Kaip nuolatinės srovės (DC) įtampų viršįčių apsaugos (SPD) sprendimai gali pagerinti lauko saulės energijos sistemų apsaugą?

Lauko saulės energijos įrenginiai susiduria su ypatinga ir nuolatine grėsme, kurią daugelis sistemų projektuotojų nepakankamai vertina iki tol, kol jau per vėlu: trumpalaikėmis įtampų banga. Nepriklausomai nuo to, ar ji sukelta artimo žaibo smūgio, elektros tinklo jungiklių veiksmų ar indukcinės apkrovos sutrikdymų, šios bangos gali plisti per nuolatinės srovės laidus ir per milisekundžių laikotarpį sunaikinti keitiklius, įkrovos valdiklius bei stebėjimo įrangą. Tinkamai parinkta ir įdiegta dc kibirkščių uždegimo apsauga — perkrovos apsaugos prietaisas – tai tiesioginė ir ekonomiškiausia šios pažeidžiamybės sprendimo priemonė, veikianti kaip pirmoji gynybos linija tarp jūsų saulės baterijų masyvo ir jame esančios jautrios elektronikos.

Norint suprasti, kaip nuolatinės srovės (DC) perženklinimo apsaugos įrenginys (SPD) gerina saulės elektrinės išorinės sistemos apsaugą, reikia žvelgti ne tik į patį įrenginį, bet ir į visą fotovoltinės sistemos elektros aplinką. Saulės baterijų masyvai paprastai montuojami atviruose, aukštumoje ir labai veikiamuose vietose – būtent tokios sąlygos maksimaliai padidina perženklinimo riziką. Sistemos nuolatinės srovės (DC) šaka, einanti nuo saulės elementų iki keitiklio, perduoda didelės įtampos nuolatinę srovę, kurios natūralaus nulinio perėjimo taško nėra, todėl perženklinimo slopinimas yra esminiu požiūriu kitoks nei kintamosios srovės (AC) apsauga. Būtent todėl specialiai saulės energijos sistemoms sukurtos nuolatinės srovės (DC) perženklinimo apsaugos technologijos yra tokios svarbios, o tinkamo įrenginio parinkimas atitinkamai įtampai ir energijos klasei – sprendimas, tiesiogiai įtakojantis sistemos tarnavimo trukmę ir patikimumą.

Perženklinimo grėsmių kraštovaizdis išorinėms saulės energijos sistemoms

Kodėl saulės energijos sistemos yra ypač pažeidžiamos

Saulės elektrinės moduliai montuojami lauke, dažnai ant stogų arba atviruose žemėje įrengtuose atraminiuose konstrukcijose; ilgi laidai sujungia modulių eilutes su jungiamaisiais dėžutėmis ir keitikliais. Šie laidų ruožai veikia kaip antenos, kurios sugauna indukuotą energiją iš arti įvykusių žaibų, net jei tiesioginis pataikymas neįvyksta. Žaibui trenkus kelias šimtus metrų nuo saulės elektrinės įrenginio, nepapsaugotuose nuolatinės srovės laiduose gali būti indukuotos laikinosios įtampos, siekiančios kelių tūkstančių voltų, kurios daug kartų viršija daugumos keitiklių įėjimo etapų atlaikymo įtampą.

Be žaibų, saulės sistemos taip pat yra veikiamos jungimo smūgių, kurie kyla jungiant ar atjungiant didelius apkrovos prietaisus nuo tinklo, bei smūgių, kurie plinta iš kintamosios srovės tinklo per keitiklį į nuolatinės srovės grandinę. Kiekvienas iš šių reiškinių yra potencialus gedimo būdas, kurį tinkamai parinktas nuolatinės srovės įtampų apsaugos įrenginys (SPD) yra sukurtas aptikti ir neutralizuoti dar prieš tai, kai energija pasiekia kritines komponentes.

