הגנת מתח למערכות פוטו -וולטאיות

מקור: iaeimagazine.org

2021-03-littelfuse-intro

הסערה המושלמת של ברק להשמדה נמצאת בשדה השמש. פאנלים סולאריים גדולים - ולעתים קרובות נחשפים ומבודדים - מיקום הופך את הגנת הזינוק לקריטית עבורו להחזיק את אורך החיים שלה.

ברק הוא פריקה חשמלית באטמוספרה. כאשר ברקים מכה, שריפות נוטות לקרות בגלל שחרור האנרגיה. ענני נימבוס (ענני גשם) הם בעלי ריכוז של מטען חשמלי, והצטברותם יוצרת יינון אוויר. יינון האוויר שנמצא בין הקרקע לענני נימבוס יוצר פריקה מהעננים לקרקע. ענני נימבוס גורמים לגידולים הגדולים ביותר מכיוון שהם אלה שמייצרים ברק.

שביתות ברק עקיפות הרסניות. תצפיות אנקדוטליות אודות פעילות ברק הן בדרך כלל אינדיקטור גרוע לרמת הברק - מתנפחים על ידי מתנפחים במערכי PV¹ו שביתות ברקים עקיפות עלולות לפגוע בקלות ברכיבים הרגישים בציוד PV, שלעתים קרובות יש עלות גבוהה לתיקון או להחליף את הרכיבים הפגומים ומשפיעים על אמינות מערכת ה- PV¹ו מתח יתר תלוי בתנאי ההתקנה של כל מערכת PV והחטיפים.

מערכות PV נחשפות בשטחים פתוחים גדולים, בדרך כלל בשדות או בחלק העליון של הבניינים. ענני גשם טעונים המצטברים על שדות פתוחים כאלה יש את הנטייה לשחרר את המטען בצורה של ברק. כאשר זה קורה, ככל הנראה יתרחש מתח מתח. ככל שהשדה מרחיב יותר, כך סביר להניח שההרס.

ציוד אלקטרוני יכול להיפגע בקלות עד כדי כישלון קטסטרופלי על ידי נחשולים. אם מתרחש גל כאשר כוח אדם כלשהו, הוא יסכן גם את ביטחונם. שביתות ברק עקיפות יכולות להיות קטלניות אם האדם נמצא במרחק של 60 מטר מנקודת שביתת הברק [2]. כאשר מערכת PV ממוקמת באתר תעשייתי, גם הפעילות והציוד העסקי נמצאים בסכנה. הממירים הם יקרים, אך עבור יישומים תעשייתיים, כישלון יקר עוד יותר הוא עלות השבתה.

כאשר הברק מכה במערכת PV סולארית, הוא גורם לזרם ומתח חולף הנגרם בתוך לולאות תיל מערכת PV השמש. זרמים ומתחים חולפים אלה יופיעו במסופי הציוד ויגרמו ככל הנראה לבידוד וכישלונות דיאלקטריים בתוך רכיבי ה- PV החשמליים והאלקטרוניקה הסולארית כמו לוחות ה- PV, המהפך, ציוד בקרה ותקשורת², כמו גם מכשירים בהתקנת הבניין³ו לתיבת המערך, המהפך והמכשיר MPPT (מקסימום גשש נקודת חשמל) יש את נקודות הכישלון הגבוהות ביותר.

כדי למנוע מאנרגיה גבוהה לעבור דרך אלקטרוניקה ולגרום נזק למתח גבוה למערכת ה- PV, על נחשולי מתח להיות מסלול לקרקע. לשם כך, כל המשטחים המוליכים צריכים להיות מקורקעים ישירות וכל החיווט שנכנס ויוצא מהמערכת (כגון כבלי אתרנט וחשמל AC) לחיבור לקרקע דרך מכשיר הגנה על מתח (SPD).

יש צורך ב- SPD לכל קבוצה של המיתרים בתוך תיבת המערך, תיבת הרקומבינר, כמו גם לניתוק DC.

סיווגי מכשירי הגנת מתח

SPDs מספקים הגנה מפני המפגעים הנגרמים כתוצאה מהגידולים.

