Πηγή: iaeimagazine.org
Η τέλεια καταιγίδα του Lightning για καταστροφή βρίσκεται στο ηλιακό πεδίο. Μεγάλη -} και συχνά εκτεθειμένες και απομονωμένες - τοποθεσία καθιστούν την προστασία των υπερχείλισης για να διαρκέσει τη διάρκεια ζωής του.
Η αστραπή είναι μια ηλεκτρική εκκένωση στην ατμόσφαιρα. Όταν οι αστραπές απεργίες, οι πυρκαγιές είναι επιρρεπείς σε να συμβούν λόγω της απελευθέρωσης της ενέργειας. Τα σύννεφα Nimbus (σύννεφα βροχής) έχουν συγκέντρωση ηλεκτρικού φορτίου και η συσσώρευση τους δημιουργεί ιονισμό αέρα. Ο ιονισμός του αέρα που βρίσκεται μεταξύ του εδάφους και των σύννεφων Nimbus δημιουργεί μια απόρριψη από τα σύννεφα στο έδαφος. Τα σύννεφα Nimbus προκαλούν τις μεγαλύτερες υπερτάσεις επειδή είναι αυτό που δημιουργούν αστραπές.
Οι έμμεσες απεργίες αστραπής είναι καταστροφικές. Οι ανεκδοτικές παρατηρήσεις σχετικά με τη δραστικότητα κεραυνού είναι συνήθως ένας κακός δείκτης του επιπέδου του κεραυνού - προκληθείσες υπερτιμήσεις σε φωτοβολταϊκές συστοιχίες1. Οι έμμεσες απεργίες αστραπής μπορούν εύκολα να βλάψουν τα ευαίσθητα εξαρτήματα μέσα στον φωτοβολταϊκό εξοπλισμό, το οποίο συχνά έχει υψηλό κόστος για την επισκευή ή την αντικατάσταση των κατεστραμμένων εξαρτημάτων και επηρεάζει την αξιοπιστία του φωτοβολταϊκού συστήματος1. Η υπέρβαση εξαρτάται από τις συνθήκες ρύθμισης κάθε φωτοβολταϊκού συστήματος και τις καλωδιακές.
Τα φωτοβολταϊκά συστήματα εκτίθενται σε μεγάλους ανοιχτούς χώρους, συνήθως σε πεδία ή στις κορυφές των κτιρίων. Τα φορτισμένα σύννεφα βροχής που συσσωρεύονται πάνω από αυτά τα ανοιχτά πεδία έχουν την τάση να απελευθερώνουν τη φόρτιση με τη μορφή αστραπής. Όταν συμβεί αυτό, είναι πιθανό να συμβεί αύξηση τάσης. Όσο πιο εκτεταμένο είναι το πεδίο, τόσο πιο πιθανή είναι η καταστροφή.
Ο ηλεκτρονικός εξοπλισμός μπορεί εύκολα να καταστραφεί μέχρι το σημείο της καταστροφικής αποτυχίας από τα κύματα. Εάν συμβεί μια αύξηση όταν υπάρχει κάποιο προσωπικό, θα θέσει σε κίνδυνο και την ασφάλειά του. Οι έμμεσες απεργίες αστραπής μπορεί να είναι θανατηφόρες εάν το άτομο βρίσκεται σε απόσταση 60 ποδιών από το σημείο της απεργίας αστραπής [2]. Όταν ένα φωτοβολταϊκό σύστημα βρίσκεται σε βιομηχανικό χώρο, οι επιχειρηματικές δραστηριότητες και ο εξοπλισμός βρίσκονται επίσης σε κίνδυνο. Οι μετατροπείς είναι ακριβοί, αλλά για βιομηχανικές εφαρμογές, μια ακόμη πιο δαπανηρή αποτυχία είναι το κόστος διακοπής.
