Фотоэлектрические системы питания-молниезащита и защита от перенапряжения

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) все чаще используются во всех областях строительства и энергетики. Все чаще используемые в частном секторе фотоэлектрические (PV) установки особенно уязвимы для воздействия молнии. Защита PV установок от перенапряжений и молний имеет решающее значение для безопасности и надежности системы. Это требует применения соответствующих мер, включая молниезащиту и защиту от перенапряжений.

1. Введение

Вы обеспокоены тем, что ваша дорогая фотоэлектрическая система может как-нибудь легко сломаться? И вы правы, без защиты от перенапряжений даже малейший скачок напряжения может повредить любое электронное устройство, которое потребляет энергию от массива солнечных панелей. Кроме того, без молниезащиты любые инвестиции в энергоэффективность будут бесполезны, поскольку молния является одной из основных причин отказа солнечных панелей.

PV установки, часто выполняемые в качестве расширения существующих электроустановок, они должны быть адаптированы как для молниезащиты, так и для защиты от перенапряжений к конкретному объекту. Действующие в Украине стандарты по молниезащите и защите от перенапряжений для фотоэлектрических установок (ФЭУ) базируются на международных стандартах IEC, в частности, на IEC 62305 и IEC 61643-32. Основные моменты включают применение устройств защиты от перенапряжений (УЗИП) класса II для защиты от перенапряжений, а также требования к заземлению и молниезащите, основанные на оценке риска.

• ДСТУ EN 62305:2012 (IEC 62305): :

  Этот стандарт определяет требования к молниезащите, включая оценку риска и выбор уровня защиты.

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

  Этот стандарт распространяется на УЗИП, предназначенные для защиты ФЭУ от перенапряжений, вызванных грозовыми разрядами или другими переходными процессами.

2. Защита от прямого удара молнии

В области молниезащиты ФЭУ следует обратить внимание на два основных момента: необходима ли защита от прямого удара молнии, и если да, то она должна быть выполнена таким образом, чтобы устройство заземления молнии – громоотвода (LPS) было отделено от фотоэлектрических элементов.

Если проектируется новое здание, всегда следует проводить оценку риска согласно 62305, чтобы определить, требуется ли защита от прямого удара молнии. Если в соответствии с этой оценкой такая защита не требуется, то решение о ее применении должно приниматься разработчиком по согласованию с инвестором.

Устройство молниеотвода всегда может быть изготовлено на здании, даже когда такая защита не требуется, для повышения безопасности объекта.

Для существующих строительных объектов защита PV от прямого удара молнии должна быть адаптирована к классу существующего строительного устройства громоотвода (LPS).

Системы питания, молниезащита и защита от перенапряжения. Категории заземления и классы SPD

Если здание не оборудовано молниеотводом или не имеет определенного уровня защиты LPS, необходимо провести оценку риска в соответствии с ДСТУ EN 62305:2012 для проверки необходимости применения мер защиты и определения возможного класса LPS.

Однако следует подчеркнуть, что если здание не требует защиты от прямого удара молнии, то находящаяся на его крыше установка PV такой защиты также не требует.

Всегда следует учитывать полную защиту здания, а не только оборудования, расположенного на нем. Поэтому никогда не следует выполнять защиту только фотоэлектрических панелей-молниеотвод всегда должен охватывать все здание вместе с устройствами, расположенными на его крыше.

В настоящее время строится все больше фотоэлектрических электростанций, расположенных на открытых пространствах. Такие фотоэлектрические электростанции могут занимать очень большие площади, часто в гектарах. На практике, чем больше мощность фотоэлектрической электростанции, тем больше занимаемая ею площадь и статистически выше риск удара молнии. Например, электростанция мощностью до 1 МВт, которая может занимать площадь до 2 га, статистически подвергается воздействию молнии 1 раз в 20 лет (при типичной для нашей территории плотности наземных молнии N_g=2,5 разряда/км²/год). Стандарты защиты наземных фотоэлектрических электростанций чаще всего рекомендуют принимать III класс LPS.

В зданиях с наклонными крышами фотоэлектрические панели часто находятся в защитной зоне горизонтальных финтов, расположенных на коньке крыши. Однако это зависит от площади крыши и ее уклона, поэтому всегда следует проверять, что LPS не нуждается в оснащении дополнительными финтами. Фотоэлектрические панели на плоских крышах и фотоэлектрические электростанции в открытом грунте чаще всего защищены вертикальными финтами. Защитные зоны для фотоэлектрических установок определяются методом катящейся сферы или методом защитного угла в зависимости от определенного класса LPS в соответствии с 62305. Эти методы общеизвестны и не будут описаны в этой статье. При проектировании защиты фотоэлектрических панелей следует обратить внимание на еще один особо важный момент. Установка PV должна находиться в зоне LPS 0 _B и отделяться от всех частей молниеотвода (рис. 1a). Под разделением следует понимать отсутствие прямой связи и сохранение разделительного расстояния, рассчитанного в соответствии со стандартом 62305. Однако сохранить безопасное расстояние от металлических частей молниеотвода и подключенных к нему проводящих конструктивных элементов здания не всегда возможно. Такая ситуация может возникнуть в случае максимального использования площади крыши, занимаемой панелями, или там, где здания покрыты металлическими крышами. В таких ситуациях необходимо выполнить молниеотводные компенсационные соединения между проводами ЛПС и металлическим корпусом панелей (рис. 1 b).

