Επιλογή συσκευών προστασίας από υπερτάσεις Επιλογή για φωτοβολταϊκά συστήματα – Τύποι SPD

Η φωτοβολταϊκή (Φ/Β) παραγωγή ενέργειας αποτελεί βασική πηγή ανανεώσιμης ενέργειας και είναι ιδιαίτερα ανταγωνιστική οικονομικά σε σύγκριση με την παραδοσιακή παραγωγή ενέργειας. Τα μικρά κατανεμημένα φωτοβολταϊκά συστήματα, όπως τα ηλιακά πάνελ στέγης, γίνονται ολοένα και πιο δημοφιλή. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα στέγης περιλαμβάνουν διανομή AC και DC με τάσεις που φτάνουν έως και 1500V. Η πλευρά DC, ειδικά τα φωτοβολταϊκά πάνελ, μπορεί να εκτεθεί άμεσα σε κεραυνούς σε περιοχές υψηλού κινδύνου, καθιστώντας τα ευάλωτα σε ζημιές από κεραυνούς.

Η αντικεραυνική προστασία για κτίρια χωρίζεται σε εξωτερική προστασία (Σύστημα Αντικεραυνικής Προστασίας, LPS) και εσωτερική προστασία (Μέτρα Προστασίας από Υπερτάσεις, SPM), με βάση τον κίνδυνο κεραυνού. Οι Συσκευές Προστασίας από Υπερτάσεις (SPD), ως μέρος της εσωτερικής προστασίας, προστατεύουν από παροδικές υπερτάσεις που προκαλούνται από ατμοσφαιρικούς κεραυνούς ή λειτουργίες μεταγωγής. Οι SPD εγκαθίστανται εκτός του προστατευόμενου εξοπλισμού και λειτουργούν κυρίως ως εξής: όταν δεν υπάρχει υπέρταση στο σύστημα ισχύος, η SPD δεν επηρεάζει σημαντικά την κανονική λειτουργία του συστήματος που προστατεύει. Όταν παρουσιάζεται υπέρταση, η SPD προσφέρει χαμηλή σύνθετη αντίσταση, εκτρέποντας το ρεύμα υπερτάσεων μέσω του εαυτού της και περιορίζοντας την τάση σε ασφαλές επίπεδο. Αφού περάσει η υπέρταση και εξαφανιστεί οποιοδήποτε υπολειπόμενο ρεύμα, η SPD επιστρέφει σε κατάσταση υψηλής σύνθετης αντίστασης.

1. Η θέση εγκατάστασης των συσκευών προστασίας από υπερτάσεις (SPD)

Η θέση εγκατάστασης των SPD καθορίζεται ανάλογα με τον βαθμό απειλής από κεραυνούς και με βάση την έννοια των Ζωνών Προστασίας από Κεραυνούς (LPZ) στο IEC 62305. Οι παροδικές υπερτάσεις μειώνονται προοδευτικά σε ένα ασφαλές επίπεδο, το οποίο πρέπει να είναι κάτω από την τάση αντοχής του προστατευμένου εξοπλισμού. Όπως φαίνεται στο Σχήμα, οι SPD εγκαθίστανται στα όρια αυτών των ζωνών, γεγονός που οδηγεί στην έννοια της πολυεπίπεδης προστασίας από υπερτάσεις που χρησιμοποιείται σε συστήματα χαμηλής τάσης. Για τα φωτοβολταϊκά συστήματα, η εστίαση είναι στην αποτροπή της εισόδου υπερτάσεων από κεραυνούς μέσω των πλευρών AC και DC, προστατεύοντας έτσι κρίσιμα εξαρτήματα όπως οι μετατροπείς.

