Spolupráca prepäťových ochrán, ističov a poistiek vo fotovoltaických systémoch: Funkčná analýza a diskusia o nevyhnutnosti
Úvod
S rýchlym rozvojom globálneho fotovoltaického priemyslu sa bezpečnosť a stabilita systémov na výrobu solárnej energie stala stredobodom pozornosti tohto odvetvia. Fotovoltaické systémy sú dlhodobo vystavené vonkajšiemu prostrediu a sú zraniteľné voči hrozbám, ako sú údery blesku, výkyvy v elektrickej sieti a poruchy zariadení, ktoré môžu spôsobiť poškodenie zariadenia alebo dokonca požiar. Prepäťové ochrany (SPD), ističe a poistky sú kľúčové ochranné zariadenia, ktoré plnia svoje povinnosti a spolupracujú navzájom, aby zabezpečili bezpečnú prevádzku systému. Tento článok podrobne analyzuje ich funkcie, koordinačné mechanizmy a potrebu poskytnúť referenčné informácie pre používateľov v priemysle.
I. „Neviditeľný zabijak“ čeliaci fotovoltaickým systémom
Fotovoltaické elektrárne sú ako „oceľoví bojovníci“ pracujúci pod holým nebom a neustále podstupujú rôzne drsné skúšky.
1.1 Problémy s úderom blesku:
Najmä na Blízkom východe a v juhovýchodnej Ázii môže jediná sezóna búrok paralyzovať systémy, ktoré nemajú dostatočnú ochranu.
1.2 Kolísanie elektrickej siete:
V čilskom projekte, ktorý som mal na starosti, vyhorelo niekoľko zariadení v dôsledku náhleho nárastu napätia v sieti.
1.3 Riziko skratu:
Minulý rok došlo v Nemecku ku skratu v dôsledku starnúcich káblov, čo takmer spôsobilo požiar.
Tieto riziká nie sú preháňané. Podľa Medzinárodnej aliancie pre bezpečnosť fotovoltaiky je viac ako 60 % porúch fotovoltaických systémov spôsobených nedostatočnou elektrickou ochranou.
II. Základné funkcie prepäťových ochrán (SPD)
2.1 Princíp fungovania
SPD odvádza prechodné prepätie do zeme pomocou varistorov z oxidu kovu (MOV) alebo plynových výbojok (GDT), čím obmedzuje napätie v bezpečnom rozsahu. Vo fotovoltaických systémoch sa SPD zvyčajne inštalujú na nasledujúcich miestach:
Strana jednosmerného prúdu (medzi modulmi a meničom): Na ochranu pred prepätím spôsobeným bleskom.
Strana striedavého prúdu (medzi meničom a sieťou): Na potlačenie prepätia zo strany siete.
2.2 Kľúčové parametre
Maximálne trvalé prevádzkové napätie (Uc): Musí zodpovedať napäťovej úrovni fotovoltaického systému (napríklad 1000 V DC alebo 1500 V DC).
Vybíjací prúd (In/Iimp): Odráža schopnosť vybiť bleskový prúd a fotovoltaické systémy zvyčajne vyžadujú 20 kA alebo viac.
Úroveň ochrany proti napätiu (Up): Určuje veľkosť zvyškového napätia a musí byť nižšia ako výdržné napätie chráneného zariadenia.
2.3 Nevyhnutnosť
Zabráňte poškodeniu drahých zariadení, ako sú meniče a zlučovacie skrinky, v dôsledku prepätia.
Dodržiavajte medzinárodné normy (ako napríklad IEC 6164331, UL 1449) a požiadavky na schválenie fotovoltaických elektrární.
Ⅲ.Funkcia a výber ističov a poistiek
3.1 Istič
Funkcia:
• Ochrana proti preťaženiu: Keď prúd prekročí nastavenú hodnotu (napríklad 1,3-násobok menovitého prúdu), aktivuje sa tepelná poistka.
• Ochrana proti skratu: Elektromagnetický mechanizmus preruší skratový prúd (napríklad 10 kA) v priebehu milisekúnd.
• Charakteristiky aplikácie pre fotovoltaiku:
Je potrebné vybrať špeciálny istič jednosmerného prúdu (napríklad DC 1000V/1500V).
Vypínacia schopnosť by mala zodpovedať skratovému prúdu systému (typicky ≥ 15 kA).