Разделительный интервал по упрощенному методу рассчитывается из зависимости:

• s – разделительный интервал в м
• k_i - коэффициент, зависящий от класса LPS
• k_m – коэффициент, зависящий от материала электрической изоляции
• k_c – коэффициент, зависящий от распределения тока молнии
• l – длина в метрах, измеряемая по проводам LPS от точки, где рассматривается разделительный интервал, до точки ближайшего компенсационного соединения или до заземления.

Рис. 1. Здание с установкой PV, защищенное LPS:
а) с предоставленным разделительным интервалом; b) с использованием компенсационного соединения.

Значения коэффициентов k приведены в табл. 1. Для большинства PV-систем в качестве констант можно принять k_i = 0,04 и k_m = 1 что соответствует LPS класса III или IV и интервалу, рассматриваемому в воздухе. В качестве переменных для расчета значений s будут присутствовать: коэффициент, зависящий от распределения тока молнии k_c, и расстояние l, измеренное вдоль проводов LPS от рассматриваемой точки до земли.

Табл. 1. Значения коэффициентов для расчета интервалов разделения по упрощенному методу

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

Для изображения разделительного зазора будет рассмотрен случай установки фотоэлектрических панелей на поверхности скатной крыши размером 10 м × 5 м, представленный на рисунке 2. Для расчетов предполагалось, что устройство громоотвода класса IV здания содержит 4 отводных провода, а длина отводных проводов от края крыши до окружного заземления составляет 6м . В точке s1 у нижнего края крыши зазор отделения от проводника LPS будет составлять всего 11 см (k_c = 0,44 и l₁ = 6 м). Напротив, в точке _s2 удаленной от края крыши на 4,5 м, требуемый зазор будет уже 18 см (k_c = 0,44 і l₁ = 10,5 м). Для зазора, рассматриваемого от горизонтального финта, проводимого по коньку крыши, уже следует принять значение k_c = 0,66, так как ток в горизонтальном направлении разделится только на две части. Таким образом, требуемое расстояние от провода LPS в верхней части крыши будет больше: s₃ = 30см по краю (k_c = 0,66 і l₃ = 11,5 м) і s₄ = 42 см по центру крыши (k_c = 0,66 і l₄ = 16 м).

Поэтому разделительный интервал всегда следует рассматривать в наименее благоприятном случае, то есть в точке, где длина l будет наибольшей. Также всегда следует учитывать соответствующее значение коэффициента k_c на основе потенциального распределения тока молнии в LPS.

Рис. 2. Анализ зазора отделения от проводов LPS на наклонной крыше.

Способ защиты фотоэлектрических панелей: при соблюдении разделительных интервалов или при использовании компенсационных соединений имеет решающее значение в отношении защиты от перенапряжений цепей постоянного тока постоянного тока.

3. Когда следует использовать ограничители перенапряжения?

УЗИП — это устройство защиты от импульсных перенапряжений (SPD, Ограничитель перенапряжения). Оборудование устанавливают на din-рейку или монтажную плату. Его задача – защищать оборудование при грозовых разрядах, перепадах напряжения во время подключения к общей сети мощного оборудования и от удаленного короткого замыкания.

В приложении C к стандарту приводятся примеры расположения ограничителей перенапряжений (УЗИП) в электрической системе, в которой имеются фотоэлектрические цепи (Рис.3.):

Примечание: для более точного следования международным стандартам вместо аббревиатуры УЗИП мы будем применять в описании международную аббревиатуру SPD.

1 - главный распределительный щит объекта

2 - сторона инвертора переменного тока

3 - сторона инвертора постоянного тока

4 - панели PV

Рис. 3. Расположение SPD в фотоэлектрической установке

Наиболее подверженным повреждениям элементом ФЭУ являются не фотоэлектрические панели, подверженные прямому удару молнии, а инверторы постоянного/переменного тока. Со стороны постоянного тока они подвергаются как перенапряжениям, индуцированным в цепях PV, так и частичным токам молнии, которые могут проникать в установку при прямом разряде в результате искровых скачков. Со стороны переменного тока инвертор, в свою очередь, может подвергаться перенапряжениям, возникающим в электросети.

