Выбор устройств защиты от перенапряжения для фотоэлектрических систем – типы устройств защиты от перенапряжения

Фотоэлектрическая (ФЭ) генерация электроэнергии является ключевым источником возобновляемой энергии и экономически весьма конкурентоспособна по сравнению с традиционными методами производства электроэнергии. Небольшие распределенные ФЭ-системы, такие как солнечные панели на крышах, становятся все более популярными. ФЭ-системы на крышах включают в себя как переменный, так и постоянный ток с напряжением до 1500 В. Сторона постоянного тока, особенно сами ФЭ-панели, может быть непосредственно подвержена ударам молнии в зонах повышенного риска, что делает их уязвимыми для повреждений от молнии.

Молниезащита зданий делится на внешнюю защиту (система молниезащиты, LPS) и внутреннюю защиту (средства защиты от перенапряжений, SPM) в зависимости от риска поражения молнией. Устройства защиты от перенапряжений (SPD), как часть внутренней защиты, обеспечивают защиту от переходных перенапряжений, вызванных атмосферной молнией или коммутационными операциями. SPD устанавливаются снаружи защищаемого оборудования и в основном функционируют следующим образом: когда в энергосистеме нет перенапряжения, SPD не оказывает существенного влияния на нормальную работу защищаемой системы. При возникновении перенапряжения SPD обеспечивает низкое сопротивление, отводя ток перенапряжения через себя и ограничивая напряжение до безопасного уровня. После того, как перенапряжение проходит и остаточный ток затухает, SPD возвращается в состояние высокого сопротивления.

1. Место установки устройств защиты от перенапряжения (SPD)

Место установки устройств защиты от перенапряжений (SPD) определяется в зависимости от степени угрозы молнии и на основе концепции зон молниезащиты (LPZ) в стандарте IEC 62305. Переходные перенапряжения постепенно снижаются до безопасного уровня, который должен быть ниже выдерживаемого напряжения защищаемого оборудования. Как показано на рисунке, устройства защиты от перенапряжений устанавливаются на границах этих зон, что приводит к концепции многоуровневой защиты от перенапряжений, используемой в низковольтных системах. В фотоэлектрических системах основное внимание уделяется предотвращению проникновения перенапряжений от молнии через переменный и постоянный ток, тем самым защищая критически важные компоненты, такие как инверторы.

2. Классы испытаний устройств защиты от перенапряжения (SPD).

Согласно IEC 61643-11, устройства защиты от перенапряжения (SPD) классифицируются на три категории испытаний в зависимости от типа импульса молниеносного тока, который они предназначены выдерживать. Испытания типа I (обозначаемые как T1) предназначены для имитации частичных молниеносных токов, которые могут передаваться в здание. В них используется форма сигнала 10/350 мкс, как показано на рисунке ниже, и обычно они применяются на границе между зонами низкого напряжения 0 и 1 (LPZ0) — например, на главных распределительных щитах или вводных устройствах низковольтных трансформаторов. Устройства защиты от перенапряжения для этого уровня обычно относятся к типу с переключением напряжения и содержат такие компоненты, как газоразрядные трубки или искровые зазоры (например, рупорные зазоры или графитовые зазоры).

В испытаниях типа II (T2) и типа III (T3) используются импульсы меньшей длительности. Устройства защиты от перенапряжения типа II обычно представляют собой ограничивающие напряжение устройства, использующие такие компоненты, как варисторы на основе оксидов металлов (MOV). Они тестируются с номинальным разрядным током с использованием формы тока 8/20 мкс (см. рисунок ниже) и отвечают за дополнительное ограничение остаточного импульсного напряжения, поступающего от вышестоящего защитного устройства. В испытаниях типа III используется комбинированный генератор волн с импульсом напряжения 1,2/50 мкс и импульсом тока 8/20 мкс (см. рисунок ниже), имитирующий импульсные перенапряжения, более близкие к условиям эксплуатации конечного оборудования.

3. Тип подключения устройства защиты от перенапряжения (SPD)

Существует два основных режима защиты от переходных перенапряжений. Первый — это защита от синфазных помех (CT1), предназначенная для защиты от скачков напряжения между токоведущими проводниками и защитным заземлением (PE). Например, удары молнии могут создавать в системе высокие напряжения относительно земли. Защита от синфазных помех помогает смягчить воздействие таких внешних воздействий, как молния, как показано ниже.

Второй тип защиты — дифференциальная защита (CT2), которая предотвращает скачки напряжения между линейным проводником (L) и нейтральным проводником (N). Этот тип защиты особенно важен для устранения внутренних помех, таких как электрические шумы или интерференция, возникающие внутри самой системы, как показано на схеме ниже.

Внедрение одного или обоих этих режимов защиты позволяет лучше защитить электрические системы от потенциальных источников скачков напряжения, что в конечном итоге повышает срок службы и надежность подключенного оборудования.

Важно отметить, что выбор режимов защиты от перенапряжения должен соответствовать существующей системе заземления. В системах TN можно использовать как режимы защиты CT1, так и CT2. Однако в системах TT режим CT1 может применяться только после УЗО. В системах IT, особенно тех, которые не имеют нейтрального проводника, защита CT2 неприменима. Это критически важный момент для систем распределения постоянного тока, использующих конфигурации заземления IT. Подробности приведены в таблице ниже.

4. Ключевые параметры устройств защиты от перенапряжения (УЗП)

В соответствии с международным стандартом IEC 61643-11 определены характеристики и испытания устройств защиты от перенапряжения, подключенных к низковольтным системам распределения электроэнергии, как показано на рисунке 7.

(1) Уровень защиты от перенапряжения (Вверх)

Наиболее важным аспектом при выборе устройства защиты от перенапряжения (SPD) является уровень его защиты от перенапряжения (Up), который характеризует эффективность SPD в ограничении напряжения между клеммами. Это значение должно быть выше максимального напряжения ограничения. Оно достигается, когда ток, протекающий через SPD, равен номинальному разрядному току In. Выбранный уровень защиты от перенапряжения должен быть ниже импульсного выдерживаемого напряжения Uw нагрузки. В случае удара молнии напряжение на клеммах SPD обычно поддерживается ниже Up. Для фотоэлектрических систем постоянного тока в качестве нагрузки обычно подразумеваются фотоэлектрические модули и инверторы.

(2) Максимальное непрерывное рабочее напряжение (Uc)

Uc — это максимальное постоянное напряжение, которое может непрерывно подаваться в режиме защиты от перенапряжения (SPD). Оно выбирается на основе номинального напряжения и конфигурации заземления системы и служит порогом срабатывания SPD. Для постоянного тока фотоэлектрических систем Uc должно быть больше или равно максимальному значению Uoc Max для фотоэлектрической батареи. Uoc Max обозначает максимальное напряжение холостого хода между токоведущими клеммами и между токоведущей клеммой и землей в заданной точке фотоэлектрической батареи.

(3) Номинальный разрядный ток (входной)

Это пиковое значение тока с длительностью импульса 8/20 мкс, протекающего через SPD, используемое для испытаний типа II и для предварительных испытаний в испытаниях типа I и I. Тип IIСогласно требованиям IEC, устройство защиты от перенапряжения (SPD) должно выдерживать не менее 19 разрядов тока с длительностью импульса 8/20 мкс. Чем выше значение In, тем дольше срок службы SPD, но и стоимость возрастает.

(4) Импульсный ток (Iimp)

Этот ток, определяемый тремя параметрами: пиковым током (Ipeak), зарядом (Q) и удельной энергией (W/R), используется в Тип I тесты. Типичная форма сигнала — 10/350 мкс.