Túlfeszültség-védelem fotovoltaikus rendszerekhez

A közvetett villámcsapás pusztító hatású. A villámtevékenységgel kapcsolatos anekdotikus megfigyelések általában rossz mutatói a napelemes tömbök villámlás okozta túlfeszültségének szintjének. A közvetett villámcsapás könnyen károsíthatja a fotovoltaikus berendezések érzékeny alkatrészeit, aminek a javítása vagy cseréje gyakran magas költségekkel jár, és befolyásolja a PV rendszer megbízhatóságát. A túlfeszültség az egyes napelemes rendszerek beállítási körülményeitől és a vezetékezéstől függ.

A napelemes rendszerek nagy nyílt tereken vannak kitéve, jellemzően mezőkön vagy épületek tetején. Az ilyen nyílt mezők felett felhalmozódó töltött esőfelhők hajlamosak villámlás formájában felszabadítani a töltést. Amikor ez megtörténik, valószínűleg feszültséglökés lép fel. Minél kiterjedtebb a mező, annál valószínűbb a pusztulás.

Ha egy PV rendszert ipari területen helyeznek el, az üzleti műveletek és a berendezések is veszélyben vannak. Az inverterek drágák, de az ipari alkalmazásoknál a még drágább meghibásodás az állásidő költsége.

Amikor a villám becsap egy napelemes rendszerbe, indukált tranziens áramot és feszültséget idéz elő a napelemes rendszer vezetékhurkaiban. Ezek a tranziens áramok és feszültségek a berendezés kapcsain jelennek meg, és valószínűleg szigetelési és dielektromos hibákat okoznak a napelem elektromos és elektronikai alkatrészeiben, például a PV panelekben, az inverterben, a vezérlő- és kommunikációs berendezésekben, valamint az épületben található eszközökben. A tömbdoboz, az inverter és az MPPT (maximális teljesítménypontkövető) készülék rendelkezik a legmagasabb hibapontokkal.

Annak elkerülése érdekében, hogy nagy energia haladjon át az elektronikán, és ne okozzon nagyfeszültségű károsodást a PV-rendszerben, a feszültséglökéseknek földeléssel kell rendelkezniük. Ehhez minden vezető felületet közvetlenül földelni kell, és a rendszerbe be- és kilépő vezetékeket (például Ethernet-kábeleket és váltakozóáramú hálózatot) SPD-n keresztül földelni kell.

Túlfeszültség-védelmi eszközre van szükség a tömbdobozban, a rekombináló dobozban, valamint az egyenáramú megszakítóban lévő karakterláncok minden csoportjához.

Túlfeszültség-védelmi eszköz kiválasztása és telepítése fotovoltaikus rendszerek számára

A napelemes rendszerek egyedi jellemzőkkel rendelkeznek, ezért olyan SPD-ket kell használni, amelyeket kifejezetten a fotovoltaikus rendszerekhez terveztek.

A napelemes rendszerek magas egyenáramú rendszerfeszültséggel rendelkeznek, akár 1500 V-ig. Maximális teljesítménypontjuk csak néhány százalékponttal a rendszer rövidzárlati árama alatt működik.

A megfelelő SPD modul meghatározásához a PV rendszerhez és annak telepítéséhez tudnia kell:

l A villám kerek vaku sűrűsége;

l A rendszer üzemi hőmérséklete;

l A rendszer feszültsége;

l A rendszer névleges rövidzárlati árama;

l A hullámforma szintje, amely ellen védeni kell (közvetett vagy közvetlen villámlás);

l A névleges kisülési áram.

A külső villámvédelmi rendszerrel (LPS) védett létesítmények SPD követelményei az LPS kiválasztott osztályától, valamint attól függenek, hogy az LPS és a napelemes berendezés közötti távolság szigetelt vagy nem szigetelt. Az IEC 62305-3 szabvány részletezi a külső LPS-re vonatkozó elválasztási távolságra vonatkozó követelményeket.

A védőhatás érdekében az SPD feszültségvédelmi szintjének (Up) 20 %-vel alacsonyabbnak kell lennie, mint a rendszer végberendezésének dielektromos szilárdsága.

Fontos, hogy olyan SPD-t használjunk, amelynek a rövidzárlat-ellenállási árama nagyobb, mint annak a szoláris tömbnek a rövidzárlati árama, amelyhez az SPD csatlakozik. Az egyenáramú kimeneten található SPD egyenáramú MCOV-jának meg kell egyeznie a panel maximális fotovoltaikus rendszerfeszültségével vagy annál nagyobb.

