Współpraca w zakresie zabezpieczeń przeciwprzepięciowych, wyłączników i bezpieczników w systemach fotowoltaicznych: analiza funkcjonalna i dyskusja na temat konieczności

Wstęp

Wraz z dynamicznym rozwojem globalnego przemysłu fotowoltaicznego, bezpieczeństwo i stabilność systemów wytwarzania energii słonecznej stały się przedmiotem zainteresowania branży. Systemy fotowoltaiczne są narażone na długotrwałe działanie czynników zewnętrznych i są podatne na zagrożenia, takie jak wyładowania atmosferyczne, wahania napięcia w sieci elektroenergetycznej i awarie urządzeń, które mogą spowodować ich uszkodzenie, a nawet pożar. Ograniczniki przepięć (SPD), wyłączniki nadprądowe i bezpieczniki to kluczowe urządzenia zabezpieczające, które spełniają swoje zadania i współpracują ze sobą, aby zapewnić bezpieczną pracę systemu. Niniejszy artykuł dogłębnie analizuje ich funkcje, mechanizmy koordynacji oraz konieczność dostarczenia informacji dla użytkowników przemysłowych.

I. „Niewidzialny zabójca” zagrażający systemom fotowoltaicznym

Elektrownie fotowoltaiczne przypominają „stalowych wojowników” pracujących na świeżym powietrzu, nieustannie poddawanych różnym trudnym próbom.

1.1 Problemy związane z uderzeniem pioruna:

W szczególności na Bliskim Wschodzie i w Azji Południowo-Wschodniej pojedynczy sezon burzowy może sparaliżować systemy pozbawione ochrony.
1.2 Wahania sieci elektroenergetycznej:
W chilijskim projekcie, którym kierowałem, kilka urządzeń uległo spaleniu z powodu nagłego wzrostu napięcia sieciowego.

1.3 Ryzyko zwarcia:
W zeszłym roku w jednym z projektów w Niemczech doszło do zwarcia spowodowanego starzeniem się kabli, co niemal doprowadziło do pożaru.

Te zagrożenia nie są przesadzone. Według Międzynarodowego Sojuszu Bezpieczeństwa Fotowoltaicznego (International Photovoltaic Safety Alliance), ponad 60% awarii systemów fotowoltaicznych wynika z niewystarczającej ochrony elektrycznej.

II. Podstawowe funkcje urządzeń przeciwprzepięciowych (SPD)

2.1 Zasada działania
SPD odprowadza przepięciowe napięcia przejściowe do ziemi poprzez warystory tlenkowo-metalowe (MOV) lub lampy wyładowcze (GDT), ograniczając napięcie do bezpiecznego zakresu. W systemach fotowoltaicznych SPD są zazwyczaj instalowane w następujących miejscach:
Strona DC (pomiędzy modułami i falownikiem): W celu ochrony przed przepięciami indukowanymi przez pioruny.
Strona prądu przemiennego (pomiędzy falownikiem a siecią): W celu tłumienia przepięć po stronie sieci.

2.2 Kluczowe parametry
Maksymalne ciągłe napięcie robocze (Uc): Musi odpowiadać poziomowi napięcia systemu fotowoltaicznego (np. 1000 V DC lub 1500 V DC).
Prąd rozładowania (In/Iimp): Odzwierciedla zdolność do rozładowywania prądu piorunowego. W systemach fotowoltaicznych zwykle wymagany jest prąd o natężeniu 20 kA lub większym.
Poziom ochrony napięciowej (Up): Określa wielkość napięcia szczątkowego i musi być niższy niż napięcie wytrzymywane chronionego sprzętu.

2.3 Konieczność
Zabezpiecz drogi sprzęt, taki jak inwertery i skrzynki rozdzielcze, przed uszkodzeniem przez przepięcia.
Spełniają międzynarodowe normy (takie jak IEC 6164331, UL 1449) i wymagania dotyczące akceptacji elektrowni fotowoltaicznych.

III.Działanie i dobór wyłączników i bezpieczników

3.1 Wyłącznik automatyczny
Funkcjonować:
• Zabezpieczenie przed przeciążeniem: Gdy prąd przekroczy ustawioną wartość (np. 1,3-krotność prądu znamionowego), uruchamia się mechanizm wyzwalacza termicznego.
• Ochrona przed zwarciem: Mechanizm wyzwalający elektromagnetyczny wyłącza prąd zwarciowy (np. 10 kA) w ciągu milisekund.

•Charakterystyka zastosowań fotowoltaicznych:
Należy wybrać specjalny wyłącznik obwodu prądu stałego (np. DC 1000V/1500V).
Zdolność wyłączania powinna być dostosowana do prądu zwarciowego układu (typowo ≥ 15 kA).

