Lucru în colaborare între protectoarele la supratensiune, întrerupătoarele de circuit și siguranțele în sistemele fotovoltaice: Analiză funcțională și discuții privind necesitatea

Introducere

Odată cu dezvoltarea rapidă a industriei fotovoltaice globale, siguranța și stabilitatea sistemelor de generare a energiei solare au devenit în centrul atenției industriei. Sistemele fotovoltaice sunt expuse la exterior pentru o perioadă lungă de timp și sunt vulnerabile la amenințări precum trăsnetul, fluctuațiile rețelei electrice și defecțiunile echipamentelor, care pot provoca deteriorarea echipamentelor sau chiar incendii. Protectoarele la supratensiune (SPD), întrerupătoarele de circuit și siguranțele sunt dispozitive cheie de protecție care își îndeplinesc fiecare atribuțiile și cooperează între ele pentru a asigura funcționarea în siguranță a sistemului. Acest articol va analiza în profunzime funcțiile, mecanismele de coordonare și necesitatea acestora pentru a oferi referințe utilizatorilor din industrie.

I. „Ucigașul invizibil” cu care se confruntă sistemele fotovoltaice

Centralele fotovoltaice sunt ca niște „războinici de oțel” care lucrează în aer liber, îndurând constant diverse teste dure.

1.1 Probleme legate de trăsnet:

În special, în Orientul Mijlociu și Asia de Sud-Est, un singur sezon de furtuni poate paraliza sistemele care nu sunt protejate.
1.2 Fluctuațiile rețelei electrice:
În proiectul chilian de care eram responsabil, mai multe echipamente s-au ars din cauza unei creșteri bruște a tensiunii rețelei.

1.3 Risc de scurtcircuit:
Anul trecut, un proiect din Germania a suferit un scurtcircuit din cauza cablurilor îmbătrânite, provocând aproape un incendiu.

Aceste riscuri nu sunt o exagerare. Conform Alianței Internaționale pentru Siguranța Fotovoltaică, peste 60% din defecțiunile sistemelor fotovoltaice se datorează unei protecții electrice inadecvate.

II. Funcțiile principale ale dispozitivelor de protecție la supratensiune (SPD)

2.1 Principiul de funcționare
SPD-ul deviază supratensiunea tranzitorie către pământ prin varistoare de oxid metalic (MOV) sau tuburi de descărcare în gaz (GDT), limitând tensiunea într-un interval de siguranță. În sistemele fotovoltaice, SPD-urile sunt de obicei instalate în următoarele locații:
Partea de curent continuu (între module și invertor): Pentru a proteja împotriva supratensiunilor induse de trăsnet.
Partea de curent alternativ (între invertor și rețea): Pentru a suprima supratensiunea din partea rețelei.

2.2 Parametri cheie
Tensiunea maximă de funcționare continuă (Uc): Trebuie să corespundă nivelului de tensiune al sistemului fotovoltaic (cum ar fi 1000V CC sau 1500V CC).
Curent de descărcare (In/Iimp): Reflectă capacitatea de descărcare a curentului de trăsnet, iar sistemele fotovoltaice necesită de obicei 20 kA sau mai mult.
Nivel de protecție la tensiune (Up): Determină valoarea tensiunii reziduale și trebuie să fie mai mică decât tensiunea de rezistență a echipamentului protejat.

2.3 Necesitate
Preveniți deteriorarea echipamentelor scumpe, cum ar fi invertoarele și cutiile combinatoare, din cauza supratensiunii.
Respectați standardele internaționale (cum ar fi IEC 6164331, UL 1449) și cerințele de acceptare pentru centralele fotovoltaice.

Ⅲ. Funcția și selecția întrerupătoarelor de circuit și a siguranțelor

3.1 Întrerupător de circuit
Funcţie:
• Protecție la suprasarcină: Când curentul depășește valoarea setată (de exemplu, de 1,3 ori curentul nominal), mecanismul de declanșare termică se activează.
• Protecție la scurtcircuit: Mecanismul de declanșare electromagnetică întrerupe curentul de scurtcircuit (cum ar fi 10 kA) în câteva milisecunde.

•Caracteristici de aplicare pentru fotovoltaic:
Trebuie selectat un întrerupător de circuit CC dedicat (cum ar fi CC 1000V/1500V).
Capacitatea de rupere trebuie să corespundă curentului de scurtcircuit al sistemului (de obicei ≥ 15 kA).