Όταν ο κεραυνός χτυπά ένα ηλιακό φωτοβολταϊκό σύστημα, προκαλεί ένα επαγόμενο μεταβατικό ρεύμα και τάση μέσα στους βρόχους σύρματος του συστήματος ηλιακού φωτοβολταϊκού συστήματος. Αυτά τα μεταβατικά ρεύματα και τάσεις θα εμφανιστούν στους ακροδέκτες του εξοπλισμού και πιθανόν να προκαλέσουν μόνωση και διηλεκτρικές αποτυχίες εντός των ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών εξαρτημάτων της ηλιακής φωτοβολταϊκής και των ηλεκτρονικών στοιχείων, όπως τα φωτοβολταϊκά πάνελ, ο εξοπλισμός μετατροπέα, ελέγχου και επικοινωνίας2, καθώς και συσκευές στην εγκατάσταση του κτιρίου3. Το πλαίσιο συστοιχίας, ο μετατροπέας και η συσκευή MPT (μέγιστου σημείου παρακολούθησης ισχύος) έχουν τα υψηλότερα σημεία αποτυχίας.
Για να αποφευχθεί η διέλευση από τα ηλεκτρονικά και η πρόκληση ζημιάς υψηλής τάσης στο σύστημα φωτοβολταϊκών, οι υπερχείλιση της τάσης πρέπει να έχουν μια διαδρομή προς τη γείωση. Για να γίνει αυτό, όλες οι αγώγιμες επιφάνειες θα πρέπει να γειωθούν άμεσα και όλες οι καλωδιώσεις που εισέρχονται και εξέρχονται από το σύστημα (όπως καλώδια Ethernet και AC Mains) να συνδέονται με τη γείωση μέσω μιας συσκευής προστασίας κύματος (SPD).
Απαιτείται SPD για κάθε ομάδα των χορδών μέσα στο κιβώτιο συστοιχίας, το κιβώτιο ανασυνδυασμού, καθώς και την αποσύνδεση DC.
Ταξινομήσεις συσκευών προστασίας προστασίας
Τα SPD παρέχουν προστασία από τους κινδύνους που προκαλούνται από υπερτάσεις.
UL 1449 [4] ορίζει τον τύπο 1, τον τύπο 2 και τον τύπο 3 SPDs:
Τύπος 1:Μία θύρα, μόνιμα συνδεδεμένα SPD, εκτός από το Watt - our -our meter meter περιβλήματα, που προορίζονται για εγκατάσταση μεταξύ του δευτερεύοντος του μετασχηματιστή υπηρεσίας και της πλευράς της γραμμής του εξοπλισμού υπηρεσίας υπερμετάλλευσης της συσκευής, καθώς και της πλευράς φορτίου, συμπεριλαμβανομένου του Watt - ourty urclosures και των διατάξεων SPDs που προορίζονται να εγκατασταθούν χωρίς την External Overcurrent Protections. Τα SPD τύπου 1 για χρήση σε φωτοβολταϊκά συστήματα μπορούν να συνδεθούν μεταξύ της φωτοβολταϊκής συστοιχίας και της κύριας αποσύνδεσης της υπηρεσίας.
Τύπος 2:Μόνιμα συνδεδεμένα SPD που προορίζονται για εγκατάσταση στην πλευρά φορτίου της συσκευής υπερέντασης εξοπλισμού υπηρεσίας. συμπεριλαμβανομένων των SPD που βρίσκονται στον πίνακα υποκαταστημάτων και των διαμορφωμένων SPDs. Η τιμή IMAX είναι το μέγιστο ρεύμα απλής εκφόρτισης που αντιπροσωπεύεται από μια κυματομορφή 8/20 μS που μπορεί να υποστηρίξει το SPD.
Τύπος 3:Σημείο χρήσης SPD, εγκατεστημένο σε ελάχιστο μήκος αγωγού 10 μέτρων από τον πίνακα ηλεκτρικών υπηρεσιών μέχρι το σημείο χρήσης, για παράδειγμα συνδεδεμένο με καλώδιο, άμεσο βύσμα - σε, τύπου δοχείου και SPD που εγκαθίστανται στον εξοπλισμό χρήσης που προστατεύεται. Η απόσταση (10 μέτρα) αποκλείει τους αγωγούς που είναι εφοδιασμένοι ή χρησιμοποιούνται για την προσάρτηση SPD.
Οι SPD τύπου 1 προστατεύουν από άμεσες απεργίες αστραπής και χαρακτηρίζονται από κύμα ρεύματος 10/350 μS. Οι SPD τύπου 1 χρησιμοποιούνται στους κεντρικούς μετατροπείς.
