Фотоелектричні системи живлення - блискавкозахист та захист від перенапруги

Відновлювані джерела енергії (ВДЕ) все частіше використовуються у всіх галузях будівництва та енергетики. Фотоелектричні (PV) установки, що все частіше використовуються в приватному секторі, особливо вразливі для впливу блискавки. Захист PV установок від перенапруг та блискавок має вирішальне значення для безпеки та надійності системи. Це вимагає застосування відповідних заходів, включаючи блискавкозахист та захист від перенапруг.

1. Вступ

Ви стурбовані тим, що ваша дорога фотоелектрична система може легко зламатися? І ви маєте рацію, без захисту від перенапруг навіть найменший стрибок напруги може пошкодити будь-який електронний пристрій, який споживає енергію від масиву сонячних панелей. Крім того, без захисту від блискавки будь-які інвестиції в енергоефективність будуть марними, оскільки блискавка є однією з основних причин відмови сонячних панелей.

PV установки, що часто виконуються як розширення існуючих електроустановок, вони повинні бути адаптовані як для захисту від блискавки, так і для захисту від перенапруг до конкретного об'єкта. Стандарти, що діють в Україні, по блискавкозахисту та захисту від перенапруг для фотоелектричних установок (ФЕУ) базуються на міжнародних стандартах IEC, зокрема, на IEC 62305 та IEC 61643-32. Основні моменти включають застосування пристроїв захисту від перенапруг (ПЗІП) класу II для захисту від перенапруг, а також вимоги до заземлення та блискавкозахисту , що ґрунтуються на оцінці ризику.

• ДСТУ EN 62305:2012 (IEC 62305):

  Цей стандарт визначає вимоги до блискавкозахисту, включаючи оцінку ризику та вибір рівня захисту.

• ДСТУ EN 61643-31:2019 (IEC 61643-32):

  Цей стандарт поширюється на ПЗІП, призначені захисту ФЕУ від перенапруг, викликаних грозовими розрядами чи іншими перехідними процесами.

2. Захист від прямого удару блискавки

В області блискавкозахисту ФЕУ слід звернути увагу на два основні моменти: чи необхідний захист від прямого удару блискавки, і якщо так, то він повинен бути виконаний таким чином, щоб пристрій заземлення блискавки - громовідводу (LPS) був відокремлений від фотоелектричних елементів.

Якщо проектується нова будівля, завжди слід оцінювати ризик згідно 62305, щоб визначити, чи потрібний захист від прямого удару блискавки. Якщо відповідно до цієї оцінки такий захист не потрібен, то рішення про його застосування має прийматись розробником за погодженням з інвестором.

Пристрій блискавковідводу завжди може бути виготовлений на будівлі, навіть коли такий захист не потрібний, для підвищення безпеки об'єкта.

Для існуючих будівельних об'єктів захист PV від прямого удару блискавки повинен бути адаптований до класу існуючого будівельного пристрою громовідводу (LPS).

Системи живлення, блискавкозахист та захист від перенапруги. Категорії заземлення та класи SPD

Якщо будівля не обладнана блискавковідведенням або не має певного рівня захисту LPS, необхідно провести оцінку ризику відповідно до ДСТУ EN 62305:2012 для перевірки необхідності застосування заходів захисту та визначення можливого класу LPS.

Однак слід підкреслити, що якщо будівля не вимагає захисту від прямого удару блискавки, то установка PV такого захисту, що знаходиться на його даху, також не вимагає.

Завжди слід враховувати повний захист будівлі, а не лише обладнання, розташованого на ньому. Тому ніколи не слід виконувати захист лише фотоелектричних панелей-блискавковідведення завжди повинен охоплювати всю будівлю разом з пристроями, розташованими на даху.

В даний час будується все більше фотоелектричних електростанцій, розташованих на відкритих просторах. Такі фотоелектричні електростанції можуть займати дуже великі площі часто в гектарах. На практиці, чим більша потужність фотоелектричної електростанції, тим більша займана нею площа і статистично вищий ризик удару блискавки. Наприклад, електростанція потужністю до 1 МВт, яка може займати площу до 2 га, статистично піддається впливу блискавки 1 раз на 20 років (при типовій для нашої території щільності наземних блискавки N_g = 2,5 розряду/км2/рік). Стандарти захисту наземних фотоелектричних електростанцій найчастіше рекомендують приймати ІІІ клас LPS.

У будинках із похилими дахами фотоелектричні панелі часто знаходяться в захисній зоні горизонтальних фінтів, розташованих на даху. Однак це залежить від площі даху та її ухилу, тому завжди слід перевіряти, що LPS не потребує оснащення додатковими фінтами. Фотоелектричні панелі на плоских дахах та фотоелектричні електростанції у відкритому ґрунті найчастіше захищені вертикальними фінтами. Захисні зони для фотоелектричних установок визначаються методом сфери, що котиться, або методом захисного кута в залежності від певного класу LPS відповідно до 62305. Ці методи загальновідомі і не будуть описані в цій статті. При проектуванні захисту фотоелектричних панелей слід звернути увагу на ще один важливий момент. Установка PV повинна знаходитися в зоні LPS 0_B і відокремлюватися від усіх частин блискавковідводу (мал. 1a). Під поділом слід розуміти відсутність прямого зв'язку та збереження розділової відстані, розрахованої відповідно до стандарту 62305. Однак зберегти безпечну відстань від металевих частин блискавковідводу та підключених до неї провідних конструктивних елементів будівлі не завжди можливо. Така ситуація може виникнути у разі максимального використання площі даху, що займає панелі, або там, де будівлі покриті металевими дахами. У таких ситуаціях необхідно виконати блискавковідвідні компенсаційні з'єднання між проводами ЛПС та металевим корпусом панелей (рис. 1b).

