Ochrona przeciwprzepięciowa dla systemów fotowoltaicznych

Pośrednie uderzenia pioruna są destrukcyjne. Anegdotyczne obserwacje dotyczące aktywności wyładowań atmosferycznych są zwykle słabym wskaźnikiem poziomu przepięcia wywołanego piorunem w panelach fotowoltaicznych. Pośrednie uderzenia pioruna mogą łatwo uszkodzić wrażliwe elementy sprzętu fotowoltaicznego, co często wiąże się z wysokimi kosztami naprawy lub wymiany uszkodzonych elementów i wpływa na niezawodność systemu fotowoltaicznego. Przepięcie zależy od warunków konfiguracji każdego systemu fotowoltaicznego i okablowania.

Systemy fotowoltaiczne są eksponowane na dużych otwartych przestrzeniach, zazwyczaj na polach lub na szczytach budynków. Naładowane chmury deszczowe gromadzące się nad takimi otwartymi polami mają tendencję do uwalniania ładunku w postaci błyskawicy. Kiedy tak się stanie, prawdopodobnie nastąpi skok napięcia. Im bardziej ekspansywne jest pole, tym większe jest prawdopodobieństwo zniszczenia.

Gdy system fotowoltaiczny jest zlokalizowany na terenie przemysłowym, zagrożone są również operacje biznesowe i sprzęt. Falowniki są drogie, ale w zastosowaniach przemysłowych jeszcze droższą awarią są koszty przestojów.

Kiedy piorun uderza w system fotowoltaiczny, powoduje indukowany przejściowy prąd i napięcie w pętlach przewodów systemu fotowoltaicznego. Te przejściowe prądy i napięcia pojawią się na zaciskach sprzętu i prawdopodobnie spowodują awarie izolacji i dielektryka w elementach elektrycznych i elektronicznych modułów fotowoltaicznych, takich jak panele fotowoltaiczne, falownik, sprzęt sterujący i komunikacyjny, a także urządzenia w instalacji budynku. Zestaw tablicowy, falownik i MPPT (maksymalna moctracker punktów) mają najwyższe punkty awarii.

Aby zapobiec przedostawaniu się dużej energii przez elektronikę i powodowaniu uszkodzeń systemu fotowoltaicznego pod wysokim napięciem, przepięcia muszą mieć ścieżkę do masy. W tym celu wszystkie powierzchnie przewodzące powinny być bezpośrednio uziemione, a całe okablowanie wchodzące i wychodzące z systemu (takie jak kable Ethernet i sieć zasilająca) powinno być podłączone do uziemienia za pomocą SPD.

Dla każdej grupy ciągów w skrzynce tablicowej, skrzynce rekombinatora oraz rozłączniku prądu stałego potrzebne jest urządzenie zabezpieczające przed przepięciami.

Wybór i instalacja urządzeń przeciwprzepięciowych w systemach fotowoltaicznych

Systemy fotowoltaiczne mają unikalne właściwości, które dlatego wymagają stosowania SPD zaprojektowanych specjalnie dla systemów fotowoltaicznych.

Systemy fotowoltaiczne charakteryzują się wysokim napięciem stałym do 1500 woltów. Ich maksymalny punkt mocy działa zaledwie kilka procent poniżej prądu zwarciowego systemu.

Aby dobrać odpowiedni moduł SPD dla instalacji PV i jej montażu należy wiedzieć:

l Gęstość błyskawicy okrągłej;

l Temperatura robocza systemu;

l Napięcie systemu;

l Wartość znamionowa prądu zwarciowego systemu;

l Poziom fali, przed którym należy chronić (pośrednie lub bezpośrednie uderzenie pioruna);

l Nominalny prąd rozładowania.

Wymagania SPD dla instalacji chronionej zewnętrznym systemem ochrony odgromowej (LPS) zależą od wybranej klasy LPS oraz od tego, czy odległość między LPS a instalacją fotowoltaiczną jest izolowana czy nieizolowana. Norma IEC 62305-3 szczegółowo opisuje wymagania dotyczące odległości separacji dla zewnętrznego LPS.

Aby zapewnić efekt ochronny, poziom ochrony napięciowej SPD (Up) powinien być o 20 % niższy niż wytrzymałość dielektryczna urządzeń końcowych systemu.

Ważne jest, aby używać SPD o prądzie zwarciowym wytrzymywanym większym niż prąd zwarciowy ciągu modułów fotowoltaicznych, do którego podłączony jest SPD. SPD dostarczony na wyjściu prądu stałego musi mieć wartość MCOV prądu stałego równą lub większą niż maksymalne napięcie systemu fotowoltaicznego panelu.

