Samarbejde mellem overspændingsbeskyttere, afbrydere og sikringer i fotovoltaiske systemer: Funktionel analyse og nødvendighedsdiskussion

Indledning

Med den hurtige udvikling af den globale solcelleindustri er sikkerheden og stabiliteten af ​​solcelleanlæg blevet et fokuspunkt for industriens opmærksomhed. Solcelleanlæg er udsat for udendørs påvirkning i lang tid og er sårbare over for trusler som lynnedslag, udsving i elnettet og udstyrsfejl, som kan forårsage udstyrsskader eller endda brand. Overspændingsbeskyttere (SPD'er), afbrydere og sikringer er vigtige beskyttelsesenheder, der hver især udfører deres opgaver og samarbejder med hinanden for at sikre systemets sikre drift. Denne artikel vil analysere deres funktioner, koordineringsmekanismer og nødvendighed i dybden for at give referencer til brugere i industrien.

I. Den "usynlige dræber", der står over for solcelleanlæg

Fotovoltaiske kraftværker er som "stålkrigere", der arbejder i det fri og konstant udholder forskellige barske tests.

1.1 Problemer med lynnedslag:

Især i Mellemøsten og Sydøstasien kan en enkelt tordenvejrssæson lamme systemer, der mangler beskyttelse.
1.2 Udsving i elnettet:
I det chilenske projekt, jeg var ansvarlig for, udbrændte adskillige udstyrsdele på grund af en pludselig stigning i netspændingen.

1.3 Kortslutningsrisiko:
Sidste år oplevede et projekt i Tyskland en kortslutning på grund af aldrende kabler, hvilket næsten forårsagede en brand.

Disse risici er ingen overdrivelse. Ifølge International Photovoltaic Safety Alliance skyldes over 60 % af fejl i solcelleanlæg utilstrækkelig elektrisk beskyttelse.

II. Kernefunktioner i overspændingsbeskyttelsesenheder (SPD)

2.1 Arbejdsprincip
SPD'er afleder transient overspænding til jorden via metaloxidvaristorer (MOV) eller gasudladningsrør (GDT), hvilket begrænser spændingen inden for et sikkert område. I solcelleanlæg installeres SPD'er typisk på følgende steder:
DC-side (mellem modulerne og inverteren): For at beskytte mod lynnedslag.
AC-side (mellem inverteren og nettet): Til at undertrykke overspænding fra netsiden.

2.2 Nøgleparametre
Maksimal kontinuerlig driftsspænding (Uc): Skal stemme overens med spændingsniveauet for det solcelleanlæg (f.eks. 1000V DC eller 1500V DC).
Afladningsstrøm (In/Iimp): Afspejler evnen til at aflede lynstrøm, og solcelleanlæg kræver typisk 20 kA eller derover.
Spændingsbeskyttelsesniveau (op): Bestemmer restspændingens størrelse og skal være lavere end det beskyttede udstyrs modstandsspænding.

2.3 Nødvendighed
Forhindr beskadigelse af dyrt udstyr som invertere og kombinerbokse på grund af overspænding.
Overhold internationale standarder (såsom IEC 6164331, UL 1449) og godkendelseskrav for solcelleanlæg.

Ⅲ. Funktion og valg af afbrydere og sikringer

3.1 Afbryder
Fungere:
• Overbelastningsbeskyttelse: Når strømmen overstiger den indstillede værdi (f.eks. 1,3 gange den nominelle strøm), aktiveres den termiske udløsningsmekanisme.
• Kortslutningsbeskyttelse: Den elektromagnetiske udløsermekanisme afbryder kortslutningsstrømmen (f.eks. 10 kA) inden for millisekunder.

•Anvendelsesegenskaber for fotovoltaisk energi:
Der skal vælges en dedikeret DC-afbryder (f.eks. DC 1000V/1500V).
Brydeevnen skal svare til systemets kortslutningsstrøm (typisk ≥ 15 kA).