Розділовий інтервал за спрощеним методом розраховується із залежності:

• s – розділовий інтервал у м
• k_i - коефіцієнт, що залежить від класу LPS
• k_m – коефіцієнт, що залежить від матеріалу електричної ізоляції
• _kc – коефіцієнт, що залежить від розподілу струму блискавки
• l – довжина в метрах, що вимірюється по проводах LPS від точки, де розглядається розділовий інтервал, до точки найближчого компенсаційного з'єднання або до заземлення

Мал. 1. Будівля з установкою PV, захищена LPS:
а) з наданим розділовим інтервалом; b) з використанням компенсаційного з'єднання.

Значення коефіцієнтів k наведено у табл. 1. Для більшості PV-систем як констант можна прийняти k_i = 0,04 і k_m = 1 що відповідає LPS класу III або IV і інтервалу, що розглядається в повітрі. Як змінні для розрахунку значень s будуть присутні: коефіцієнт, що залежить від розподілу струму блискавки k_c, і відстань l виміряне вздовж проводів LPS від точки до землі, що розглядається.

Табл. 1. Значення коефіцієнтів для розрахунку інтервалів поділу за спрощеним методом

ki		kc		km
LPS класи III-IV	0,04	n = 1*	1	газобетон	1
LPS класу II	0,06	n = 2	0,66	бетон, цегла, дерево	0,5
LPS класу I	0,08	n = >2	0,44	бетон, цегла, дерево	0,5

Для зображення роздільного зазору буде розглянуто випадок встановлення фотоелектричних панелей на поверхні скатного даху розміром 10 м × 5 м, представлений на малюнку 2. Для розрахунків передбачалося, що пристрій громовідведення класу IV будівлі містить 4 відвідні дроти, а довжина відвідних дротів від краю даху до окружного заземлення становить 6 м. У точці s1 біля нижнього краю даху зазор відділення від провідника LPS становитиме всього 11 см (k_c = 0,44 і l₁ = 6 м). Навпаки, у точці s₂ віддаленої від краю даху на 4,5 м, необхідний зазор буде вже 18 см (k_c = 0,44 і l₁ = 10,5 м). Для зазору, що розглядається від горизонтального фінта, що проводиться по ковзану даху, слід прийняти значення k_c = 0,66, так як струм в горизонтальному напрямку розділиться тільки на дві частини. Таким чином, необхідна відстань від проводу LPS у верхній частині даху буде більшою: s₃ = 30 см по краю (k_c = 0,66 і l₃ = 11,5 м) і s₄ = 42 см по центру даху (k_c = 0,66 і l₄ = 16 м).

Тому розділовий інтервал завжди слід розглядати у найменш сприятливому випадку, тобто у точці, де довжина l буде найбільшою. Також завжди слід враховувати відповідне значення коефіцієнта k_c на основі потенційного розподілу струму блискавки LPS.

Мал. 2. Аналіз зазору відділення від проводів LPS на похилому даху.

Спосіб захисту фотоелектричних панелей: при дотриманні роздільних інтервалів або при використанні компенсаційних з'єднань має вирішальне значення щодо захисту від перенапруження ланцюгів постійного струму.

3. Коли потрібно використовувати обмежувачі перенапруги?

ПЗІП - це пристрій захисту від імпульсних перенапруг (SPD, Обмежувач перенапруги). Обладнання встановлюють на din-рейку чи монтажну плату. Його завдання – захищати обладнання при грозових розрядах, перепадах напруги під час підключення до загальної мережі потужного обладнання та віддаленого короткого замикання.

У додатку C до стандарту наводяться приклади розташування обмежувачів перенапруг (ПЗІП) в електричній системі, де є фотоелектричні ланцюги (Рис.3.):

Примітка: для більш точного дотримання міжнародних стандартів замість абревіатури ПЗІП ми будемо застосовувати в описі міжнародну абревіатуру SPD.

1 - головний розподільчий щит об'єкта

2 - сторона інвертора змінного струму

3 - сторона інвертора постійного струму

4 - панелі PV

Мал. 3. Розташування SPD у фотоелектричній установці

Найбільш схильним до пошкоджень елементом ФЕУ є не фотоелектричні панелі, схильні до прямого удару блискавки, а інвертори постійного/змінного струму. З боку постійного струму вони піддаються як перенапругам, індукованих у ланцюгах PV, так і частковим струмам блискавки, які можуть проникати в установку при прямому розряді в результаті іскрових стрибків. З боку змінного струму інвертор, у свою чергу, може зазнавати перенапруг, що виникають в електромережі.

