Sodelovanje prenapetostnih zaščitnikov, odklopnikov in varovalk v fotovoltaičnih sistemih: funkcionalna analiza in razprava o nujnosti

Uvod

Z naglim razvojem svetovne fotovoltaične industrije sta varnost in stabilnost sistemov za proizvodnjo sončne energije postali v središču pozornosti industrije. Fotovoltaični sistemi so dolgo časa izpostavljeni zunanjim vplivom in so ranljivi za grožnje, kot so udari strele, nihanja električnega omrežja in okvare opreme, kar lahko povzroči poškodbe opreme ali celo požar. Prenapetostne zaščite (SPD), odklopniki in varovalke so ključne zaščitne naprave, ki opravljajo svoje naloge in sodelujejo med seboj, da zagotovijo varno delovanje sistema. Ta članek bo podrobno analiziral njihove funkcije, mehanizme koordinacije in potrebo po zagotavljanju referenc za uporabnike v industriji.

I. "Nevidni morilec", s katerim se soočajo fotovoltaični sistemi

Fotovoltaične elektrarne so kot "jekleni bojevniki", ki delajo na prostem in nenehno prestajajo različne težke preizkušnje.

1.1 Težave z udarom strele:

Zlasti na Bližnjem vzhodu in v jugovzhodni Aziji lahko ena sama sezona neviht ohromi sisteme, ki nimajo zaščite.
1.2 Nihanja električnega omrežja:
V čilskem projektu, ki sem ga vodil, je zaradi nenadnega povečanja napetosti v omrežju zgorelo več kosov opreme.

1.3 Nevarnost kratkega stika:
Lani je pri projektu v Nemčiji zaradi starajočih se kablov prišlo do kratkega stika, kar je skoraj povzročilo požar.

Ta tveganja niso pretiravanje. Po podatkih Mednarodnega zavezništva za varnost fotovoltaike je več kot 60 % okvar fotovoltaičnih sistemov posledica neustrezne električne zaščite.

II. Osnovne funkcije prenapetostnih zaščitnih naprav (SPD)

2.1 Načelo delovanja
SPD preusmeri prehodno prenapetost v zemljo prek kovinsko-oksidnih varistorjev (MOV) ali plinskih razelektrilnikov (GDT) in tako omeji napetost znotraj varnega območja. V fotovoltaičnih sistemih so SPD-ji običajno nameščeni na naslednjih lokacijah:
Enosmerna stran (med moduli in razsmernikom): Za zaščito pred prenapetostmi, ki jih povzroča strela.
AC stran (med razsmernikom in omrežjem): Za preprečevanje prenapetosti s strani omrežja.

2.2 Ključni parametri
Najvišja trajna delovna napetost (Uc): Mora se ujemati z napetostnim nivojem fotovoltaičnega sistema (npr. 1000 V DC ali 1500 V DC).
Razelektritveni tok (In/Iimp): Odraža sposobnost odvajanja toka strele, fotovoltaični sistemi pa običajno zahtevajo 20 kA ali več.
Raven napetostne zaščite (Up): Določa velikost preostale napetosti in mora biti nižja od vzdržne napetosti zaščitene opreme.

2.3 Nujnost
Preprečite poškodbe drage opreme, kot so razsmerniki in kombiniralne omarice, zaradi prenapetosti.
Upoštevajte mednarodne standarde (kot sta IEC 6164331, UL 1449) in zahteve glede sprejemljivosti za fotovoltaične elektrarne.

Ⅲ.Funkcija in izbira odklopnikov in varovalk

3.1 Odklopnik
Funkcija:
• Zaščita pred preobremenitvijo: Ko tok preseže nastavljeno vrednost (na primer 1,3-kratnik nazivnega toka), se sproži termični mehanizem za izklop.
• Zaščita pred kratkim stikom: Elektromagnetni sprožilni mehanizem prekine kratkostični tok (npr. 10 kA) v nekaj milisekundah.

• Značilnosti uporabe fotovoltaike:
Izbrati je treba namensko enosmerno stikalo (na primer DC 1000 V/1500 V).
Izklopna zmogljivost se mora ujemati s kratkostičnim tokom sistema (običajno ≥ 15 kA).

