Wybór urządzeń ochrony przeciwprzepięciowej Wybór urządzeń ochrony przeciwprzepięciowej dla systemów fotowoltaicznych – rodzaje urządzeń ochrony przeciwprzepięciowej

Wytwarzanie energii elektrycznej z ogniw fotowoltaicznych (PV) jest kluczowym źródłem energii odnawialnej i jest wysoce konkurencyjne ekonomicznie w porównaniu z tradycyjnym wytwarzaniem energii. Małe, rozproszone systemy PV, takie jak dachowe panele słoneczne, zyskują na popularności. Dachowe systemy PV obejmują dystrybucję zarówno prądu przemiennego, jak i stałego, o napięciu do 1500 V. Strona prądu stałego, a zwłaszcza panele PV, może być bezpośrednio narażona na uderzenia piorunów w obszarach wysokiego ryzyka, co czyni je podatnymi na uszkodzenia spowodowane wyładowaniami atmosferycznymi.

Ochrona odgromowa budynków dzieli się na ochronę zewnętrzną (system ochrony odgromowej, LPS) i ochronę wewnętrzną (środki ochrony przeciwprzepięciowej, SPM), w zależności od ryzyka wyładowania atmosferycznego. Urządzenia ochrony przeciwprzepięciowej (SPD), jako część ochrony wewnętrznej, chronią przed przejściowymi przepięciami spowodowanymi wyładowaniami atmosferycznymi lub operacjami łączeniowymi. SPD są instalowane na zewnątrz chronionego urządzenia i działają zasadniczo w następujący sposób: gdy w systemie elektroenergetycznym nie występuje przepięcie, SPD nie wpływa znacząco na normalną pracę chronionego systemu. W przypadku wystąpienia przepięcia SPD zapewnia niską impedancję, odprowadzając prąd udarowy i ograniczając napięcie do bezpiecznego poziomu. Po ustąpieniu przepięcia i zaniku prądu resztkowego, SPD powraca do stanu wysokiej impedancji.

1. Miejsce instalacji urządzeń przeciwprzepięciowych (SPD)

Miejsce instalacji SPD jest określane na podstawie stopnia zagrożenia piorunowego i koncepcji stref ochrony odgromowej (LPZ) zawartej w normie IEC 62305. Przepięcia przejściowe są stopniowo redukowane do bezpiecznego poziomu, który musi być niższy od napięcia wytrzymywanego chronionego urządzenia. Jak pokazano na rysunku, SPD są instalowane na granicach tych stref, co dało początek koncepcji wielostopniowej ochrony przeciwprzepięciowej stosowanej w systemach niskiego napięcia. W przypadku systemów fotowoltaicznych nacisk kładziony jest na zapobieganie przedostawaniu się przepięć piorunowych przez strony prądu przemiennego i stałego, chroniąc w ten sposób krytyczne komponenty, takie jak falowniki.

2. Klasy testowe urządzeń przeciwprzepięciowych (SPD)

Zgodnie z normą IEC 61643-11, urządzenia SPD klasyfikuje się do trzech kategorii testowych w zależności od rodzaju udaru piorunowego, który mają wytrzymać. Testy typu I (oznaczone jako T1) mają na celu symulację częściowych prądów piorunowych, które mogą przedostać się do budynku. Wykorzystują one przebieg 10/350 µs, jak pokazano na rysunku, i są zazwyczaj stosowane na granicy stref LPZ0 i LPZ1 – na przykład w głównych rozdzielnicach lub na doprowadzeniach transformatorów niskiego napięcia. Urządzenia SPD dla tego poziomu są zazwyczaj typu przełączającego napięcie, z elementami takimi jak lampy wyładowcze lub iskierniki (np. iskierniki rogowe lub grafitowe).

Testy typu II (T2) i typu III (T3) wykorzystują impulsy o krótszym czasie trwania. Urządzenia SPD typu II to zazwyczaj urządzenia ograniczające napięcie, wykorzystujące takie elementy jak warystory metalowo-tlenkowe (MOV). Są one testowane znamionowym prądem wyładowania o przebiegu prądowym 8/20 µs (patrz rysunek poniżej) i odpowiadają za dalsze ograniczanie napięcia udarowego pochodzącego z urządzenia zabezpieczającego przed przepięciami. Testy typu III wykorzystują generator fal kombinowanych o napięciu 1,2/50 µs i impulsie prądowym 8/20 µs (patrz rysunek poniżej), symulując przepięcia bliżej urządzeń końcowych.

