Съвместна работа на предпазители от пренапрежение, прекъсвачи и предпазители във фотоволтаични системи: Функционален анализ и дискусия за необходимостта

Въведение

С бързото развитие на световната фотоволтаична индустрия, безопасността и стабилността на системите за производство на слънчева енергия се превърнаха във фокус на вниманието на индустрията. Фотоволтаичните системи са изложени на открито за дълго време и са уязвими към заплахи като удари от мълнии, колебания в електропреносната мрежа и повреди на оборудването, които могат да причинят повреда на оборудването или дори пожар. Защитите от пренапрежение (SPD), прекъсвачите и предпазителите са ключови защитни устройства, всяко от които изпълнява своите задължения и си сътрудничи помежду си, за да осигури безопасната работа на системата. Тази статия ще анализира задълбочено техните функции, механизми за координация и необходимостта да предоставят справка на потребителите в индустрията.

I. „Невидимият убиец“, пред който са изправени фотоволтаичните системи

Фотоволтаичните електроцентрали са като „стоманени воини“, работещи на открито, постоянно подлагащи се на различни сурови изпитания.

1.1 Проблеми с удара на мълния:

По-специално, в Близкия изток и Югоизточна Азия, един-единствен сезон на гръмотевични бури може да парализира системи, които нямат защита.
1.2 Колебания в електропреносната мрежа:
В чилийския проект, за който отговарях, няколко устройства изгоряха поради внезапно повишаване на напрежението в мрежата.

1.3 Риск от късо съединение:
Миналата година проект в Германия претърпя късо съединение поради стареещи кабели, което едва не предизвика пожар.

Тези рискове не са преувеличение. Според Международния алианс за фотоволтаична безопасност, над 60% от повредите на фотоволтаичните системи се дължат на неадекватна електрическа защита.

II. Основни функции на устройствата за защита от пренапрежение (SPD)

2.1 Принцип на работа
SPD отклонява преходното пренапрежение към земята чрез металооксидни варистори (MOV) или газоразрядни тръби (GDT), ограничавайки напрежението в безопасен диапазон. Във фотоволтаичните системи SPD обикновено се инсталират на следните места:
Страна на постоянен ток (между модулите и инвертора): За защита от пренапрежения, предизвикани от мълнии.
Страна на променливотоковото напрежение (между инвертора и мрежата): За потискане на пренапрежението от страната на мрежата.

2.2 Ключови параметри
Максимално непрекъснато работно напрежение (Uc): Трябва да съответства на нивото на напрежение на фотоволтаичната система (например 1000V DC или 1500V DC).
Разряден ток (In/Iimp): Отразява способността за разреждане на мълниевия ток, а фотоволтаичните системи обикновено изискват 20kA или повече.
Ниво на защита от напрежение (Up): Определя размера на остатъчното напрежение и трябва да бъде по-ниско от издържаното напрежение на защитеното оборудване.

2.3 Необходимост
Предпазете скъпо оборудване, като инвертори и комбиниращи кутии, от повреди от пренапрежения.
Спазвайте международните стандарти (като IEC 6164331, UL 1449) и изискванията за приемане на фотоволтаични електроцентрали.

Ⅲ.Функция и избор на прекъсвачи и предпазители

3.1 Предпазител
Функция:
•Защита от претоварване: Когато токът надвиши зададената стойност (например 1,3 пъти номиналния ток), механизмът за термично изключване се задейства.
•Защита от късо съединение: Електромагнитният механизъм за изключване прекъсва тока на късо съединение (например 10kA) в рамките на милисекунди.

• Характеристики на приложението на фотоволтаични системи:
Необходимо е да се избере специален прекъсвач за постоянен ток (например DC 1000V/1500V).
Прекъсващата способност трябва да съответства на тока на късо съединение в системата (обикновено ≥ 15kA).

3.2 Предпазител
Функция:
Чрез разтопяване на предпазителя, той може бързо да изолира дефектната верига и да защити последователно свързания клон.

Предимства:
Скоростта на изключване е по-бърза (на ниво микросекунди), подходяща за сценарии с висок ток на късо съединение.
Той е малък по размер и е подходящ за тоководещи кутии с ограничено пространство.

3.3 Сътрудничество със SPD

SPD е отговорен за защитата от напрежение, докато прекъсвачите/предпазителите са отговорни за защитата от ток.
Когато SPD се повреди поради пренапрежение, прекъсвачите или предпазителите могат незабавно да прекъснат повредената верига, за да предотвратят пожар.

Ⅳ. Казус на многостепенна система за защита

Вземете за пример фотоволтаична електроцентрала с мощност 1 MW:
4.1 Защита от страната на постоянен ток
Разклонения на компонентни серии: Инсталирайте предпазители (например 10A тип gPV) за всяка серия.
Вход на кутията за комбиниране: Монтирайте SPD тип II (Up ≤ 1.5kV) и DC прекъсвач (63A).

4.2 Защита от страната на променливотоковото захранване
Изходен край на инвертора: Конфигурирайте SPD тип 1+2 (Iimp ≥ 12.5kA) и прекъсвач с лят корпус (250A).

4.3 Симулация на сценарий на повреда
При удар от мълния: SPD освобождава пренапрежението и ограничава напрежението под 2kV; ако SPD откаже поради късо съединение, предпазителят се изключва.
При късо съединение в линията: Предпазителят се стопява в рамките на 5 ms, за да предотврати разпространението на термичен точков ефект.

Ⅴ. Предпазни мерки при избор и монтаж

5.1 Избор на SPD
За страната с постоянен ток трябва да се избере фотоволтаично SPD (като PVSPD), за да се избегне проблемът с обратния ток, характерен за обикновените AC SPD.
Трябва да се вземе предвид температурният марж (Uc трябва да оставя марж в среда с висока температура).

5.2 Съвпадение на прекъсвач/предпазител
Прекъсващата способност трябва да е по-висока от максималния ток на късо съединение на системата (например, токът на повреда на веригата може да достигне 1,5 kA).
Номиналният ток на предпазителя трябва да бъде повече от 1,56 пъти тока на късо съединение на компонента (Isc) (в съответствие с NEC 690.8).

5.3 Предложения за системна интеграция
Дължината на проводника между SPD и прекъсвача трябва да бъде ≤ 0,5 м, за да се намали остатъчното напрежение.
Трябва да се извършват редовни проверки на индикаторите за състоянието на SPD, а повредените модули трябва да се подменят навреме.

Ⅵ. Тенденции в индустрията и актуализации на стандартите
• Високоволтово търсене: С широкото разпространение на фотоволтаични системи от 1500 V, нивата на издържащо напрежение на SPD и прекъсвачите трябва да бъдат синхронизирано подобрени.

• Интелигентно наблюдение: Интелигентни SPD, интегриращи температурни сензори и функции за безжична комуникация, постепенно се прилагат за постигане на дистанционно ранно предупреждение за повреди.

• Стандартно подсилване: Новата версия на IEC 625482023 наложи по-строги изисквания за координация на защитните устройства за фотоволтаични системи.

Заключение
Във фотоволтаичните системи, предпазителите от пренапрежение, прекъсвачите и предпазителите представляват цялостна система за съвместна защита „напрежение-ток“. Правилният избор и конфигурация на тези компоненти не само могат да удължат експлоатационния живот на оборудването и да намалят разходите за експлоатация и поддръжка, но също така са съществени условия за осигуряване на безопасната работа на електроцентралите. С развитието на технологиите, интеграцията и интелигентността на тези защитни устройства ще подобрят допълнително надеждността на фотоволтаичните системи в бъдеще.