Finansiniai rizikos dydžiai yra reikšmingi. Vieno neapsaugoto smūgio sukeltas keitiklio gedimas gali kainuoti tūkstančius dolerių įrangos pakeitimui, prarastai energijos gamybai bei diagnostikai ir remontui reikalingam darbui. Kai įrenginys sumontuotas nuošaliame arba sunkiai pasiekiamame vietoje, šios išlaidos greitai padauginamos. Investicija į aukštos kokybės nuolatinės srovės (DC) pernapyties apsaugos įrenginį (SPD) dar projektavimo etape yra paprastas būdas žymiai sumažinti šią riziką.

Kaip DC smūgiai skiriasi nuo kintamosios srovės (AC) smūgių

Vienas svarbiausių nuolatinės srovės (DC) ir kintamosios srovės (AC) grandinių elgsenos skirtumų perkrūvio apsaugos inžinerijoje – tai jų elgsena per laikinąjį įtampų šuolį. Kintamosios srovės grandinėje įtampa natūraliai kerta nulį 50 arba 60 kartų per sekundę, todėl bet koks lankas, susidarantis, kai perkrūvio apsaugos įrenginys riboja laikinąjį įtampų šuolį, išsisklaido. Nuolatinės srovės grandinėje nulinio kirpimo nėra, todėl, kartą susidaręs lankas, dažnai išlieka, o jei apsauginis įrenginys nėra specialiai suprojektuotas veikti nuolatinės srovės sąlygomis, tai gali sukelti jo katastrofišką versiją.

Todėl naudoti kintamosios srovės (AC) režimu įvertintą pernapyties apsaugos įrenginį nuolatinės srovės (DC) pusėje saulės energijos sistemoje yra ne tik neveiksminga, bet ir potencialiai pavojinga. Nuolatinės srovės pernapyties apsaugos įrenginys (DC SPD) sukurtas su lankui gesinti skirta konstrukcija, tinkamomis varistorių medžiagomis ir šilumos atjungimo mechanizmais, kurie atsižvelgia į nuolatinės srovės įtampą, nuolat esančią grandinėje. Įrenginio įtampos vertė taip pat turi būti lygi arba viršyti saulės modulių eilutės maksimalią atviros grandinės įtampą blogiausiomis temperatūros sąlygomis, o 1000 V sistemoje ji gali artėti prie visos nominalios maksimalios vertės.

Todėl nuolatinės srovės pernapyties apsaugos įrenginio (DC SPD) pasirinkimas su tinkama maksimalia nuolatine veikimo įtampa (MCOV) nėra nereikšmingas techninis parametras – tai yra pagrindinis saugos ir veikimo reikalavimas. Per maži įrenginiai greitai susidėvi normaliomis eksploatacijos sąlygomis ir gali sugesti dar prieš susiduriant su tikru pernapyties įvykiu.

Kaip veikia nuolatinės srovės pernapyties apsaugos įrenginys (DC SPD) saulės energijos sistemos apsaugos strategijoje

Įtampų apribojimo ir energijos išsisklaidymo mechanizmas

Nuolatinės srovės peržengimo įtampų apsaugos įrenginys (dc SPD) veikia pateikdamas labai didelę varžą normaliam veikimo įtampų lygiui, tačiau akimirksniu perjungiamas į labai mažos varžos būseną, kai laikinoji įtampa viršija jo apsaugos lygio slenkstį. Šis „prispaudimo“ veiksmas nukreipia perkrovos srovę nuo apsaugomų įrenginių ir saugiai nukreipia ją į žemės grandinę, kur energija be žalos išsisklaido į žemę. Visas šis procesas vyksta nanosekundėmis – daug greičiau nei bet kuri circuit Breaker ar saugiklis galėtų reaguoti.

Metalo oksido varistoriai (dažnai vadinami MOV) yra plačiausiai naudojamas prispaudimo elementas nuolatinės srovės peržengimo įtampų apsaugos įrenginiuose saulės energijos sistemoms. MOV užtikrina gerą energijos sugerties talpos, reakcijos greičio ir kainos efektyvumo balansą. Tačiau kiekvieną kartą, kai MOV sugeria perkrovos impulsą, jis degraduoja, todėl aukštos kokybės nuolatinės srovės peržengimo įtampų apsaugos įrenginiai turi vizualų būsenos indikatorių – paprastai langelį, kurio spalva pasikeičia, – kad signalizuotų, jog įrenginys pasiekė savo tarnavimo trukmės pabaigą ir reikalauja pakeitimo.

