Zajednički rad na prenaponskim zaštitama, prekidačima i osiguračima u fotonaponskim sistemima: Funkcionalna analiza i diskusija o potrebi
Uvod
S brzim razvojem globalne fotonaponske industrije, sigurnost i stabilnost sistema za proizvodnju solarne energije postale su fokus pažnje industrije. Fotonaponski sistemi su dugo vremena izloženi vanjskim utjecajima i osjetljivi su na prijetnje poput udara groma, fluktuacija električne mreže i kvarova opreme, što može uzrokovati oštećenje opreme ili čak požar. Zaštitnici od prenapona (SPD), prekidači i osigurači ključni su zaštitni uređaji koji obavljaju svoje dužnosti i međusobno surađuju kako bi osigurali siguran rad sistema. Ovaj članak će detaljno analizirati njihove funkcije, mehanizme koordinacije i potrebu da pruže reference korisnicima u industriji.
I. "Nevidljivi ubica" koji se suočava sa fotonaponskim sistemima
Fotonaponske elektrane su poput "čeličnih ratnika" koji rade na otvorenom, neprestano podnoseći razne teške testove.
1.1 Problemi s udarom groma:
Posebno na Bliskom istoku i u jugoistočnoj Aziji, jedna sezona grmljavine može paralizirati sisteme koji nemaju zaštitu.
1.2 Fluktuacije u elektroenergetskoj mreži:
U čileanskom projektu za koji sam bio zadužen, nekoliko dijelova opreme je izgorjelo zbog naglog porasta napona u mreži.
1.3 Rizik od kratkog spoja:
Prošle godine, na jednom projektu u Njemačkoj došlo je do kratkog spoja zbog starih kablova, što je zamalo izazvalo požar.
Ovi rizici nisu pretjerani. Prema Međunarodnom savezu za sigurnost fotonaponskih sistema, preko 60% kvarova fotonaponskih sistema uzrokovano je neadekvatnom električnom zaštitom.
II. Osnovne funkcije uređaja za zaštitu od prenapona (SPD)
2.1 Princip rada
SPD preusmjerava tranzijentni prenapon u zemlju putem metal-oksidnih varistora (MOV) ili plinskih cijevi za pražnjenje (GDT), ograničavajući napon unutar sigurnog raspona. U fotonaponskim sistemima, SPD-ovi se obično instaliraju na sljedećim lokacijama:
DC strana (između modula i invertera): Za zaštitu od prenapona izazvanih grmljavinom.
AC strana (između invertera i mreže): Za suzbijanje prenapona sa strane mreže.
2.2 Ključni parametri
Maksimalni kontinuirani radni napon (Uc): Mora odgovarati naponskom nivou fotonaponskog sistema (kao što je 1000V DC ili 1500V DC).
Struja pražnjenja (In/Iimp): Odražava sposobnost pražnjenja struje groma, a fotonaponski sistemi obično zahtijevaju 20kA ili više.
Nivo naponske zaštite (Up): Određuje veličinu preostalog napona i mora biti niži od podnošljivog napona štićene opreme.
2.3 Nužnost
Spriječite oštećenje skupe opreme poput invertera i kombinovanih kutija usljed prenapona.
U skladu s međunarodnim standardima (kao što su IEC 6164331, UL 1449) i zahtjevima za prihvatanje fotonaponskih elektrana.
Ⅲ.Funkcija i izbor prekidača i osigurača
3.1 Prekidač strujnog kruga
Funkcija:
• Zaštita od preopterećenja: Kada struja premaši postavljenu vrijednost (npr. 1,3 puta veću od nazivne struje), aktivira se termalni mehanizam za isključivanje.
• Zaštita od kratkog spoja: Elektromagnetski mehanizam za isključivanje prekida struju kratkog spoja (npr. 10kA) u roku od nekoliko milisekundi.
• Karakteristike primjene fotonaponskih sistema:
Potrebno je odabrati namjenski DC prekidač (kao što je DC 1000V/1500V).
Prekidna sposobnost treba da odgovara struji kratkog spoja sistema (obično ≥ 15kA).