Не в каждом случае ограничители перенапряжения должны быть установлены во всех указанных местах. Использование SPD в главном распределительном щите зависит от критериев, оцененных в соответствии со стандартами IEC 62305 и IEC 61643-32 (или их украинскими аналогами). Защита инвертора на стороне переменного тока требуется, когда инвертор находится на расстоянии более 10м от разъема установки (главного распределительного щита). Защита цепи на стороне постоянного тока должна использоваться, когда защита от перенапряжения требуется в соответствии с ДСТУ EN 61643-31:2019.

В соответствии с ДСТУ защита на стороне постоянного тока требуется всегда, если здание оборудовано молниеотводом или соблюдается критерий CRL длины линии электропередачи. Критерий CRL требует использования SPD, например, когда жилой дом расположен в сельской или пригородной зоне и расстояние до ближайшего ограничителя, установленного в электросети, составляет всего 68 м для кабельной линии или 34 м для воздушной линии (для типичной плотности наземного разряда N_g = 2,5 разряда/км² /год.). Если защита от случайных перенапряжений в соответствии с IEC 61643-32 не требуется, то следует, в свою очередь, оценить риск на основе длины L (в метрах) кабельного маршрута между инвертором и точками соединения фотоэлектрических модулей различных цепей. Согласно этой оценке, защита требуется, если длина L больше длины L_crit, определенной в соответствии с таблицей 2.

Ограничитель перенапряжения на стороне постоянного тока всегда должен быть установлен как можно ближе к инвертору. Однако дополнительные SPD могут потребоваться и в других местах, например, когда расстояние между входом кабеля постоянного тока в здание и инвертором превышает 10м (SPD устанавливается на границе зон LPS 0/1) или непосредственно на панелях в обширных системах PV-электростанций на открытой местности.

Табл. 2. Оцененные критические длины L_scrit

Тип установки	Жилые объекты	Солнечная электростанция на открытой местности	Нежилые объекты
Lcrit	115/Ng	200/Ng	450/Ng
Lcrit для Ng =2,5 разр./км2/год	46 м	80	180
L > Lcrit	Требуется защита от перенапряжения на стороне DC
L < Lcrit	Требования к электрической защите на стороне постоянного тока отсутствуют

N_g - плотность разряда земли (разряд/км ²/год), соответствующая расположению линии подачи и присоединенных объектов. Мы определяем это значение на основе сети расположения наземных разрядов для места установки.

Примечание: если маршруты пробега проводов экранированы в соответствии с 62305, длина L может быть уменьшена на длину экранированных проводов.

Суммируя все вышеперечисленные критерии, следует признать, что защита от перенапряжений фотоэлектрических установок в соответствии со стандартами должна применяться практически в каждом случае.

Выбор ограничителей перенапряжения

Ограничители перенапряжения для фотоэлектрических систем предназначены для защиты конкретных микросхем постоянного тока в фотоэлектрических установках.

В зависимости от уровня защиты и требований к установке необходимо выбрать соответствующий класс ограничителя (T1, T2, Т3), номинальный ток (I_n) и импульсный ток (I_имп).

В зависимости от назначения и места установки УЗИП разделяют на три основных класса: I (T1, B), II (T2, C) и III (T3, D) в скобках варианты названий. Чаще Т1, Т2 и Т3 пишутся как Тип N, а А, В, и С иногда также называются не классами, а типами.

• УЗИП первого класса (I, T1, B) - устройство защиты от импульсных перенапряжений предназначено для отвода энергии, созданной перенапряжениями, вызванными прямым ударом молнии. Устройство успешно прошло стандартные испытания для волны 10/350 мкс (испытания класса I).

  Применяется в местах, где существует опасность прямого удара молнии, например, вблизи молниеотвода.

  Они справляются с прямым ударом молнии, который приносит прилив энергии.

• УЗИП второго класса (II, T2, C) - устройство защиты предназначено для отвода энергии, созданной перенапряжениями, вызванными непрямым ударом молнии или коммутационными перенапряжениями. Устройство успешно прошло стандартные испытания для волны 8/20 мкс (испытания класса II).

  Монтируется на расстоянии от удара молнии, например, на инверторе или в главном распределительном щите.

  Они уменьшают скачки напряжения от нескольких источников.

• УЗИП третьего класса (III, T3, D) - устройство защиты предназначено для отвода энергии, созданной скачками напряжения и помехами.

  УЗИП второго и третьего классов рекомендуют устанавливать в местах, в которые исключена возможность прямого попадания молнии (групповые и квартирные этажные щитки, розетки и т.п.).

SPD регламентируются ДСТУ EN 61643-15 Конструкция и технические характеристики ограничителей перенапряжения..

Как SPD работает для защиты фотоэлектрической системы?