2. Κατηγορίες Δοκιμών Συσκευών Προστασίας από Υπερτάσεις (SPD)

Σύμφωνα με το πρότυπο IEC 61643-11, οι SPD ταξινομούνται σε τρεις κατηγορίες δοκιμών με βάση τον τύπο της ώθησης ρεύματος κεραυνού που έχουν σχεδιαστεί να αντέχουν. Οι δοκιμές Τύπου Ι (με την ένδειξη T1) προορίζονται για την προσομοίωση μερικών ρευμάτων κεραυνού που μπορούν να διοχετευθούν σε ένα κτίριο. Αυτές χρησιμοποιούν κυματομορφή 10/350 µs, όπως φαίνεται στο Σχήμα, και συνήθως εφαρμόζονται στα όρια μεταξύ LPZ0 και LPZ1 - όπως σε κύριους πίνακες διανομής ή σε εισόδους μετασχηματιστών χαμηλής τάσης. Οι SPD για αυτό το επίπεδο είναι συνήθως τύπου μεταγωγής τάσης, με εξαρτήματα όπως σωλήνες εκκένωσης αερίου ή διάκενα σπινθήρων (π.χ. διάκενα κόρνας ή διάκενα γραφίτη).

Οι δοκιμές Τύπου II (T2) και Τύπου III (T3) χρησιμοποιούν παλμούς μικρότερης διάρκειας. Τα SPD τύπου II είναι συνήθως συσκευές περιορισμού τάσης που χρησιμοποιούν εξαρτήματα όπως βαρίστορ οξειδίου μετάλλου (MOV). Δοκιμάζονται με ονομαστικό ρεύμα εκφόρτισης χρησιμοποιώντας κυματομορφή ρεύματος 8/20 µs (βλ. Σχήμα) και είναι υπεύθυνα για τον περαιτέρω περιορισμό της υπολειπόμενης τάσης υπερτάσεων που προέρχεται από την ανάντη συσκευή προστασίας. Οι δοκιμές Τύπου III χρησιμοποιούν μια συνδυαστική γεννήτρια κυμάτων με τάση 1,2/50 µs και παλμό ρεύματος 8/20 µs (βλ. Σχήμα παρακάτω), προσομοιώνοντας υπερτάσεις πιο κοντά στον εξοπλισμό τελικής χρήσης.

3. Τύπος σύνδεσης συσκευής προστασίας από υπερτάσεις (SPD)

Υπάρχουν δύο κύριοι τρόποι προστασίας από παροδικές υπερτάσεις. Ο πρώτος είναι η προστασία κοινής λειτουργίας (CT1), η οποία έχει σχεδιαστεί για να προστατεύει από υπερτάσεις μεταξύ των αγωγών υπό τάση και του PE (προστατευτική γείωση). Οι κεραυνοί, για παράδειγμα, μπορούν να εισαγάγουν υψηλές τάσεις σε σχέση με τη γείωση σε ένα σύστημα. Η προστασία κοινής λειτουργίας βοηθά στον μετριασμό των επιπτώσεων τέτοιων εξωτερικών διαταραχών, όπως οι κεραυνοί, όπως απεικονίζεται παρακάτω.

Η δεύτερη είναι η προστασία διαφορικής λειτουργίας (CT2), η οποία προστατεύει από υπερτάσεις μεταξύ του αγωγού γραμμής (L) και του ουδέτερου αγωγού (N). Αυτός ο τύπος προστασίας είναι ιδιαίτερα σημαντικός για την αντιμετώπιση εσωτερικών διαταραχών, όπως ηλεκτρικός θόρυβος ή παρεμβολές που παράγονται στο ίδιο το σύστημα, όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα.

Εφαρμόζοντας μία ή και τις δύο αυτές λειτουργίες προστασίας, τα ηλεκτρικά συστήματα μπορούν να θωρακιστούν καλύτερα από πιθανές πηγές υπερτάσεων, ενισχύοντας τελικά τη μακροζωία και την αξιοπιστία του συνδεδεμένου εξοπλισμού.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η επιλογή των λειτουργιών προστασίας SPD θα πρέπει να ευθυγραμμίζεται με το ισχύον σύστημα γείωσης. Για τα συστήματα TN, μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο οι λειτουργίες προστασίας CT1 όσο και CT2. Ωστόσο, στα συστήματα TT, το CT1 μπορεί να εφαρμοστεί μόνο κατάντη ενός RCD. Σε συστήματα IT - ιδιαίτερα σε αυτά χωρίς ουδέτερο αγωγό - η προστασία CT2 δεν εφαρμόζεται. Αυτή είναι μια κρίσιμη παράμετρος στα συστήματα διανομής DC που χρησιμοποιούν διαμορφώσεις γείωσης IT. Λεπτομέρειες μπορείτε να βρείτε στον παρακάτω πίνακα.

