Bendradarbiavimas kuriant viršįtampių apsaugos įrenginius, jungtuvus ir saugiklius fotovoltinėse sistemose: funkcinė analizė ir būtinybės aptarimas
Įvadas
Sparčiai vystantis pasaulinei fotovoltinių sistemų pramonei, saulės energijos gamybos sistemų saugumas ir stabilumas tapo pramonės dėmesio objektu. Fotovoltinės sistemos ilgą laiką yra veikiamos lauko ir yra pažeidžiamos tokių grėsmių kaip žaibo smūgiai, elektros tinklo svyravimai ir įrangos gedimai, kurie gali sukelti įrangos pažeidimus ar net gaisrą. Viršįtampių apsaugos įtaisai (SPD), jungtuvai ir saugikliai yra pagrindiniai apsaugos įtaisai, kurie kiekvienas atlieka savo pareigas ir bendradarbiauja tarpusavyje, kad užtikrintų saugų sistemos veikimą. Šiame straipsnyje bus išsamiai analizuojamos jų funkcijos, koordinavimo mechanizmai ir būtinybė, siekiant pateikti informacijos pramonės vartotojams.
I. „Nematomas žudikas“, su kuriuo susiduria fotovoltinės sistemos
Fotovoltinės elektrinės – tai tarsi „plieniniai kariai“, dirbantys po atviru dangumi, nuolat atlaikantys įvairius sunkius išbandymus.
1.1 Žaibo smūgio problemos:
Visų pirma, Artimuosiuose Rytuose ir Pietryčių Azijoje vienas perkūnijų sezonas gali paralyžiuoti sistemas, kurioms trūksta apsaugos.
1.2 Elektros tinklo svyravimai:
Čilės projekte, kuriam vadovavau, dėl staigaus tinklo įtampos padidėjimo sudegė keli įrenginiai.
1.3 Trumpojo jungimo rizika:
Praėjusiais metais Vokietijoje įgyvendinus projektą dėl senų kabelių, įvyko trumpasis jungimas, vos nesukėlęs gaisro.
Ši rizika nėra perdėta. Pasak Tarptautinio fotovoltinės saugos aljanso, daugiau nei 60 % fotovoltinių sistemų gedimų kyla dėl nepakankamos elektros apsaugos.
II. Pagrindinės viršįtampių apsaugos įtaisų (SPD) funkcijos
2.1 Veikimo principas
SPD nukreipia trumpalaikę viršįtampių įtampą į žemę per metalo oksido varistorius (MOV) arba dujų išlydžio vamzdelius (GDT), apribodami įtampą saugiame diapazone. Fotovoltinėse sistemose SPD paprastai įrengiami šiose vietose:
Nuolatinės srovės pusė (tarp modulių ir keitiklio): Apsaugai nuo žaibo sukeltų viršįtampių.
Kintamosios srovės pusė (tarp keitiklio ir tinklo): skirta slopinti viršįtampius iš tinklo pusės.
2.2 Pagrindiniai parametrai
Didžiausia nuolatinė darbinė įtampa (Uc): Turi atitikti fotovoltinės sistemos įtampos lygį (pvz., 1000 V nuolatinė srovė arba 1500 V nuolatinė srovė).
Išlydžio srovė (In/Iimp): atspindi gebėjimą iškrauti žaibo srovę, o fotovoltinėms sistemoms paprastai reikia 20 kA ar daugiau.
Įtampos apsaugos lygis (aukštyn): nustato likutinės įtampos dydį ir turi būti mažesnis už saugomos įrangos atsparumo įtampą.
2.3 Būtinybė
Apsaugokite brangią įrangą, tokią kaip keitikliai ir jungiamosios dėžutės, nuo viršįtampių.
Laikytis tarptautinių standartų (pvz., IEC 6164331, UL 1449) ir fotovoltinių elektrinių priėmimo reikalavimų.
III. Automatinių jungiklių ir saugiklių funkcija ir pasirinkimas
3.1 Grandinės pertraukiklis
Funkcija:
• Apsauga nuo perkrovos: kai srovė viršija nustatytą vertę (pvz., 1,3 karto didesnę už vardinę srovę), suveikia šiluminio išjungimo mechanizmas.
• Apsauga nuo trumpojo jungimo: elektromagnetinis išjungimo mechanizmas per milisekundes nutraukia trumpojo jungimo srovę (pvz., 10 kA).
• Fotovoltinės energijos taikymo charakteristikos:
Reikia pasirinkti specialų nuolatinės srovės jungiklį (pvz., DC 1000V/1500V).
Pertraukimo geba turėtų atitikti sistemos trumpojo jungimo srovę (paprastai ≥ 15 kA).
