ефективним у широкому діапазоні величин імпульсних перенапружень та їх форм.

Під час вибору пристрою захисту від імпульсних перенапружень для головного розподільного щита важливо перевірити, чи узгоджено рівень захисту від напруги пристрою з імпульсною витривалістю інвертора та іншого підключеного обладнання. Рівень захисту пристрою захисту від імпульсних перенапружень має бути нижчим за витривалість обладнання, щоб забезпечити обмеження перехідного процесу до того, як він спричинить пошкодження. Ця перевірка узгодження є обов’язковим етапом будь-якого професійного проектування захисту фотовольтаїчної системи від імпульсних перенапружень.

Найкращі практики щодо заземлення, прокладання кабелів та монтажу

Роль системи заземлення з низьким опором

Пристрій захисту від перевантаження може ефективно виконувати свою функцію лише за умови наявності низькоімпедансного шляху до землі, через який він здатний відводити струм імпульсних перенапружень. Тому система заземлення фотоелектричної установки є не менш важливою, ніж сам пристрій захисту від перевантаження. Заземлення з високим опором або погано виконане з’єднання з землею призведе до того, що під час роботи на клемах пристрою захисту від перевантаження виникне висока напруга, що знизить його ефективність і, можливо, дозволить шкідливим напругам досягти захищеного обладнання.

Для фотоелектричних установок система заземлення повинна включати окремий заземлювач у місці розташування масиву, який з’єднаний із конструкційною системою кріплення та заземлювальним затискачем пристрою захисту від імпульсних перенапружень на стороні постійного струму. Пристрій захисту від імпульсних перенапружень на стороні змінного струму повинен бути з’єднаний із головним захисним провідником заземлення будівлі або об’єкта. Усі заземлювальні з’єднання повинні виконуватися провідниками відповідного перерізу, зазвичай 6 мм² або більше для заземлювальних провідників пристроїв захисту від імпульсних перенапружень, щоб витримувати імпульсний струм без надмірного спаду напруги.

Вирівнювання потенціалів між заземленням постійного струму, заземленням змінного струму та конструкційним заземленням системи кріплення фотоелектричних панелей є обов’язковим для запобігання підвищенню потенціалу заземлення під час події імпульсного перенапруження. Коли різні частини системи мають різний потенціал заземлення під час перехідного процесу, різниця напруг між ними може пошкодити обладнання, навіть якщо кожен окремий пристрій захисту від імпульсних перенапружень працює правильно. Єдина низькоімпедансна система заземлення елімінує цей ризик.

Моніторинг та обслуговування встановлених пристроїв

Пристрій захисту від перевантаження — це споживаний захисний компонент. Кожного разу, коли він поглинає спалах перенапруги, частина його захисного ресурсу витрачається. Після потужного грозового розряду або серії менших спалахів пристрій може досягти кінця свого терміну експлуатації й потребувати заміни. Більшість сучасних пристроїв захисту від перевантаження пРОДУКТИ мають візуальний індикатор стану, зазвичай віконце, що змінює колір, або флаг, який опускається, щоб повідомити про деградацію пристрою та необхідність його заміни.

Включення перевірки стану пристроїв захисту від імпульсних перенапружень у регулярний графік технічного обслуговування ФЕС — це проста, але часто ігнорована практика. Квартальний візуальний огляд усіх встановлених пристроїв у поєднанні з перевіркою після будь-якої значної грозової активності в регіоні забезпечує постійну дію захисту. Деякі сучасні моделі пристроїв захисту від імпульсних перенапружень мають контакти для дистанційного моніторингу, які можна підключити до SCADA-системи або платформи моніторингу системи, що дозволяє автоматично надсилати сповіщення про необхідність заміни пристрою.

Заміну деградованого пристрою захисту від імпульсних перенапружень слід здійснювати негайно. Експлуатація ФЕС із несправним пристроєм захисту від імпульсних перенапружень на стороні змінного або постійного струму повністю піддає інвертор та пов’язане обладнання ризику наступної імпульсної події. З огляду на порівняно низьку вартість пристрою захисту від імпульсних перенапружень порівняно з вартістю заміни інвертора чи втратами через простої системи, своєчасне технічне обслуговування є очевидним економічним рішенням.

Вибір правильного пристрою захисту від імпульсних перенапружень для фотовольтаїчних застосувань

Ключові електричні параметри для оцінки

Вибір правильного пристрою захисту від імпульсних перенапружень для фотовольтаїчного застосування вимагає оцінки кількох ключових електричних параметрів. Найбільша постійна робоча напруга пристрою має перевищувати найвищу напругу, що може виникнути на його затискачах у нормальних умовах експлуатації, включаючи допустимі відхилення напруги мережі. Для пристроїв на стороні постійного струму це означає врахування максимальної напруги холостого ходу фотовольтаїчного масиву при найнижчій очікуваній навколишній температурі, оскільки напруга фотовольтаїчного модуля зростає зі зниженням температури.

Номінальний струм розряду та максимальне значення імпульсного струму визначають кількість енергії блискавки, яку може витримати пристрій захисту від імпульсних перенапружень. Ці параметри слід підбирати з урахуванням класифікації зони захисту від блискавок на об’єкті встановлення, яка визначається локальною щільністю ударів блискавок у землю та фізичними характеристиками споруди. Пристрій захисту від імпульсних перенапружень з номінальним імпульсним струмом 40 кА забезпечує більший запас безпеки порівняно з пристроєм на 20 кА й є придатним для відкритих місць або об’єктів з високою вартістю.