Не у кожному випадку обмежувачі перенапруги мають бути встановлені у всіх зазначених місцях. Використання SPD у головному розподільчому щиті залежить від критеріїв, оцінених відповідно до стандартів IEC 62305 та IEC 61643-32 (або їх українських аналогів). Захист інвертора на стороні змінного струму потрібний, коли інвертор знаходиться на відстані більше 10 м від гнізда установки (головного розподільного щита). Захист ланцюга на стороні постійного струму повинен використовуватися, коли захист від перенапруги потрібен відповідно до ДСТУ EN 61643-31:2019.

Відповідно до ДСТУ захист на стороні постійного струму потрібен завжди, якщо будівля обладнана блискавковідводом або дотримується критерію CRL довжини лінії електропередачі. Критерій CRL вимагає використання SPD, наприклад, коли житловий будинок розташований у сільській або приміській зоні та відстань до найближчого обмежувача, встановленого в електромережі, становить лише 68 м для кабельної лінії або 34 м для повітряної лінії (для типової густини наземного розряду N_g = 2,5 розряду/км² /год.). Якщо захист від випадкових перенапруг відповідно до IEC 61643-32 не потрібен, слід, у свою чергу, оцінити ризик на основі довжини L (в метрах) кабельного маршруту між інвертором і точками з'єднання фотоелектричних модулів різних ланцюгів. Згідно з цією оцінкою, захист потрібний, якщо довжина L більша за довжину L_crit, визначену відповідно до таблиці 2.

Обмежувач перенапруги на стороні постійного струму завжди повинен бути встановлений якомога ближче до інвертора. Однак додаткові SPD можуть бути потрібні і в інших місцях, наприклад, коли відстань між входом кабелю постійного струму в будівлю та інвертором перевищує 10м (SPD встановлюється на межі зон LPS 0/1) або безпосередньо на панелях у великих системах PV-електростанцій на відкритій місцевості.

Табл. 2. Оцінені критичні довжини L_scrit

Тип установки	Житлові об'єкти	Сонячна електростанція на відкритій місцевості	Нежитлові об'єкти
Lcrit	115/Ng	200/Ng	450/Ng
Lcrit для Ng =2,5 разр./км2/рік	46 м	80	180
L > Lcrit	Потрібен захист від перенапруги на боці DC
L < Lcrit	Вимоги до електричного захисту на стороні постійного струму відсутні

N_g - щільність розряду землі (розряд/км²/рік), що відповідає розташування лінії подачі та приєднаних об'єктів. Ми визначаємо це значення на основі мережі розташування наземних розрядів для місця встановлення.

Примітка: якщо маршрути пробігу проводів екрановані відповідно до 62305, довжина L може бути зменшена на довжину екранованих проводів.

Підсумовуючи всі вищезгадані критерії, слід визнати, що захист від перенапруг фотоелектричних установок відповідно до стандартів повинен застосовуватися практично в кожному випадку.

Вибір обмежувачів перенапруги

Обмежувачі перенапруги фотоелектричних систем призначені для захисту конкретних мікросхем постійного струму в фотоелектричних установках.

Залежно від рівня захисту та вимог до встановлення необхідно вибрати відповідний клас обмежувача (T1, T2, Т3), номінальний струм (I_n) та імпульсний струм (I_імп).

Залежно від призначення та місця встановлення ПЗІП поділяють на три основні класи: I (T1, B), II (T2, C) та III (T3, D) у дужках варіанти назв. Частіше Т1, Т2 і Т3 пишуться як Тип N, а А, В, і С іноді також називаються не класами, а типами.

• ПЗІП першого класу (I, T1, B) - пристрій захисту від імпульсних перенапруг призначений для відведення енергії, створеної перенапругами, викликаними прямим ударом блискавки. Пристрій успішно пройшов стандартні випробування для хвилі 10/350 мкс (випробування класу I).

  Застосовується в місцях, де існує небезпека прямого удару блискавки, наприклад поблизу блискавковідводу.

  Вони справляються із прямим ударом блискавки, який приносить приплив енергії.

• ПЗІП другого класу (II, T2, C) - пристрій захисту призначений для відведення енергії, створеної перенапругами, спричиненими непрямим ударом блискавки або комутаційними перенапругами. Пристрій успішно пройшов стандартні випробування хвилі 8/20 мкс (випробування класу II).

  Монтується на відстані від удару блискавки, наприклад, на інвертор або головний розподільний щит.

  Вони зменшують стрибки напруги від кількох джерел.

• ПЗІП третього класу (III, T3, D) - пристрій захисту призначений для відведення енергії, створеної стрибками напруги та перешкодами.

  ПЗІП другого та третього класів рекомендують встановлювати у місцях, у які виключена можливість прямого влучення блискавки (групові та квартирні поверхові щитки, розетки тощо).

SPD регламентуються ДСТУ EN 61643-15 Конструкція та технічні характеристики обмежувачів перенапруги.

Як SPD працює для захисту фотоелектричної системи?