Οι SPD τύπου 2 προστατεύουν από έμμεσες απεργίες αστραπής, οι οποίες χαρακτηρίζονται από κυματομορφές 8/20 μs. Μια κυματομορφή 8/20 μs σημαίνει ότι η απεργία έχει χρόνο αύξησης 8 μs και διάρκεια σε ένα - μισή κορυφή 20 μs. Οι SPD τύπου 2 αποτρέπουν την εξάπλωση της υπέρβασης σε ηλεκτρικές εγκαταστάσεις και εξοπλισμό. Προστατεύουν επίσης το ηλεκτρομαγνητικό αποτέλεσμα της Lightning που διαδίδει μια αύξηση μέσα στο καλώδιο.
Θα πρέπει να χρησιμοποιείται ένα SPD τύπου 2 σε κάθε MPPT και μέσα σε μετατροπείς συμβολοσειράς και πλαίσια συστοιχίας.
Τα κιβώτια όπου συμβαίνουν υπερτάσεις συνήθως κατεβαίνουν από απεργίες που είναι έμμεσες. Δεν είναι μόνο ο τύπος υλικού και ύψους, αλλά και το σχήμα που επηρεάζει την ικανότητα ενός αντικειμένου να προσελκύει αστραπές. Εάν το σχήμα του κιβωτίου ή το υλικό έχει τάση να προσελκύει απεργίες αστραπής, τότε θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένα SPD τύπου 1 ή μια ράβδος κεραυνού.
Το ύψος, τα αιχμηρά σχήματα και η απομόνωση είναι τα κυρίαρχα χαρακτηριστικά που καθορίζουν πού χτυπά ο κεραυνός. Είναι ένας μύθος ότι το μέταλλο προσελκύει αστραπές. Ωστόσο, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι ανεξάρτητα από το πού βρίσκεται το φωτοβολταϊκό αγρόκτημα ή το σχήμα οποιουδήποτε κοντινού αντικειμένου, τα SPD είναι απαραίτητα για κάθε φωτοβολταϊκό σύστημα λόγω της εγγενούς ευαισθησίας τους σε άμεσες και έμμεσες απεργίες.
Επιλογή και εγκατάσταση συσκευής προστασίας προστασίας για συστήματα φωτοβολταϊκών συστημάτων
Τα φωτοβολταϊκά συστήματα έχουν μοναδικά χαρακτηριστικά, τα οποία επομένως απαιτούν τη χρήση SPD που έχουν σχεδιαστεί ειδικά για φωτοβολταϊκά συστήματα.
Τα φωτοβολταϊκά συστήματα έχουν υψηλές τάσεις συστήματος DC μέχρι 1500 βολτ. Το μέγιστο σημείο ισχύος τους λειτουργεί μόνο σε λίγα εκατοστημόρια κάτω από το ρεύμα βραχυκυκλώματος του συστήματος.
Για να προσδιορίσετε τη σωστή μονάδα SPD για το φωτοβολταϊκό σύστημα και την εγκατάστασή του, πρέπει να γνωρίζετε:
Η πυκνότητα φλας στρογγυλής αστραπής.
τη θερμοκρασία λειτουργίας του συστήματος.
την τάση του συστήματος.
η βαθμολογία ρεύματος βραχυκυκλώματος του συστήματος.
το επίπεδο κυματομορφής που πρέπει να προστατεύεται (έμμεση ή άμεση αστραπή). και
το ονομαστικό ρεύμα εκφόρτισης.
Οι απαιτήσεις SPD για μια εγκατάσταση που προστατεύεται από ένα εξωτερικό σύστημα προστασίας από κεραυνούς (LPS) εξαρτάται από την επιλεγμένη κλάση του LPS και εάν η απόσταση διαχωρισμού μεταξύ του LPS και της εγκατάστασης PV είναι απομονωμένη ή μη - απομονωμένη [4]. Το IEC 62305-3 περιγράφει λεπτομερώς τις απαιτήσεις απόστασης διαχωρισμού για ένα εξωτερικό LPS.