Проще говоря, солнечный SPD контролирует переходное напряжение и направляет ток обратно к его источнику или земле, когда в защищенной цепи появляется переходное напряжение.

Чтобы обеспечить поток энергии в первую очередь на землю, чтобы предотвратить скачки напряжения, наиболее важным элементом является варистор из оксида металла (MOV). который в различных условиях проходит между высоким и низким импедансом.

Защита от солнечных перенапряжений находится в состоянии высокого импеданса и не влияет на фотоэлектрическую систему при типичных рабочих напряжениях. Когда в цепи появляется переходное напряжение, SPD переходит в состояние проводимости (или низкого импеданса) и направляет импульсный ток обратно к источнику или земле. Это ограничивает или блокирует напряжение до более безопасного уровня. После обратного перехода SPD автоматически возвращается в состояние высокого импеданса.

Выбор подходящего SPD для солнечных станций

Табл. 3. Алгоритм выбора ограничителей перенапряжения в установке PV

Есть ли LPS?	Сохранен ли зазор изоляции "s" от LPS?	Расстояние между фотоэлектрическими модулями и инвертором	SPD DC модули PV	SPD DC инвертор	SPD AC
Да	Да	<10 м	-	Тип 2	Тип 1
		>10 м	Тип 2
	Нет	<10 м	-	Тип 1
		>10 м	Тип 1
Нет	-	<10 м	-	Тип 2	Тип 2
		>10 м	Тип 2

Какой тип ограничителя перенапряжения мы будем использовать, и сколько единиц зависит от:

• имеет ли установка внешний LPS (Lightning Protection System) или иное устройство молниезащиты и сохраняются ли разделительные интервалы
• каково расстояние проводов между инвертором и фотоэлектрическими модулями

В случае расстояния генератора PV (панели PV) от инвертора (рассчитанного по проводу) более 10 м ограничители перенапряжений постоянного тока должны устанавливаться на генераторе PV и на клеммах инвертора.

Выбор типа SPD на практике зависит от наличия молниеотвода и способа его изготовления (Таблица 4).

В главном (смотри рисунок 0) распределительном щите здания в большинстве случаев используются ограничители типа 1 или предпочтительно типа 1+2 с низким уровнем защиты напряжения, которые имеют заявленное сопротивление токам молнии U_имп. Использование варисторных ограничителей типа 2 в этом месте допустимо только в том случае, если можно исключить риск удара молнии по внешней линии электропередачи.

Выбор SPD для защиты инвертора, как на стороне постоянного тока, так и на стороне переменного тока, зависит от изготовления молниеотвода. Если используются компенсационные соединения между конструкцией панелей и проводами LPS, как показано на рисунке 1 b, то следует использовать SPD типа 1. В цепях постоянного тока следует использовать ограничители с сопротивлением не менее U_total = 12,5 кA. Ограничители перенапряжений типа 2 для защиты инвертора со стороны переменного и постоянного тока следует использовать только в том случае, если нет молниеотвода или сохранен безопасный интервал разделения.

Требуется, чтобы минимальное номинальное значение разрядного тока _n ограничителей типа 2 составляло не менее 5 кA (8/20µs). В то же время в стандарте отмечается, что использование SPD с более высокими параметрами приводит к увеличению срока службы устройств для ограничения перенапряжений.

Также SPD различаются по типу тока (переменный и постоянный), что однозначно определяет с какой стороны от инвертора их нужно размещать. Поэтому DC могут называть – Solar, а AC – Power.

Табл. 4. Выбор типов SPD в отдельных местах в зависимости от способа молниезащиты

Расположение SPD	Главный 1) распределительный щит	Сторона инвертора АС 2)	Сторона инвертора DC / Панели PV или граница LPZ 0/1 3)
Конфигурация защиты
Без LPS. Отсутствие молниезащиты здания	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 отделена (d>s). Устройство молниезащиты с разделительными расстояниями	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
Панели соединены с LPS (d<s). Устройство молниезащиты на металлической кровле или с использованием уравнивания потенциалов	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₎ - в ГРЩ может использоваться ограничитель типа 2, если он питается только от кабельной линии, которая не соединяется с воздушной линией, и может быть исключен риск прямого удара молнии по линии

₂₎ - УЗИП рекомендуется, если расстояние между инвертором и главным распределительным щитом > 10 м

₃₎ - УЗИП рекомендуется использовать, если расстояние между инвертором и фотоэлектрическими панелями или границей зон LPZ 0/1 > 10 м

