Προστασία από υπερτάσεις για φωτοβολταϊκά συστήματα

Οι έμμεσοι κεραυνοί είναι καταστροφικοί. Οι ανέκδοτες παρατηρήσεις σχετικά με τη δραστηριότητα των κεραυνών είναι συνήθως ένας κακός δείκτης του επιπέδου της υπερτάσης που προκαλείται από κεραυνούς σε συστοιχίες φωτοβολταϊκών. Οι έμμεσοι κεραυνοί μπορούν εύκολα να βλάψουν τα ευαίσθητα εξαρτήματα του φωτοβολταϊκού εξοπλισμού, που συχνά έχει υψηλό κόστος επισκευής ή αντικατάστασης των κατεστραμμένων εξαρτημάτων και επηρεάζει την αξιοπιστία του φωτοβολταϊκού συστήματος. Η υπέρταση εξαρτάται από τις συνθήκες εγκατάστασης κάθε Φ/Β συστήματος και τις καλωδιώσεις.

Τα φωτοβολταϊκά συστήματα εκτίθενται σε μεγάλους ανοιχτούς χώρους, συνήθως σε χωράφια ή στις κορυφές κτιρίων. Τα φορτισμένα σύννεφα βροχής που συσσωρεύονται σε τέτοια ανοιχτά πεδία έχουν την τάση να απελευθερώνουν το φορτίο με τη μορφή κεραυνού. Όταν συμβεί αυτό, είναι πιθανό να συμβεί κύμα τάσης. Όσο πιο εκτεταμένο είναι το πεδίο τόσο πιο πιθανό είναι να συμβεί καταστροφή.

Όταν ένα φωτοβολταϊκό σύστημα βρίσκεται σε μια βιομηχανική τοποθεσία, οι επιχειρηματικές λειτουργίες και ο εξοπλισμός βρίσκονται επίσης σε κίνδυνο. Οι μετατροπείς είναι ακριβοί, αλλά για βιομηχανικές εφαρμογές, μια ακόμη πιο ακριβή αστοχία είναι το κόστος της διακοπής λειτουργίας.

Όταν ο κεραυνός χτυπά ένα ηλιακό φωτοβολταϊκό σύστημα, προκαλεί ένα επαγόμενο μεταβατικό ρεύμα και τάση στους βρόχους καλωδίων του ηλιακού φωτοβολταϊκού συστήματος. Αυτά τα μεταβατικά ρεύματα και τάσεις θα εμφανιστούν στους ακροδέκτες του εξοπλισμού και πιθανόν να προκαλέσουν αστοχίες μόνωσης και διηλεκτρισμού στα ηλιακά φωτοβολταϊκά ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά εξαρτήματα όπως τα φωτοβολταϊκά πάνελ, ο μετατροπέας, ο εξοπλισμός ελέγχου και επικοινωνίας, καθώς και οι συσκευές στην εγκατάσταση του κτιρίου. Το κουτί συστοιχίας, ο μετατροπέας και το MPPT (μέγιστη ισχύςpoint tracker) η συσκευή έχει τα υψηλότερα σημεία αστοχίας.

Για να αποφευχθεί η διέλευση υψηλής ενέργειας από τα ηλεκτρονικά και η πρόκληση ζημιών υψηλής τάσης στο φωτοβολταϊκό σύστημα, οι υπερτάσεις πρέπει να έχουν μια διαδρομή προς τη γείωση. Για να γίνει αυτό, όλες οι αγώγιμες επιφάνειες θα πρέπει να είναι απευθείας γειωμένες και όλες οι καλωδιώσεις που εισέρχονται και εξέρχονται από το σύστημα (όπως καλώδια Ethernet και ηλεκτρικό ρεύμα) να συνδέονται με τη γείωση μέσω ενός SPD.

Απαιτείται μια συσκευή προστασίας από υπερτάσεις για κάθε ομάδα στοιχειοσειρών εντός του κιβωτίου συστοιχίας, του κουτιού ανασυνδυασμού, καθώς και της αποσύνδεσης dc.

Επιλογή και εγκατάσταση διάταξης προστασίας από υπερτάσεις για φωτοβολταϊκά συστήματα

Τα φωτοβολταϊκά συστήματα έχουν μοναδικά χαρακτηριστικά, τα οποία επομένως απαιτούν τη χρήση SPD που έχουν σχεδιαστεί ειδικά για φωτοβολταϊκά συστήματα.

