Ylijännitesuojalaitteiden valinta aurinkosähköjärjestelmiin – ylijännitesuojalaitteiden tyypit

Aurinkosähkö on keskeinen uusiutuvan energian lähde ja taloudellisesti erittäin kilpailukykyinen perinteiseen sähköntuotantoon verrattuna. Pienet hajautetut aurinkosähköjärjestelmät, kuten katoille asennettavat aurinkopaneelit, ovat yhä suositumpia. Katoille asennettavat aurinkosähköjärjestelmät sisältävät sekä vaihto- että tasavirtaa, ja niiden jännite voi nousta jopa 1500 V:iin. Tasavirtapuoli, erityisesti aurinkopaneelit, voi altistua suoraan salamaniskuille riskialueilla, mikä tekee niistä alttiita salamaniskuille.

Rakennusten ukkossuojaus jaetaan ukkosvaaran perusteella ulkoiseen suojaukseen (Lightning Protection System, LPS) ja sisäiseen suojaukseen (Surge Protective Measures, SPM). Ylijännitesuojat (SPD) osana sisäistä suojausta suojaavat ilmakehän salamaniskujen tai kytkentätoimintojen aiheuttamilta ohimeneviltä ylijännitteiltä. SPD:t asennetaan suojattavan laitteen ulkopuolelle ja ne toimivat pääasiassa seuraavasti: kun sähköjärjestelmässä ei ole ylijännitettä, SPD ei vaikuta merkittävästi suojaamansa järjestelmän normaaliin toimintaan. Ylijännitteen sattuessa SPD tarjoaa matalan impedanssin, joka ohjaa ylijännitevirran itsensä läpi ja rajoittaa jännitteen turvalliselle tasolle. Kun ylijännite on ohi ja mahdollinen jäännösvirta on sammunut, SPD palaa korkeaimpedanssiseen tilaan.

1. Ylijännitesuojainten (SPD) asennuspaikka

Ylijännitesuojainten asennuspaikka määräytyy salamaniskun vaaran mukaan ja IEC 62305 -standardin salamasuojausvyöhykkeiden (LPZ) konseptin mukaisesti. Transienttiylijännitteitä alennetaan asteittain turvalliselle tasolle, jonka on oltava suojattavan laitteen kestojännitteen alapuolella. Kuten kuvassa on esitetty, ylijännitesuojaimet asennetaan näiden vyöhykkeiden rajoille, mikä on johtanut monitasoisen ylijännitesuojauksen käsitteeseen, jota käytetään pienjännitejärjestelmissä. Aurinkosähköjärjestelmissä keskitytään estämään salamaniskujen pääsy vaihto- ja tasavirtapuolen kautta, mikä suojaa kriittisiä komponentteja, kuten inverttereitä.

2. Ylijännitesuojalaitteiden (SPD) testiluokat

Standardin IEC 61643-11 mukaan ylijännitesuojat (SPD) luokitellaan kolmeen testiluokkaan sen perusteella, minkä tyyppistä salamavirtapulssia ne on suunniteltu kestämään. Tyypin I testit (merkitty T1:llä) on tarkoitettu simuloimaan rakennukseen mahdollisesti johdettavia osittaisia ​​salamavirtoja. Näissä testeissä käytetään 10/350 µs:n aaltomuotoa, kuten kuvassa on esitetty, ja niitä käytetään tyypillisesti LPZ0:n ja LPZ1:n rajalla – kuten pääjakokeskuksissa tai pienjännitemuuntajien syöttökaapeissa. Tämän tason ylijännitesuojat ovat yleensä jännitekytkentätyyppiä, ja niissä on komponentteja, kuten kaasupurkausputkia tai kipinävälyksiä (esim. torvivälejä tai grafiittivälejä).

Tyypin II (T2) ja tyypin III (T3) testeissä käytetään lyhyempiä impulsseja. Tyypin II ylijännitesuojat ovat yleensä jännitteenrajoituslaitteita, joissa käytetään komponentteja, kuten metallioksidivaristoreja (MOV). Ne testataan nimellisellä purkausvirralla käyttäen 8/20 µs:n virta-aaltomuotoa (katso kuva isku), ja ne vastaavat ylävirran suojauslaitteesta tulevan jäännösjännitteen rajoittamisesta entisestään. Tyypin III testeissä käytetään yhdistelmäaaltogeneraattoria, jossa on 1,2/50 µs:n jännite- ja 8/20 µs:n virtaimpulssi (katso alla oleva kuva), simuloiden loppukäyttäjän laitteita lähempänä olevia ylijännitepiikkejä.