Рівень захисту від напруги пристрою захисту від імпульсних перенапруг, виражений у кіловольтах, вказує максимальну напругу, що виникає між клемами пристрою під час стандартизованого іспиту на імпульсну перенапругу. Це значення має бути нижчим за імпульсну витривалість обладнання, яке захищається. Для фотоелектричних інверторів імпульсна витривалість постійного струму на вході зазвичай вказана в технічному описі продукту, а пристрій захисту від імпульсних перенапруг повинен бути вибраний таким чином, щоб його рівень захисту забезпечував достатній запас нижче цього значення.

Стандарти відповідності та вимоги щодо сертифікації

Для фотовольтаїчних застосувань пристрій захисту від імпульсних перенапружень повинен відповідати стандарту IEC 61643-11 для пристроїв на стороні змінного струму та стандарту IEC 61643-31 для пристроїв на стороні постійного струму. Ці стандарти визначають методи випробувань, вимоги до експлуатаційних характеристик та вимоги до маркування пристроїв захисту від імпульсних перенапружень, що використовуються в низьковольтних електричних мережах та фотовольтаїчних установках відповідно. Відповідність цим стандартам забезпечує незалежне випробування та підтвердження того, що пристрій виконує свої функції відповідно до специфікацій у стандартних умовах імпульсних перенапружень.

Крім відповідності стандартам IEC, багато ринків та технічні вимоги до проектів передбачають наявність знака CE та сертифікату TUV для пристроїв захисту від імпульсних перенапружень, що використовуються в фотовольтаїчних системах. Ці сертифікати надають додаткову гарантію якості продукту та стабільності його виробництва. При виборі пристрою захисту від імпульсних перенапружень для комерційного або мережевого фотовольтаїчного проекту перевірка наявності у продукту відповідних сертифікатів для цільового ринку є важливим етапом процесу закупівлі.

Деякі оператори електромережі та страхові компанії встановлюють спеціальні вимоги щодо монтажу пристроїв захисту від імпульсних перенапружень у фотоелектричних системах, підключених до мережі. Вивчення цих вимог на ранніх етапах проектування забезпечує відповідність обраного пристрою захисту від імпульсних перенапружень усім чинним стандартам та відповідність методу його встановлення місцевим електротехнічним нормам. Невідповідні монтажі можуть призвести до проблем під час отримання дозволу на підключення до мережі або при розгляді страхових виплат у разі збитків, спричинених імпульсними перенапруженнями.

Часті запитання

Чи потрібно встановлювати пристрій захисту від імпульсних перенапружень як на змінному, так і на постійному струмі моєї фотоелектричної системи?

Так. Стрибки напруги можуть потрапляти в фотоелектричну систему з будь-якого боку — з боку масиву під час грозових явищ або з боку мережі під час перемикання. Встановлення пристрою захисту від стрибків напруги лише з одного боку залишає інвертор та пов’язане обладнання незахищеними від стрибків напруги з незахищеного боку. Повна стратегія захисту передбачає встановлення пристрою захисту від стрибків напруги на стороні постійного струму (у комбінаторі постійного струму або на вході інвертора постійного струму) та ще одного пристрою захисту від стрибків напруги на виході інвертора змінного струму або на головному розподільному щиті.

Який клас напруги слід обрати для пристрою захисту від стрибків напруги на стороні постійного струму?

Пристрій захисту від імпульсних перенапружень повинен мати максимальну номінальну напругу постійного струму, що перевищує максимальну напругу холостого ходу фотоелектричної (ФЕ) решітки за умов найнижчої очікуваної температури. Для систем, розрахованих на роботу при 1000 В постійного струму, необхідно використовувати пристрій захисту від імпульсних перенапружень з номінальною напругою 1000 В постійного струму або вище. Для систем на 1500 В постійного струму слід використовувати пристрій з номінальною напругою 1500 В постійного струму. Під час вибору номінальної напруги пристрою завжди додавайте запас безпеки до розрахункової максимальної напруги решітки.

Як часто потрібно оглядати або замінювати пристрій захисту від імпульсних перенапружень у ФЕ-системі?

Візуальний огляд усіх встановлених одиниць пристроїв захисту від імпульсних перенапружень слід проводити щонайменше раз на квартал і після будь-якої значної грозової активності в районі. Більшість пристроїв мають індикатор стану, який змінює свій вигляд, коли пристрій втратив ефективність. Будь-який пристрій захисту від імпульсних перенапружень, що показує ознаки несправності, слід негайно замінити. Навіть за відсутності видимого зносу пристрої в районах з високою грозовою активністю може бути доцільно заміняти кожні п’ять–сім років у профілактичних цілях.

Чи можна використовувати стандартний змінного струму (AC) пристрій захисту від імпульсних перенапружень на постійному струмі (DC) стороні фотоелектричної системи?

Ні. Стандартні пристрої захисту від імпульсних перенапружень змінного струму не підходять для застосування в колах постійного струму. У колах постійного струму відсутнє природне проходження струму через нуль, що означає: як тільки пристрій захисту від імпульсних перенапружень починає проводити струм, йому потрібно активно перервати супровідний струм, щоб уникнути тривалої електричної дуги. Пристрої захисту від імпульсних перенапружень, розраховані на постійний струм, спеціально проектуються з механізмами гасіння дуги та компонентами, параметри яких відповідають характеристикам напруги й струму постійного струму. Використання пристрою, розрахованого на змінний струм, у колі постійного струму створює серйозний ризик виникнення пожежі та загрозу безпеці.