Простіше кажучи, сонячний SPD контролює перехідну напругу і направляє струм назад до її джерела або землі, коли в захищеному ланцюзі з'являється перехідна напруга.

Щоб забезпечити потік енергії в першу чергу на землю, щоб запобігти стрибкам напруги, найбільш важливим елементом є варистор з оксиду металу (MOV). який у різних умовах проходить між високим та низьким імпедансом.

Захист від сонячних перенапруг знаходиться у стані високого імпедансу і не впливає на фотоелектричну систему при типових робочих напругах. Коли в ланцюзі з'являється перехідна напруга, SPD переходить у стан провідності (або низького імпедансу) і спрямовує імпульсний струм назад до джерела або землі. Це обмежує або блокує напругу до безпечнішого рівня. Після зворотного переходу SPD автоматично повертається у стан високого імпедансу.

Вибір відповідного SPD для сонячних станцій

Табл. 3. Алгоритм вибору обмежувачів перенапруги в установці PV

Чи є LPS?	Чи збережено зазор ізоляції "s" від LPS?	Відстань між фотоелектричними модулями та інвертором	SPD DC модулі PV	SPD DC інвертор	SPD AC
Так	Так	<10 м	-	Тип 2	Тип 1
		>10 м	Тип 2
	Ні	<10 м	-	Тип 1
		>10 м	Тип 1
Ні	-	<10 м	-	Тип 2	Тип 2
		>10 м	Тип 2

Який тип обмежувача перенапруги ми будемо використовувати і скільки одиниць залежить від:

• чи має установка зовнішній LPS (Lightning Protection System) або інший пристрій захисту від блискавки і чи зберігаються розділові інтервали
• яка відстань проводів між інвертором та фотоелектричними модулями

У разі відстані генератора PV (панелі PV) від інвертора (розрахованого по дроту) більше 10 м обмежувачі перенапруг постійного струму повинні встановлюватися на генераторі PV та на клемах інвертора.

Вибір типу SPD практично залежить від наявності блискавковідводу і його виготовлення (Таблиця 4).

У головному (дивися малюнок 0) розподільчому щиті будівлі в більшості випадків використовуються обмежувачі типу 1 або переважно типу 1+2 з низьким рівнем захисту напруги, які мають заявлений опір струмам блискавки U_імп. Використання варісторних обмежувачів типу 2 у цьому місці припустимо лише у тому випадку, якщо можна виключити ризик удару блискавки по зовнішній лінії електропередачі.

Вибір SPD для захисту інвертора як на стороні постійного струму, так і на стороні змінного струму залежить від виготовлення блискавковідводу. Якщо використовуються компенсаційні з'єднання між конструкцією панелей і проводами LPS, як показано на малюнку 1 b , слід використовувати SPD типу 1. У ланцюгах постійного струму слід використовувати обмежувачі з опором не менше U_total = 12,5 кA. Обмежувачі перенапруг типу 2 для захисту інвертора з боку змінного та постійного струму слід використовувати тільки в тому випадку, якщо немає блискавковідводу або збережено безпечний інтервал поділу.

Потрібно, щоб мінімальне номінальне значення розрядного струму та _n обмежувачів типу 2 становило не менше 5 кA (8/20µs). У той же час у стандарті зазначається, що використання SPD з вищими параметрами призводить до збільшення терміну служби пристроїв для обмеження перенапруг.

Також SPD розрізняються за типом струму (змінний та постійний), що однозначно визначає з якого боку від інвертора їх потрібно розміщувати. Тому DC можуть називати – Solar, а AC – Power.

Табл. 4. Вибір типів SPD в окремих місцях залежно від способу захисту від блискавки

Розташування SPD	Головний 1) розподільний щит	Сторона інвертора АС 2)	Сторона інвертора DC/Панелі PV або кордон LPZ 0/1 3)
Конфігурація захисту
Без LPS. Відсутність блискавкозахисту будівлі	YCS6-C 4P AC385V In = 20 kA 8/20 µs	YCS6-C 4P AC385V In = 20 kA 8/20 µs	LD-40/3P DC1500V In = 20 kA 8/20 µs
LPS відокремлена (d>s). Пристрій блискавкозахисту з роздільними відстанями	YCS6-B 4P AC385V In = 30 kA 10/350 µs	YCS6-C 4P AC385V In = 20 kA 8/20 µs	LD-40/3P DC1500V In = 20 kA 8/20 µs
Панелі з'єднані з LPS (d<s). Влаштування блискавкозахисту на металевій покрівлі або з використанням вирівнювання потенціалів	YCS6-B 4P AC385V In = 30 kA 10/350 µs	YCS6-B 4P AC385V In = 30 kA 10/350 µs	LD-40/3P DC1000V In = 20 kA 10/350 µs

₁₎ - у ГРЩ може використовуватися обмежувач типу 2, якщо він живиться тільки від кабельної лінії, яка не з'єднується з повітряною лінією, і може бути виключено ризик прямого удару блискавки по лінії

₂₎ - ПЗІП рекомендується, якщо відстань між інвертором та головним розподільчим щитом > 10 м