UL 1449 [4] מגדיר סוג 1, סוג 2 וסוג 3 SPDS:

סוג 1:יציאה אחת, SPDs המחוברים לצמיתות, למעט מארזי שקע מטר וואט- שעה של שעה, המיועדים להתקנה בין משני שנאי השירות לצד הקו של מכשיר הזרם של ציוד השירות, כמו גם הצד העומס, כולל מתקנים של וואט {}}} שעה מטען שקע והגנה על תוקן של אובר -עיצוב התכוונו ללא תקינה. ניתן לחבר בין SPDS מסוג 1 לשימוש במערכות PV בין מערך ה- PV לניתוק השירות הראשי.

סוג 2:SPDs מחוברים לצמיתות המיועדים להתקנה בצד העומס של מכשיר הזרם של ציוד השירות; כולל SPDs הממוקמים בלוח הסניף ו- SPDS Case Dolding. ערך ה- IMAX הוא זרם הפריקה היחיד המרבי המיוצג על ידי צורת גל 8/20 מיקרווס בה ה- SPD יכול לתמוך.

סוג 3:נקודת ניצול SPDS, המותקנת באורך מוליך מינימלי של 10 מטרים מלוח השירות החשמלי עד לנקודת השימוש, למשל כבל מחובר, תקע ישיר - פנימה, סוג כלי קיבול ו- SPDs המותקנים בציוד השימוש המוגנים. המרחק (10 מטר) אינו כולל מוליכים המסופקים או משמשים לחיבור SPDS.

SPDs מסוג 1 מגנים מפני שביתות ברק ישירה ומאופיינות על ידי גל זרם 10/350 מיקרומטר. SPDs מסוג 1 משמשים בממירים מרכזיים.

SPDs מסוג 2 מגנים מפני שביתות ברק עקיפות, המאופיינות על ידי צורות גל של 8/20 מיקרומטר. צורת גל של 8/20 מיקרוגרם פירושה שלשביתה זמן עלייה של 8 מיקרוגרם ומשך זמן לאחד - שיא של 20 מיקרומטר. SPDs מסוג 2 מונעים התפשטות מתח יתר להתקנות וציוד חשמלי. הם גם מגנים מפני ההשפעה האלקטרומגנטית של ברק המפיצה גל בתוך החוט.

יש להשתמש ב- SPD מסוג 2 בכל MPPT ובתוך ממירי מיתרים ותיבות מערך.

הקופסאות בהן מתרחשות נחשבים נפגעים בדרך כלל משביתות עקיפות. זה לא רק סוג החומר והגובה, אלא גם הצורה שמשפיעה על יכולתו של האובייקט למשוך שביתות ברק. אם לצורת הקופסה או לחומר יש נטייה למשוך שביתות ברק, יש להשתמש ב- SPD מסוג 1 או מוט ברק.

גובה, צורות מחודדות ובידוד הם המאפיינים הדומיננטיים שקובעים היכן מכה ברק. זה מיתוס שמתכת מושכת אליו ברק. עם זאת, חשוב לציין כי לא משנה היכן נמצאת חוות PV, או צורתם של חפצים סמוכים כלשהם, SPDs חיוניים לכל מערכת PV בגלל הרגישות המובנית שלהם לשביתות ישירה ועקיפות.

בחירת מכשירי הגנת מתח והתקנה למערכות PV

למערכות PV יש מאפיינים ייחודיים, מה שדורש אפוא שימוש ב- SPDs המיועדים באופן ספציפי למערכות PV.

למערכות PV יש מתחי מערכת DC גבוהים עד 1500 וולט. נקודת הכוח המרבית שלהם פועלת רק באחוזונים ספורים מתחת לזרם הקצר של המערכת.

כדי לקבוע את מודול ה- SPD המתאים למערכת PV והתקנתו, עליכם לדעת:

צפיפות הבזק עגול הברק;

טמפרטורת ההפעלה של המערכת;

מתח המערכת;

דירוג זרם הקצר של המערכת;

רמת צורת הגל שיש להגן מפני (עקיפה או ברק ישיר); וכן

זרם הפריקה הנומינלי.