Για να έχει προστατευτικό αποτέλεσμα, το επίπεδο προστασίας της τάσης SPD (UP) θα πρέπει να είναι 20 % χαμηλότερο από τη διηλεκτρική αντοχή του τερματικού εξοπλισμού του συστήματος.
Είναι σημαντικό να χρησιμοποιήσετε ένα SPD με ένα ρεύμα αντοχής βραχυκυκλώματος μεγαλύτερο από το ρεύμα βραχυκυκλώματος της συμβολοσειρά ηλιακής συστοιχίας που συνδέεται με το SPD. Το SPD που παρέχεται στην έξοδο DC πρέπει να έχει DC MCOV ίσο ή μεγαλύτερο από τη μέγιστη τάση του φωτοβολταϊκού συστήματος του πίνακα.
Όταν ο Lightning χτυπά στο σημείο Α (βλ. Εικόνα 1), ο ηλιακός φωτοβολταϊκός πίνακας και ο μετατροπέας είναι πιθανό να καταστραφούν. Μόνο ο μετατροπέας θα καταστραφεί εάν οι απεργίες αστραπής στο σημείο Β. Ωστόσο, ο μετατροπέας είναι συνήθως το πιο ακριβό συστατικό μέσα σε ένα σύστημα φωτοβολταϊκών, γι 'αυτό είναι απαραίτητο να επιλέξετε και να εγκαταστήσετε σωστά το σωστό SPD τόσο στις γραμμές AC όσο και στις γραμμές DC. Όσο πιο κοντά είναι η απεργία στον μετατροπέα, τόσο πιο κατεστραμμένο θα είναι ο μετατροπέας.
Εικόνα 1.Τοποθεσία απεργίας αστραπής.
SPDs για την πλευρά DC των φωτοβολταϊκών συστημάτων
Οι πηγές φωτοβολταϊκών έχουν πολύ διαφορετικά χαρακτηριστικά ρεύματος και τάσης από τις παραδοσιακές πηγές DC: Έχουν ένα μη - γραμμικό χαρακτηριστικό και προκαλούν μακρά - όρος εμμονής των αναφλεγμένων τόξων. Επομένως, οι πηγές ρεύματος φωτοβολταϊκών δεν απαιτούν μόνο μεγαλύτερους φωτοβολταϊκούς διακόπτες και φωτοβολταϊκές ασφάλειες, αλλά και έναν αποσυνδεδετή για την προστατευτική συσκευή κύματος που είναι προσαρμοσμένη σε αυτή τη μοναδική φύση και ικανή να αντιμετωπίσει τα φωτοβολταϊκά ρεύματα.
Τα SPD που είναι εγκατεστημένα στην πλευρά DC πρέπει πάντα να σχεδιάζονται ειδικά για εφαρμογές DC. Η χρήση ενός SPD στην εσφαλμένη πλευρά AC ή DC είναι επικίνδυνη υπό συνθήκες σφάλματος.
Όταν χρησιμοποιούνται SPD στην πλευρά DC, πρέπει επίσης να χρησιμοποιηθούν στην πλευρά AC λόγω των πιθανών διαφορών.
SPDs για την πλευρά AC
Η προστασία από την αύξηση είναι εξίσου σημαντική για την πλευρά AC όπως και για την πλευρά DC. Βεβαιωθείτε ότι το SPD έχει σχεδιαστεί ειδικά για την πλευρά AC.
Για βέλτιστη προστασία, το SPD θα πρέπει να έχει μέγεθος ειδικά για το σύστημα. Η σωστή επιλογή θα εγγυηθεί την καλύτερη προστασία με τη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.
Από την πλευρά AC, πολλοί μετατροπείς μπορούν να συνδεθούν με το ίδιο SPD εάν μοιράζονται την ίδια σύνδεση πλέγματος.
Εγκατάσταση
Τα SPD θα πρέπει πάντα να εγκατασταθούν ανάντη των συσκευών που πρόκειται να προστατεύσουν. Το NFPA 780 12.4.2.1 αναφέρει ότι η προστασία από την αύξηση θα παρέχεται στην έξοδο DC του ηλιακού πίνακα από θετικό σε έδαφος και αρνητικό σε έδαφος, στο κιβώτιο συνδυασμού και ανασυνδυασμού για πολλαπλούς ηλιακούς συλλέκτες και στην έξοδο AC του μετατροπέα.