3.2 Siguranță
Funcţie:
Prin topirea elementului de siguranță, se poate izola rapid circuitul defect și se poate proteja ramura conectată în serie.

Avantaje:
Viteza de deconectare este mai rapidă (la nivel de microsecunde), potrivită pentru scenarii de curent de scurtcircuit ridicat.
Are dimensiuni reduse și este potrivit pentru cutii de curent cu spațiu limitat.

3.3 Colaborarea cu SPD

SPD-ul este responsabil pentru protecția la tensiune, în timp ce întrerupătoarele/siguranțele sunt responsabile pentru protecția la curent.
Când SPD-ul se defectează din cauza unei supratensiuni, întrerupătoarele de circuit sau siguranțele de protecție pot întrerupe prompt circuitul defect pentru a preveni incendiul.

Ⅳ. Studiu de caz al unui sistem de protecție pe mai multe niveluri

Luați ca exemplu o centrală fotovoltaică de 1 MW:
4.1 Protecție pe partea de curent continuu
Ramificații din seria componentelor: Instalați siguranțe (cum ar fi cele de tip 10A gPV) pentru fiecare serie.
Intrarea în cutia combinatorului: Instalați un descărcător de tip II (până la ≤ 1,5 kV) și un întrerupător de circuit CC (63 A).

4.2 Protecție pe partea de curent alternativ
Capătul de ieșire al invertorului: Configurați un descărcător de tip 1+2 (Iimp ≥ 12,5 kA) și un întrerupător de circuit în carcasă turnată (250 A).

4.3 Simularea scenariilor de defecțiune
Când are loc un trăsnet: SPD-ul eliberează un curent de supratensiune și menține tensiunea sub 2kV; dacă SPD-ul se defectează din cauza unui scurtcircuit, întrerupătorul se declanșează.
Când există un scurtcircuit pe linie: Siguranța se topește în 5 ms pentru a preveni răspândirea efectului de punct termic.

Ⅴ. Precauții pentru selecție și instalare

5.1 Selectarea descărcătoarelor
Pentru partea de curent continuu, ar trebui selectat un SPD specific fotovoltaicului (cum ar fi PVSPD) pentru a evita problema curentului invers al SPD-urilor obișnuite de curent alternativ.
Marja de temperatură trebuie luată în considerare (Uc trebuie să lase o marjă în medii cu temperaturi ridicate).

5.2 Potrivirea întrerupătorului/siguranței
Capacitatea de rupere trebuie să fie mai mare decât curentul maxim de scurtcircuit al sistemului (de exemplu, curentul de defect al șirului poate ajunge la 1,5 kA).
Curentul nominal al siguranței trebuie să fie mai mare de 1,56 ori curentul de scurtcircuit al componentei (Isc) (în conformitate cu NEC 690.8).

5.3 Sugestii de integrare a sistemului
Lungimea firului dintre SPD și întrerupătorul de circuit trebuie să fie ≤ 0,5 m pentru a reduce tensiunea reziduală.
Trebuie efectuate inspecții regulate ale indicatorilor de stare ai SPD-urilor, iar modulele defecte trebuie înlocuite la timp.

III. Tendințe din industrie și actualizări standard
• Cerere de înaltă tensiune: Odată cu adoptarea pe scară largă a sistemelor fotovoltaice de 1500V, nivelurile de tensiune de rezistență ale SPD-urilor și întrerupătoarelor de circuit trebuie îmbunătățite sincronizat.

• Monitorizare inteligentă: SPD-urile inteligente care integrează senzori de temperatură și funcții de comunicație wireless sunt aplicate treptat pentru a realiza avertizarea timpurie la distanță în cazul defecțiunilor.

•Ranforțare standard: Noua versiune a standardului IEC 625482023 a impus cerințe de coordonare mai stricte asupra dispozitivelor de protecție pentru sistemele fotovoltaice.

Concluzie
În sistemele fotovoltaice, dispozitivele de protecție la supratensiune, întrerupătoarele de circuit și siguranțele constituie un sistem complet de protecție colaborativă „tensiune-curent”. Selectarea și configurarea corectă a acestor componente nu numai că pot prelungi durata de viață a echipamentelor și pot reduce costurile de operare și întreținere, dar sunt și condiții esențiale pentru asigurarea funcționării în siguranță a centralelor electrice. Odată cu dezvoltarea tehnologiei, integrarea și inteligența acestor dispozitive de protecție vor spori și mai mult fiabilitatea sistemelor fotovoltaice în viitor.