SPD dla strony prądu stałego systemów fotowoltaicznych

Źródła fotowoltaiczne mają zupełnie inną charakterystykę prądu i napięcia niż tradycyjne źródła prądu stałego: mają charakterystykę nieliniową i powodują długotrwałe utrzymywanie się łuków zajarzonych. Dlatego źródła prądu fotowoltaicznego wymagają nie tylko większych przełączników fotowoltaicznych i bezpieczników fotowoltaicznych, ale także rozłącznika dla urządzenia przeciwprzepięciowego, który jest dostosowany do tego wyjątkowego charakteru i zdolny do radzenia sobie z prądami fotowoltaicznymi.

Urządzenia SPD instalowane po stronie prądu stałego muszą być zawsze specjalnie zaprojektowane do zastosowań prądu stałego. Użycie SPD po niewłaściwej stronie prądu przemiennego lub stałego jest niebezpieczne w przypadku awarii.

Instalacja

Urządzenia SPD należy zawsze instalować przed urządzeniami, które mają chronić. Norma NFPA 780 12.4.2.1 mówi, że ochrona przeciwprzepięciowa powinna być zapewniona na wyjściu prądu stałego panelu słonecznego od dodatniego do masy i ujemnego do masy, w skrzynce łączącej i rekombinacyjnej dla wielu paneli słonecznych oraz na wyjściu prądu przemiennego falownika.

Prawidłowa instalacja SPD opiera się na trzech wartościach, którymi są:

l Maksymalne ciągłe napięcie robocze: napięcie, które aktywuje SPD.

l Poziom ochrony napięciowej: Kategoria przepięciowa urządzenia musi być wyższa niż poziom ochrony napięciowej SPD.

l Nominalny prąd wyładowczy: Szczytowa wartość kształtu fali (8/20 μs dla SPD typu 2), którą SPD jest w stanie wytrzymać po powtarzających się przepięciach.

Jak połączyć SPD z falownikami

Farmy fotowoltaiczne składają się z bardzo wrażliwego sprzętu, który wymaga rozbudowanej ochrony. Ponieważ farmy fotowoltaiczne wytwarzają prąd stały (DC), falowniki (niezbędne do konwersji tej mocy z prądu stałego na prąd przemienny) stanowią istotny element ich produkcji energii elektrycznej. Niestety falowniki są nie tylko bardzo podatne na uderzenia pioruna, ale są również niezwykle drogie.

NFPA 780 12.4.2.3 wymaga dodatkowych SPD na wejściu prądu stałego falownika, jeśli falownik systemowy znajduje się dalej niż 30 metrów od najbliższego sumatora lub skrzynki rekombinatora.

Zainstaluj SPD pomiędzy bezpiecznikami a falownikiem, jeśli istnieją zabezpieczenia stringów (takie jak bezpieczniki, wyłączniki prądu stałego lub diody stringów)

Aby podłączyć SPD w przypadku falownika ze zintegrowaną skrzynką bezpieczników, należy upewnić się, że wewnętrzne bezpieczniki są ominięte i że zewnętrzne bezpieczniki stringów są podłączone.

Falowniki stringowe należy instalować jak najbliżej stringów. Kable SPD łączące się z siecią L+/L- oraz pomiędzy listwą zaciskową SPD a szyną uziemiającą muszą być krótsze niż 2,5 metra. Im krótsze kable połączeniowe, tym skuteczniejsza i tańsza będzie ochrona.

W przypadku falowników wyposażonych tylko w jeden moduł śledzący MPP należy połączyć ciąg przed falownikiem i podłączyć je do SPD w miejscu połączenia.

Kombinacje SPD należy zaplanować dla każdego wejścia, jeśli falownik ma wiele trackerów MPP. Dla każdego wejścia zabezpieczonego diodą stringową należy zastosować SPD.

Referencje

[1] Poradnik dotyczący ochrony odgromowej, norma DIN EN 62305 – 3, 2014.

[2] Norma dotycząca urządzeń przeciwprzepięciowych, UL 1449, 2014.

[3] Urządzenia przeciwprzepięciowe niskiego napięcia – Część 32: Urządzenia przeciwprzepięciowe podłączane do prądu stałego. strona instalacji fotowoltaicznych – Zasady doboru i stosowania, Norma IEC 61643-32, 2 017.