3. Typ połączenia urządzenia przeciwprzepięciowego (SPD)

Istnieją dwa główne tryby ochrony przed przepięciami przejściowymi. Pierwszym z nich jest zabezpieczenie składowej wspólnej (CT1), które ma chronić przed przepięciami między przewodami pod napięciem a przewodem ochronnym PE (uziemienie). Na przykład wyładowania atmosferyczne mogą wprowadzać do systemu wysokie napięcia względem uziemienia. Zabezpieczenie składowej wspólnej pomaga łagodzić skutki takich zakłóceń zewnętrznych, jak wyładowania atmosferyczne, jak pokazano poniżej.

Drugim rodzajem zabezpieczenia jest zabezpieczenie różnicowoprądowe (CT2), które chroni przed przepięciami między przewodem fazowym (L) a przewodem neutralnym (N). Ten rodzaj zabezpieczenia jest szczególnie ważny w przypadku zakłóceń wewnętrznych, takich jak szum elektryczny lub zakłócenia generowane w samym systemie, jak pokazano na poniższym schemacie.

Dzięki wdrożeniu jednego lub obu tych trybów ochrony można lepiej chronić układy elektryczne przed potencjalnymi źródłami przepięć, co ostatecznie wydłuża żywotność i niezawodność podłączonego sprzętu.

Należy pamiętać, że wybór trybów zabezpieczenia SPD powinien być zgodny z istniejącym systemem uziemienia. W systemach TN można stosować zarówno tryby zabezpieczenia CT1, jak i CT2. Jednak w systemach TT zabezpieczenie CT1 można zastosować tylko za wyłącznikiem różnicowoprądowym RCD. W systemach IT – zwłaszcza tych bez przewodu neutralnego – zabezpieczenie CT2 nie ma zastosowania. Jest to kluczowa kwestia w systemach dystrybucji prądu stałego, które wykorzystują konfiguracje uziemienia IT. Szczegóły można znaleźć w poniższej tabeli.

4. Kluczowe parametry urządzeń przeciwprzepięciowych (SPD)

Zgodnie z międzynarodową normą IEC 61643-11 zdefiniowano charakterystyki i badania urządzeń SPD podłączonych do sieci dystrybucji energii niskiego napięcia, jak pokazano na rysunku 7.

(1) Poziom ochrony napięciowej (w górę)

Najważniejszym aspektem przy wyborze SPD jest jego poziom ochrony napięciowej (Up), który charakteryzuje skuteczność SPD w ograniczaniu napięcia między zaciskami. Wartość ta powinna być wyższa niż maksymalne napięcie zacisku. Jest ona osiągana, gdy prąd płynący przez SPD jest równy znamionowemu prądowi rozładowania In. Wybrany poziom ochrony napięciowej musi być niższy niż napięcie udarowe wytrzymywane Uw obciążenia. W przypadku wyładowań atmosferycznych napięcie na zaciskach SPD jest zazwyczaj utrzymywane poniżej Up. W przypadku systemów PV DC obciążenie zazwyczaj odnosi się do modułów PV i falowników.

(2) Maksymalne napięcie ciągłej pracy (Uc)

Uc to maksymalne napięcie stałe, które może być stale podawane do zabezpieczenia SPD. Jest ono dobierane na podstawie napięcia znamionowego i konfiguracji uziemienia systemu i służy jako próg aktywacji SPD. W przypadku strony stałoprądowej systemów fotowoltaicznych, Uc powinno być większe lub równe Uoc Max panelu fotowoltaicznego. Uoc Max odnosi się do najwyższego napięcia w obwodzie otwartym między zaciskami fazowymi oraz między zaciskiem fazowym a uziemieniem w wyznaczonym punkcie panelu fotowoltaicznego.

(3) Prąd rozładowania nominalny (In)

Jest to wartość szczytowa prądu o przebiegu 8/20 μs przepływającego przez SPD, stosowana w testach typu II i testach wstępnego kondycjonowania w testach typu I i Typ IINorma IEC wymaga, aby SPD wytrzymywał co najmniej 19 wyładowań prądu o przebiegu 8/20 μs. Im wyższa wartość In, tym dłuższa żywotność SPD, ale jednocześnie wzrasta jego koszt.

(4) Prąd impulsowy (Iimp)

Prąd ten jest definiowany przez trzy parametry: szczyt prądu (Ipeak), ładunek (Q) i energię właściwą (W/R). Typ I Testy. Typowy przebieg wynosi 10/350 μs.