Výber prepäťových ochrán Výber pre fotovoltaické systémy – typy prepäťových ochrán

Fotovoltaická (FV) výroba energie je kľúčovým zdrojom obnoviteľnej energie a je ekonomicky vysoko konkurencieschopná v porovnaní s tradičnou výrobou energie. Malé distribuované FV systémy, ako sú strešné solárne panely, sa stávajú čoraz populárnejšími. Strešné FV systémy zahŕňajú distribúciu striedavého aj jednosmerného prúdu s napätím dosahujúcim až 1500 V. Jednosmerná strana, najmä FV panely, môže byť priamo vystavená úderom blesku vo vysoko rizikových oblastiach, čo ich robí zraniteľnými voči poškodeniu bleskom.

Ochrana pred bleskom v budovách sa delí na vonkajšiu ochranu (systém ochrany pred bleskom, LPS) a vnútornú ochranu (prepäťové ochranné opatrenia, SPM) na základe rizika blesku. Prepäťové ochrany (SPD), ako súčasť vnútornej ochrany, chránia pred prechodnými prepätiami spôsobenými atmosférickým bleskom alebo spínacími operáciami. SPD sa inštalujú mimo chráneného zariadenia a fungujú hlavne nasledovne: keď v energetickej sústave nedochádza k prepätiu, SPD významne neovplyvňuje normálnu prevádzku systému, ktorý chráni. Keď dôjde k prepätiu, SPD ponúka nízku impedanciu, odvádza prepäťový prúd cez seba a obmedzuje napätie na bezpečnú úroveň. Po pominutí prepätia a vymiznutí akéhokoľvek zvyškového prúdu sa SPD vráti do stavu s vysokou impedanciou.

1. Miesto inštalácie prepäťových ochrán (SPD)

Miesto inštalácie SPD sa určuje podľa stupňa ohrozenia bleskom a na základe konceptu zón ochrany pred bleskom (LPZ) v norme IEC 62305. Prechodné prepätia sa postupne znižujú na bezpečnú úroveň, ktorá musí byť pod výdržným napätím chráneného zariadenia. Ako je znázornené na obrázku, SPD sa inštalujú na hraniciach týchto zón, čo vedie ku konceptu viacúrovňovej prepäťovej ochrany používanej v nízkonapäťových systémoch. V prípade fotovoltaických systémov sa dôraz kladie na zabránenie prenikaniu bleskových prepätí cez strany striedavého a jednosmerného prúdu, čím sa chránia kritické komponenty, ako sú napríklad meniče.

2. Triedy testov prepäťových ochrán (SPD)

Podľa normy IEC 61643-11 sú SPD klasifikované do troch testovacích kategórií na základe typu impulzu bleskového prúdu, ktorému sú určené. Testy typu I (označené ako T1) sú určené na simuláciu čiastočných bleskových prúdov, ktoré môžu byť vedené do budovy. Tieto používajú priebeh 10/350 µs, ako je znázornené na obrázku blow, a zvyčajne sa používajú na hranici medzi LPZ0 a LPZ1 – napríklad v hlavných rozvádzačoch alebo prívodoch nízkonapäťových transformátorov. SPD pre túto úroveň sú zvyčajne typu s prepínaním napätia, s komponentmi, ako sú plynové výbojky alebo iskrové medzery (napr. iskrové medzery alebo grafitové medzery).

Testy typu II (T2) a typu III (T3) používajú impulzy s kratším trvaním. Prepäťové ochrany typu II (SPD) sú zvyčajne zariadenia obmedzujúce napätie, ktoré používajú komponenty, ako sú varistory na báze oxidu kovu (MOV). Testujú sa s nominálnym vybíjacím prúdom s použitím prúdového tvaru vlny 8/20 µs (pozri obrázok nižšie) a sú zodpovedné za ďalšie obmedzenie zvyškového prepäťového napätia prichádzajúceho z ochranného zariadenia pred napätím. Testy typu III používajú kombinovaný generátor vĺn s napätím 1,2/50 µs a prúdovým impulzom 8/20 µs (pozri obrázok nižšie), ktorý simuluje prepätia bližšie k koncovým zariadeniam.