Ограничители PV бывают разных конфигураций, среди которых, как наиболее часто встречающиеся, можно выделить: конфигурации U т. е. 2 + 0 и конфигурации Y в исполнении 2+1 или 2+GDT (рис.4). Базовая конфигурация (2+0) представляет собой соединение полюсов ( + ) и ( - ) цепи постоянного тока с использованием двух варисторов в системе типа U относительно точки заземления. Недостатком такого решения является риск повреждения SPD из-за пробоя изоляции в цепи постоянного тока. Ограничители для защиты цепи PV часто состоят из варисторов с номинальным напряжением, равным как минимум половине максимального напряжения UOCmax в холостом состоянии панели PV. Общее значение напряжения панели PV в условиях нормальной работы откладывается на двух соединенных варисторах. В случае пробоя изоляции (короткого замыкания одного из полюсов цепи постоянного тока на землю) полное напряжение цепи постоянного тока откладывается на одном модуле варистора (рис.4а), что может привести к его тепловой перегрузке и повреждению. По этой причине рекомендуется использовать трехмодульные ограничители в конфигурации Y-образных соединений с дополнительным варистором (рис.4b) или искровым разрядником GDT (рис. 4c).

Рис. 4. Конфигурации ограничителей перенапряжения для защиты цепей постоянного тока PV-установки

Дополнительный элемент (варистор или GDT) в защитной ветке предохраняет ограничитель от его повреждения в случае пробоя изоляции в цепи постоянного тока фотоэлектрической установки. Решение с использованием искрового разрядника дополнительно устраняет ток утечки, вызванный варисторными элементами, тем самым увеличивая срок службы SPD.

Дополнительным преимуществом решения 2 + GDT является более высокая общая прочность такого ограничителя. В SPD со сменными, исключительно варисторными, защитными модулями максимальная прочность ограничителя равна прочности одного модуля. Молниеотвод отличается более высокой ударной прочностью, благодаря чему модуль суммирования GDT способен выдерживать максимальные токи, разряжаемые обоими варисторными модулями, тем самым определяя максимальную прочность такого ограничителя. Для достижения более высокой ударной прочности упора, основанного исключительно на варисторных элементах, относительно заземляющего зажима следует использовать систему двух параллельно соединенных варисторов – такое решение уже требует использования другого типа корпусов.

В настоящее время стандартом в ограничителях PV являются сменные защитные модули и оптическая сигнализация состояния ограничителя. Сигнальные окна меняют цвет при повреждении защитного модуля. Однако разные цвета окон в одном ограничителе не всегда указывают на состояние повреждения. В разделителях в конфигурации 2 + GDT модуль суммирования искрового разрядника чаще всего обозначается для различения другим цветом. Чаще всего варисторные модули имеют окна зеленого цвета, а искровые-синего или желтого цвета (рис. 5.). Красный цвет, как для компонентов MOV, так и для GDT, чаще всего означает повреждение и необходимость замены защитного модуля. Повреждение защитного модуля приводит к разъединению защитной ветви – установка может работать дальше, но остается без защиты.

Индикация состояния ограничителя перенапряжения

Зеленый рабочее состояние УЗИП, защищенная установка; зеленый может использоваться как для варисторных, так и для искровых разрядников, если УЗИП состоит из одного типа элементов; если УЗИП содержит как варисторные, так и искровые разрядники, зеленый используется для варисторных элементов.

Синий Состояние работоспособности УЗИП, защищенная установка. Синий цвет чаще всего используется для различения элементов искрового типа от варисторных элементов, отмеченных зеленым цветом.

Красный статус неисправности УЗИП, установка без защиты, защитный модуль или весь разрядник необходимо заменить как можно скорее.

Рис. 5. Индикация состояния SPD

5. Минимизация цикла

С точки зрения грозовой опасности наибольший риск связан с близлежащими разрядами. Хотя вероятность прямого удара молнии составляет статистически, как правило, один раз в несколько десятилетий, вероятность возникновения опасных скачков, безусловно, выше. В зависимости от размера установки опасные могут оказаться даже наземные разряды на расстоянии до нескольких сотен метров. Структура проводки PV-установок основана на цепях, которые самопроизвольно образуют петли, подверженные индуцированным перенапряжениям в цепях постоянного тока (DС). По этой причине очень большое значение имеет способ прокладки кабельных маршрутов, и не только в обширных фотоэлектрических установках на открытых пространствах, но и в случае относительно небольших установок на крышах зданий. Для ограничения перенапряжений, вызванных в PV-цепях, необходимо уменьшить – до предела-поверхности всех петель.

Способ подключения фотоэлектрических модулей может определять восприимчивость схемы к возникновению перенапряжений. Чем больше площадь контура, образованного цепью постоянного тока (рис. 6а), тем больше индуктивность и величины напряжений, вызванных воздействием электромагнитного поля молнии. Для минимизации контуров необходимо обеспечить упорядоченные и общие маршруты для проводов, соединяющих модули PV (рис.6b).