SPD-k a fotovoltaikus rendszerek egyenáramú oldalához

A PV források áram- és feszültségjellemzői nagyon eltérőek a hagyományos egyenáramú forrásoktól: nemlineáris karakterisztikával rendelkeznek, és a meggyulladt ívek hosszú távú fennmaradását okozzák. Ezért a PV áramforrásokhoz nem csak nagyobb PV kapcsolók és PV biztosítékok szükségesek, hanem a túlfeszültség-védelmi berendezéshez egy szakaszolóra is szükség van, amely ehhez az egyedi természethez igazodik, és képes megbirkózni a PV áramokkal.

Az egyenáramú oldalra telepített SPD-ket mindig kifejezetten egyenáramú alkalmazásokhoz kell tervezni. Az SPD nem megfelelő váltóáramú vagy egyenáramú oldalon történő használata hiba esetén veszélyes.

Telepítés

Az SPD-ket mindig az általuk védeni kívánt eszközök elé kell telepíteni. Az NFPA 780 12.4.2.1 szerint túlfeszültség-védelmet kell biztosítani a napelem egyenáramú kimenetén a pozitívtól a földig és a negatívtól a földig, a kombináló és a rekombinátor dobozán több napelem esetén, valamint az inverter váltakozó áramú kimenetén.

Az SPD megfelelő telepítése három értéktől függ, amelyek a következők:

l Maximális folyamatos üzemi feszültség: Az a feszültség, amelyet az SPD aktivál.

l Feszültségvédelmi szint: A berendezés túlfeszültség-kategóriájának magasabbnak kell lennie, mint az SPD feszültségvédelmi szintje.

l Névleges kisülési áram: A hullámforma csúcsértéke (8/20 μs 2-es típusú SPD-k esetén), amelyet az SPD képes ellenállni ismétlődő túlfeszültségek után.

Hogyan kombinálhatjuk az SPD-ket inverterekkel

A fotovillamos farmok nagyon érzékeny berendezésekből állnak, amelyek kiterjedt védelmet igényelnek. Mivel a PV-farmok egyenáramú (egyenáramú) energiát állítanak elő, az inverterek (amelyek szükségesek ennek a teljesítménynek az egyenfeszültségről váltakozó áramra történő átalakításához) az elektromos termelésük alapvető elemei. Sajnos az inverterek nemcsak nagyon érzékenyek a villámcsapásra, hanem hihetetlenül drágák is.

Az NFPA 780 12.4.2.3 további SPD-ket igényel az inverter egyenáramú bemenetén, ha a rendszerinverter 30 méternél távolabb van a legközelebbi kombináló- vagy rekombinátordoboztól.

Szerelje be az SPD-t a biztosítékok és az inverter közé, ha vannak húrvédők (például biztosítékok, egyenáram-megszakítók vagy száldiódák).

Az SPD csatlakoztatásához integrált biztosítékdobozzal rendelkező inverter esetén győződjön meg arról, hogy a belső biztosítékok ki vannak kapcsolva, és a külső biztosítékok is csatlakoztatva vannak.

A húrinvertereket a lehető legközelebb kell elhelyezni a húrokhoz. Az L+/L- hálózathoz, valamint az SPD sorkapocs blokkja és a földelő sín közé csatlakozó SPD kábeleknek 2,5 méternél rövidebbnek kell lenniük. Minél rövidebbek a csatlakozókábelek, annál hatékonyabb és költséghatékonyabb lesz a védelem.

Csak egy MPP nyomkövetővel rendelkező inverterek esetén kapcsolja össze az inverter előtti karakterláncot, és csatlakoztassa őket az SPD-hez az összekapcsolási ponton.

Az SPD kombinációkat minden bemenethez meg kell tervezni, ha az inverter több MPP nyomkövetővel rendelkezik. SPD-t kell használni minden olyan bemenethez, amely száldiódával van biztosítva.

Hivatkozások

[1] Villámvédelmi útmutató, DIN EN szabvány 62305 – 3, 2014.

[2] A túlfeszültség-védelmi eszközök szabványa, UL 1449, 2014.

[3] Kisfeszültségű túlfeszültség-védő készülékek – 32. rész: Az egyenáramra csatlakoztatott túlfeszültség-védelmi eszközök. fotovoltaikus berendezések oldala – Kiválasztási és alkalmazási elvek, IEC 61643-32, 2 017 szabvány.