Заједнички рад заштитника од пренапона, прекидача и осигурача у фотонапонским системима: функционална анализа и дискусија о потреби
Увод
Са брзим развојем глобалне фотонапонске индустрије, безбедност и стабилност система за производњу соларне енергије постали су у фокусу пажње индустрије. Фотонапонски системи су дуго изложени спољашњем свету и подложни су претњама као што су удари грома, флуктуације у електричној мрежи и кварови опреме, што може проузроковати оштећење опреме или чак пожар. Заштитници од пренапона (SPD), прекидачи и осигурачи су кључни заштитни уређаји који сваки обављају своје дужности и сарађују једни са другима како би осигурали безбедан рад система. Овај чланак ће детаљно анализирати њихове функције, механизме координације и потребу да пруже референце корисницима у индустрији.
I. „Невидљиви убица“ са којим се суочавају фотонапонски системи
Фотонапонске електране су попут „челичних ратника“ који раде на отвореном, стално подносећи разне сурове тестове.
1.1 Проблеми са ударом грома:
Посебно на Блиском истоку и у југоисточној Азији, једна сезона грмљавине може парализовати системе којима недостаје заштита.
1.2 Флуктуације електроенергетске мреже:
У чилеанском пројекту којим сам био задужен, неколико комада опреме је изгорело због наглог повећања напона мреже.
1.3 Ризик од кратког споја:
Прошле године, један пројекат у Немачкој је доживео кратак спој због старења каблова, што је скоро изазвало пожар.
Ови ризици нису претеривање. Према Међународном савезу за безбедност фотонапонских система, преко 60% кварова фотонапонских система је последица неадекватне електричне заштите.
II. Основне функције уређаја за заштиту од пренапона (SPD)
2.1 Принцип рада
SPD преусмерава пролазни пренапон у земљу преко метал-оксидних варистора (MOV) или гасних цеви за пражњење (GDT), ограничавајући напон унутар безбедног опсега. У фотонапонским системима, SPD-ови се обично инсталирају на следећим локацијама:
Једносмерна страна (између модула и инвертора): За заштиту од пренапона изазваних громом.
АЦ страна (између инвертора и мреже): За сузбијање пренапона са стране мреже.
2.2 Кључни параметри
Максимални континуирани радни напон (Uc): Мора да одговара нивоу напона фотонапонског система (као што је 1000V DC или 1500V DC).
Струја пражњења (In/Iimp): Одражава способност пражњења струје грома, а фотонапонским системима је обично потребно 20kA или више.
Ниво напонске заштите (Up): Одређује величину преосталог напона и мора бити нижи од напона подношења заштићене опреме.
2.3 Нужност
Спречите оштећење скупе опреме попут инвертора и комбинера услед пренапона.
У складу са међународним стандардима (као што су IEC 6164331, UL 1449) и захтевима за прихватање фотонапонских електрана.
Ⅲ. Функција и избор прекидача и осигурача
3.1 Прекидач
Функција:
• Заштита од преоптерећења: Када струја пређе подешену вредност (нпр. 1,3 пута већу од номиналне струје), активира се термички механизам за искључивање.
• Заштита од кратког споја: Електромагнетни механизам за искључивање прекида струју кратког споја (нпр. 10kA) у року од неколико милисекунди.
•Карактеристике примене за фотонапонске системе:
Потребно је одабрати наменски једносмерни прекидач (као што је једносмерна струја 1000V/1500V).
Прекидна способност треба да одговара струји кратког споја система (типично ≥ 15kA).
3.2 Осигурач
Функција:
Топљењем осигурача, може се брзо изоловати неисправно коло и заштитити серијски повезана грана.
Предности:
Брзина искључивања је већа (на нивоу микросекунди), погодна за сценарије са високом струјом кратког споја.
Малих је димензија и погодан је за кутије за пренос струје са ограниченим простором.
3.3 Сарадња са SPD-ом
SPD је одговоран за заштиту од напона, док су прекидачи/осигурачи одговорни за заштиту од струје.
Када SPD откаже због пренапонског квара, прекидачи или заштитници осигурача могу одмах да прекину неисправно коло како би спречили пожар.
Ⅳ. Студија случаја вишеслојног система заштите
Узмимо за пример фотонапонску електрану од 1 MW:
4.1 Заштита на једносмерној страни
Гране компонентних серија: Инсталирајте осигураче (као што је тип 10A gPV) за сваку серију.
Улаз у кутију комбинатора: Инсталирајте SPD типа II (Up ≤ 1,5 kV) и DC прекидач (63 A).
4.2 Заштита на страни наизменичне струје
Излазни крај инвертора: Конфигуришите SPD типа 1+2 (Iimp ≥ 12,5 kA) и прекидач у ливеном кућишту (250 A).
4.3 Симулација сценарија квара
Када дође до удара грома: SPD ослобађа ударну струју и држи напон испод 2kV; ако SPD откаже због кратког споја, прекидач се активира.
Када дође до кратког споја на линији: Осигурач се топи у року од 5 ms како би се спречило ширење термалног ефекта тачке.
Ⅴ. Мере предострожности при избору и инсталацији
5.1 Избор SPD-а
За једносмерну страну, треба одабрати фотонапонски SPD специфичан за фотонапонске уређаје (као што је PVSPD) како би се избегао проблем обрнуте струје обичног AC SPD-а.
Треба узети у обзир температурну маргину (Uc мора оставити маргину у окружењима са високом температуром).
5.2 Усклађивање прекидача/осигурача
Прекидна способност треба да буде већа од максималне струје кратког споја система (на пример, струја квара низа може достићи 1,5 kA).
Називна струја осигурача треба да буде више од 1,56 пута већа од струје кратког споја компоненте (Isc) (у складу са NEC 690.8).
5.3 Предлози за системску интеграцију
Дужина жице између SPD-а и прекидача треба да буде ≤ 0,5 м како би се смањио преостали напон.
Требало би спроводити редовне инспекције индикатора статуса SPD-а, а неисправне модуле треба благовремено заменити.
Ⅵ. Трендови у индустрији и ажурирања стандарда
• Потражња за високим напоном: Са широко распрострањеном применом фотонапонских система од 1500 V, нивои напона издржљивости SPD-ова и прекидача морају бити синхронизовано побољшани.
• Интелигентно праћење: Интелигентни SPD-ови који интегришу температурне сензоре и функције бежичне комуникације постепено се примењују како би се постигло даљинско рано упозоравање на кварове.
• Стандардно појачање: Нова верзија IEC 625482023 увела је строже захтеве за координацију заштитних уређаја за фотонапонске системе.
Закључак
У фотонапонским системима, заштитници од пренапона, прекидачи и осигурачи чине комплетан систем заштите „напон-струја“. Правилан избор и конфигурација ових компоненти не само да могу продужити век трајања опреме и смањити трошкове рада и одржавања, већ су и неопходни услови за обезбеђивање безбедног рада електрана. Са развојем технологије, интеграција и интелигенција ових заштитних уређаја ће додатно побољшати поузданост фотонапонских система у будућности.