3.2 Varovalka
Funkcija:
S taljenjem talilnega elementa lahko hitro izolira okvarjeno vezje in zaščiti zaporedno povezano vejo.

Prednosti:
Hitrost odklopa je večja (na ravni mikrosekund), kar je primerno za scenarije z visokim kratkostičnim tokom.
Je majhne velikosti in primeren za tokovne omarice z omejenim prostorom.

3.3 Sodelovanje z SPD

SPD je odgovoren za napetostno zaščito, medtem ko so odklopniki/varovalke odgovorne za tokovno zaščito.
Ko SPD odpove zaradi prenapetostne okvare, lahko odklopniki ali varovalke takoj prekinejo okvarjeni tokokrog in preprečijo požar.

Ⅳ. Študija primera večnivojskega zaščitnega sistema

Vzemimo za primer fotovoltaično elektrarno z močjo 1 MW:
4.1 Zaščita na enosmerni strani
Veje komponentnih serij: Za vsako serijo namestite varovalke (na primer tipa 10A gPV).
Vhod v kombinirano omarico: Namestite SPD tipa II (Up ≤ 1,5 kV) in enosmerno varovalko (63 A).

4.2 Zaščita na strani izmeničnega toka
Izhodni konec razsmernika: Konfigurirajte SPD tipa 1+2 (Iimp ≥ 12,5 kA) in odklopnik v litem ohišju (250 A).

4.3 Simulacija scenarija napake
Ko pride do udara strele: SPD sprosti prenapetostni tok in omeji napetost pod 2 kV; če SPD odpove zaradi kratkega stika, se sproži odklopnik.
V primeru kratkega stika v omrežju: varovalka se stopi v 5 ms, da se prepreči širjenje toplotnega učinka.

Ⅴ. Previdnostni ukrepi za izbiro in namestitev

5.1 Izbira SPD-ja
Za enosmerno stran je treba izbrati fotovoltaični SPD (kot je PVSPD), da se izognemo težavi z obratnim tokom, ki jo povzroča običajni AC SPD.
Upoštevati je treba temperaturno rezervo (Uc mora pustiti rezervo v okoljih z visoko temperaturo).

5.2 Ujemanje odklopnikov/varovalk
Izklopna zmogljivost mora biti višja od največjega kratkostičnega toka sistema (na primer, tok kratkega stika v nizu lahko doseže 1,5 kA).
Nazivni tok varovalke mora biti več kot 1,56-kratnik kratkostičnega toka komponente (Isc) (v skladu z NEC 690.8).

5.3 Predlogi za sistemsko integracijo
Dolžina žice med SPD in odklopnikom mora biti ≤ 0,5 m, da se zmanjša preostala napetost.
Redno je treba pregledovati indikatorje stanja SPD-ja in pravočasno zamenjati okvarjene module.

Ⅵ. Trendi v industriji in posodobitve standardov
• Visoka napetost: Zaradi široke uporabe fotonapetostnih sistemov z napetostjo 1500 V je treba sinhronizirano izboljšati napetostne nosilnosti pretvornikov prenapetosti (SPD) in odklopnikov.

• Inteligentno spremljanje: Inteligentni SPD-ji, ki vključujejo temperaturne senzorje in funkcije brezžične komunikacije, se postopoma uporabljajo za doseganje zgodnjega opozarjanja na napake na daljavo.

• Standardna ojačitev: Nova različica standarda IEC 625482023 je uvedla strožje zahteve glede koordinacije zaščitnih naprav za fotovoltaične sisteme.

Zaključek
V fotovoltaičnih sistemih prenapetostne zaščite, odklopniki in varovalke predstavljajo celovit sistem zaščitne zaščite, ki deluje v povezavi z napetostjo in tokom. Pravilna izbira in konfiguracija teh komponent ne le podaljša življenjsko dobo opreme in zmanjša stroške delovanja in vzdrževanja, temveč sta tudi bistvena pogoja za zagotavljanje varnega delovanja elektrarn. Z razvojem tehnologije bosta integracija in inteligenca teh zaščitnih naprav v prihodnosti še izboljšali zanesljivost fotovoltaičnih sistemov.