Túlfeszültség-védők, megszakítók és biztosítékok együttműködése fotovoltaikus rendszerekben: funkcionális elemzés és szükségességi megbeszélés

Bevezetés

A globális fotovoltaikus ipar gyors fejlődésével a napelemes energiatermelő rendszerek biztonsága és stabilitása az ipar figyelmének középpontjába került. A fotovoltaikus rendszerek hosszú ideig ki vannak téve a szabadban uralkodó hatásoknak, és sebezhetőek olyan fenyegetésekkel szemben, mint a villámcsapások, a hálózati ingadozások és a berendezéshibák, amelyek berendezéskárosodást vagy akár tüzet is okozhatnak. A túlfeszültség-védők (SPD-k), a megszakítók és a biztosítékok kulcsfontosságú védelmi eszközök, amelyek mindegyike ellátja a feladatát, és együttműködik egymással a rendszer biztonságos működésének biztosítása érdekében. Ez a cikk mélyrehatóan elemzi funkcióikat, koordinációs mechanizmusaikat és szükségességüket, hogy referenciaként szolgáljon az ipari felhasználók számára.

I. A fotovoltaikus rendszerekkel szembenéző „láthatatlan gyilkos”

A fotovoltaikus erőművek olyanok, mint a szabadban dolgozó "acélharcosok", akik folyamatosan különféle kemény próbákat tesznek ki.

1.1 Villámcsapás okozta problémák:

Különösen a Közel-Keleten és Délkelet-Ázsiában egyetlen zivataros időszak megbéníthatja a védelem nélküli rendszereket.
1.2 Hálózati ingadozások:
A chilei projektben, amelyért feleltem, több berendezés is kiégett a hálózati feszültség hirtelen megemelkedése miatt.

1.3 Rövidzárlatveszély:
Tavaly egy németországi projektnél az elöregedő kábelek miatt rövidzárlat alakult ki, ami majdnem tüzet okozott.

Ezek a kockázatok nem túlzások. A Nemzetközi Fotovoltaikus Biztonsági Szövetség szerint a fotovoltaikus rendszerek meghibásodásainak több mint 60%-át a nem megfelelő elektromos védelem okozza.

II. A túlfeszültség-védelmi eszközök (SPD) fő funkciói

2.1 Működési elv
Az SPD fém-oxid varisztorokon (MOV) vagy gázkisüléses csöveken (GDT) keresztül vezeti el a tranziens túlfeszültséget a földbe, így a feszültséget biztonságos tartományon belül tartja. Fotovoltaikus rendszerekben az SPD-ket jellemzően a következő helyeken telepítik:
Egyenáramú oldal (a modulok és az inverter között): Villámcsapás okozta túlfeszültségek elleni védelemre.
Váltakozó áramú oldal (az inverter és a hálózat között): A hálózati oldalról érkező túlfeszültség elnyomására.

2.2 Főbb paraméterek
Maximális folyamatos üzemi feszültség (Uc): Meg kell egyeznie a fotovoltaikus rendszer feszültségszintjével (például 1000 V DC vagy 1500 V DC).
Kisülési áram (In/Iimp): A villámáram kisülési képességét tükrözi, és a fotovoltaikus rendszerek jellemzően 20 kA-t vagy többet igényelnek.
Feszültségvédelmi szint (Up): Meghatározza a maradékfeszültség nagyságát, és alacsonyabbnak kell lennie, mint a védett berendezés túlfeszültsége.

2.3 Szükségesség
Megakadályozza, hogy a drága berendezések, például az inverterek és az elosztódobozok túlfeszültség miatt megsérüljenek.
Tartsa be a nemzetközi szabványokat (például IEC 6164331, UL 1449) és a fotovoltaikus erőművekre vonatkozó elfogadási követelményeket.

Ⅲ.A megszakítók és biztosítékok funkciója és kiválasztása

3.1 Áramköri megszakító
Funkció:
•Túlterhelés elleni védelem: Amikor az áram meghaladja a beállított értéket (például a névleges áram 1,3-szorosát), a hőkioldó mechanizmus működésbe lép.
• Rövidzárlatvédelem: Az elektromágneses kioldó mechanizmus ezredmásodperceken belül lekapcsolja a rövidzárlati áramot (például 10 kA).

• Fotovoltaikus alkalmazási jellemzők:
Külön DC áramkör-megszakítót (például DC 1000V/1500V) kell választani.
A megszakítóképességnek meg kell egyeznie a rendszer rövidzárlati áramával (jellemzően ≥ 15 kA).