₃₎ - ПЗІП рекомендується використовувати, якщо відстань між інвертором та фотоелектричними панелями або межею зон LPZ 0/1 > 10 м

Обмежувачі PV бувають різних конфігурацій, серед яких, як найбільш поширені, можна виділити: конфігурації U тобто 2 + 0 і конфігурації Y у виконанні 2 +1 або 2 + GDT (мал.4). Базова конфігурація (2+0) являє собою з'єднання полюсів (+ ) і (-) ланцюга постійного струму з використанням двох варисторів у системі типу U щодо точки заземлення. Недоліком такого рішення є ризик пошкодження SPD через пробою ізоляції в ланцюзі постійного струму. Обмежувачі для захисту ланцюга PV часто складаються з варисторів з номінальною напругою, що дорівнює як мінімум половині максимальної напруги U OCmax в холостому стані панелі PV. Загальне значення напруги PV панелі в умовах нормальної роботи відкладається на двох з'єднаних варисторах. У разі пробою ізоляції (короткого замикання одного з полюсів ланцюга постійного струму на землю) повна напруга ланцюга постійного струму відкладається на одному модулі варистора (мал.4а), що може призвести до його теплового навантаження та пошкодження. Тому рекомендується використовувати тримодульні обмежувачі в конфігурації Y-подібних з'єднань з додатковим варистором (мал.4b) або іскровим розрядником GDT (мал. 4c).

Мал. 4. Конфігурації обмежувачів перенапруги захисту ланцюгів постійного струму PV-установки

Додатковий елемент (варістор або GDT) у захисній гілці обмежує його пошкодження у разі пробою ізоляції в ланцюгу постійного струму фотоелектричної установки. Рішення з використанням іскрового розрядника додатково усуває струм витоку, викликаний варісторними елементами, тим самим збільшуючи термін служби SPD.

Додатковою перевагою рішення 2+GDT є більш висока загальна міцність такого обмежувача. У SPD зі змінними, виключно варісторними захисними модулями максимальна міцність обмежувача дорівнює міцності одного модуля. Блискавковідведення відрізняється більш високою ударною міцністю, завдяки чому модуль підсумовування GDT здатний витримувати максимальні струми, що розряджаються обома варісторними модулями, тим самим визначаючи максимальну міцність такого обмежувача. Для досягнення більш високої ударної міцності упору, заснованого виключно на варісторних елементах, щодо заземлювального затискача слід використовувати систему двох паралельно з'єднаних варисторів – таке рішення вимагає використання іншого типу корпусів.

В даний час стандартом в обмежувачах PV є змінні захисні модулі та оптична сигналізація стану обмежувача. Сигнальні вікна змінюють колір у разі пошкодження захисного модуля. Однак, різні кольори вікон в одному обмежувачі не завжди вказують на стан пошкодження. У розділювачах конфігурації 2 + GDT модуль підсумовування іскрового розрядника найчастіше позначається для розрізнення іншим кольором. Найчастіше варісторні модулі мають вікна зеленого кольору, а іскрово-синього або жовтого кольору (мал. 5.). Червоний колір, як для компонентів MOV, так і для GDT, найчастіше означає пошкодження та необхідність заміни модуля захисту. Пошкодження захисного модуля призводить до роз'єднання захисної гілки – установка може працювати далі, але залишається без захисту.

Індикація стану обмежувача перенапруги

Зелений робочий стан УЗДП, захищена установка; зелений може використовуватися як для варісторних , так і для іскрових розрядників, якщо ПЗІП складається з одного типу елементів; якщо ПЗІП містить як варісторні , так і іскрові розрядники, зелений використовується для варісторних елементів.

Синій Стан працездатності ПЗІП, захищене встановлення. Синій колір найчастіше використовується для розрізнення елементів іскрового типу від варісторних елементів, позначених зеленим кольором.

Червоний статус несправності ПЗІП, установка без захисту, модуль захисту або весь розрядник необхідно замінити якнайшвидше.

Мал. 5. Індикація стану SPD

5. Мінімізація циклу

З погляду грозової небезпеки найбільший ризик пов'язані з прилеглими розрядами. Хоча ймовірність прямого удару блискавки становить статистично, як правило, один раз на кілька десятиліть, ймовірність виникнення небезпечних стрибків, безумовно, вища. Залежно від розміру установки небезпечними можуть бути навіть наземні розряди на відстані до кількох сотень метрів. Структура проведення PV-установок заснована на ланцюгах, які мимоволі утворюють петлі, схильні до індукованих перенапруг в ланцюгах постійного струму (DС). Тому дуже велике значення має спосіб прокладання кабельних маршрутів, і не тільки в великих фотоелектричних установках на відкритих просторах, але й у випадку відносно невеликих установок на дахах будівель. Для обмеження перенапруг, викликаних у PV-ланцюгах, необхідно зменшити – до краю-поверхні всіх петель.

Спосіб підключення фотоелектричних модулів може визначати сприйнятливість схеми виникнення перенапруг. Чим більша площа контуру, утвореного ланцюгом постійного струму (рис. 6а), тим більша індуктивність і величини напруг, викликаних впливом електромагнітного поля блискавки. Для мінімізації контурів необхідно забезпечити впорядковані та загальні маршрути для дротів, що з'єднують модулі PV (рис.6b).