Kai kurie pažangūs nuolatinės srovės pernapyties apsaugos įrenginių (SPD) projektavimai sujungia varistoro (MOV) technologiją su dujų išlydžio vamzdeliais arba laikinųjų įtampų slopinimo diodais, kad būtų sukurtas daugiapakopis apsaugos architektūros sprendimas. Šis sluoksninis požiūris užtikrina tiek grubią energijos sugerties galimybę stipriems įvykiams, tiek tikslų įtampos apribojimą mažesniems ir dažnesniems laikiniesiems reiškiniams, taip užtikrinant išsameresnę apsaugą įvairių perkrovos situacijų spektrui.

Vietos pasirinkimo strategija maksimaliam efektyvumui pasiekti

Nuolatinės srovės pernapyties apsaugos įrenginio (SPD) fizinė vieta saulės energijos sistemos architektūroje tiesiogiai veikia jo gebėjimą apsaugoti žemiau esančius įrenginius. Bendrasis principas – įrenginį montuoti kuo arčiau apsaugomų įrenginių, o prijungimo laidų ilgį tarp įrenginio kontaktų ir grandinės laidų – kuo trumpesnį. Ilgi prijungimo laidai prideda induktyvumo, kuris sumažina įtampos apribojimo veiksmingumą greitai kilstančių laikinųjų reiškinių metu.

Tipiškose gyvenamųjų arba komercinių saulės energijos sistemose nuolatinės srovės (DC) peržengimo įtampų apsaugos įrenginiai (SPD) montuojami invertoriaus nuolatinės srovės įėjime, o didesnėse sistemose – taip pat ir prie jungiamosios dėžutės išėjimo. Šis dviejų taškų požiūris užtikrina zoninę apsaugą: jungiamosios dėžutės nuolatinės srovės SPD apsaugo nuo nuo saulės baterijų masyvo pusės įeinančių peržengimo įtampų, o invertoriaus pusėje esantis įrenginys sugauna viską, kas plinta laidais tarp šių dviejų taškų.

Žemėje montuojamoms sistemoms, kai tarp saulės baterijų masyvo ir invertoriaus pastato yra ilgi laidų ruožai, nuolatinės srovės SPD įrenginys prie saulės baterijų masyvo esančio laidų ruožo galo ypač svarbus. Kuo ilgesnis laidas, tuo didesnė rizika, kad į jį bus indukuota peržengimo įtampa, todėl dar svarbiau ją sustabdyti prieš tai, kol ji pasieks visą laidą iki invertoriaus.

Tinkamo nuolatinės srovės SPD parinkimas jūsų saulės energijos sistemai

Įtampos ir srovės nominalų apsvarstymas

Nuolatinės srovės (NS) perženkamojo įtampos apsaugos įrenginio (SPD) įtampos reitingo pritaikymas prie faktinės sistemos įtampos yra bet kurio parinkimo proceso pradžia. Saulės energijos sistemos dažnai projektuojamos remiantis 600 V, 800 V arba 1000 V nuolatinės srovės grandinės įtampa, o NS SPD turi būti įvertintas pagal didžiausią masyvo atviros grandinės įtampą, o ne tik nominalią veikimo įtampą. Šaltuose klimatuose saulės elementų atviros grandinės įtampa didėja, kai temperatūra mažėja, todėl blogiausiu atveju įtampa gali būti žymiai aukštesnė nei vardinė vertė standartinėmis bandymo sąlygomis.

