Συνεργατική Εργασία Προστατευτικών Υπερτάσεων, Διακοπτών Κυκλώματος και Ασφαλειών σε Φωτοβολταϊκά Συστήματα: Λειτουργική Ανάλυση και Συζήτηση Αναγκαιότητας

Εισαγωγή

Με την ραγδαία ανάπτυξη της παγκόσμιας φωτοβολταϊκής βιομηχανίας, η ασφάλεια και η σταθερότητα των συστημάτων παραγωγής ηλιακής ενέργειας έχουν γίνει το επίκεντρο της προσοχής της βιομηχανίας. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα εκτίθενται σε εξωτερικούς χώρους για μεγάλο χρονικό διάστημα και είναι ευάλωτα σε απειλές όπως κεραυνοί, διακυμάνσεις του ηλεκτρικού δικτύου και βλάβες εξοπλισμού, οι οποίες μπορεί να προκαλέσουν ζημιά στον εξοπλισμό ή ακόμα και πυρκαγιά. Οι απαγωγείς υπερτάσεων (SPD), οι διακόπτες κυκλώματος και οι ασφάλειες είναι βασικές συσκευές προστασίας που εκτελούν η καθεμία τα καθήκοντά τους και συνεργάζονται μεταξύ τους για να διασφαλίσουν την ασφαλή λειτουργία του συστήματος. Αυτό το άρθρο θα αναλύσει σε βάθος τις λειτουργίες τους, τους μηχανισμούς συντονισμού και την αναγκαιότητά τους να παρέχουν αναφορά στους χρήστες της βιομηχανίας.

I. Ο «Αόρατος Δολοφόνος» που Αντιμετωπίζει τα Φωτοβολταϊκά Συστήματα

Οι φωτοβολταϊκοί σταθμοί παραγωγής ενέργειας είναι σαν «ατσάλινοι πολεμιστές» που εργάζονται στην ύπαιθρο, υπομένοντας συνεχώς διάφορες σκληρές δοκιμασίες.

1.1 Προβλήματα με κεραυνό:

Συγκεκριμένα, στη Μέση Ανατολή και τη Νοτιοανατολική Ασία, μία μόνο περίοδος καταιγίδων μπορεί να παραλύσει συστήματα που δεν διαθέτουν προστασία.
1.2 Διακυμάνσεις στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας:
Στο έργο της Χιλής για το οποίο ήμουν υπεύθυνος, αρκετά κομμάτια εξοπλισμού κάηκαν λόγω μιας απότομης αύξησης της τάσης του δικτύου.

1.3 Κίνδυνος βραχυκυκλώματος:
Πέρυσι, ένα έργο στη Γερμανία υπέστη βραχυκύκλωμα λόγω παλαιών καλωδίων, με αποτέλεσμα να προκληθεί σχεδόν πυρκαγιά.

Αυτοί οι κίνδυνοι δεν είναι υπερβολή. Σύμφωνα με τη Διεθνή Συμμαχία για την Ασφάλεια των Φωτοβολταϊκών, πάνω από το 60% των βλαβών των φωτοβολταϊκών συστημάτων οφείλονται σε ανεπαρκή ηλεκτρική προστασία.

II. Βασικές λειτουργίες των συσκευών προστασίας από υπερτάσεις (SPD)

2.1 Αρχή Λειτουργίας
Το SPD εκτρέπει την παροδική υπέρταση στο έδαφος μέσω βαρίστορ οξειδίου μετάλλου (MOV) ή σωλήνων εκκένωσης αερίου (GDT), περιορίζοντας την τάση εντός ασφαλούς εύρους. Στα φωτοβολταϊκά συστήματα, τα SPD συνήθως εγκαθίστανται στις ακόλουθες θέσεις:
Πλευρά DC (μεταξύ των μονάδων και του μετατροπέα): Για προστασία από υπερτάσεις που προκαλούνται από κεραυνούς.
Πλευρά AC (μεταξύ του μετατροπέα και του δικτύου): Για την καταστολή της υπέρτασης από την πλευρά του δικτύου.