3.2 Osigurač
Funkcija:
Topljenjem osigurača, može se brzo izolovati neispravan strujni krug i zaštititi serijski spojena grana.
Prednosti:
Brzina isključenja je veća (na nivou mikrosekunde), pogodna za scenarije sa visokom strujom kratkog spoja.
Malih je dimenzija i pogodan za kutije za prenos struje sa ograničenim prostorom.
3.3 Saradnja sa SPD-om
SPD je odgovoran za zaštitu od napona, dok su prekidači/osigurači odgovorni za zaštitu od struje.
Kada SPD otkaže zbog prenaponskog proboja, prekidači ili osigurači mogu odmah prekinuti neispravan strujni krug kako bi spriječili požar.
Ⅳ. Studija slučaja višeslojnog sistema zaštite
Uzmimo za primjer fotonaponsku elektranu od 1 MW:
4.1 Zaštita na DC strani
Grane komponentnih serija: Ugradite osigurače (kao što je tip 10A gPV) za svaku seriju.
Ulaz u razvodnu kutiju: Instalirajte SPD tipa II (Up ≤ 1,5 kV) i DC prekidač (63 A).
4.2 Zaštita na AC strani
Izlazni kraj invertora: Konfigurišite SPD tipa 1+2 (Iimp ≥ 12,5 kA) i prekidač u litom kućištu (250 A).
4.3 Simulacija scenarija kvara
U slučaju udara groma: SPD oslobađa udarnu struju i ograničava napon ispod 2kV; ako SPD otkaže zbog kratkog spoja, prekidač se isključuje.
U slučaju kratkog spoja u liniji: Osigurač se topi u roku od 5 ms kako bi se spriječilo širenje termalnog efekta tačke.
Ⅴ. Mjere opreza pri odabiru i instalaciji
5.1 Odabir SPD-a
Za DC stranu, treba odabrati SPD specifičan za fotonaponske sisteme (kao što je PVSPD) kako bi se izbjegao problem inverzne struje koji postoji kod običnog AC SPD-a.
Treba uzeti u obzir temperaturnu marginu (Uc mora ostaviti marginu u okruženjima s visokom temperaturom).
5.2 Usklađivanje prekidača/osigurača
Prekidna sposobnost treba biti veća od maksimalne struje kratkog spoja sistema (na primjer, struja kratkog spoja u nizu može doseći 1,5 kA).
Nazivna struja osigurača treba biti više od 1,56 puta veća od struje kratkog spoja komponente (Isc) (u skladu sa NEC 690.8).
5.3 Prijedlozi za integraciju sistema
Dužina žice između SPD-a i prekidača treba biti ≤ 0,5 m kako bi se smanjio preostali napon.
Treba provoditi redovne inspekcije indikatora statusa SPD-a, a neispravne module treba pravovremeno zamijeniti.
Ⅵ. Trendovi u industriji i ažuriranja standarda
• Potražnja za visokim naponom: Sa široko rasprostranjenom primjenom fotonaponskih sistema od 1500 V, nivoi podnošljivog napona SPD-ova i prekidača moraju se sinhronizovano poboljšati.
• Inteligentni nadzor: Inteligentni SPD-ovi koji integrišu temperaturne senzore i funkcije bežične komunikacije postepeno se primjenjuju kako bi se postiglo rano daljinsko upozoravanje na kvarove.
• Standardno ojačanje: Nova verzija standarda IEC 625482023 nametnula je strože zahtjeve za koordinaciju zaštitnih uređaja za fotonaponske sisteme.
Zaključak
U fotonaponskim sistemima, zaštita od prenapona, prekidači i osigurači predstavljaju kompletan kolaborativni sistem zaštite "napon-struja". Ispravan odabir i konfiguracija ovih komponenti ne samo da mogu produžiti vijek trajanja opreme i smanjiti troškove rada i održavanja, već su i bitni uslovi za osiguranje sigurnog rada elektrana. Razvojem tehnologije, integracija i inteligencija ovih zaštitnih uređaja dodatno će poboljšati pouzdanost fotonaponskih sistema u budućnosti.