Túlfeszültség-védelmi eszközök kiválasztása fotovoltaikus rendszerekhez – túlfeszültség-védelmi eszközök típusai
A fotovoltaikus (PV) energiatermelés a megújuló energia egyik kulcsfontosságú forrása, és gazdaságilag rendkívül versenyképes a hagyományos energiatermeléssel összehasonlítva. A kis elosztott fotovoltaikus rendszerek, mint például a tetőre szerelt napelemek, egyre népszerűbbek. A tetőre szerelt fotovoltaikus rendszerek váltakozó és egyenáramú elosztást is tartalmaznak, akár 1500 V feszültséggel. Az egyenáramú oldal, különösen a fotovoltaikus panelek, közvetlenül ki lehetnek téve a villámcsapásoknak a nagy kockázatú területeken, így sebezhetővé válnak a villámkárokkal szemben.
Az épületek villámvédelmét a villámcsapás kockázata alapján külső védelemre (villámvédelmi rendszer, LPS) és belső védelemre (túlfeszültség-védelmi intézkedések, SPM) osztják. A túlfeszültség-védelmi eszközök (SPD-k) a belső védelem részét képezik, és a légköri villámlás vagy kapcsolási műveletek által okozott átmeneti túlfeszültségek ellen védenek. Az SPD-ket a védett berendezésen kívül szerelik fel, és főként a következőképpen működnek: amikor nincs túlfeszültség a villamosenergia-rendszerben, az SPD nem befolyásolja jelentősen a védett rendszer normál működését. Túlfeszültség esetén az SPD alacsony impedanciát biztosít, magán keresztül elvezeti a túlfeszültségáramot, és biztonságos szintre korlátozza a feszültséget. Miután a túlfeszültség elmúlt és a maradékáram megszűnt, az SPD visszatér nagy impedanciájú állapotba.
1. A túlfeszültség-védelmi eszközök (SPD) telepítési helye
Az SPD-k telepítési helyét a villámveszély mértéke és az IEC 62305 szabványban található villámvédelmi zónák (LPZ) koncepciója alapján határozzák meg. A tranziens túlfeszültségeket fokozatosan csökkentik egy biztonságos szintre, amelynek a védett berendezés túlfeszültsége alatt kell lennie. Amint az ábrán látható, az SPD-ket ezen zónák határain telepítik, ami a kisfeszültségű rendszerekben alkalmazott többszintű túlfeszültség-védelem koncepciójához vezet. A fotovoltaikus rendszerek esetében a hangsúly a villámlások AC és DC oldalán történő bejutásának megakadályozásán van, ezáltal védve a kritikus alkatrészeket, például az invertereket.
2. Túlfeszültség-védelmi eszközök (SPD) vizsgálati osztályai
Az IEC 61643-11 szabvány szerint a túlfeszültség-védelmi eszközök (SPD-k) három vizsgálati kategóriába sorolhatók a tervezett villámáram-impulzus típusa alapján. Az I. típusú vizsgálatok (T1 jelöléssel) az épületbe bevezethető részleges villámáramokat szimulálják. Ezek 10/350 µs hullámformát használnak, ahogy az a 1. ábrán látható, és jellemzően az LPZ0 és LPZ1 határán alkalmazzák – például a főelosztó táblákon vagy a kisfeszültségű transzformátorok betáplálásánál. Az ilyen szintű SPD-k általában feszültségkapcsoló típusúak, olyan alkatrészekkel, mint a gázkisüléses csövek vagy a szikraközök (pl. kürtközök vagy grafitközök).
A II. típusú (T2) és III. típusú (T3) tesztek rövidebb időtartamú impulzusokat használnak. A II. típusú SPD-k általában feszültségkorlátozó eszközök, amelyek olyan alkatrészeket használnak, mint a fém-oxid varisztorok (MOV-ok). Névleges kisülési árammal, 8/20 µs áramhullámformával tesztelik őket (lásd az ábrát), és felelősek a felső védőberendezésből származó maradék túlfeszültség további korlátozásáért. A III. típusú tesztek egy kombinált hullámgenerátort használnak 1,2/50 µs feszültség- és 8/20 µs áramimpulzussal (lásd az alábbi ábrát), a végfelhasználói berendezésekhez közelebb szimulálva a túlfeszültségeket.