3.2 Biztosíték
Funkció:
A biztosítékelem megolvasztásával gyorsan leválaszthatja a hibás áramkört és megvédheti a sorba kapcsolt ágat.

Előnyök:
A leválasztási sebesség gyorsabb (mikroszekundumos szinten), ami alkalmas nagy rövidzárlati áram esetén.
Kis méretű, és alkalmas korlátozott helyigényű, áramvezető dobozokhoz.

3.3 Együttműködés az SPD-vel

Az SPD a feszültségvédelemért felelős, míg az áramkör-megszakítók/biztosítékvédők az áramvédelemért.
Amikor az SPD túlfeszültség miatt meghibásodik, az áramkör-megszakítók vagy biztosítékvédők azonnal leválaszthatják a hibás áramkört a tűz megelőzése érdekében.

Ⅳ. Többszintű védelmi rendszer esettanulmánya

Vegyünk például egy 1 MW-os fotovoltaikus erőművet:
4.1 Védelem az egyenáramú oldalon
Alkatrészsorozat-elágazások: Szereljen fel biztosítékokat (például 10 A-es gPV típusút) minden sorozathoz.
Az elosztódoboz bevezetése: Szereljen fel II-es típusú túlfeszültség-védőkapcsolót (Up ≤ 1,5 kV) és egyenáramú megszakítót (63 A).

4.2 Váltóáramú oldali védelem
Az inverter kimeneti vége: Konfiguráljon 1+2 típusú SPD-t (Iimp ≥ 12,5 kA) és kompakt kismegszakítót (250 A).

4.3 Hibaforgatókönyv-szimuláció
Villámcsapás esetén: Az SPD túlfeszültség-védelmi eszköz túláramot bocsát ki, és a feszültséget 2 kV alá csökkenti; ha az SPD rövidzárlat miatt meghibásodik, a megszakító kiold.
Rövidzárlat esetén: A biztosíték 5 ms-on belül kiolvad, hogy megakadályozza a hőfolt-effektus terjedését.

Ⅴ. Kiválasztással és telepítéssel kapcsolatos óvintézkedések

5.1 Sebességfokozat kiválasztása
Az egyenáramú oldalon egy fotovoltaikus specifikus túlfeszültség-levezetőt (például PVSPD-t) kell választani, hogy elkerüljük a hagyományos váltakozó áramú túlfeszültség-levezetők fordított áram problémáját.
Figyelembe kell venni a hőmérsékleti tartalékot (az Uc-nek tartalékot kell hagynia magas hőmérsékletű környezetben).

5.2 Kismegszakító/biztosíték illesztése
A megszakítóképességnek nagyobbnak kell lennie, mint a rendszer maximális rövidzárlati árama (például a fúrósor zárlati árama elérheti az 1,5 kA-t).
A biztosíték névleges áramának több mint 1,56-szorosának kell lennie a komponens rövidzárlati áramának (Isc) (az NEC 690.8 szabványnak megfelelően).

5.3 Rendszerintegrációs javaslatok
A maradékfeszültség csökkentése érdekében az SPD és az áramkör-megszakító közötti vezeték hosszának ≤ 0,5 m-nek kell lennie.
Az SPD állapotjelzőit rendszeresen ellenőrizni kell, és a hibás modulokat időben ki kell cserélni.

Ⅵ. Iparági trendek és szabványfrissítések
• Nagyfeszültségű igény: Az 1500 V-os fotovoltaikus rendszerek széles körű elterjedésével az SPD-k és a megszakítók áteresztőképességi feszültségszintjét szinkronizáltan kell növelni.

• Intelligens monitorozás: A hőmérséklet-érzékelőket és vezeték nélküli kommunikációs funkciókat integráló intelligens túlfeszültség-levezetőket fokozatosan alkalmazzák a távoli hibák korai figyelmeztetésének megvalósítása érdekében.

• Szabványos megerősítés: Az IEC 625482023 szabvány új verziója szigorúbb koordinációs követelményeket írt elő a fotovoltaikus rendszerek védőberendezéseivel szemben.

Következtetés
A fotovoltaikus rendszerekben a túlfeszültség-védők, megszakítók és biztosítékok egy komplett „feszültség-áram” együttműködő védelmi rendszert alkotnak. Ezen alkatrészek megfelelő kiválasztása és konfigurálása nemcsak a berendezések élettartamát növelheti és az üzemeltetési és karbantartási költségeket csökkentheti, hanem az erőművek biztonságos üzemeltetésének elengedhetetlen feltételei is. A technológia fejlődésével ezen védelmi eszközök integrációja és intelligenciája tovább növeli a fotovoltaikus rendszerek megbízhatóságát a jövőben.