Impulsinės srovės nominalioji vertė, išreiškiama kiloamperais ir dažniausiai žymima kaip Imax arba In, nurodo, kokią perkrūvio srovę įrenginys gali išlaikyti. Namų ūkių saulės energijos sistemoms paprastai pakanka nuolatinės srovės (DC) perkrūvio apsaugos įrenginio (SPD), kurio nominalioji vertė yra 20 kA. Komercinėms ar elektros energijos tiekimo masto įrengtuvėms, esančioms aukštos žaibų tankumo regionuose, tinkamesnį saugos rezervą užtikrina įrenginiai, kurių nominalioji vertė yra 40 kA arba didesnė. Pasirinkus įrenginį, kurio srovės nominalioji vertė yra didesnė nei minimaliai reikalaujama, padidėja jo tarnavimo trukmė ir sumažėja keitimo dažnis.

Apsaugos lygis, arba Up reikšmė, yra kitas svarbus parametras. Tai maksimali įtampa, kuri atsiranda tarp apsaugomų įrenginių galų perkrūvio metu. Mažesnė Up reikšmė reiškia geresnę jautrių elektronikos prietaisų apsaugą. Palyginant nuolatinės srovės (DC) perkrūvio apsaugos įrenginių (SPD) variantus, įrenginys su mažesne Up reikšme, esant tokiai pačiai srovės nominaliajai vertei, pasižymi geresniais įtampos apribojimo rodikliais ir dažniausiai yra pageidautinas šiuolaikinių inverterių, turinčių siaurus įėjimo įtampos leistinus nuokrypius, apsaugai.

Diegimo aplinka ir apsauginės dėžutės reikalavimai

Lauko saulės elektrinėse nuolatinės srovės (dc) peržengimo įtampų apsaugos įrenginiai yra veikiami ekstremalių temperatūrų, drėgmės, UV spinduliavimo, o kai kuriose aplinkose – druskingo oro ar pramoninių teršalų. Nuolatinės srovės peržengimo įtampų apsaugos įrenginys (dc SPD), skirtas lauko naudojimui arba montuojamas lauko naudojimui pritaikytoje apsauginėje dėžutėje, turi turėti atitinkamą įėjimo apsaugos klasifikaciją (IP). IP65 ar aukštesnė klasė yra standartinis reikalavimas įrenginiams, kurie gali būti veikiami vandens purškimo ar dulkių, tuo tarpu IP20 klasė yra priimtina įrenginiams, montuojamiems sandarioje jungiamosios dėžėje ar inverterio skyryje.

Temperatūros diapazonas taip pat yra vienodai svarbus. Saulės elektrinėse, įrengtose dykumų aplinkoje, vasarą korpuso temperatūra gali būti žymiai aukštesnė nei 60 °C, tuo tarpu šiauriniuose regionuose žiemą temperatūra gali nukristi žemiau minus 25 °C. Nuolatinės srovės viršįtampių apsaugos įrenginys (DC SPD), kuriam nustatytas plačius eksploatacijos temperatūros diapazonas, išlaiko savo apsaugines savybes šiose kraštutinėse sąlygose be varistorių elementų perankstinės degradacijos.

DIN bėgelio montavimo suderinamumas yra praktinis aspektas, kai nuolatinės srovės viršįtampių apsaugos įrenginys (DC SPD) montuojamas viduje skirstomosios skydelio ar jungiamosios dėžutės. Dauguma aukštos kokybės nuolatinės srovės viršįtampių apsaugos įrenginių saulės energijos sistemoms yra suprojektuoti standartiniam 35 mm DIN bėgelio montavimui, todėl montavimas supaprastėja ir įrenginį galima greitai pakeisti, kai būsenos indikatorius rodo, kad prietaisas pasiekė naudojimo pabaigą.

Techninė priežiūra, stebėjimas ir ilgalaikė patikimumo užtikrinimas

Nuolatinės srovės viršįtampių apsaugos įrenginio (DC SPD) tarnavimo laiko supratimas

Nuolatinės srovės peržengimo įtampų apsaugos įrenginys (dc SPD) nėra „nustatyk ir pamiršk“ komponentas. Kiekvienas jo sugertas smūginis įtampų padidėjimas sunaudoja dalį jo energijos valdymo talpos, o laikui bėgant varistoriaus (MOV) elementai viduje susidėvi tiek, kad jie nebegali užtikrinti tinkamos apsaugos. Dėvėjimosi greitis priklauso nuo įrengimo vietoje vykstančių smūginių įtampų padidėjimų dažnio ir amplitudės, kuriuos labai veikia geografinė padėtis, vietinės elektros tinklo kokybė bei artumas audringoms vietovėms.

