Selecție Dispozitive de Protecție la Supratensiune pentru Sisteme Fotovoltaice – Tipuri de SPD-uri

Generarea de energie fotovoltaică (PV) este o sursă cheie de energie regenerabilă și este extrem de competitivă din punct de vedere economic în comparație cu generarea tradițională de energie. Sistemele fotovoltaice distribuite de mici dimensiuni, cum ar fi panourile solare de pe acoperiș, devin din ce în ce mai populare. Sistemele fotovoltaice de pe acoperiș implică atât distribuția de curent alternativ, cât și de curent continuu, cu tensiuni care ajung până la 1500V. Partea de curent continuu, în special panourile fotovoltaice, poate fi expusă direct la lovituri de trăsnet în zonele cu risc ridicat, ceea ce le face vulnerabile la daune provocate de trăsnet.

Protecția la trăsnet pentru clădiri este împărțită în protecție externă (Sistem de protecție la trăsnet, LPS) și protecție internă (Măsuri de protecție la supratensiune, SPM), în funcție de riscul de trăsnet. Dispozitivele de protecție la supratensiune (SPD), ca parte a protecției interne, protejează împotriva supratensiunilor tranzitorii cauzate de trăsnetul atmosferic sau de operațiunile de comutare. SPD-urile sunt instalate în afara echipamentului protejat și funcționează în principal după cum urmează: atunci când nu există supratensiune în sistemul energetic, SPD-ul nu afectează semnificativ funcționarea normală a sistemului pe care îl protejează. Când apare o supratensiune, SPD-ul oferă o impedanță scăzută, deviind curentul de supratensiune prin el însuși și limitând tensiunea la un nivel sigur. După ce supratensiunea a trecut și orice curent rezidual s-a stins, SPD-ul revine la o stare de impedanță ridicată.

1. Locația de instalare a dispozitivelor de protecție la supratensiune (SPD)

Locația de instalare a descărcătoarelor de supratensiune (SPD) este determinată în funcție de gradul de amenințare la trăsnet și pe baza conceptului de Zone de Protecție la Trăsnet (LPZ) din IEC 62305. Supratensiunile tranzitorii sunt reduse progresiv până la un nivel de siguranță, care trebuie să fie sub tensiunea de rezistență a echipamentului protejat. Așa cum este ilustrat în Figură, SPD-urile sunt instalate la limitele acestor zone, dând naștere conceptului de protecție la supratensiune pe mai multe niveluri utilizată în sistemele de joasă tensiune. Pentru sistemele fotovoltaice, accentul se pune pe prevenirea pătrunderii supratensiunilor de trăsnet prin părțile de curent alternativ și continuu, protejând astfel componentele critice, cum ar fi invertoarele.

2. Clase de testare a dispozitivelor de protecție la supratensiune (SPD)

Conform standardului IEC 61643-11, descărcătoarele de curent (SPD) sunt clasificate în trei categorii de testare, în funcție de tipul de impuls de curent de trăsnet la care sunt proiectate să suporte. Testele de tip I (marcate ca T1) sunt destinate simulării curenților parțiali de trăsnet care pot fi conduși într-o clădire. Acestea utilizează o formă de undă de 10/350 µs, așa cum se arată în Figura 1, și sunt de obicei aplicate la limita dintre LPZ0 și LPZ1 - cum ar fi la tablourile principale de distribuție sau la prizele de intrare ale transformatoarelor de joasă tensiune. SPD-urile pentru acest nivel sunt de obicei de tip comutație de tensiune, cu componente precum tuburi de descărcare în gaz sau spații de eclatoare (de exemplu, spații de eclatoare cu corn sau spații de grafit).

Testele de tip II (T2) și de tip III (T3) utilizează impulsuri de durată mai scurtă. SPD-urile de tip II sunt de obicei dispozitive de limitare a tensiunii care utilizează componente precum varistoare cu oxid metalic (MOV). Acestea sunt testate cu un curent de descărcare nominal utilizând o formă de undă de curent de 8/20 µs (vezi Figura 1) și sunt responsabile pentru limitarea suplimentară a tensiunii de supratensiune reziduală provenită de la dispozitivul de protecție din amonte. Testele de tip III utilizează un generator de undă combinat cu o tensiune de 1,2/50 µs și un impuls de curent de 8/20 µs (vezi Figura de mai jos), simulând supratensiunile mai aproape de echipamentul de utilizare finală.