2.2 Βασικές παράμετροι
Μέγιστη συνεχής τάση λειτουργίας (Uc): Πρέπει να ταιριάζει με το επίπεδο τάσης του φωτοβολταϊκού συστήματος (όπως 1000V DC ή 1500V DC).
Ρεύμα εκφόρτισης (In/Iimp): Αντικατοπτρίζει την ικανότητα εκφόρτισης ρεύματος κεραυνού και τα φωτοβολταϊκά συστήματα συνήθως απαιτούν 20kA ή περισσότερο.
Επίπεδο προστασίας τάσης (Επάνω): Καθορίζει το μέγεθος της υπολειπόμενης τάσης και πρέπει να είναι χαμηλότερο από την τάση αντοχής του προστατευμένου εξοπλισμού.

2.3 Αναγκαιότητα
Αποτρέψτε την πρόκληση ζημιών σε ακριβό εξοπλισμό, όπως μετατροπείς και κιβώτια συνδυαστών, από υπερτάσεις.
Συμμορφωθείτε με τα διεθνή πρότυπα (όπως IEC 6164331, UL 1449) και τις απαιτήσεις αποδοχής για φωτοβολταϊκούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας.

Λειτουργία και επιλογή διακοπτών κυκλώματος και ασφαλειών

3.1 Διακόπτης κυκλώματος
Λειτουργία:
• Προστασία από υπερφόρτωση: Όταν το ρεύμα υπερβαίνει την καθορισμένη τιμή (όπως 1,3 φορές το ονομαστικό ρεύμα), ενεργοποιείται ο μηχανισμός θερμικής ενεργοποίησης.
• Προστασία από βραχυκύκλωμα: Ο μηχανισμός ηλεκτρομαγνητικής ενεργοποίησης διακόπτει το ρεύμα βραχυκυκλώματος (όπως 10kA) εντός χιλιοστών του δευτερολέπτου.

•Χαρακτηριστικά εφαρμογής για φωτοβολταϊκά:
Πρέπει να επιλεγεί ένας ειδικός διακόπτης κυκλώματος DC (όπως DC 1000V/1500V).
Η ικανότητα διακοπής θα πρέπει να ταιριάζει με το ρεύμα βραχυκυκλώματος του συστήματος (συνήθως ≥ 15kA).

3.2 Ασφάλεια
Λειτουργία:
Λιώνοντας το στοιχείο ασφάλειας, μπορεί να απομονώσει γρήγορα το ελαττωματικό κύκλωμα και να προστατεύσει τον κλάδο που είναι συνδεδεμένος σε σειρά.

Φόντα:
Η ταχύτητα αποσύνδεσης είναι μεγαλύτερη (σε επίπεδο μικροδευτερολέπτων), κατάλληλη για σενάρια υψηλού ρεύματος βραχυκυκλώματος.
Είναι μικρό σε μέγεθος και κατάλληλο για κουτιά μεταφοράς ρεύματος με περιορισμένο χώρο.

3.3 Συνεργασία με το SPD

Το SPD είναι υπεύθυνο για την προστασία από την τάση, ενώ οι διακόπτες κυκλώματος/οι ασφαλειοδιακόπτες είναι υπεύθυνοι για την προστασία από το ρεύμα.
Όταν το SPD αποτύχει λόγω διακοπής ρεύματος, οι διακόπτες κυκλώματος ή οι προστατευτικές ασφάλειες μπορούν να διακόψουν αμέσως το ελαττωματικό κύκλωμα για να αποτρέψουν πυρκαγιά.

Ⅳ. Μελέτη περίπτωσης συστήματος πολυεπίπεδης προστασίας

Πάρτε ως παράδειγμα έναν φωτοβολταϊκό σταθμό παραγωγής ενέργειας 1MW:
4.1 Προστασία στην πλευρά DC
Διακλαδώσεις σειρών εξαρτημάτων: Εγκαταστήστε ασφάλειες (όπως τύπου 10A gPV) για κάθε σειρά.
Είσοδος του κουτιού συνδυασμού: Εγκαταστήστε SPD Τύπου II (Έως ≤ 1,5kV) και διακόπτη κυκλώματος DC (63A).

4.2 Προστασία στην πλευρά AC
Άκρο εξόδου του μετατροπέα: Διαμορφώστε τον διακόπτη κυκλώματος τύπου 1+2 (Iimp ≥ 12,5kA) και τον διακόπτη κυκλώματος σε χυτευτό περίβλημα (250A).

