Ylijännitesuojien, katkaisijoiden ja sulakkeiden yhteistyö aurinkosähköjärjestelmissä: toiminnallinen analyysi ja tarpeellisuuskeskustelu

Johdanto

Maailmanlaajuisen aurinkosähköteollisuuden nopean kehityksen myötä aurinkosähköjärjestelmien turvallisuudesta ja vakaudesta on tullut alan huomion keskipiste. Aurinkosähköjärjestelmät altistuvat ulkoilmalle pitkään ja ovat alttiita uhkille, kuten salamaniskuille, sähköverkon vaihteluille ja laitevioille, jotka voivat aiheuttaa laitevaurioita tai jopa tulipalon. Ylijännitesuojat (SPD), katkaisijat ja sulakkeet ovat keskeisiä suojalaitteita, jotka kukin suorittavat tehtävänsä ja toimivat yhdessä varmistaakseen järjestelmän turvallisen toiminnan. Tässä artikkelissa analysoidaan perusteellisesti niiden toimintoja, koordinointimekanismeja ja tarvetta tarjotakseen referenssejä alan käyttäjille.

I. Aurinkosähköjärjestelmiä kohtaava "näkymätön tappaja"

Aurinkosähkövoimalaitokset ovat kuin ulkoilmassa työskenteleviä "terässotureita", jotka jatkuvasti kestävät erilaisia ​​ankaria kokeita.

1.1 Salamaniskuongelmat:

Erityisesti Lähi-idässä ja Kaakkois-Aasiassa yksikin ukkosmyrskykausi voi lamauttaa suojaamattomat järjestelmät.
1.2 Sähköverkon vaihtelut:
Chilen projektissa, josta vastasin, useita laitteita paloi loppuun sähköverkon jännitteen äkillisen nousun vuoksi.

1.3 Oikosulkuriski:
Viime vuonna Saksassa sijaitsevassa projektissa ilmeni oikosulku ikääntyneiden kaapeleiden vuoksi, mikä melkein aiheutti tulipalon.

Näitä riskejä ei ole liioiteltu. International Photovoltaic Safety Alliancen mukaan yli 60 % aurinkosähköjärjestelmien vioista johtuu riittämättömästä sähkösuojauksesta.

II. Ylijännitesuojainten (SPD) ydintoiminnot

2.1 Toimintaperiaate
Ylijännitesuoja (SPD) ohjaa ohimenevän ylijännitteen maahan metallioksidivaristoreiden (MOV) tai kaasupurkausputkien (GDT) kautta rajoittaen jännitteen turvalliselle alueelle. Aurinkosähköjärjestelmissä ylijännitesuojat asennetaan tyypillisesti seuraaviin paikkoihin:
Tasavirtapuoli (moduulien ja invertterin välissä): Suojaa salaman aiheuttamilta jännitepiikeiltä.
Vaihtovirtapuoli (invertterin ja verkon välissä): Vaimentaa verkkopuolelta tulevaa ylijännitettä.

2.2 Keskeiset parametrit
Suurin jatkuva käyttöjännite (Uc): Jännitteen on vastattava aurinkosähköjärjestelmän jännitetasoa (esim. 1000 V DC tai 1500 V DC).
Purkausvirta (In/Iimp): Heijastaa kykyä purkaa salamavirtaa, ja aurinkosähköjärjestelmät vaativat tyypillisesti 20 kA tai enemmän.
Jännitteen suojaustaso (ylös): Määrittää jäännösjännitteen koon ja sen on oltava suojattavan laitteen kestojännitettä pienempi.

2.3 Tarpeellisuus
Estä kalliiden laitteiden, kuten invertterien ja yhdistelmärasioiden, vaurioituminen ylijännitteistä.
Noudata kansainvälisiä standardeja (kuten IEC 6164331, UL 1449) ja aurinkosähkövoimaloiden hyväksymisvaatimuksia.

Ⅲ. Katkaisijoiden ja sulakkeiden toiminta ja valinta

3.1 Katkaisija
Toiminto:
• Ylikuormitussuoja: Kun virta ylittää asetetun arvon (kuten 1,3 kertaa nimellisvirran), lämpösuoja laukeaa.
• Oikosulkusuojaus: Sähkömagneettinen laukaisumekanismi katkaisee oikosulkuvirran (kuten 10 kA) millisekunneissa.

• Aurinkosähkön sovellusominaisuudet:
On valittava erillinen tasavirtakatkaisija (kuten DC 1000V/1500V).
Katkaisukyvyn tulee vastata järjestelmän oikosulkuvirtaa (tyypillisesti ≥ 15 kA).