3. Ylijännitesuojan (SPD) liitäntätyyppi

Transienttiylijännitteitä vastaan ​​on kaksi pääasiallista suojaustapaa. Ensimmäinen on yhteismuotoinen suojaus (CT1), joka on suunniteltu suojaamaan jännitteisten johtimien ja suojamaadoituksen (PE) välisiltä jännitepiikeiltä. Esimerkiksi salamaniskut voivat aiheuttaa järjestelmään maahan nähden korkeita jännitteitä. Yhteismuotoinen suojaus auttaa lieventämään tällaisten ulkoisten häiriöiden, kuten salaman, vaikutusta, kuten alla on esitetty.

Toinen on differentiaalitilan suojaus (CT2), joka suojaa linjajohtimen (L) ja nollajohtimen (N) välisiltä jännitepiikeiltä. Tämän tyyppinen suojaus on erityisen tärkeä sisäisten häiriöiden, kuten järjestelmässä itsessään syntyvän sähköisen kohinan tai häiriöiden, käsittelyssä, kuten alla olevassa kaaviossa on esitetty.

Toteuttamalla jommankumman tai molemmat näistä suojaustiloista sähköjärjestelmät voidaan suojata paremmin mahdollisilta ylijännitelähteiltä, ​​mikä lopulta parantaa kytkettyjen laitteiden pitkäikäisyyttä ja luotettavuutta.

On tärkeää huomata, että ylijännitesuojaustilojen valinnan tulee olla linjassa käytössä olevan maadoitusjärjestelmän kanssa. TN-järjestelmissä voidaan käyttää sekä CT1- että CT2-suojaustiloja. TT-järjestelmissä CT1:tä voidaan kuitenkin käyttää vain vikavirtasuojaimen (RCD) jälkeen. IT-järjestelmissä – erityisesti sellaisissa, joissa ei ole nollajohdinta – CT2-suojausta ei voida soveltaa. Tämä on kriittinen näkökohta tasavirtajakelujärjestelmissä, jotka käyttävät IT-maadoituskokoonpanoja. Yksityiskohdat löytyvät alla olevasta taulukosta.

4. Ylijännitesuojainten (SPD) keskeiset parametrit

Kansainvälisen standardin IEC 61643-11 mukaan pienjänniteverkkoihin kytkettyjen ylijännitesuojainten ominaisuudet ja testit on määritelty, kuten kuvassa 7 on esitetty.

(1) Jännitesuojaustaso (ylös)

Tärkein tekijä ylijännitesuojan valinnassa on sen jännitesuojaustaso (Up), joka kuvaa ylijännitesuojan suorituskykyä napojen välisen jännitteen rajoittamisessa. Tämän arvon tulisi olla korkeampi kuin suurin sallittu kiristysjännite. Se saavutetaan, kun ylijännitesuojan läpi kulkeva virta on yhtä suuri kuin nimellinen purkausvirta In. Valitun jännitesuojaustason on oltava alhaisempi kuin kuorman syöksykestävyysjännite Uw. Salamaniskun sattuessa ylijännitesuojan liittimien yli oleva jännite pidetään yleensä alle Up:n. Aurinkosähköjärjestelmissä, joissa on tasavirtaa, kuormalla tarkoitetaan yleensä aurinkomoduuleja ja inverttereitä.

(2) Suurin jatkuva käyttöjännite (Uc)

Uc on suurin tasajännite, jota voidaan jatkuvasti käyttää ylijännitesuojaustilassa. Se valitaan nimellisjännitteen ja järjestelmän maadoituskokoonpanon perusteella, ja se toimii ylijännitesuojaustilan aktivointikynnyksenä. Aurinkosähköjärjestelmien tasavirtapuolella Uc:n tulisi olla suurempi tai yhtä suuri kuin aurinkopaneelijärjestelmän Uoc Max. Uoc Max viittaa aurinkopaneelijärjestelmän nimetyssä kohdassa olevien jännitteisten liittimien ja jännitteisen liittimen ja maan väliseen korkeimpaan avoimen piirin jännitteeseen.

(3) Nimellinen purkausvirta (tuumaa)

Tämä on SPD:n läpi kulkevan 8/20 μs:n aaltomuodon virran huippuarvo, jota käytetään tyypin II testeissä ja tyypin I ja tyypin I esikäsittelytesteissä. Tyyppi IIIEC vaatii, että ylijännitesuojan (SPD) on kestettävä vähintään 19 purkausta 8/20 μs:n aaltomuodon virralla. Mitä suurempi In-arvo on, sitä pidempi on SPD:n käyttöikä, mutta myös kustannukset nousevat.

(4) Impulssivirta (Iimp)

Kolmen parametrin, virran huippuarvon (Ipeak), varauksen (Q) ja ominaisenergian (W/R), määrittämänä tätä virtaa käytetään Tyyppi I testit. Tyypillinen aaltomuoto on 10/350 μs.