Τα Φ/Β συστήματα έχουν υψηλές τάσεις συστήματος συνεχούς ρεύματος έως 1500 βολτ. Το μέγιστο σημείο ισχύος τους λειτουργεί σε λίγα μόνο εκατοστημόρια κάτω από το ρεύμα βραχυκυκλώματος του συστήματος.

Για να προσδιορίσετε τη σωστή μονάδα SPD για το Φ/Β σύστημα και την εγκατάστασή του, πρέπει να γνωρίζετε:

l Η πυκνότητα στρογγυλής λάμψης αστραπής.;

l Θερμοκρασία λειτουργίας του συστήματος.;

l Η τάση του συστήματος.;

l Η βαθμολογία ρεύματος βραχυκυκλώματος του συστήματος.;

l Το επίπεδο της κυματομορφής που πρέπει να προστατεύεται από (έμμεσο ή άμεσο κεραυνό).;

l Το ονομαστικό ρεύμα εκφόρτισης.

Οι απαιτήσεις SPD για μια εγκατάσταση που προστατεύεται από εξωτερικό σύστημα αντικεραυνικής προστασίας (LPS) εξαρτώνται από την επιλεγμένη κατηγορία του LPS και από το εάν η απόσταση διαχωρισμού μεταξύ του LPS και της εγκατάστασης φωτοβολταϊκών είναι απομονωμένη ή μη. Το IEC 62305-3 περιγράφει λεπτομερώς τις απαιτήσεις απόστασης διαχωρισμού για ένα εξωτερικό LPS.

Για να έχει προστατευτικό αποτέλεσμα, το επίπεδο προστασίας τάσης ενός SPD (Up) θα πρέπει να είναι 20 % χαμηλότερο από τη διηλεκτρική ισχύ του τερματικού εξοπλισμού του συστήματος.

Είναι σημαντικό να χρησιμοποιείτε ένα SPD με ρεύμα αντοχής σε βραχυκύκλωμα μεγαλύτερο από το ρεύμα βραχυκυκλώματος της συμβολοσειράς ηλιακής συστοιχίας στην οποία είναι συνδεδεμένο το SPD. Το SPD που παρέχεται στην έξοδο συνεχούς ρεύματος πρέπει να έχει dc MCOV ίσο ή μεγαλύτερο από τη μέγιστη τάση φωτοβολταϊκού συστήματος του πίνακα.

SPD για τη συνεχή πλευρά των φωτοβολταϊκών συστημάτων

Οι φωτοβολταϊκές πηγές έχουν πολύ διαφορετικά χαρακτηριστικά ρεύματος και τάσης από τις παραδοσιακές πηγές συνεχούς ρεύματος: έχουν ένα μη γραμμικό χαρακτηριστικό και προκαλούν μακροχρόνια παραμονή των αναφλεγόμενων τόξων. Επομένως, οι πηγές φωτοβολταϊκού ρεύματος όχι μόνο απαιτούν μεγαλύτερους φωτοβολταϊκούς διακόπτες και φωτοβολταϊκές ασφάλειες, αλλά και έναν αποζεύκτη για τη διάταξη προστασίας από υπερτάσεις που είναι προσαρμοσμένη σε αυτή τη μοναδική φύση και ικανή να αντιμετωπίσει τα φωτοβολταϊκά ρεύματα.

Τα SPD που είναι εγκατεστημένα στην πλευρά dc πρέπει πάντα να είναι ειδικά σχεδιασμένα για εφαρμογές dc. Η χρήση ενός SPD στη λανθασμένη πλευρά εναλλασσόμενου ρεύματος ή συνεχούς ρεύματος είναι επικίνδυνη υπό συνθήκες σφάλματος.

Εγκατάσταση

Τα SPD θα πρέπει πάντα να εγκαθίστανται ανάντη των συσκευών που πρόκειται να προστατεύσουν. Το NFPA 780 12.4.2.1 λέει ότι πρέπει να παρέχεται προστασία από υπερτάσεις στην έξοδο συνεχούς ρεύματος του ηλιακού πάνελ από θετική προς γείωση και αρνητική στη γείωση, στο κουτί συνδυασμού και ανασυνδυασμού για πολλαπλούς ηλιακούς συλλέκτες και στην έξοδο εναλλασσόμενου ρεύματος του μετατροπέα.