Рис. 6. Петли, образующиеся в цепях постоянного тока PV-установки

Способ подключения фотоэлектрических модулей может определять восприимчивость схемы к возникновению перенапряжений. Чем больше площадь контура, образованного цепью постоянного тока (рис. 6а), тем больше индуктивность и величины напряжений, вызванных воздействием электромагнитного поля молнии. Для минимизации контуров необходимо обеспечить упорядоченные и общие маршруты для проводов, соединяющих модули PV (рис.6b).

6. Combiner Box с защитой солнечной станции от перенапряжения

Коммутационная коробка может соединять цепи переменного или постоянного тока, но не может работать с цепями постоянного и переменного тока одновременно. Для обеспечения безопасности и соответствия требованиям важно разделять их. Для цепей переменного тока коммутационная коробка обычно имеет контактную дугогасительную решётку, а для цепей постоянного тока — магнитную дугогасительную систему. Такое разделение обеспечивает безопасную и эффективную работу солнечной батареи.

Рис. 7. АС/DC PV Combiner Box в пластмассовом корпусе не безопасен, а потому не допустим

Щиты защиты по переменному току (АC) здесь мы опустим, дав лишь короткое описание. По сути они аналогичны рассматриваемым ниже щитам DC, но используют компоненты рассчитанные на переменный ток. Коммутационные коробки переменного тока – AC Combiner Box, оснащенные встроенным автоматическим выключателем в литом корпусе (MCCB) для входа переменного тока. Как правило, они используются для объединения цепей переменного тока от инверторов в более крупных системах или для работы с несколькими инверторами. Они также оснащены устройствами защиты от перенапряжения переменного тока типа 2 (SPD Т2) для защиты инверторов от перенапряжения, что делает их подходящими для систем, требующих надежной защиты переменного тока.

В нашем случае мы будем рассматривать Щиты защиты по постоянному току (DC) для автономных солнечных электростанций. Они имеет много названий, но суть его назначения едина.

Рис. 8. DC PV Combiner Box

Что такое солнечный коммутатор - DC PV Combiner Box?

Солнечная фотоэлектрическая комбинаторная коробка — это пластиковый или металлический монтажный корпус, в котором электрически подключаются, объединяются и упорядочиваются солнечные батареи перед тем, как соединиться с контроллером заряда батарей или инвертором. Распределительная коробка постоянного тока предназначена для объединения нескольких солнечных батарей в единый источник питания перед подачей на инвертор. Солнечная батарея — это последовательное соединение солнечных панелей. При оптимальном расположении в солнечной фотоэлектрической системе распределительная коробка помогает снизить потери энергии.

Коммутационные коробки необходимы, если к инвертору нужно подключить более трёх солнечных батарей. Если солнечных батарей меньше трёх, их можно подключить напрямую к инвертору без дополнительных устройств. Коммутационные коробки в основном используются в фотоэлектрических установках промышленного масштаба, поскольку они позволяют проектировщикам фотоэлектрических установок сократить расходы на материалы и рабочую силу за счёт распределения комбинированных соединений без ущерба для максимальной выходной мощности.

Коммутационные коробки не требуют особого ухода, если они установлены правильно и изготовлены из качественных материалов. Коробка должна соответствовать техническим требованиям вашего проекта по использованию солнечной энергии и американскому стандарту UL1741, который является актуальным стандартом для данного типа оборудования. Несмотря на то, что обслуживание вряд ли потребуется, рекомендуется регулярно проверять коммутационные коробки, чтобы убедиться, что они работают правильно. Коммутационная коробка низкого качества или неисправная коробка могут выйти из строя, что может привести к возгоранию и серьёзному повреждению вашей фотоэлектрической системы. При использовании компонентов постоянного и переменного тока в солнечных батареях необходимо разделять их для обеспечения безопасности и соответствия нормативным требованиям (например, NEC 690 в США).

Как работает и зачем вам нужен солнечный коммутатор?

Коммутационная коробка для солнечных батарей (щит цепи постоянного тока) является важным компонентом больших солнечных электростанций, соединяющим несколько солнечных цепочек с одним инвертором. Её основная функция — размещение входных блоков предохранителей для защиты от перегрузки по току в солнечных электростанциях, состоящих из нескольких цепочек. Устройства защиты от перенапряжения (УЗПН) — магнитная дугогасительная система, предотвращают подачу избыточной энергии на инвертор, отключая его при скачках напряжения.

Сложные солнечные батареи необходимо тщательно упорядочить, чтобы инженеры могли быстро устанавливать и обслуживать систему, а также сокращать потери энергии. Коммутационные коробки — это доступное решение для подключения солнечных батарей к инвертору. Без коммутационной коробки инженерам приходится подключать несколько батарей напрямую к инвертору, что может привести к путанице, беспорядку и потенциальной опасности.

Коммутационные коробки также предотвращают подачу слишком большого количества энергии на инвертор. Их можно использовать для быстрого отключения системы в случае скачка напряжения, в качестве выключателя быстрого дистанционного отключения. Это также помогает экономить средства, поскольку снижает потребность в техническом обслуживании и риск повреждения инвертора.