3.2 Bezpiecznik
Funkcjonować:
Dzięki stopieniu elementu bezpiecznikowego możliwe jest szybkie odizolowanie uszkodzonego obwodu i ochrona gałęzi połączonej szeregowo.

Zalety:
Prędkość rozłączania jest szybsza (na poziomie mikrosekund), co jest przydatne w przypadku dużych prądów zwarciowych.
Ma niewielkie rozmiary i nadaje się do skrzynek przewodzących prąd o ograniczonej przestrzeni.

3.3 Współpraca z SPD

SPD odpowiada za ochronę napięciową, natomiast wyłączniki nadprądowe/bezpieczniki za ochronę prądową.
W przypadku awarii SPD z powodu przepięcia, wyłączniki nadprądowe lub bezpieczniki mogą natychmiast wyłączyć uszkodzony obwód, zapobiegając pożarowi.

Ⅳ. Studium przypadku wielostopniowego systemu ochrony

Weźmy na przykład elektrownię fotowoltaiczną o mocy 1 MW:
4.1 Zabezpieczenie po stronie prądu stałego
Gałęzie serii komponentów: Zainstaluj bezpieczniki (np. typu 10A gPV) dla każdej serii.
Wejście do skrzynki rozdzielczej: zainstaluj SPD typu II (Up ≤ 1,5 kV) i wyłącznik obwodu prądu stałego (63 A).

4.2 Zabezpieczenie po stronie prądu przemiennego
Wyjście falownika: Skonfiguruj SPD typu 1+2 (Iimp ≥ 12,5 kA) i wyłącznik automatyczny w obudowie formowanej (250 A).

4.3 Symulacja scenariusza błędu
W przypadku uderzenia pioruna: SPD uwalnia prąd udarowy i obniża napięcie poniżej 2 kV; jeśli SPD ulegnie awarii z powodu zwarcia, zadziała wyłącznik automatyczny.
W przypadku zwarcia linii: bezpiecznik topi się w ciągu 5 ms, zapobiegając rozprzestrzenianiu się punktowego efektu termicznego.

Ⅴ. Środki ostrożności przy wyborze i instalacji

5.1 Wybór SPD
W przypadku prądu stałego należy zastosować specjalny ogranicznik prądu fotowoltaicznego (np. PVSPD), aby uniknąć problemu prądu wstecznego, który występuje w przypadku zwykłych ograniczników prądu przemiennego.
Należy uwzględnić margines temperatury (Uc musi pozostawić margines w środowiskach o wysokiej temperaturze).

5.2 Dopasowanie wyłącznika/bezpiecznika
Zdolność wyłączania powinna być wyższa niż maksymalny prąd zwarciowy układu (np. prąd zwarciowy ciągu może osiągnąć 1,5 kA).
Prąd znamionowy bezpiecznika powinien być 1,56 razy większy od prądu zwarciowego składowej (Isc) (zgodnie z NEC 690.8).

5.3 Sugestie dotyczące integracji systemu
Długość przewodu pomiędzy SPD a wyłącznikiem automatycznym powinna wynosić ≤ 0,5 m w celu ograniczenia napięcia szczątkowego.
Należy regularnie przeprowadzać kontrole wskaźników stanu SPD i na czas wymieniać uszkodzone moduły.

Ⅵ. Trendy branżowe i aktualizacje standardów
•Wysokie zapotrzebowanie na napięcie: Ze względu na powszechne stosowanie systemów fotowoltaicznych o napięciu 1500 V, konieczne jest synchroniczne zwiększanie poziomów napięcia wytrzymywanego przez urządzenia SPD i wyłączniki nadprądowe.

•Inteligentny monitoring: Inteligentne urządzenia SPD integrujące czujniki temperatury i funkcje komunikacji bezprzewodowej są stopniowo stosowane w celu umożliwienia zdalnego wczesnego ostrzegania o usterkach.

•Zbrojenie standardowe: Nowa wersja normy IEC 625482023 nałożyła bardziej rygorystyczne wymagania koordynacyjne na urządzenia zabezpieczające systemy fotowoltaiczne.

Wniosek
W systemach fotowoltaicznych ograniczniki przepięć, wyłączniki nadprądowe i bezpieczniki stanowią kompletny, współpracujący system ochrony „napięciowo-prądowej”. Prawidłowy dobór i konfiguracja tych komponentów nie tylko wydłuża żywotność urządzeń oraz obniża koszty eksploatacji i konserwacji, ale także stanowi niezbędny warunek zapewnienia bezpiecznej eksploatacji elektrowni. Wraz z rozwojem technologii, integracja i inteligencja tych zabezpieczeń jeszcze bardziej podniosą niezawodność systemów fotowoltaicznych w przyszłości.