Вибір пристроїв захисту від перенапруги для фотоелектричних систем – типи SPD

Фотоелектричні (ФЕ) системи виробництва електроенергії є ключовим джерелом відновлюваної енергії та є дуже конкурентоспроможними з економічної точки зору порівняно з традиційним виробництвом електроенергії. Невеликі розподілені ФЕ системи, такі як дахові сонячні панелі, стають дедалі популярнішими. Дахові ФЕ системи передбачають розподіл як змінного, так і постійного струму з напругою до 1500 В. Сторона постійного струму, особливо ФЕ панелі, може безпосередньо піддаватися ударам блискавки у зонах високого ризику, що робить їх вразливими до пошкоджень блискавкою.

Блискавкозахист будівель поділяється на зовнішній захист (система блискавкозахисту, LPS) та внутрішній захист (заходи захисту від перенапруги, SPM), залежно від ризику блискавки. Пристрої захисту від перенапруги (SPD), як частина внутрішнього захисту, захищають від перехідних перенапруг, спричинених атмосферною блискавкою або комутаційними операціями. SPD встановлюються зовні захищеного обладнання та функціонують переважно наступним чином: коли в енергосистемі немає перенапруги, SPD суттєво не впливає на нормальну роботу системи, яку він захищає. Коли виникає перенапруга, SPD забезпечує низький імпеданс, відводячи перенапругу через себе та обмежуючи напругу до безпечного рівня. Після того, як перенапруга мине і будь-який залишковий струм згасне, SPD повертається до стану високого імпедансу.

1. Місце встановлення пристроїв захисту від перенапруги (SPD)

Місце встановлення пристроїв захисту від блискавки (SPD) визначається відповідно до ступеня загрози ураження блискавкою та на основі концепції зон блискавкозахисту (LPZ) у стандарті IEC 62305. Перехідні перенапруги поступово знижуються до безпечного рівня, який має бути нижчим за витримувану напругу захищеного обладнання. Як показано на рисунку, SPD встановлюються на межах цих зон, що породжує концепцію багаторівневого захисту від перенапруги, що використовується в низьковольтних системах. Для фотоелектричних систем основна увага приділяється запобіганню проникненню блискавкових перенапруг через сторони змінного та постійного струму, тим самим захищаючи критичні компоненти, такі як інвертори.

2. Класи випробувань пристроїв захисту від перенапруги (SPD)

Згідно з IEC 61643-11, SPD класифікуються на три категорії випробувань залежно від типу імпульсу струму блискавки, який вони повинні витримувати. Випробування типу I (позначені як T1) призначені для моделювання часткових струмів блискавки, які можуть бути проведені в будівлю. Вони використовують форму хвилі 10/350 мкс, як показано на рисунку blow, і зазвичай застосовуються на межі між LPZ0 та LPZ1, наприклад, у головних розподільних щитах або вводах низьковольтних трансформаторів. SPD для цього рівня зазвичай є типу з перемиканням напруги, з такими компонентами, як газорозрядні трубки або іскрові проміжники (наприклад, рупорні проміжники або графітові проміжники).

Випробування типу II (T2) та типу III (T3) використовують імпульси короткої тривалості. Пристрої захисту від перенапруги типу II зазвичай є пристроями обмеження напруги, які використовують такі компоненти, як металоксидні варистори (MOV). Вони випробовуються з номінальним струмом розряду з використанням форми хвилі струму 8/20 мкс (див. рисунок нижче) і відповідають за подальше обмеження залишкової імпульсної напруги, що надходить від захисного пристрою вище за течією. Випробування типу III використовують комбінований генератор хвиль з імпульсом напруги 1,2/50 мкс та струму 8/20 мкс (див. рисунок нижче), що імітує імпульси ближче до обладнання кінцевого споживача.

3. Тип підключення пристрою захисту від перенапруги (SPD)

Існує два основних режими захисту від перехідних перенапруг. Перший – це синфазний захист (CT1), який призначений для захисту від перенапруг між фазними провідниками та PE (захисним заземленням). Наприклад, удари блискавки можуть вносити в систему високу напругу відносно землі. Синфазний захист допомагає пом'якшити вплив таких зовнішніх перешкод, як блискавка, як показано нижче.

Другий – це диференціальний захист (CT2), який захищає від перенапруг між лінійним провідником (L) та нульовим провідником (N). Цей тип захисту особливо важливий для усунення внутрішніх перешкод, таких як електричний шум або перешкоди, що генеруються в самій системі, як показано на схемі нижче.

Завдяки впровадженню одного або обох цих режимів захисту, електричні системи можуть бути краще захищені від потенційних джерел перенапруги, що зрештою підвищує довговічність та надійність підключеного обладнання.

Важливо зазначити, що вибір режимів захисту SPD повинен відповідати наявній системі заземлення. Для систем TN можна використовувати як режими захисту CT1, так і CT2. Однак у системах TT CT1 можна застосовувати лише після ПЗВ. В IT-системах, особливо тих, що не мають нульового провідника, захист CT2 не застосовується. Це критично важливий фактор у системах розподілу постійного струму, які використовують конфігурації заземлення IT. Детальну інформацію можна знайти в таблиці нижче.

4. Основні параметри пристроїв захисту від перенапруги (SPD)

Відповідно до міжнародного стандарту IEC 61643-11, характеристики та випробування SPD, підключених до низьковольтних систем розподілу електроенергії, визначені, як показано на рисунку 7.

(1) Рівень захисту від напруги (вище)

Найважливішим аспектом вибору SPD є його рівень захисту від напруги (Up), який характеризує ефективність SPD щодо обмеження напруги між клемами. Це значення має бути вищим за максимальну напругу затискання. Його досягають, коли струм, що протікає через SPD, дорівнює номінальному струму розряду In. Вибраний рівень захисту від напруги має бути нижчим за імпульсну витримувану напругу Uw навантаження. У разі ударів блискавки напруга на клемах SPD зазвичай підтримується нижче Up. Для фотоелектричних систем постійного струму навантаження зазвичай стосується фотоелектричних модулів та інверторів.

(2) Максимальна безперервна робоча напруга (Uc)

Uc – це максимальна напруга постійного струму, яка може безперервно подаватись до режиму захисту SPD. Вона вибирається на основі номінальної напруги та конфігурації заземлення системи та служить порогом активації SPD. Для сторони постійного струму фотоелектричних систем Uc має бути більшою або дорівнювати Uoc Max фотоелектричного масиву. Uoc Max – це найвища напруга розімкнутого кола між фазними клемами та між фазною клемою та землею у визначеній точці фотоелектричного масиву.

(3) Номінальний струм розряду (In)

Це пікове значення струму форми хвилі 8/20 мкс, що протікає через SPD, яке використовується для випробувань типу II та для випробувань попередньої підготовки в типах I та Тип IIЗгідно з IEC, SPD повинен витримувати щонайменше 19 розрядів струмом тривалістю 8/20 мкс. Чим вище значення In, тим довший термін служби SPD, але також зростає вартість.

(4) Імпульсний струм (Iimp)

Визначений трьома параметрами: піком струму (Ipeak), зарядом (Q) та питомою енергією (W/R), цей струм використовується в Тип I випробування. Типова форма хвилі становить 10/350 мкс.