Мал. 6. Петлі, що утворюються в ланцюгах постійного струму PV-установки

Спосіб підключення фотоелектричних модулів може визначати сприйнятливість схеми виникнення перенапруг. Чим більша площа контуру, утвореного ланцюгом постійного струму (рис. 6а), тим більша індуктивність і величини напруг, викликаних впливом електромагнітного поля блискавки. Для мінімізації контурів необхідно забезпечити впорядковані та загальні маршрути для дротів, що з'єднують модулі PV (рис.6b).

6. Combiner Box із захистом сонячної станції від перенапруги

Комутаційна коробка може з'єднувати ланцюги змінного або постійного струму, але не може працювати з ланцюгами постійного та змінного струму одночасно. Для забезпечення безпеки та відповідності вимогам важливо розділяти їх. Для ланцюгів змінного струму комутаційна коробка зазвичай має контактну дугогасну решітку, а для ланцюгів постійного струму - магнітну дугогасну систему. Такий поділ забезпечує безпечну та ефективну роботу сонячної батареї.

Мал. 7. АС/DC PV Combiner Box у пластмасовому корпусі не безпечний, а тому не допустимо

Щити захисту змінного струму (AC) тут ми опустимо, давши лише короткий опис. По суті вони аналогічні щитам DC, що розглядаються нижче, але використовують компоненти розраховані на змінний струм. Комутаційні коробки змінного струму – AC Combiner Box оснащені вбудованим автоматичним вимикачем у литому корпусі (MCCB) для входу змінного струму. Як правило, вони використовуються для об'єднання ланцюгів змінного струму від інверторів у великих системах або для роботи з декількома інверторами. Вони також оснащені пристроями захисту від перенапруги змінного струму типу 2 (SPD Т2) для захисту інверторів від перенапруги, що робить їх відповідними для систем, що потребують надійного захисту змінного струму.

У нашому випадку ми будемо розглядати Щити захисту постійного струму (DC) для автономних сонячних електростанцій. Вони мають багато назв, але суть призначення єдина.

Мал. 8. DC PV Combiner Box

Що таке сонячний комутатор - DC PV Combiner Box?

Сонячна фотоелектрична комбінаторна коробка - це пластиковий або металевий монтажний корпус, в якому електрично підключаються, об'єднуються та впорядковуються сонячні батареї перед тим, як з'єднатися з контролером заряду батарей або інвертором. Розподільна коробка постійного струму призначена для об'єднання кількох сонячних батарей у єдине джерело живлення перед подачею на інвертор. Сонячна батарея – це послідовне з'єднання сонячних панелей. При оптимальному розташуванні сонячної фотоелектричної системи розподільна коробка допомагає знизити втрати енергії.

Комутаційні коробки потрібні, якщо до інвертора необхідно підключити більше трьох сонячних батарей. Якщо сонячних батарей менше трьох, їх можна підключити безпосередньо до інвертора без додаткових пристроїв. Комутаційні коробки в основному використовуються у фотоелектричних установках промислового масштабу, оскільки вони дозволяють проектувальникам фотоелектричних установок скоротити витрати на матеріали та робочу силу за рахунок розподілу комбінованих з'єднань без шкоди для максимальної вихідної потужності.

Комутаційні коробки не вимагають особливого догляду, якщо вони встановлені правильно та виготовлені з якісних матеріалів. Коробка повинна відповідати технічним вимогам вашого проекту щодо використання сонячної енергії та американському стандарту UL1741, який є актуальним стандартом для даного типу обладнання. Незважаючи на те, що обслуговування навряд чи знадобиться, рекомендується регулярно перевіряти комутаційні коробки, щоб переконатися, що вони працюють правильно. Комутаційна коробка низької якості або несправна коробка можуть вийти з ладу, що може призвести до займання та серйозного пошкодження вашої фотоелектричної системи. При використанні компонентів постійного та змінного струму в сонячних батареях необхідно розділяти їх для забезпечення безпеки та відповідності нормативним вимогам (наприклад, NEC 690 у США).

Як працює і навіщо вам потрібний сонячний комутатор?

Комутаційна коробка сонячних батарей (щит ланцюга постійного струму) є важливим компонентом великих сонячних електростанцій, що з'єднує кілька сонячних ланцюжків з одним інвертором. Її основна функція - розміщення вхідних блоків запобіжників для захисту від перевантаження струму в сонячних електростанціях, що складаються з кількох ланцюжків. Пристрої захисту від перенапруги (ПЗПН) - магнітна дугогасна система, що запобігають подачі надлишкової енергії на інвертор, відключаючи його при стрибках напруги.

Складні сонячні батареї необхідно ретельно впорядкувати, щоб інженери могли швидко встановлювати та обслуговувати систему, а також скорочувати втрати енергії. Комутаційні коробки є доступним рішенням для підключення сонячних батарей до інвертора. Без комутаційної коробки інженерам доводиться підключати кілька батарей безпосередньо до інвертора, що може призвести до плутанини, безладдя та потенційної небезпеки.