Из каких частей состоит распределительная коробка для солнечных батарей?

Рис. 9. Пример состава щита

Солнечные распределительные коробки — это относительно простые устройства, состоящие из нескольких ключевых компонентов, в том числе:

 

• Автоматические выключатели в литом корпусе (MCCB) – MCCB используются в мощных фотоэлектрических системах и помогают защитить цепи при токах от 60 до 600А. Однако важно отметить, что номинальный ток MCCB в распределительной коробке зависит от конструкции системы и размера массива, поскольку для разных систем требуются разные номинальные значения защиты цепей.
• Предохранители для фотоэлектрических модулей – предохранители для фотоэлектрических модулей предназначены для прерывания подачи электроэнергии во время аварийных ситуаций. Они помогают защитить систему от перегрузки по току, которая может привести к повреждению. Предохранители используются для защиты отдельных модулей от неисправностей (например, коротких замыканий) и должны соответствовать номинальному току модуля. В цепь они подключаются через специальные держатели предохранителей на din-рейку.
• Устройства защиты от перенапряжения постоянного тока (SPD) – устройства SPD отводят скачки напряжения в землю, защищая систему от разрушительных переходных перенапряжений. Они уже были представлены ранее по тексту.
• Отключающий выключатель постоянного тока или автоматический выключатель постоянного тока – отключающий выключатель или автоматический выключатель отключают питание во время скачка напряжения или короткого замыкания, чтобы защитить остальную часть системы.
• Ручной внутренний изолятор тока – осекающий выключатель, позволяющий отрубить питание в любое время, когда в этом есть необходимость. Его функция – главный рубильник, отключающий все линии напряжения для полного обесточивания исходящего комплекса оборудования.
• Шина – шина обычно используется для объединения входящих отрицательных или заземляющих проводов от солнечных панелей. Это проводящая металлическая полоса с несколькими точками подключения, которые соединяют входящие провода в единое целое.
• Клеммная колодка – клеммная колодка выполняет те же функции, что и шина, но изготовлена из композитного материала ABS, а не из металла.
• Корпус – соединительная коробка находится в корпусе из металла, поливинилхлорида или АБС-пластика. Она должна быть пыленепроницаемой, ветрозащитной, водонепроницаемой и устойчивой к ультрафиолетовому излучению.
• Механизм блокировки – обычно используется замок для защиты коробки и предотвращения несанкционированного доступа.

В распределительной коробке для солнечных батарей могут также находиться дополнительные компоненты, например, устройства мониторинга. Умные комбайнеры постоянного тока включают возможности мониторинга и связи, которые позволяют пользователям удаленно контролировать производительность системы и обнаруживать любые неисправности или проблемы в режиме реального времени.

Типы объединительных коробок

Коммутационные коробки бывают разных типов, каждый из которых предназначен для установки солнечных панелей в соответствии с конкретными требованиями. Знание особенностей различных типов поможет вам выбрать подходящий вариант для вашей фотоэлектрической системы.

• Стандартные распределительные коробки: это наиболее распространённый тип устройств, предназначенных для объединения нескольких входов постоянного тока от солнечной батареи в один выход. Они идеально подходят для стандартных солнечных установок, где ключевыми факторами являются простота и эффективность.
• Отключаемые распределительные коробки: эти коробки позволяют отключать все солнечные батареи в одной точке. Эта функция ручного изолятора обеспечивает дополнительный уровень безопасности, позволяя быстро и легко отключать питание в экстренных ситуациях или при проведении технического обслуживания.
• Комбинаторные щиты постоянного тока с предохранителями: Эти модели включают в себя предохранители в каждой входной цепи, которые защищают панели от повреждений, вызванных перенапряжением или перегрузкой по току. Блоки объединения постоянного тока с предохранителями подходят для систем солнечных панелей среднего размера, содержащих до 50 панелей.
• Коробки постоянного тока с автоматическим выключателем: Вместо предохранителей в этих щитах используются автоматические выключатели для защиты панелей от повреждений. Они подходят для крупномасштабных систем солнечных панелей с более чем 50 панелями.
• Щиты постоянного тока с быстрым отключением: Они разработаны в соответствии с требованиями Национального электротехнического кодекса (NEC) по быстрому отключению в случае аварийной ситуации. В них используется специальный переключатель, который быстро отключает систему в случае пожара или других опасностей.
• Блоки объединения AFCI: Блоки объединения прерывателей дуговых замыканий (AFCI) предназначены для обнаружения сигналов дуговых замыканий и прерывания цепи до того, как неисправности могут перерасти в возгорания или короткие замыкания. Это делает их отличным выбором для установок, где пожарная безопасность является первостепенной задачей. В некоторых областях объединительные коробки AFCI являются обязательным требованием в соответствии со стандартами кодекса в определенных юрисдикциях, хотя это более актуально для жилых помещений, в отличие от солнечных электростанций коммунального масштаба.