3. Tipul de conectare al dispozitivului de protecție la supratensiune (SPD)

Există două moduri principale de protecție împotriva supratensiunilor tranzitorii. Prima este protecția în mod comun (CT1), care este concepută pentru a proteja împotriva supratensiunilor dintre conductoarele active și PE (împământare de protecție). De exemplu, loviturile de trăsnet pot introduce tensiuni ridicate față de pământ într-un sistem. Protecția în mod comun ajută la atenuarea impactului unor astfel de perturbații externe, cum ar fi fulgerul, așa cum este ilustrat mai jos.

A doua este protecția în mod diferențial (CT2), care protejează împotriva supratensiunii dintre conductorul de linie (L) și conductorul neutru (N). Acest tip de protecție este deosebit de important pentru abordarea perturbațiilor interne, cum ar fi zgomotul electric sau interferențele generate în interiorul sistemului, așa cum se arată în diagrama de mai jos.

Prin implementarea unuia sau ambelor moduri de protecție, sistemele electrice pot fi mai bine protejate de potențialele surse de supratensiune, sporind în cele din urmă longevitatea și fiabilitatea echipamentelor conectate.

Este important de reținut că selecția modurilor de protecție SPD trebuie să fie în concordanță cu sistemul de împământare existent. Pentru sistemele TN, se pot utiliza atât modurile de protecție CT1, cât și CT2. Cu toate acestea, în sistemele TT, CT1 poate fi aplicat doar în aval de un RCD. În sistemele IT - în special cele fără conductor neutru - protecția CT2 nu este aplicabilă. Aceasta este o considerație critică în sistemele de distribuție CC care utilizează configurații de împământare IT. Detalii pot fi găsite în tabelul de mai jos.

4. Parametrii cheie ai dispozitivelor de protecție la supratensiune (SPD)

Conform standardului internațional IEC 61643-11, caracteristicile și testele descărcătoarelor de tensiune conectate la sistemele de distribuție a energiei electrice de joasă tensiune sunt definite, așa cum se arată în Figura 7.

(1) Nivel de protecție la tensiune (sus)

Cel mai important aspect în alegerea unui SPD este nivelul său de protecție la tensiune (Up), care caracterizează performanța SPD-ului în limitarea tensiunii dintre borne. Această valoare ar trebui să fie mai mare decât tensiunea maximă de blocare. Se atinge atunci când curentul care trece prin SPD este egal cu curentul nominal de descărcare In. Nivelul de protecție la tensiune selectat trebuie să fie mai mic decât tensiunea de ținere la impuls Uw a sarcinii. În cazul loviturilor de trăsnet, tensiunea pe bornele SPD-ului este în general menținută sub Up. Pentru sistemele fotovoltaice de curent continuu, sarcina se referă de obicei la modulele fotovoltaice și la invertoare.

(2) Tensiune maximă de funcționare continuă (Uc)

Uc este tensiunea maximă de curent continuu care poate fi aplicată continuu modului de protecție SPD. Aceasta este selectată pe baza tensiunii nominale și a configurației de împământare a sistemului și servește ca prag de activare a SPD-ului. Pentru partea de curent continuu a sistemelor fotovoltaice, Uc trebuie să fie mai mare sau egală cu Uoc Max al panoului fotovoltaic. Uoc Max se referă la cea mai mare tensiune în circuit deschis între bornele sub tensiune și între borna sub tensiune și masă în punctul desemnat al panoului fotovoltaic.

(3) Curent nominal de descărcare (In)

Aceasta este valoarea de vârf a unui curent de undă de 8/20 μs care curge prin SPD, utilizată pentru testele de tip II și pentru testele de precondiționare în testele de tip I și Tipul IIIEC impune ca SPD-ul să poată rezista la cel puțin 19 descărcări cu un curent de undă de 8/20 μs. Cu cât valoarea In este mai mare, cu atât durata de viață a SPD-ului este mai lungă, dar și costul crește.

(4) Curent de impuls (Iimp)

Definit de trei parametri: vârful curentului (Ipeak), sarcina (Q) și energia specifică (W/R), acest curent este utilizat în Tipul I teste. Forma de undă tipică este de 10/350 μs.