Комутаційні коробки також запобігають подачі надто великої кількості енергії на інвертор. Їх можна використовувати для швидкого відключення системи у разі стрибка напруги, як вимикач швидкого дистанційного відключення. Це також допомагає економити кошти, оскільки знижує потребу в технічному обслуговуванні та ризик пошкодження інвертора.

З яких частин складається розподільна коробка для сонячних батарей?

Мал. 9. Приклад складу щита

Сонячні розподільні коробки – це відносно прості пристрої, що складаються з кількох ключових компонентів, у тому числі:

 

• Автоматичні вимикачі в литому корпусі (MCCB) – MCCB використовуються у потужних фотоелектричних системах та допомагають захистити ланцюги при струмах від 60 до 600А. Однак важливо відзначити, що номінальний струм MCCB у розподільчій коробці залежить від конструкції системи та розміру масиву, оскільки для різних систем потрібні різні номінальні значення захисту ланцюгів.
• Запобіжники для фотоелектричних модулів – запобіжники для фотоелектричних модулів призначені для переривання подачі електроенергії під час аварійних ситуацій. Вони допомагають захистити систему від перевантаження струмом, що може призвести до пошкодження. Запобіжники використовуються для захисту окремих модулів від несправностей (наприклад, коротких замикань) та повинні відповідати номінальному струму модуля. У ланцюг вони підключаються через спеціальні утримувачі запобіжників на din-рейку.
• Пристрої захисту від перенапруги постійного струму (SPD) – пристрої SPD відводять стрибки напруги в землю, захищаючи систему від руйнівних перехідних перенапруг. Вони вже були представлені раніше за текстом.
• Вимикач постійного струму або автоматичний вимикач постійного струму – вимикач або автоматичний вимикач відключають живлення під час стрибка напруги або короткого замикання, щоб захистити решту системи.
• Ручний внутрішній ізолятор струму – вимикач, що дозволяє відрубати живлення в будь-який час, коли в цьому є необхідність. Його функція – головний рубильник, що відключає всі лінії напруги для повного знеструмлення вихідного комплексу обладнання.
• Шина – шина зазвичай використовується для об'єднання вхідних негативних або заземлюючих дротів від сонячних панелей. Це провідна металева смуга з кількома точками підключення, які з'єднують вхідні дроти в єдине ціле.
• Клемна колодка – клемна колодка виконує ті ж функції, що і шина, але виготовлена з композитного матеріалу ABS, а не з металу.
• Корпус – сполучна коробка знаходиться у корпусі з металу, полівінілхлориду або АБС-пластику. Вона повинна бути пиленепро-никною, вітрозахисною, водонепроникною та стійкою до ультрафіолетового випромі-нювання.
• Механізм блокування – зазвичай використовується замок для захисту коробки та запобігання несанкціонованому доступу.

У розподільній коробці для сонячних батарей також можуть бути додаткові компоненти, наприклад, пристрої моніторингу. Розумні комбайнери постійного струму включають можливості моніторингу та зв'язку, які дозволяють користувачам віддалено контролювати продуктивність системи та виявляти будь-які несправності чи проблеми у режимі реального часу.

`Типи об'єднувальних коробок

Комутаційні коробки бувають різних типів, кожен із яких призначений для встановлення сонячних панелей відповідно до конкретних вимог. Знання особливостей різних типів допоможе вам вибрати потрібний варіант для вашої фотоелектричної системи.

• Стандартні розподільні коробки: це найбільш поширений тип пристроїв, призначених для об'єднання кількох входів постійного струму від сонячної батареї в один вихід. Вони ідеально підходять для стандартних сонячних установок, де ключовими факторами є простота та ефективність.
• Розподільні коробки, що відключаються: ці коробки дозволяють відключати всі сонячні батареї в одній точці. Ця функція ручного ізолятора забезпечує додатковий рівень безпеки, дозволяючи швидко та легко відключати живлення в екстрених ситуаціях або під час технічного обслуговування.
• Комбінаторні щити постійного струму із запобіжниками: Ці моделі включають запобіжники в кожному вхідному ланцюзі, які захищають панелі від пошкоджень, спричинених перенапругою або перевантаженням по струму. Блоки поєднання постійного струму із запобіжниками підходять для систем сонячних панелей середнього розміру, що містять до 50 панелей.
• Коробки постійного струму з автоматичним вимикачем: Замість запобіжників у цих щитах використовуються автоматичні вимикачі для захисту панелей від пошкоджень. Вони підходять для великомасштабних систем сонячних панелей із більш ніж 50 панелями.
• Щити постійного струму зі швидким вимкненням: Вони розроблені відповідно до вимог Національного електротехнічного кодексу (NEC) щодо швидкого відключення у разі аварійної ситуації. Вони використовують спеціальний перемикач, який швидко відключає систему у разі пожежі чи інших небезпек.
• Блоки об'єднання AFCI: Блоки об'єднання запобіжників дугових замикань (AFCI) призначені для виявлення сигналів дугових замикань і переривання ланцюга до того, як несправності можуть перерости в загоряння або короткі замикання. Це робить їх чудовим вибором для установок, де пожежна безпека є першорядним завданням. У деяких областях об'єднувальні коробки AFCI є обов'язковою вимогою відповідно до стандартів кодексу у певних юрисдикціях, хоча це є більш актуальним для житлових приміщень, на відміну від сонячних електростанцій комунального масштабу.