Daugelis aukštos kokybės nuolatinės srovės peržengimo įtampų apsaugos įrenginių (dc SPD) turi integruotą šiluminį atjungiklį, kuris automatiškai išjungia susidėvėjusį varistorių (MOV) iš grandinės pasiekus kritinį verslo gedimo slenkstį, taip neleisdami sugenda įrenginiui tapti gaisro pavojumi. Būsenos langelyje įrenginio priekinėje pusėje spalva keičiama nuo žalios į raudoną – arba nuo skaidraus langelio į nepermatomą indikatorių – kad būtų pranešta apie būtinybę pakeisti įrenginį. Šio indikatoriaus reguliarus vizualinis patikrinimas, pageidautina vykdomas kartu su planuotomis techninės priežiūros apsilankymais, yra paprasčiausias būdas užtikrinti nuolatinę apsaugą.

Didesniuose komercinėse ar naudingosios paskirties sistemose nuotolinis nuolatinės srovės (dc) perženkamojo įtampų apsaugos įrenginių (SPD) būklės stebėjimas vis dažniau taikomas. Kai kurie įrenginiai turi papildomus kontaktus, kuriuos galima prijungti prie stebėjimo sistemos, kad būtų generuojamas įspėjimas, kai įrenginys pasiekia savo tarnavimo laiko pabaigą. Ši funkcija ypač vertinga įrenginiams, kuriems vizualinė patikra atliekama retai arba logistiškai sudėtinga.

Nuolatinės srovės (dc) perženkamojo įtampų apsaugos įrenginių (SPD) patikrinimo integravimas į saulės energijos sistemos techninės priežiūros programas

Gerai suprojektuotoje saulės energijos sistemos techninės priežiūros programoje nuolatinės srovės (dc) perženkamojo įtampų apsaugos įrenginių (SPD) patikrinimas turėtų būti įtrauktas kaip standartinis patikrinimo sąrašo punktas. Kiekvieno techninės priežiūros vizito metu technikas turėtų patikrinti, ar kiekvieno dc SPD sistemoje būsenos indikatorius rodo tinkamą veikimą, ar visi terminalų sujungimai yra tvirti ir neaptikta korozijos, taip pat patikrinti, ar įrenginio korpusas ar montavimo vieta nepažeista mechaninės žalos ar vandens prasiskverbimo.

Po bet kurio reikšmingo žaibo įvykio vietovėje neplanuota nuolatinės srovės (dc) peržengimo įtampų apsaugos (SPD) įrenginių patikra yra gera praktika. Šalia įvykęs žaibo smūgis gali būti suaktyvinęs šiluminį atjungiklį be jokios matomos žalos kitoms sistemos dalims, palikdamas sistemą neuapsaugotą iki to laiko, kol įrenginys bus pakeistas. Šios būklės laiku aptikimas atkuria apsaugos sluoksnį dar prieš kito peržengimo įtampos įvykį.

Vietoje ar techninės priežiūros automobilyje turėti nedidelę atsarginių nuolatinės srovės (dc) peržengimo įtampų apsaugos (SPD) vienetų atsargą pašalina delsas, kai aptinkamas sugenda įrenginys. Atsižvelgiant į tai, kad nuolatinės srovės (dc) peržengimo įtampų apsaugos (SPD) įrenginio kaina yra santykinai žema lyginant su įranga, kurią jis saugo, atsarginio vieneto palaikymas yra paprasta rizikos valdymo praktika, kurią dauguma patyrusių saulės energijos eksploatavimo ir priežiūros (O ir M) komandų priima kaip standartinę procedūrą.

Dažniausiai užduodami klausimai

Kokios įtampos klasifikacijos nuolatinės srovės (dc) peržengimo įtampų apsaugos (SPD) įrenginį turėčiau pasirinkti 1000 V saulės energijos sistemoje?