דרישות ה- SPD להתקנה המוגנות על ידי מערכת הגנת ברקים חיצונית (LPS) תלויים בכיתה שנבחרה של ה- LPS והאם מרחק ההפרדה בין ה- LPS להתקנת PV מבודד או שאינו - מבודד [4]. IEC 62305-3 מפרט את דרישות מרחק ההפרדה עבור LPS חיצוני.

כדי להשפיע על מגן, רמת הגנת המתח של SPD (UP) צריכה להיות נמוכה ב -20 % מהעוצמה הדיאלקטרית של ציוד המסוף של המערכת.

חשוב להשתמש ב- SPD עם קצר מעגל עומד בזרם גדול יותר מזרם הקצר של מחרוזת המערך הסולארי אליו מחובר ה- SPD. ל- SPD המסופק בפלט DC חייב להיות DC MCOV שווה או גדול יותר ממתח המערכת הפוטו -וולטאי המרבי של הפאנל.

כאשר ברקים מכה בנקודה A (ראה איור 1), סביר להניח כי לוח ה- PV השמש והמהפך ייפגעו. רק המהפך ייפגע אם הברק יכה בנקודה B. עם זאת, המהפך הוא בדרך כלל הרכיב היקר ביותר במערכת PV, וזו הסיבה שחיוני לבחור ולהתקין כראוי את ה- SPD הנכון בקווי AC וה- DC. ככל שהשביתה קרובה יותר למהפך, כך יהיה המהפך יותר.

FIGURE 1. Lightning strike location.

איור 1.מיקום שביתת ברק.

SPDS לצד DC של מערכות פוטו -וולטאיות

למקורות PV יש מאפייני זרם ומתח שונים מאוד ממקורות DC מסורתיים: יש להם מאפיין לא - ליניארי וגורם ארוך- התמדה של קשתות שהוצאו. לפיכך, מקורות זרם PV לא רק דורשים מתגי PV גדולים יותר ונתיכי PV, אלא גם ניתוק למכשיר ההגנה על הזינוק המותאם לאופי ייחודי זה ומסוגל להתמודד עם זרמי PV.

תמיד יש לתכנן באופן ספציפי SPDs המותקנים בצד DC ליישומי DC. השימוש ב- SPD בצד AC או DC השגוי הוא מסוכן בתנאי תקלה.

כאשר משתמשים ב- SPDs בצד DC, יש להשתמש בהם גם בצד AC בגלל ההבדלים הפוטנציאליים.

SPDS לצד AC

הגנת מתח חשובה לא פחות לצד AC כמו לצד DC. ודא שה- SPD מיועד במיוחד לצד AC.

להגנה מיטבית, יש לגודל SPD במיוחד עבור המערכת. הבחירה המתאימה תבטיח את ההגנה הטובה ביותר עם אורך החיים הארוך ביותר.

בצד AC, ניתן לחבר ממירים מרובים לאותה SPD אם הם חולקים את אותו חיבור רשת.

הַתקָנָה

תמיד יש להתקין SPDS במעלה הזרם של המכשירים שהם הולכים להגן עליהם. NFPA 780 12.4.2.1 אומר כי הגנת מתח תסופק על פלט DC של הפאנל הסולארי מחיובי לקרקע ושלילית לקרקע, בתיבת הקומבינר וה- Recombiner עבור פאנלים סולאריים מרובים, ובפלט ה- AC של המהפך.

ההתקנה הנכונה של SPD מסתמכת על שלושה ערכים שהם: הם:

מתח הפעלה מקסימאלי רציף: המתח שה- SPD יפעל.

רמת הגנה על מתח: קטגוריית מתח המתח של הציוד חייבת להיות גבוהה יותר מרמת הגנת המתח של SPD.

זרם פריקה נומינלי: ערך השיא של צורת הגל (8/20 μs עבור SPDs מסוג 2) שה- SPD מסוגל לעמוד לאחר נחשולים חוזרים ונשנים.

כבלים

הכבלים במערכות PV מורחבים לרוב למרחקים ארוכים כך שיוכלו להגיע לנקודת חיבור הרשת. עם זאת, אורך כבלים ארוך לעולם אינו מומלץ, ומערכות PV רחוקות מלהיות חריג.