Разумеется, в одной коробке можно применить комбинацию любых перечисленных типов.

Выбрав подходящий тип распределительной коробки или их комбинацию, вы сможете повысить безопасность, эффективность и надёжность установки солнечных панелей.

Соображения безопасности

Безопасность при установке солнечных панелей имеет первостепенное значение, и распределительные коробки играют ключевую роль в защите всей системы. Вот несколько важных аспектов безопасности, о которых следует помнить:

• Защита от перенапряжения: убедитесь, что ваш распределительный щит оснащён устройствами защиты от перенапряжения (УЗИП), которые защищают систему от скачков напряжения и ударов молнии. Это помогает предотвратить повреждение солнечных панелей и других компонентов.
• Защита от перегрузки по току: распределительные коробки должны быть оснащены устройствами защиты от перегрузки по току, такими как предохранители или автоматические выключатели, для предотвращения электрических перегрузок, которые могут привести к возгоранию. Эти устройства прерывают подачу электроэнергии, когда сила тока превышает допустимые значения.
• Изоляция постоянного тока: для предотвращения поражения электрическим током и обеспечения безопасности при обслуживании распределительные коробки должны быть оснащены функцией изоляции постоянного тока. Это позволяет безопасно отключать цепи постоянного тока во время ремонта или проверки.
• Контроль качества: всегда выбирайте продукцию известных брендов и убедитесь, что распределительная коробка соответствует отраслевым стандартам и нормам. Высококачественные распределительные коробки реже выходят из строя и обеспечивают надёжную защиту вашей фотоэлектрической системы.

Уделив первостепенное внимание этим функциям безопасности, вы сможете обеспечить безопасную и эффективную работу вашей системы солнечных батарей.

Установка и техническое обслуживание

Правильная установка и обслуживание распределительных коробок необходимы для безопасной и эффективной работы вашей системы солнечных батарей. Вот несколько ключевых моментов:

• Время установки: распределительные коробки следует устанавливать таким образом, чтобы свести к минимуму время установки и снизить риск ошибок. Грамотная установка позволяет сэкономить время и снизить трудозатраты.
• Подключение: правильное подключение имеет решающее значение для предотвращения поражения электрическим током и обеспечения безопасной работы. Убедитесь, что все соединения надёжны, и следуйте рекомендациям производителя, чтобы избежать потенциальных опасностей.
• Автоматические выключатели: убедитесь, что в распределительном щите установлены автоматические выключатели, совместимые с вашей системой солнечных батарей и соответствующие отраслевым стандартам. Автоматические выключатели с правильным номиналом защищают систему от перегрузки по току и короткого замыкания.
• Мониторинг линий: распределительные коробки с функцией мониторинга линий позволяют отслеживать производительность отдельных секций. Это помогает быстро выявлять проблемы и обеспечивает максимальную эффективность работы системы солнечных батарей.
• Техническое обслуживание: регулярное техническое обслуживание необходимо для безопасной и эффективной работы распределительной коробки и всей системы солнечных батарей. Периодические проверки помогут выявить и устранить потенциальные проблемы до того, как они станут серьёзными.

Соблюдая эти рекомендации по установке и обслуживанию, вы сможете обеспечить долгосрочную надёжность и безопасность вашей системы солнечных батарей.

8. Резюме

Защита от перенапряжения – это небольшой компонент установки солнечных панелей, но это важный элемент, который не следует упускать из виду. Это не вариант, это необходимость.

Выбор ограничителей перенапряжения зависит, прежде всего, от способа выполнения молниезащиты. Фотоэлектрические панели должны находиться в пространстве LPZ 0B и с безопасными интервалами, отделяющимися от проводов LPS. Соединение конструкции панелей с LPS с помощью компенсационных соединений должно быть последним средством. Для защиты цепей постоянного тока рекомендуется использовать ограничители перенапряжения в конфигурации Y-типа, защищающие от повреждения SPD в чрезвычайных ситуациях.

Рис. 10. Пример общей схемы солнечной станции

Защита от перенапряжения должна использоваться для защиты не только самой установки PV, но и установки и людей внутри здания. По экономическим причинам установка PV не должна быть повреждена до того, как окупятся инвестиционные затраты.

Если у вас возникли вопросы по какому-либо аспекту этой статьи или просто нуждаетесь в помощи по выбру идеальной модели солнечной станции с SPD, наша команда будет рада помочь вам на каждом шагу, чтобы превратить ваши требования в осязаемые устройства солнечной энергетики и защиты от солнечных перенапряжений (SPD) с профессиональными и опытными инженерами.