Izbira naprav za prenapetostno zaščito za fotonapetostne sisteme – vrste SPD-jev

Proizvodnja energije s fotovoltaiko (PV) je ključni vir obnovljive energije in je v primerjavi s tradicionalno proizvodnjo energije ekonomsko zelo konkurenčna. Majhni porazdeljeni PV sistemi, kot so strešne sončne celice, postajajo vse bolj priljubljeni. Strešne PV sistemi vključujejo distribucijo izmeničnega in enosmernega toka z napetostmi do 1500 V. Enosmerna stran, zlasti PV celice, je lahko na območjih z visokim tveganjem neposredno izpostavljena udarom strele, zaradi česar so ranljive za poškodbe zaradi strele.

Zaščita pred strelo za stavbe se glede na tveganje strele deli na zunanjo zaščito (sistem za zaščito pred strelo, LPS) in notranjo zaščito (prenapetostni ukrepi, SPM). Prenapetostne zaščite (SPD) kot del notranje zaščite ščitijo pred prehodnimi prenapetostmi, ki jih povzročajo atmosferske strele ali preklopna delovanja. SPD so nameščene zunaj zaščitene opreme in delujejo predvsem na naslednji način: ko v elektroenergetskem sistemu ni prenapetosti, SPD ne vpliva bistveno na normalno delovanje sistema, ki ga ščiti. Ko pride do prenapetosti, SPD nudi nizko impedanco, preusmerja prenapetostni tok skozi sebe in omejuje napetost na varno raven. Ko prenapetost mine in preostali tok izgine, se SPD vrne v stanje visoke impedance.

1. Mesto namestitve prenapetostnih zaščitnih naprav (SPD)

Mesto namestitve SPD-jev se določi glede na stopnjo ogroženosti zaradi strele in na podlagi koncepta con zaščite pred strelo (LPZ) v standardu IEC 62305. Prehodne prenapetosti se postopoma zmanjšujejo na varno raven, ki mora biti pod vzdržljivo napetostjo zaščitene opreme. Kot je prikazano na sliki, so SPD-ji nameščeni na mejah teh con, kar je privedlo do koncepta večnivojske prenapetostne zaščite, ki se uporablja v nizkonapetostnih sistemih. Pri fotonapetostnih sistemih je poudarek na preprečevanju vstopa prenapetosti strele skozi izmenično in enosmerno stran, s čimer se zaščitijo kritične komponente, kot so razsmerniki.

2. Preskusni razredi zaščitnih naprav pred prenapetostjo (SPD)

V skladu s standardom IEC 61643-11 so SPD-ji razvrščeni v tri preskusne kategorije glede na vrsto impulza toka strele, ki ga morajo prenesti. Preskusi tipa I (označeni kot T1) so namenjeni simulaciji delnih tokov strele, ki se lahko prevajajo v stavbo. Ti uporabljajo valovno obliko 10/350 µs, kot je prikazano na sliki blow, in se običajno uporabljajo na meji med LPZ0 in LPZ1 – na primer na glavnih razdelilnikih ali dovodih nizkonapetostnih transformatorjev. SPD-ji za to raven so običajno napetostno preklopnega tipa, s komponentami, kot so plinske cevi ali iskrišči (npr. iskriščice ali grafitne iskriščice).

Preskusi tipa II (T2) in tipa III (T3) uporabljajo krajše impulze. Prenapetostni odklopniki tipa II so običajno naprave za omejevanje napetosti, ki uporabljajo komponente, kot so kovinsko-oksidni varistorji (MOV). Preizkušajo se z nazivnim praznilnim tokom z uporabo tokovne valovne oblike 8/20 µs (glej sliko blow) in so odgovorni za dodatno omejevanje preostale prenapetosti, ki prihaja iz prednapete zaščitne naprave. Preskusi tipa III uporabljajo kombinirani valovni generator z napetostnim impulzom 1,2/50 µs in tokovnim impulzom 8/20 µs (glej sliko spodaj), ki simulira prenapetosti bližje končni opremi.