הסיבה לכך היא שההשפעה של שדה -} הפרעות חשמליות מבוססות ומבצעות הנגרמות כתוצאה מפריקות ברק עולה ביחס לגידול באורכי הכבלים ולולאות המוליכים. כאשר מתרחש מתח יתר חולף, כל ירידת מתח אינדוקטיבית בכבלי החיבור יכולה להחליש את אפקט המגן של SPD. סביר להניח שזה יקרה אם הכבלים מנותבים להיות קצרים ככל האפשר.

מתח מתח הוא תורם משמעותי לכישלון בכבלים, וכל דחף בכבל יתרום להידרדרות חוזק הבידוד של הכבל.

אם מוזרק נחשול לעמדה - במערכת PV בלבד (מערכת רחוקה מרשת החשמל), עלולות להיות שיבוש כל פעולות ציוד המופעלות על ידי חשמל סולארי, כגון ציוד רפואי או אספקת מים.

המיקום והכמות של SPDs להתקנה בצד DC תלויים באורך הכבל בין הפאנלים הסולאריים למהפך (ראה טבלה 1). אם האורך הוא פחות מ -10 מטר, אז רק SPD אחד נחוץ ויש להתקין את ה- SPD באותה סביבה כמו המהפך. אם אורך הכבל הוא יותר מ -10 מטרים, התקן SPD אחד בסביבת המהפך כמו גם SPD שני בתיבה שקרובה ללוח השמש.

כבלי מסלול באופן כזה שנמנע לולאות מוליכים גדולות. קווי AC ו- DC וקווי נתונים חייבים להיות מנותבים יחד עם מוליכי ההדבקה האקוויטיבית לאורך המסלול כולו כדי להבטיח כי לולאות מוליכים לא נוצר מנותב על פני מספר מיתרים או בעת חיבור המהפך לחיבור הרשת.

TABLE 1. SPD selection.

טבלה 1.בחירת SPD.

כיצד לשלב SPDS עם ממירים

חוות PV מורכבות מציוד רגיש מאוד הזקוק להגנה נרחבת. מכיוון שחוות PV יוצרות כוח ישיר זרם (DC), ממירים (הנחוצים להמיר כוח זה מ- DC ל- AC) הם מרכיב חיוני לייצור החשמלי שלהם. לרוע המזל, הממירים לא רק רגישים מאוד לשביתות ברקים, אלא שהם יקרים להפליא.

NFPA 780,תקן להתקנת מערכות הגנת ברקב- 12.4.2.3 דורש SPDs נוספים בכניסה DC של המהפך אם המהפך הוא יותר מ -30 מטרים מהתיבה הקרובה ביותר או תיבת רקומבינר.

התקן את ה- SPD בין הנתיכים למהפך אם יש מגני מיתרים (כגון נתיכים, פורעי DC או דיודות מיתרים) [ראה איור 2].

FIGURE 2. SPD correctly and incorrectly connected to inverter with string protectors.

איור 2.SPD מחובר בצורה נכונה וחוברת באופן שגוי למהפך עם מגני מיתרים.

כדי לחבר SPD כאשר יש מהפך עם תיבת נתיכים משולבת, וודא כי הנתיכים הפנימיים עוקפים וכי נתיכי המחרוזת החיצונית מחוברים (ראה איור 3). יש להתקין את ה- SPDS מחוץ למהפך ובסוג NEMA - 3 R מארז או גבוה יותר אם מדובר ביישום חיצוני.

יש להתקין ממירי מיתרים קרוב ככל האפשר למיתרים. כבלי SPD שמתחברים לרשת L+/L -, ובין חסימת המסוף של ה- SPD לסרגל האוטובוס הקרקע, חייבים להיות פחות מ- 2.5 מטר. ככל שכבלי החיבור קצרים יותר, יעילים יותר ועלות - אפקטיבי ההגנה תהיה.

עבור ממירים עם גשש MPP אחד בלבד, שלב את המחרוזת לפני המהפך וחבר אותם ל- SPD בנקודה של חיבור.

יש לתכנן שילובי SPD לכל קלט כאשר למהפך יש מעקב אחר MPP מרובה. יש להשתמש ב- SPD לכל קלט שמתמזג עם דיודת מחרוזת.

FIGURE 3. SPD connected to inverter with integrated fuse box