Suradnički rad prenaponskih zaštita, prekidača i osigurača u fotonaponskim sustavima: Funkcionalna analiza i rasprava o potrebi
Uvod
S brzim razvojem globalne fotonaponske industrije, sigurnost i stabilnost sustava za proizvodnju solarne energije postale su središte pozornosti industrije. Fotonaponski sustavi dugo su izloženi vanjskim utjecajima i osjetljivi su na prijetnje poput udara groma, fluktuacija električne mreže i kvarova opreme, što može uzrokovati oštećenje opreme ili čak požar. Zaštitnici od prenapona (SPD), prekidači i osigurači ključni su zaštitni uređaji koji svaki obavljaju svoje dužnosti i surađuju jedni s drugima kako bi osigurali siguran rad sustava. Ovaj članak će detaljno analizirati njihove funkcije, mehanizme koordinacije i potrebu pružanja referenci korisnicima u industriji.
I. "Nevidljivi ubojica" suočen s fotonaponskim sustavima
Fotonaponske elektrane su poput "čeličnih ratnika" koji rade na otvorenom, neprestano podnoseći razne teške testove.
1.1 Problemi s udarom groma:
Posebno na Bliskom istoku i u jugoistočnoj Aziji, jedna sezona grmljavine može paralizirati sustave koji nemaju zaštitu.
1.2 Fluktuacije u elektroenergetskoj mreži:
U čileanskom projektu za koji sam bio zadužen, nekoliko je dijelova opreme izgorjelo zbog naglog porasta napona mreže.
1.3 Rizik od kratkog spoja:
Prošle godine, u jednom projektu u Njemačkoj došlo je do kratkog spoja zbog starih kabela, što je zamalo uzrokovalo požar.
Ovi rizici nisu pretjerivanje. Prema Međunarodnom savezu za sigurnost fotonaponskih sustava, preko 60% kvarova fotonaponskih sustava uzrokovano je neadekvatnom električnom zaštitom.
II. Osnovne funkcije uređaja za zaštitu od prenapona (SPD)
2.1 Princip rada
SPD preusmjerava prolazni prenapon u zemlju putem metal-oksidnih varistora (MOV) ili plinskih cijevi za pražnjenje (GDT), ograničavajući napon unutar sigurnog raspona. U fotonaponskim sustavima, SPD-ovi se obično instaliraju na sljedećim lokacijama:
DC strana (između modula i pretvarača): Za zaštitu od prenapona izazvanih grmljavinom.
AC strana (između pretvarača i mreže): Za suzbijanje prenapona sa strane mreže.
2.2 Ključni parametri
Maksimalni kontinuirani radni napon (Uc): Mora odgovarati naponskoj razini fotonaponskog sustava (npr. 1000 V DC ili 1500 V DC).
Struja pražnjenja (In/Iimp): Odražava sposobnost pražnjenja struje munje, a fotonaponski sustavi obično zahtijevaju 20 kA ili više.
Razina naponske zaštite (Up): Određuje veličinu preostalog napona i mora biti niža od podnošljivog napona štićene opreme.
2.3 Nužnost
Spriječite oštećenje skupe opreme poput pretvarača i kombinirajućih kutija uslijed prenapona.
U skladu s međunarodnim standardima (kao što su IEC 6164331, UL 1449) i zahtjevima za prihvaćanje fotonaponskih elektrana.
Ⅲ.Funkcija i odabir prekidača i osigurača
3.1 Prekidač strujnog kruga
Funkcija:
• Zaštita od preopterećenja: Kada struja premaši postavljenu vrijednost (npr. 1,3 puta nazivnu struju), aktivira se termalni mehanizam za isključivanje.
• Zaštita od kratkog spoja: Elektromagnetski mehanizam za isključivanje prekida struju kratkog spoja (npr. 10 kA) unutar nekoliko milisekundi.
• Karakteristike primjene fotonaponskog sustava:
Potrebno je odabrati namjenski DC prekidač (kao što je DC 1000V/1500V).
Prekidna sposobnost treba odgovarati struji kratkog spoja sustava (obično ≥ 15kA).