1000 V nominalios nuolatinės srovės saulės energijos sistemos atveju turėtumėte pasirinkti nuolatinės srovės peržengiamojo įtampos apsaugos įrenginį (DC SPD) su mažiausia nuolatine veikimo įtampa ne mažesne kaip 1000 V DC ir, pageidautina, su vardinės įtampos reikšme, atitinkančia maksimalią jūsų eilutės atviros grandinės įtampą šaltomis temperatūromis. Daugelis montuotojų pasirenka 1000 V arba 1200 V nuolatinės srovės peržengiamojo įtampos apsaugos įrenginį (DC SPD), kad būtų užtikrintas pakankamas saugos rezervas. Prieš galutinai parinkdami įrenginį visada patikrinkite savo fotoelektrinės maksimalią atviros grandinės įtampą (Voc) esant žemiausiai numatomai aplinkos temperatūrai.

Ar galiu naudoti tą patį nuolatinės srovės peržengiamojo įtampos apsaugos įrenginį (DC SPD) tiek jungiamajame skyde, tiek keitiklio įėjime?

Taip, daugelyje atvejų tos pačios modelio nuolatinės srovės (dc) peržengimo įtampų apsaugos įrenginio (spd) galima naudoti abiem vietose, jei įtampa ir srovės reikšmės yra tinkamos abiem grandinės pozicijoms. Tačiau dėl artumo saulės baterijų masyvui įrenginys jungiamajame skydelyje gali būti veikiamas didesnių smūgio srovių, todėl kai kurie projektuotojai pasirenka šiai pozicijai didesnę Imax reikšmę. Invertoriaus pusėje esantis nuolatinės srovės (dc) peržengimo įtampų apsaugos įrenginys (spd) dažnai gali būti standartinis 20 kA įrenginys, o jungiamojo skydelio pozicijoje aukšto rizikos aplinkoje gali reikėti 40 kA įrenginio.

Kaip sužinoti, kada reikia pakeisti nuolatinės srovės (dc) peržengimo įtampų apsaugos įrenginį (spd)?

Dauguma nuolatinės srovės (DC) peržengimo įtampų apsaugos įrenginių turi vizualų būsenos indikatorių, kuris keičia išvaizdą, kai įrenginys pasiekia naudojimo pabaigą arba yra terminiškai atjungtas po didelės viršįtampės absorbcijos. Patikrinkite indikatoriaus langelį kiekvieno techninės priežiūros apsilankymo metu. Jei indikatorius pasikeičia nuo įprastos „sveikos“ spalvos ar padėties į „avarijos“ rodmenis, įrenginys nedelsiant turi būti pakeistas. Jei jūsų sistemoje įdiegta nuotolinė stebėsenos sistema su papildomais kontaktais, galite gauti automatinį pranešimą dar prieš kitą numatytą techninės priežiūros apsilankymą.

Ar nuolatinės srovės (DC) peržengimo įtampų apsaugos įrenginys yra privalomas elektros įstatymuose saulės elektrinėms?

Reikalavimai skiriasi priklausomai nuo teisinės sistemos ir įrengimo tipo, tačiau daugelis nacionalinių ir regioninių elektros taisyklių – įskaitant standartus, suderintus su IEC 60364 ir NEC 690 straipsniu, – arba privalo, arba labai rekomenduoja nuolatinės srovės (DC) pusėje įrengti pernapyties įtampų apsaugą saulės fotovoltinėse sistemose, ypač sistemose, kurių įtampa ar galia viršija tam tikrus ribos rodiklius. Be atitikties taisyklėms, praktinis argumentas dėl nuolatinės srovės (DC) pernapyties įtampų apsaugos įrengimo pats savaime yra įtikinamas: šio įrenginio kaina sudaro nedidelę dalį apsaugomų įrenginių kainos, o rizika, kad saulės energijos sistemoms lauke padarytų žalos dėl pernapyties įtampų, yra gerai dokumentuota.