Зрозуміло, в одній коробці можна застосувати комбінацію перелічених типів.

Вибравши відповідний тип розподільної коробки або їх комбінацію, ви зможете підвищити безпеку, ефективність та надійність встановлення сонячних панелей.

Міркування з безпеки

Безпека при встановленні сонячних панелей має першорядне значення, і розподільні коробки відіграють ключову роль захисту всієї системи. Ось кілька важливих аспектів безпеки, про які слід пам'ятати:

• Захист від перенапруги: переконайтеся, що ваш розподільний щит оснащений пристроями захисту від перенапруги (ПЗІП), які захищають систему від стрибків напруги та ударів блискавки. Це допомагає запобігти пошкодженню сонячних панелей та інших компонентів.
• Захист від перевантаження струмом: розподільні коробки повинні бути оснащені пристроями захисту від перевантаження струмом, такими як запобіжники або автоматичні вимикачі, для запобігання електричним перевантаженням, які можуть призвести до займання. Ці пристрої переривають подачу електроенергії, коли сила струму перевищує допустимі значення.
• Ізоляція постійного струму: Для запобігання ураженню електричним струмом та забезпечення безпеки під час обслуговування розподільні коробки повинні бути оснащені функцією ізоляції постійного струму. Це дозволяє безпечно вимикати ланцюги постійного струму під час ремонту чи перевірки.
• Контроль якості: завжди вибирайте продукцію відомих брендів та переконайтеся, що розподільна коробка відповідає галузевим стандартам та нормам. Високоякісні розподільні коробки рідше виходять із ладу та забезпечують надійний захист вашої фотоелектричної системи.

Приділивши першорядну увагу цим функціям безпеки, ви зможете забезпечити безпечну та ефективну роботу вашої системи сонячних батарей.

Встановлення та технічне обслуговування

Правильне встановлення та обслуговування розподільних коробок необхідні для безпечної та ефективної роботи вашої системи сонячних батарей. Ось кілька ключових моментів:

• Час встановлення: розподільні коробки слід встановлювати таким чином, щоб звести до мінімуму час встановлення та знизити ризик помилок. Грамотна установка дозволяє заощадити час та знизити трудовитрати.
• Підключення: правильне підключення має вирішальне значення для запобігання ураженню електричним струмом та забезпечення безпечної роботи. Переконайтеся, що всі з'єднання надійні, і дотримуйтесь рекомендацій виробника, щоб уникнути потенційних небезпек.
• Автоматичні вимикачі: переконайтеся, що в розподільчому щиті встановлені автоматичні вимикачі, сумісні з системою сонячних батарей і відповідні галузевим стандартам. Автоматичні вимикачі з правильним номіналом захищають систему від перевантаження струмом і короткого замикання.
• Моніторинг ліній: розподільні коробки з функцією моніторингу ліній дозволяють відстежувати продуктивність окремих секцій. Це допомагає швидко виявляти проблеми та забезпечує максимальну ефективність роботи системи сонячних батарей.
• Технічне обслуговування: регулярне технічне обслуговування необхідне для безпечної та ефективної роботи розподільної коробки та всієї системи сонячних батарей. Періодичні перевірки допоможуть виявити та усунути потенційні проблеми до того, як вони стануть серйозними.

Дотримуючись цих рекомендацій щодо встановлення та обслуговування, ви зможете забезпечити довгострокову надійність та безпеку вашої системи сонячних батарей.

8. Резюме

Захист від перенапруги – це невеликий компонент установки сонячних панелей, але це важливий елемент, який не слід забувати. Це не варіант, це потреба.

Вибір обмежувачів перенапруги залежить, перш за все, від способу виконання блискавкозахисту. Фотоелектричні панелі повинні знаходитись у просторі LPZ 0B та з безпечними інтервалами, що відокремлюються від проводів LPS. З'єднання конструкції панелей з LPS за допомогою компенсаційних з'єднань має бути останнім засобом. Для захисту кіл постійного струму рекомендується використовувати обмежувачі перенапруги у конфігурації Y-типу, що захищають від пошкодження SPD у надзвичайних ситуаціях.

Мал. 10. Приклад загальної схеми сонячної станції

Захист від перенапруги повинен використовуватися для захисту не тільки самої установки PV, а й установки та людей усередині будівлі. З економічних причин установка PV не повинна бути пошкоджена до того, як окупляться інвестиційні витрати.

Якщо у вас виникли питання щодо будь-якого аспекту цієї статті або просто потребуєте допомоги з вибрання ідеальної моделі сонячної станції з SPD, наша команда буде рада допомогти вам на кожному кроці, щоб перетворити ваші вимоги на відчутні пристрої сонячної енергетики та захисту від сонячних перенапруг (SPD) з професійними та досвідченими інженерами.