3. Túlfeszültség-védelmi eszköz (SPD) csatlakozási típusa
A tranziens túlfeszültségek elleni védelemnek két fő módja van. Az első a közös módusú védelem (CT1), amely az élő vezetők és a PE (védőföld) közötti túlfeszültségek elleni védelemre szolgál. A villámcsapások például a földhöz képest magas feszültséget juttathatnak a rendszerbe. A közös módusú védelem segít enyhíteni az ilyen külső zavarok, például a villámcsapás hatását, amint az alább látható.
A második a differenciálmódusú védelem (CT2), amely a fázisvezető (L) és a nullvezető (N) közötti túlfeszültségek ellen nyújt védelmet. Ez a fajta védelem különösen fontos a belső zavarok, például a rendszeren belül keletkező elektromos zaj vagy interferencia kezeléséhez, amint az az alábbi ábrán is látható.
Ezen védelmi módok egyikének vagy mindkét módjának megvalósításával az elektromos rendszerek jobban védhetők a potenciális túlfeszültség-forrásoktól, ami végső soron növeli a csatlakoztatott berendezések élettartamát és megbízhatóságát.
Fontos megjegyezni, hogy az SPD védelmi módok kiválasztásának összhangban kell lennie az alkalmazott földelési rendszerrel. TN rendszerek esetén mind a CT1, mind a CT2 védelmi mód használható. TT rendszerekben azonban a CT1 csak egy RCD után alkalmazható. IT rendszerekben – különösen azokban, ahol nincs nullvezető – a CT2 védelem nem alkalmazható. Ez kritikus szempont az IT földelési konfigurációkat használó egyenáramú elosztórendszerekben. A részletek az alábbi táblázatban találhatók.
4. A túlfeszültség-védelmi eszközök (SPD) főbb paraméterei
Az IEC 61643-11 nemzetközi szabvány szerint a kisfeszültségű elosztórendszerekhez csatlakoztatott túlfeszültség-levezetők (SPD-k) jellemzőit és vizsgálatait a 7. ábra mutatja.
(1) Feszültségvédelmi szint (fel)
Az SPD kiválasztásának legfontosabb szempontja a feszültségvédelmi szintje (Up), amely az SPD teljesítményét jellemzi a kapcsok közötti feszültség korlátozásában. Ennek az értéknek magasabbnak kell lennie, mint a maximális rögzítési feszültség. Akkor érhető el, amikor az SPD-n átfolyó áram megegyezik a névleges kisülési árammal In. A kiválasztott feszültségvédelmi szintnek alacsonyabbnak kell lennie, mint a terhelés lökőfeszültsége Uw. Villámcsapás esetén az SPD kapcsain lévő feszültséget általában Up alatt kell tartani. PV DC rendszerek esetén a terhelés általában a PV modulokra és az inverterekre vonatkozik.
(2) Maximális folyamatos üzemi feszültség (Uc)
Az Uc a maximális egyenfeszültség, amely folyamatosan alkalmazható az SPD védelmi módban. A névleges feszültség és a rendszer földelési konfigurációja alapján kerül kiválasztásra, és az SPD aktiválási küszöbértékeként szolgál. A fotovoltaikus rendszerek egyenáramú oldalán az Uc értékének nagyobbnak vagy egyenlőnek kell lennie a fotovoltaikus rendszer Uoc Max értékével. Az Uoc Max a legmagasabb nyitott áramköri feszültséget jelenti az élő csatlakozók, valamint az élő csatlakozó és a föld között a fotovoltaikus rendszer kijelölt pontján.
(3) Névleges kisülési áram (In)
Ez egy 8/20 μs-os hullámhosszú áram csúcsértéke, amely az SPD-n átfolyik, és amelyet II. típusú vizsgálatokhoz, valamint I. és I. típusú előkondicionálási vizsgálatokhoz használnak. II. típusAz IEC előírásai szerint az SPD-nek legalább 19, 8/20 μs hullámformájú árammal történő kisülést kell elviselnie. Minél nagyobb az In érték, annál hosszabb az SPD élettartama, de a költség is növekszik.
(4) Impulzusáram (Iimp)
Három paraméter határozza meg: áramcsúcs (Icsúcs), töltés (Q) és fajlagos energia (W/R), ezt az áramot a következőkben használják: I. típus tesztek. A tipikus hullámforma 10/350 μs.