3.2 Saugiklis
Funkcija:
Išlydydamas saugiklio elementą, jis gali greitai izoliuoti sugedusią grandinę ir apsaugoti nuosekliai sujungtą šaką.
Privalumai:
Atjungimo greitis yra didesnis (mikrosekundžių lygmeniu), todėl tinka esant didelei trumpojo jungimo srovei.
Jis yra mažo dydžio ir tinka srovės laidinėms dėžutėms su ribota erdve.
3.3 Bendradarbiavimas su SPD
SPD yra atsakingas už įtampos apsaugą, o grandinės pertraukikliai / saugikliai – už srovės apsaugą.
Kai dėl viršįtampio sugenda SPD, grandinės pertraukikliai arba saugikliai gali greitai nutraukti sugedusią grandinę, kad būtų išvengta gaisro.
III. Daugiapakopės apsaugos sistemos atvejo analizė
Paimkime, pavyzdžiui, 1 MW fotovoltinę elektrinę:
4.1 Apsauga nuolatinės srovės pusėje
Komponentų serijos atšakos: kiekvienai serijai sumontuokite saugiklius (pvz., 10 A gPV tipo).
Jungiklio dėžutės įvadas: sumontuokite II tipo SPD (iki ≤ 1,5 kV) ir nuolatinės srovės jungiklį (63 A).
4.2 Apsauga kintamosios srovės pusėje
Keitiklio išvesties galas: sukonfigūruokite 1+2 tipo SPD (Iimp ≥ 12,5 kA) ir lieto korpuso jungiklį (250 A).
4.3 Gedimų scenarijaus modeliavimas
Įvykus žaibo smūgiui: Žaibo apsaugos įtaisas (SPD) išlaisvina viršįtampio srovę ir sumažina įtampą žemiau 2 kV; jei SPD sugenda dėl trumpojo jungimo, suveikia automatinis jungiklis.
Įvykus trumpajam jungimui linijoje: saugiklis per 5 ms išsilydo, kad būtų išvengta terminio taško efekto plitimo.
III. Atsargumo priemonės renkantis ir montuojant
5.1 SPD pasirinkimas
Nuolatinės srovės pusėje turėtų būti pasirinktas fotovoltiniams prietaisams skirtas SPD (pvz., PVSPD), kad būtų išvengta įprastų kintamosios srovės SPD sukeliamos atvirkštinės srovės problemos.
Reikėtų atsižvelgti į temperatūros ribą (Uc turi palikti ribą aukštos temperatūros aplinkoje).
5.2 Grandinės pertraukiklio / saugiklio atitikimas
Pertraukimo geba turėtų būti didesnė už maksimalią sistemos trumpojo jungimo srovę (pvz., stygos gedimo srovė gali siekti 1,5 kA).
Saugiklio vardinė srovė turi būti daugiau nei 1,56 karto didesnė už komponento trumpojo jungimo srovę (Isc) (pagal NEC 690.8).
5.3 Sistemos integravimo pasiūlymai
Laido ilgis tarp SPD ir automatinio jungiklio turėtų būti ≤ 0,5 m, kad sumažėtų likutinė įtampa.
Reikėtų reguliariai tikrinti SPD būsenos indikatorius, o sugedusius modulius laiku pakeisti.
Ⅵ. Pramonės tendencijos ir standartų atnaujinimai
• Aukštos įtampos poreikis: plačiai paplitus 1500 V fotovoltinėms sistemoms, reikia sinchroniškai didinti SPD ir jungtuvų atsparumo įtampą.
• Pažangus stebėjimas: siekiant nuotolinio ankstyvojo įspėjimo apie gedimus, palaipsniui diegiami išmanūs SPD, integruojantys temperatūros jutiklius ir belaidžio ryšio funkcijas.
• Standartinis sustiprinimas: naujoje IEC 625482023 versijoje nustatyti griežtesni koordinavimo reikalavimai fotovoltinių sistemų apsaugos įtaisams.
Išvada
Fotovoltinėse sistemose viršįtampių apsaugos įtaisai, automatiniai jungikliai ir saugikliai sudaro visapusišką „įtampos ir srovės“ bendradarbiavimo apsaugos sistemą. Teisingas šių komponentų pasirinkimas ir konfigūracija ne tik gali prailginti įrangos tarnavimo laiką ir sumažinti eksploatavimo bei priežiūros išlaidas, bet ir yra esminės sąlygos saugiam elektrinių veikimui užtikrinti. Tobulėjant technologijoms, šių apsaugos įtaisų integravimas ir išmanumas dar labiau padidins fotovoltinių sistemų patikimumą ateityje.