Η σωστή εγκατάσταση ενός SPD βασίζεται σε τρεις τιμές, οι οποίες είναι:
Μέγιστη συνεχή τάση λειτουργίας: Η τάση που θα ενεργοποιηθεί το SPD.
Επίπεδο προστασίας τάσης: Η κατηγορία υπέρτασης του εξοπλισμού πρέπει να είναι υψηλότερη από το επίπεδο προστασίας της τάσης του SPD.
Ονομαστικό ρεύμα εκφόρτισης: Η κορυφαία τιμή της κυματομορφής (8/20 μs για SPD τύπου 2) που το SPD είναι ικανό να αντέξει μετά από επαναλαμβανόμενες υπερτάσεις.
Καλώδια
Τα καλώδια σε φωτοβολταϊκά συστήματα συχνά επεκτείνονται σε μεγάλες αποστάσεις έτσι ώστε να μπορούν να φτάσουν στο σημείο σύνδεσης του πλέγματος. Ωστόσο, τα μακρά μήκη καλωδίων δεν συνιστώνται ποτέ και τα φωτοβολταϊκά συστήματα απέχουν πολύ από την εξαίρεση.
Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η επίδραση του πεδίου - με βάση και διεξάγεται ηλεκτρική παρεμβολή που προκαλείται από αυξήσεις των απορρίψεων σε σχέση με την αύξηση των μήκους των καλωδίων και των βρόχων αγωγών. Όταν εμφανιστεί μια παροδική υπερβολή, οποιαδήποτε πτώση επαγωγικής τάσης στα καλώδια σύνδεσης μπορεί να αποδυναμώσει το προστατευτικό αποτέλεσμα της SPD. Αυτό είναι λιγότερο πιθανό να συμβεί εάν τα καλώδια δρομολογούνται για να είναι όσο το δυνατόν συντομότερα.
Η τάση υπερχείλισης είναι σημαντικός παράγοντας στην αποτυχία του καλωδίου και κάθε ώθηση σε ένα καλώδιο θα συμβάλει στην επιδείνωση της αντοχής μόνωσης του καλωδίου.
Εάν μια αύξηση εισάγεται σε μια βάση - μόνο PV σύστημα (ένα σύστημα που απέχει πολύ από το ηλεκτρικό δίκτυο), μπορεί να διαταραχθεί οι λειτουργίες εξοπλισμού που τροφοδοτείται από ηλιακή ηλεκτρική ενέργεια, όπως ιατρικό εξοπλισμό ή παροχή νερού.
Η θέση και η ποσότητα των SPD που πρέπει να εγκατασταθούν στην πλευρά DC εξαρτώνται από το μήκος του καλωδίου μεταξύ των ηλιακών συλλεκτών και του μετατροπέα (βλ. Πίνακα 1). Εάν το μήκος είναι μικρότερο από 10 μέτρα, τότε είναι απαραίτητο μόνο ένα SPD και το SPD θα πρέπει να εγκατασταθεί στην ίδια περιοχή με τον μετατροπέα. Εάν το μήκος του καλωδίου είναι πάνω από 10 μέτρα, τότε εγκαταστήστε ένα SPD κοντά στον μετατροπέα καθώς και ένα δεύτερο SPD στο κουτί που βρίσκεται κοντά στον ηλιακό πάνελ.
Τα καλώδια διαδρομής με τέτοιο τρόπο ώστε να αποφεύγουν μεγάλους βρόχους αγωγού. Οι γραμμές AC και DC και οι γραμμές δεδομένων πρέπει να δρομολογούνται μαζί με τους αγωγούς δέσμευσης εξισορρόπησης κατά μήκος ολόκληρης της διαδρομής για να διασφαλιστεί ότι οι βρόχοι αγωγών δεν διαμορφώνονται από την κατεύθυνση της δρομολόγησης σε διάφορες χορδές ή κατά τη σύνδεση του μετατροπέα με τη σύνδεση του δικτύου.
Πίνακας 1.Επιλογή SPD.