3.2 Poistka
Funkcia:
Roztavením poistkového prvku môže rýchlo izolovať chybný obvod a chrániť sériovo zapojenú vetvu.
Výhody:
Rýchlosť odpojenia je vyššia (na úrovni mikrosekúnd), čo je vhodné pre scenáre s vysokým skratovým prúdom.
Má malé rozmery a je vhodný pre rozvodné skrine s obmedzeným priestorom.
3.3 Spolupráca s SPD
SPD je zodpovedný za napäťovú ochranu, zatiaľ čo ističe/poistkové chrániče sú zodpovedné za prúdovú ochranu.
Keď SPD zlyhá v dôsledku prepätia, ističe alebo poistkové ochrany dokážu okamžite prerušiť chybný obvod, aby sa predišlo požiaru.
Ⅳ. Prípadová štúdia viacúrovňového ochranného systému
Vezmime si ako príklad fotovoltaickú elektráreň s výkonom 1 MW:
4.1 Ochrana na strane jednosmerného prúdu
Vetvy sérií komponentov: Pre každú sériu nainštalujte poistky (napríklad typu 10A gPV).
Vstup do zlučovacej skrinky: Nainštalujte SPD typu II (Up ≤ 1,5 kV) a istič jednosmerného prúdu (63 A).
4.2 Ochrana na strane striedavého prúdu
Výstupný koniec meniča: Nakonfigurujte SPD typu 1+2 (Iimp ≥ 12,5 kA) a istič v kompaktnom puzdre (250 A).
4.3 Simulácia poruchového scenára
Keď dôjde k úderu blesku: SPD uvoľní prepäťový prúd a obmedzí napätie pod 2 kV; ak SPD zlyhá v dôsledku skratu, istič sa vypne.
V prípade skratu vo vedení: Poistka sa roztaví do 5 ms, aby sa zabránilo šíreniu tepelného bodového efektu.
Ⅴ. Bezpečnostné opatrenia pre výber a inštaláciu
5.1 Výber SPD
Pre jednosmernú stranu by sa mal zvoliť SPD špecifický pre fotovoltaiku (napríklad PVSPD), aby sa predišlo problému so spätným prúdom bežného AC SPD.
Treba zvážiť teplotnú rezervu (Uc musí ponechať rezervu v prostredí s vysokou teplotou).
5.2 Priradenie ističov/poistiek
Vypínacia schopnosť by mala byť vyššia ako maximálny skratový prúd systému (napríklad poruchový prúd reťazca môže dosiahnuť 1,5 kA).
Menovitý prúd poistky by mal byť viac ako 1,56-násobok skratového prúdu zložky (Isc) (v súlade s NEC 690.8).
5.3 Návrhy na integráciu systému
Dĺžka vodiča medzi SPD a ističom by mala byť ≤ 0,5 m, aby sa znížilo zvyškové napätie.
Mali by sa vykonávať pravidelné kontroly indikátorov stavu SPD a chybné moduly by sa mali včas vymeniť.
Ⅵ. Trendy v odvetví a aktualizácie štandardov
• Vysoký dopyt po napätí: S rozsiahlym zavedením fotovoltaických systémov s napätím 1500 V je potrebné synchronizovane zvýšiť úrovne výdržného napätia SPD a ističov.
• Inteligentné monitorovanie: Inteligentné SPD integrujúce teplotné senzory a funkcie bezdrôtovej komunikácie sa postupne používajú na dosiahnutie včasného varovania pred poruchami na diaľku.
• Štandardná výstuž: Nová verzia normy IEC 625482023 zaviedla prísnejšie požiadavky na koordináciu ochranných zariadení pre fotovoltaické systémy.
Záver
Vo fotovoltaických systémoch tvoria prepäťové ochrany, ističe a poistky kompletný systém ochrany „napätie-prúd“. Správny výber a konfigurácia týchto komponentov môže nielen predĺžiť životnosť zariadení a znížiť náklady na prevádzku a údržbu, ale je tiež nevyhnutnou podmienkou pre zabezpečenie bezpečnej prevádzky elektrární. S rozvojom technológií integrácia a inteligencia týchto ochranných zariadení v budúcnosti ďalej zvýšia spoľahlivosť fotovoltaických systémov.