3. Vrsta povezave prenapetostne zaščite (SPD)

Obstajata dva glavna načina zaščite pred prehodnimi prenapetostmi. Prvi je zaščita pred skupnim načinom delovanja (CT1), ki je zasnovana za zaščito pred prenapetostmi med vodniki pod napetostjo in PE (zaščitno ozemljitvijo). Udari strele lahko na primer v sistem vnesejo visoke napetosti glede na zemljo. Zaščita pred skupnim načinom delovanja pomaga ublažiti vpliv takšnih zunanjih motenj, kot je strela, kot je prikazano spodaj.

Druga je diferencialna zaščita (CT2), ki ščiti pred prenapetostmi med linijskim vodnikom (L) in nevtralnim vodnikom (N). Ta vrsta zaščite je še posebej pomembna za odpravljanje notranjih motenj, kot so električni šum ali motnje, ki nastanejo znotraj samega sistema, kot je prikazano na spodnjem diagramu.

Z uvedbo enega ali obeh načinov zaščite je mogoče električne sisteme bolje zaščititi pred morebitnimi viri prenapetosti, kar na koncu podaljša življenjsko dobo in zanesljivost priključene opreme.

Pomembno je omeniti, da mora biti izbira načinov zaščite SPD usklajena z obstoječim ozemljitvenim sistemom. Za sisteme TN se lahko uporabita tako način zaščite CT1 kot CT2. Vendar pa se v sistemih TT lahko CT1 uporabi le za RCD. V IT sistemih – zlasti tistih brez nevtralnega vodnika – zaščita CT2 ni uporabna. To je ključnega pomena v distribucijskih sistemih enosmernega toka, ki uporabljajo IT ozemljitvene konfiguracije. Podrobnosti najdete v spodnji tabeli.

4. Ključni parametri prenapetostnih zaščitnih naprav (SPD)

V skladu z mednarodnim standardom IEC 61643-11 so opredeljene značilnosti in preskusi SPD, priključenih na nizkonapetostne distribucijske sisteme, kot je prikazano na sliki 7.

(1) Raven napetostne zaščite (zgoraj)

Najpomembnejši vidik pri izbiri SPD-ja je njegova raven napetostne zaščite (Up), ki označuje delovanje SPD-ja pri omejevanju napetosti med priključki. Ta vrednost mora biti višja od največje napetosti vpenjanja. Dosežena je, ko je tok, ki teče skozi SPD, enak nazivnemu toku praznjenja In. Izbrana raven napetostne zaščite mora biti nižja od impulzne napetosti Uw bremena. V primeru udara strele se napetost na priključkih SPD običajno ohranja pod Up. Pri fotonapetostnih enosmernih sistemih se obremenitev običajno nanaša na fotonapetostne module in razsmernike.

(2) Najvišja neprekinjena obratovalna napetost (Uc)

Uc je najvišja enosmerna napetost, ki jo je mogoče neprekinjeno uporabljati v načinu zaščite SPD. Izbrana je glede na nazivno napetost in konfiguracijo ozemljitve sistema ter služi kot prag aktivacije SPD. Za enosmerno stran fotonapetostnih sistemov mora biti Uc večji ali enak Uoc Max fotonapetostnega niza. Uoc Max se nanaša na najvišjo napetost odprtega tokokroga med faznimi priključki ter med faznim priključkom in ozemljitvijo na določeni točki fotonapetostnega niza.

(3) Nazivni praznilni tok (In)

To je najvišja vrednost valovne oblike toka 8/20 μs, ki teče skozi SPD in se uporablja za preskuse tipa II ter za preskuse predkondicioniranja v preskusih tipa I in Tip IIIEC zahteva, da SPD prenese vsaj 19 praznjenj valovnega toka 8/20 μs. Višja kot je vrednost In, daljša je življenjska doba SPD, vendar se povečajo tudi stroški.

(4) Impulzni tok (Iimp)

Ta tok, ki ga določajo trije parametri: vrh toka (Ipeak), naboj (Q) in specifična energija (W/R), se uporablja v Tip I testi. Tipična valovna oblika je 10/350 μs.