Πώς να συνδυάσετε SPD με μετατροπείς
Οι φωτοβολταϊκές εκμεταλλεύσεις αποτελούνται από πολύ ευαίσθητο εξοπλισμό που χρειάζεται εκτεταμένη προστασία. Επειδή οι φωτοβολταϊκές εκμεταλλεύσεις δημιουργούν δύναμη άμεσης ρεύματος (DC), οι μετατροπείς (οι οποίοι είναι απαραίτητοι για τη μετατροπή αυτής της ισχύος από DC σε AC) αποτελούν βασικό στοιχείο της ηλεκτρικής τους παραγωγής. Δυστυχώς, οι μετατροπείς δεν είναι μόνο ιδιαίτερα ευαίσθητοι σε απεργίες αστραπής, αλλά είναι απίστευτα ακριβά.
NFPA 780,Πρότυπο για την εγκατάσταση συστημάτων προστασίας από αστραπές, στο 12.4.2.3 απαιτεί επιπλέον SPD στην είσοδο DC του μετατροπέα εάν ο μετατροπέας συστήματος είναι περισσότερο από 30 μέτρα από τον πλησιέστερο συνδυασμό ή το κιβώτιο ανασυνδυασμού.
Τοποθετήστε το SPD μεταξύ των ασφάλειων και του μετατροπέα εάν υπάρχουν προστατευτικά συμβολοσειράς (όπως ασφάλειες, διακόπτες DC ή δίοδοι συμβολοσειρών) [βλ. Εικόνα 2].
Εικόνα 2.Το SPD σωστά και εσφαλμένα συνδεδεμένο με τον μετατροπέα με προστατευτικά συμβολοσειράς.
Για να συνδέσετε ένα SPD όταν υπάρχει ένας μετατροπέας με ενσωματωμένο κιβώτιο ασφαλειών, βεβαιωθείτε ότι οι εσωτερικές ασφάλειες παρακάμπτονται και ότι συνδέονται οι εξωτερικές ασφάλειες συμβολοσειρών (βλ. Εικόνα 3). Τα SPD πρέπει να τοποθετούνται έξω από τον μετατροπέα και σε ένα περίβλημα NEMA - 3 r ή υψηλότερο εάν πρόκειται για υπαίθρια εφαρμογή.
Οι μετατροπείς συμβολοσειρών θα πρέπει να εγκατασταθούν όσο το δυνατόν πιο κοντά στις χορδές. Τα καλώδια SPD που συνδέονται με το δίκτυο L+/L - και μεταξύ του τερματικού μπλοκ και του εδάφους του SPD πρέπει να είναι μικρότερα από 2,5 μέτρα. Όσο μικρότερα είναι τα καλώδια σύνδεσης, τόσο πιο αποτελεσματικό και κόστος - αποτελεσματική θα είναι η προστασία.
Για τους μετατροπείς με μόνο έναν ιχνηλάτη MPP, συνδυάστε τη συμβολοσειρά πριν από τον μετατροπέα και συνδέστε τα στο SPD στο σημείο διασύνδεσης.
Οι συνδυασμοί SPD πρέπει να προγραμματίζονται για κάθε είσοδο όταν ο μετατροπέας έχει πολλαπλούς ιχνηλάτες MPP. Ένα SPD πρέπει να χρησιμοποιείται για κάθε είσοδο που συγχωνεύεται με δίοδο συμβολοσειράς.
Εικόνα 3.Το SPD συνδέεται με τον μετατροπέα με ενσωματωμένο κιβώτιο ασφαλειών
Σύναψη
Η λειτουργία του φωτοβολταϊκού εξοπλισμού χωρίς την κατάλληλη προστασία της αύξησης είναι περισσότερο από επικίνδυνη επιχείρηση - είναι απερίσκεπτη.
Για να είναι το μέλλον ενός πιο πράσινου κόσμου, πρέπει να προστατεύονται. Η εμφάνιση του κεραυνού είναι ασταμάτητη και επομένως η προστασία είναι απαραίτητη.
Η ευπάθεια των φωτοβολταϊκών συστημάτων σε αστραπές - τόσο άμεση όσο και έμμεση - σημαίνει ότι πρέπει να κατασκευαστούν με αξιόπιστη και σωστά εγκατεστημένη προστασία υπερτάσεων.