4.3 Προσομοίωση σεναρίου σφάλματος
Όταν συμβεί κεραυνός: Το SPD απελευθερώνει ρεύμα υπερτάσεων και μειώνει την τάση κάτω από τα 2kV. Εάν το SPD παρουσιάσει βλάβη λόγω βραχυκυκλώματος, ενεργοποιείται ο διακόπτης κυκλώματος.
Όταν υπάρχει βραχυκύκλωμα γραμμής: Η ασφάλεια λιώνει εντός 5ms για να αποτραπεί η εξάπλωση του φαινομένου θερμικών κηλίδων.

Ⅴ. Προφυλάξεις για την επιλογή και την εγκατάσταση

5.1 Επιλογή SPD
Για την πλευρά DC, θα πρέπει να επιλεγεί ένας φωτοβολταϊκός SPD (όπως ο PVSPD) για να αποφευχθεί το πρόβλημα του αντίστροφου ρεύματος του συνηθισμένου AC SPD.
Θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη το περιθώριο θερμοκρασίας (το Uc πρέπει να αφήνει ένα περιθώριο σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας).

5.2 Αντιστοίχιση διακόπτη κυκλώματος/ασφάλειας
Η ικανότητα διακοπής πρέπει να είναι υψηλότερη από το μέγιστο ρεύμα βραχυκυκλώματος του συστήματος (όπως το ρεύμα σφάλματος της σειράς μπορεί να φτάσει τα 1,5kA).
Το ονομαστικό ρεύμα της ασφάλειας θα πρέπει να είναι μεγαλύτερο από 1,56 φορές το ρεύμα βραχυκυκλώματος του εξαρτήματος (Isc) (σύμφωνα με το NEC 690.8).

5.3 Προτάσεις Ενσωμάτωσης Συστήματος
Το μήκος του καλωδίου μεταξύ του SPD και του διακόπτη κυκλώματος πρέπει να είναι ≤ 0,5 m για τη μείωση της υπολειπόμενης τάσης.
Θα πρέπει να διεξάγονται τακτικοί έλεγχοι των δεικτών κατάστασης SPD και οι ελαττωματικές μονάδες θα πρέπει να αντικαθίστανται εγκαίρως.

Ⅵ. Τάσεις του κλάδου και ενημερώσεις προτύπων
• Ζήτηση υψηλής τάσης: Με την ευρεία υιοθέτηση φωτοβολταϊκών συστημάτων 1500V, τα επίπεδα τάσης αντοχής των SPD και των διακοπτών κυκλώματος πρέπει να βελτιωθούν συγχρονισμένα.

•Ευφυής παρακολούθηση: Τα έξυπνα SPD που ενσωματώνουν αισθητήρες θερμοκρασίας και λειτουργίες ασύρματης επικοινωνίας εφαρμόζονται σταδιακά για την επίτευξη έγκαιρης προειδοποίησης σφαλμάτων από απόσταση.

•Τυποποιημένη ενίσχυση: Η νέα έκδοση του IEC 625482023 έχει επιβάλει αυστηρότερες απαιτήσεις συντονισμού στις συσκευές προστασίας για φωτοβολταϊκά συστήματα.

Σύναψη
Στα φωτοβολταϊκά συστήματα, οι συσκευές προστασίας από υπερτάσεις, οι διακόπτες κυκλώματος και οι ασφάλειες αποτελούν ένα ολοκληρωμένο σύστημα προστασίας "τάσης-ρεύματος". Η σωστή επιλογή και διαμόρφωση αυτών των εξαρτημάτων όχι μόνο μπορεί να παρατείνει τη διάρκεια ζωής του εξοπλισμού και να μειώσει το κόστος λειτουργίας και συντήρησης, αλλά αποτελεί επίσης απαραίτητη προϋπόθεση για τη διασφάλιση της ασφαλούς λειτουργίας των σταθμών παραγωγής ενέργειας. Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας, η ενσωμάτωση και η ευφυΐα αυτών των συσκευών προστασίας θα ενισχύσουν περαιτέρω την αξιοπιστία των φωτοβολταϊκών συστημάτων στο μέλλον.