3.2 Sikring
Fungere:
Ved at smelte sikringselementet kan den hurtigt isolere det defekte kredsløb og beskytte den serieforbundne gren.

Fordele:
Frakoblingshastigheden er hurtigere (på mikrosekundniveau), hvilket er egnet til scenarier med høj kortslutningsstrøm.
Den er lille i størrelse og velegnet til strømførende dåser med begrænset plads.

3.3 Samarbejde med SPD

SPD er ansvarlig for spændingsbeskyttelse, mens afbrydere/sikringsbeskyttere er ansvarlige for strømbeskyttelse.
Når SPD'en svigter på grund af overspændingsnedbrud, kan afbrydere eller sikringsbeskyttere straks afbryde det defekte kredsløb for at forhindre brand.

Ⅳ. Casestudie af flerniveaubeskyttelsessystem

Tag et 1 MW solcelleanlæg som eksempel:
4.1 Beskyttelse på DC-siden
Komponentserieforgreninger: Installer sikringer (f.eks. af typen 10A gPV) for hver serie.
Indgang til kombineringsboks: Installer type II SPD (op ≤ 1,5 kV) og DC-afbryder (63 A).

4.2 Beskyttelse på AC-siden
Udgangsenden af ​​inverteren: Konfigurer type 1+2 SPD (Iimp ≥ 12,5 kA) og støbt afbryder (250 A).

4.3 Simulering af fejlscenarier
Når et lynnedslag opstår: SPD'en udløser stødstrømmen og holder spændingen under 2 kV; hvis SPD'en svigter på grund af kortslutning, udløses afbryderen.
Ved kortslutning: Sikringen smelter inden for 5 ms for at forhindre spredning af termisk pleteffekt.

Ⅴ. Forholdsregler ved udvælgelse og installation

5.1 Valg af hastighedsstyring
Til DC-siden bør der vælges en fotovoltaisk specifik SPD (såsom PVSPD) for at undgå problemet med omvendt strøm ved almindelig AC-SPD.
Temperaturmargenen bør tages i betragtning (Uc skal efterlade en margen i miljøer med høj temperatur).

5.2 Matching af afbryder/sikring
Brydeevnen skal være højere end systemets maksimale kortslutningsstrøm (f.eks. kan strengens fejlstrøm nå op på 1,5 kA).
Sikringens nominelle strøm skal være mere end 1,56 gange komponentens kortslutningsstrøm (Isc) (i overensstemmelse med NEC 690.8).

5.3 Forslag til systemintegration
Ledningslængden mellem SPD og afbryder skal være ≤ 0,5 m for at reducere restspændingen.
Der bør udføres regelmæssige inspektioner af SPD-statusindikatorer, og defekte moduler bør udskiftes rettidigt.

Ⅵ. Branchens tendenser og standardopdateringer
• Højspændingsbehov: Med den udbredte anvendelse af 1500V solcelleanlæg skal modstandsspændingsniveauerne for SPD'er og afbrydere forbedres synkront.

• Intelligent overvågning: Intelligente SPD'er, der integrerer temperatursensorer og trådløse kommunikationsfunktioner, bliver gradvist anvendt for at opnå tidlig fjernadvarsel om fejl.

•Standardforstærkning: Den nye version af IEC 625482023 har pålagt strengere koordineringskrav til beskyttelsesanordninger til solcelleanlæg.

Konklusion
I solcelleanlæg udgør overspændingsbeskyttere, afbrydere og sikringer et komplet "spændings-strøm"-samarbejdende beskyttelsessystem. Korrekt valg og konfiguration af disse komponenter kan ikke blot forlænge udstyrets levetid og reducere drifts- og vedligeholdelsesomkostninger, men er også afgørende betingelser for at sikre sikker drift af kraftværker. Med teknologiens udvikling vil integrationen og intelligensen af ​​disse beskyttelsesenheder yderligere forbedre pålideligheden af ​​solcelleanlæg i fremtiden.