3.2 Osigurač
Funkcija:
Taljenjem osigurača može se brzo izolirati neispravan strujni krug i zaštititi serijski spojena grana.
Prednosti:
Brzina isključenja je veća (na razini mikrosekunde), pogodna za scenarije s visokom strujom kratkog spoja.
Malih je dimenzija i pogodan za kutije za prijenos struje s ograničenim prostorom.
3.3 Suradnja sa SPD-om
SPD je odgovoran za zaštitu od napona, dok su prekidači/osigurači odgovorni za zaštitu od struje.
Kada SPD zakaže zbog prenaponskog proboja, prekidači ili osigurači mogu odmah prekinuti neispravni strujni krug kako bi spriječili požar.
Ⅳ. Studija slučaja višerazinskog sustava zaštite
Uzmimo za primjer fotonaponsku elektranu od 1 MW:
4.1 Zaštita na istosmjernoj strani
Grane komponentnih serija: Ugradite osigurače (npr. tipa 10A gPV) za svaku seriju.
Ulaz u razvodnu kutiju: Instalirajte SPD tipa II (Up ≤ 1,5 kV) i DC prekidač (63 A).
4.2 Zaštita na AC strani
Izlazni kraj pretvarača: Konfigurirajte SPD tipa 1+2 (Iimp ≥ 12,5 kA) i prekidač u lijevanom kućištu (250 A).
4.3 Simulacija scenarija kvara
U slučaju udara groma: SPD oslobađa udarnu struju i drži napon ispod 2kV; ako SPD otkaže zbog kratkog spoja, prekidač se isključuje.
U slučaju kratkog spoja u liniji: Osigurač se topi unutar 5 ms kako bi se spriječilo širenje termalnog efekta.
Ⅴ. Mjere opreza za odabir i ugradnju
5.1 Odabir SPD-a
Za istosmjernu stranu treba odabrati SPD specifičan za fotonaponske sustave (kao što je PVSPD) kako bi se izbjegao problem obrnute struje običnog AC SPD-a.
Treba uzeti u obzir temperaturnu marginu (Uc mora ostaviti marginu u okruženjima s visokom temperaturom).
5.2 Usklađivanje prekidača/osigurača
Prekidna sposobnost treba biti veća od maksimalne struje kratkog spoja sustava (npr. struja kratkog spoja niza može doseći 1,5 kA).
Nazivna struja osigurača treba biti više od 1,56 puta veća od struje kratkog spoja komponente (Isc) (u skladu s NEC 690.8).
5.3 Prijedlozi za integraciju sustava
Duljina žice između SPD-a i prekidača treba biti ≤ 0,5 m kako bi se smanjio preostali napon.
Treba provoditi redovite preglede indikatora statusa SPD-a, a neispravne module treba na vrijeme zamijeniti.
Ⅵ. Trendovi u industriji i ažuriranja standarda
• Potražnja za visokim naponom: S široko rasprostranjenom primjenom fotonaponskih sustava od 1500 V, potrebno je sinkronizirano poboljšati podnošljive naponske razine SPD-ova i prekidača.
• Inteligentni nadzor: Inteligentni SPD-ovi koji integriraju temperaturne senzore i funkcije bežične komunikacije postupno se primjenjuju kako bi se postiglo rano daljinsko upozoravanje na kvarove.
• Standardno ojačanje: Nova verzija norme IEC 625482023 nametnula je strože zahtjeve za koordinaciju zaštitnih uređaja za fotonaponske sustave.
Zaključak
U fotonaponskim sustavima, prenaponski zaštitni uređaji, prekidači i osigurači čine kompletan kolaborativni sustav zaštite "napon-struja". Ispravan odabir i konfiguracija ovih komponenti ne samo da mogu produžiti vijek trajanja opreme i smanjiti troškove rada i održavanja, već su i bitni uvjeti za osiguranje sigurnog rada elektrana. Razvojem tehnologije, integracija i inteligencija ovih zaštitnih uređaja dodatno će poboljšati pouzdanost fotonaponskih sustava u budućnosti.