4. Βασικές παράμετροι των συσκευών προστασίας από υπερτάσεις (SPD)

Σύμφωνα με το διεθνές πρότυπο IEC 61643-11, τα χαρακτηριστικά και οι δοκιμές των SPD που συνδέονται με συστήματα διανομής ισχύος χαμηλής τάσης ορίζονται, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7.

(1) Επίπεδο προστασίας τάσης (πάνω)

Η πιο σημαντική πτυχή στην επιλογή ενός SPD είναι το επίπεδο προστασίας τάσης (Up), το οποίο χαρακτηρίζει την απόδοση του SPD στον περιορισμό της τάσης μεταξύ των ακροδεκτών. Αυτή η τιμή πρέπει να είναι υψηλότερη από τη μέγιστη τάση σύσφιξης. Επιτυγχάνεται όταν το ρεύμα που διέρχεται από το SPD ισούται με το ονομαστικό ρεύμα εκφόρτισης In. Το επιλεγμένο επίπεδο προστασίας τάσης πρέπει να είναι χαμηλότερο από την τάση αντοχής σε κρουστική ώθηση Uw του φορτίου. Σε περίπτωση κεραυνού, η τάση στους ακροδέκτες του SPD διατηρείται γενικά κάτω από το Up. Για τα φωτοβολταϊκά συστήματα συνεχούς ρεύματος, το φορτίο συνήθως αναφέρεται σε φωτοβολταϊκές μονάδες και μετατροπείς.

(2) Μέγιστη συνεχής τάση λειτουργίας (Uc)

Η Uc είναι η μέγιστη τάση DC που μπορεί να εφαρμοστεί συνεχώς στη λειτουργία προστασίας SPD. Επιλέγεται με βάση την ονομαστική τάση και τη διαμόρφωση γείωσης του συστήματος και χρησιμεύει ως το όριο ενεργοποίησης της SPD. Για την πλευρά DC των φωτοβολταϊκών συστημάτων, η Uc θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη ή ίση με την Uoc Max της φωτοβολταϊκής συστοιχίας. Η Uoc Max αναφέρεται στην υψηλότερη τάση ανοιχτού κυκλώματος μεταξύ των ακροδεκτών φάσης και μεταξύ του ακροδέκτη φάσης και της γείωσης στο καθορισμένο σημείο της φωτοβολταϊκής συστοιχίας.

(3) Ονομαστικό ρεύμα εκφόρτισης (σε)

Αυτή είναι η μέγιστη τιμή ενός ρεύματος κυματομορφής 8/20 μs που ρέει μέσω του SPD, που χρησιμοποιείται για δοκιμές Τύπου II και για δοκιμές προετοιμασίας σε Τύπου I και Τύπος IIΤο πρότυπο IEC απαιτεί το SPD να μπορεί να αντέξει τουλάχιστον 19 εκκενώσεις ρεύματος κυματομορφής 8/20 μs. Όσο υψηλότερη είναι η τιμή In, τόσο μεγαλύτερη είναι η διάρκεια ζωής του SPD, αλλά αυξάνεται και το κόστος.

(4) Ρεύμα ώθησης (Iimp)

Οριζόμενο από τρεις παραμέτρους: την κορυφή ρεύματος (Ipeak), το φορτίο (Q) και την ειδική ενέργεια (W/R), αυτό το ρεύμα χρησιμοποιείται σε Τύπος Ι δοκιμές. Η τυπική κυματομορφή είναι 10/350 μs.