3. Typ pripojenia prepäťovej ochrany (SPD)

Existujú dva hlavné režimy ochrany pred prechodnými prepätiami. Prvým je ochrana v spoločnom režime (CT1), ktorá je navrhnutá na ochranu pred prepätím medzi vodičmi pod napätím a PE (ochranným uzemnením). Napríklad údery blesku môžu do systému zaviesť vysoké napätie vzhľadom na zem. Ochrana v spoločnom režime pomáha zmierniť vplyv takýchto vonkajších rušení, ako je blesk, ako je znázornené nižšie.

Druhou je diferenciálna ochrana (CT2), ktorá chráni pred prepätím medzi fázovým vodičom (L) a neutrálnym vodičom (N). Tento typ ochrany je obzvlášť dôležitý na riešenie vnútorných rušení, ako je elektrický šum alebo rušenie generované v samotnom systéme, ako je znázornené na diagrame nižšie.

Implementáciou jedného alebo oboch týchto ochranných režimov je možné lepšie chrániť elektrické systémy pred potenciálnymi zdrojmi prepätia, čo v konečnom dôsledku zvyšuje životnosť a spoľahlivosť pripojených zariadení.

Je dôležité poznamenať, že výber režimov ochrany SPD by mal byť v súlade s použitým uzemňovacím systémom. Pre systémy TN je možné použiť režimy ochrany CT1 aj CT2. V systémoch TT je však možné použiť CT1 iba za prúdovým chráničom (RCD). V IT systémoch – najmä v tých bez neutrálneho vodiča – nie je ochrana CT2 použiteľná. Toto je kritický faktor v distribučných systémoch jednosmerného prúdu, ktoré používajú konfigurácie uzemnenia IT. Podrobnosti nájdete v tabuľke nižšie.

4. Kľúčové parametre prepäťových ochrán (SPD)

Podľa medzinárodnej normy IEC 61643-11 sú definované charakteristiky a skúšky SPD pripojených k nízkonapäťovým distribučným systémom, ako je znázornené na obrázku 7.

(1) Úroveň ochrany napätia (hore)

Najdôležitejším aspektom pri výbere SPD je jeho úroveň napäťovej ochrany (Up), ktorá charakterizuje výkon SPD pri obmedzovaní napätia medzi svorkami. Táto hodnota by mala byť vyššia ako maximálne svorkové napätie. Dosiahne sa, keď prúd pretekajúci cez SPD dosiahne menovitý vybíjací prúd In. Zvolená úroveň napäťovej ochrany musí byť nižšia ako impulzné výdržné napätie Uw záťaže. V prípade úderu blesku sa napätie na svorkách SPD vo všeobecnosti udržiava pod hodnotou Up. V prípade FV DC systémov sa záťaž zvyčajne vzťahuje na FV moduly a meniče.

(2) Maximálne trvalé prevádzkové napätie (Uc)

Uc je maximálne jednosmerné napätie, ktoré je možné nepretržite aplikovať na ochranný režim SPD. Volí sa na základe menovitého napätia a konfigurácie uzemnenia systému a slúži ako aktivačný prah SPD. Pre jednosmernú stranu FV systémov by Uc malo byť väčšie alebo rovné Uoc Max FV poľa. Uoc Max sa vzťahuje na najvyššie napätie naprázdno medzi fázovými svorkami a medzi fázovou svorkou a zemou v určenom bode FV poľa.

(3) Menovitý vybíjací prúd (In)

Toto je špičková hodnota prúdu s priebehom 8/20 μs pretekajúceho cez SPD, používaná pre testy typu II a pre testy predkondicionovania v type I a Typ IINorma IEC vyžaduje, aby SPD vydržalo aspoň 19 výbojov s priebehom prúdu 8/20 μs. Čím vyššia je hodnota In, tým dlhšia je životnosť SPD, ale zvyšujú sa aj náklady.

(4) Impulzný prúd (Iimp)

Tento prúd, definovaný tromi parametrami: prúdovou špičkou (Ipeak), nábojom (Q) a špecifickou energiou (W/R), sa používa v Typ I. testy. Typický priebeh vlny je 10/350 μs.