3.2 Sulake
Toiminto:
Sulattamalla sulake-elementin se voi nopeasti eristää viallisen virtapiirin ja suojata sarjaan kytkettyä haaraa.

Edut:
Irtikytkentänopeus on nopeampi (mikrosekunnin tasolla), mikä sopii suuriin oikosulkuvirtoihin.
Se on kooltaan pieni ja sopii virtaa kuljettaviin koteloihin, joissa on rajoitetusti tilaa.

3.3 Yhteistyö SPD:n kanssa

Ylijännitesuoja vastaa jännitesuojauksesta, kun taas katkaisijat/sulakesuojat vastaavat virtasuojauksesta.
Kun ylijännitesuoja vikaantuu ylijännitesuojan vuoksi, katkaisijat tai sulakesuojat voivat katkaista viallisen virtapiirin nopeasti tulipalon estämiseksi.

Ⅳ. Monitasoisen suojausjärjestelmän tapaustutkimus

Otetaan esimerkiksi 1 MW:n aurinkosähkövoimala:
4.1 Tasavirtapuolen suojaus
Komponenttisarjan haarat: Asenna sulakkeet (kuten 10 A:n gPV-tyyppi) kullekin sarjalle.
Yhdistimen kotelon sisääntulo: Asenna tyypin II ylijännitesuoja (Up ≤ 1,5 kV) ja tasavirtakatkaisija (63 A).

4.2 Vaihtovirtapuolen suojaus
Invertterin lähtöpuoli: Määritä tyypin 1+2 SPD (Iimp ≥ 12,5 kA) ja kompaktikatkaisija (250 A).

4.3 Vikaskenaarion simulointi
Salamaniskun sattuessa: Ylijännitesuoja vapauttaa syöksyvirran ja pitää jännitteen alle 2 kV:n; jos ylijännitesuoja vikaantuu oikosulun vuoksi, sulake laukeaa.
Kun linjassa on oikosulku: Sulake sulaa 5 millisekunnin kuluessa estäen lämpöpisteilmiön leviämisen.

Ⅴ. Valintaa ja asennusta koskevat varotoimet

5.1 Nopeudenrajoittimen valinta
Tasavirtapuolelle tulisi valita aurinkosähkökohtainen ylijännitesuoja (kuten PVSPD), jotta vältetään tavallisen vaihtovirta-SPD:n vastavirtaongelma.
Lämpötilamarginaali on otettava huomioon (Uc:n on jätettävä marginaali korkeissa lämpötiloissa).

5.2 Katkaisijan/sulakkeen sovitus
Katkaisukyvyn tulisi olla suurempi kuin järjestelmän suurin oikosulkuvirta (esimerkiksi jonon vikavirta voi olla 1,5 kA).
Sulakkeen nimellisvirran tulee olla yli 1,56 kertaa komponentin oikosulkuvirta (Isc) (NEC 690.8 -standardin mukaisesti).

5.3 Järjestelmäintegraatioehdotuksia
Ylijännitesuojan ja katkaisijan välisen johtimen pituuden tulisi olla ≤ 0,5 m jäännösjännitteen pienentämiseksi.
Ylijännitesuojan tilan ilmaisimien säännölliset tarkastukset on tehtävä ja vialliset moduulit on vaihdettava ajoissa.

Ⅵ. Alan trendit ja standardipäivitykset
•Suurjännitetarve: 1500 V:n aurinkosähköjärjestelmien laajan käyttöönoton myötä ylijännitesuojainten ja katkaisijoiden kestojännitetasoja on parannettava synkronoidusti.

• Älykäs valvonta: Älykkäitä ylijännitesuojakytkimiä, joissa on lämpötila-anturit ja langattomat tiedonsiirtotoiminnot, otetaan vähitellen käyttöön etävian varhaisvaroituksen saavuttamiseksi.

• Standardin vahvistus: Standardin IEC 625482023 uusi versio on asettanut tiukemmat koordinointivaatimukset aurinkosähköjärjestelmien suojalaitteille.

Johtopäätös
Aurinkosähköjärjestelmissä ylijännitesuojat, katkaisijat ja sulakkeet muodostavat täydellisen "jännite-virta"-yhteistyösuojajärjestelmän. Näiden komponenttien oikea valinta ja konfigurointi voivat paitsi pidentää laitteiden käyttöikää ja vähentää käyttö- ja ylläpitokustannuksia, myös olla olennaisia ​​edellytyksiä voimalaitosten turvalliselle käytölle. Teknologian kehittyessä näiden suojalaitteiden integrointi ja älykkyys parantavat entisestään aurinkosähköjärjestelmien luotettavuutta tulevaisuudessa.