Η σωστή εγκατάσταση ενός SPD βασίζεται σε τρεις τιμές, οι οποίες είναι:

l Μέγιστη συνεχής τάση λειτουργίας: Η τάση που θα ενεργοποιήσει το SPD.

l Επίπεδο προστασίας τάσης: Η κατηγορία υπέρτασης του εξοπλισμού πρέπει να είναι υψηλότερη από το επίπεδο προστασίας τάσης του SPD.

l Ονομαστικό ρεύμα εκφόρτισης: Η μέγιστη τιμή της κυματομορφής (8/20 μs για SPD τύπου 2) που μπορεί να αντέξει το SPD μετά από επαναλαμβανόμενες υπερτάσεις.

Πώς να συνδυάσετε SPD με μετατροπείς

Τα φωτοβολταϊκά αγροκτήματα αποτελούνται από πολύ ευαίσθητο εξοπλισμό που χρειάζεται επεκτατική προστασία. Επειδή οι φωτοβολταϊκές εκμεταλλεύσεις δημιουργούν ισχύ συνεχούς ρεύματος (dc), οι μετατροπείς (οι οποίοι είναι απαραίτητοι για τη μετατροπή αυτής της ισχύος από συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο ρεύμα) αποτελούν ουσιαστικό στοιχείο για την ηλεκτρική παραγωγή τους. Δυστυχώς, οι μετατροπείς δεν είναι μόνο πολύ ευαίσθητοι σε κεραυνούς, αλλά είναι απίστευτα ακριβοί.

Το NFPA 780 12.4.2.3 απαιτεί πρόσθετα SPD στην είσοδο συνεχούς ρεύματος του μετατροπέα, εάν ο μετατροπέας συστήματος απέχει περισσότερο από 30 μέτρα από τον πλησιέστερο συνδυαστή ή κιβώτιο ανασυνδυασμού.

Εγκαταστήστε το SPD μεταξύ των ασφαλειών και του μετατροπέα, εάν υπάρχουν προστατευτικά στοιχειοσειράς (όπως ασφάλειες, διακόπτες συνεχούς ρεύματος ή δίοδοι στοιχειοσειράς)

Για να συνδέσετε ένα SPD όταν υπάρχει μετατροπέας με ενσωματωμένη ασφαλειοθήκη, βεβαιωθείτε ότι παρακάμπτονται οι εσωτερικές ασφάλειες και ότι είναι συνδεδεμένες οι εξωτερικές ασφάλειες στοιχειοσειράς.

Οι μετατροπείς στοιχειοσειρών θα πρέπει να εγκατασταθούν όσο το δυνατόν πιο κοντά στις στοιχειοσειρές. Τα καλώδια SPD που συνδέονται στο δίκτυο L+/L- και μεταξύ του μπλοκ ακροδεκτών του SPD και της ράβδου γείωσης, πρέπει να είναι μικρότερα από 2,5 μέτρα. Όσο πιο κοντά είναι τα καλώδια σύνδεσης, τόσο πιο αποτελεσματική και οικονομικά αποδοτική θα είναι η προστασία.

Για μετατροπείς με μόνο έναν ανιχνευτή MPP, συνδυάστε τη συμβολοσειρά πριν από τον μετατροπέα και συνδέστε τους στο SPD στο σημείο διασύνδεσης.

Οι συνδυασμοί SPD θα πρέπει να προγραμματίζονται για κάθε είσοδο όταν ο μετατροπέας διαθέτει πολλαπλούς ιχνηλάτες MPP. Πρέπει να χρησιμοποιείται ένα SPD για κάθε είσοδο που συντήκεται με δίοδο στοιχειοσειράς.

Αναφορές

[1] Οδηγός προστασίας από κεραυνούς, Πρότυπο DIN EN 62305 – 3, 2014.

[2] Standard for Surge Protective Devices, UL 1449, 2014.

[3] Συσκευές προστασίας από υπέρταση χαμηλής τάσης – Μέρος 32: Συσκευές προστασίας από υπερτάσεις συνδεδεμένες στο d.c. πλευρά φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων – Αρχές επιλογής και εφαρμογής, Πρότυπο IEC 61643-32, 2 017.