Valg af overspændingsbeskyttelsesudstyr til PV-systemer – typer af overspændingsbeskyttelsesudstyr

Fotovoltaisk (PV) elproduktion er en vigtig kilde til vedvarende energi og er økonomisk yderst konkurrencedygtig sammenlignet med traditionel elproduktion. Små distribuerede PV-systemer, såsom solpaneler på taget, bliver stadig mere populære. PV-systemer på taget involverer både AC- og DC-distribution med spændinger op til 1500 V. DC-siden, især PV-panelerne, kan være direkte udsat for lynnedslag i højrisikoområder, hvilket gør dem sårbare over for lynskader.

Lynbeskyttelse til bygninger er opdelt i ekstern beskyttelse (Lightning Protection System, LPS) og intern beskyttelse (Surge Protective Measures, SPM), baseret på lynrisiko. Overspændingsbeskyttelsesanordninger (SPD'er) beskytter som en del af den interne beskyttelse mod forbigående overspændinger forårsaget af atmosfærisk lyn eller koblingshandlinger. Overspændingsbeskyttelsesanordninger installeres uden for det beskyttede udstyr og fungerer primært som følger: Når der ikke er nogen overspænding i elsystemet, påvirker overspændingsbeskyttelsen ikke den normale drift af det system, den beskytter, væsentligt. Når der opstår en overspænding, tilbyder overspændingsbeskyttelsen lav impedans, hvorved overspændingen ledes gennem sig selv og spændingen begrænses til et sikkert niveau. Når overspændingen er overstået, og eventuel reststrøm er ude, vender overspændingsbeskyttelsen tilbage til en højimpedanstilstand.

1. Installationssted for overspændingsbeskyttelsesenheder (SPD)

Installationsplaceringen af ​​SPD'er bestemmes i henhold til graden af ​​lynnedslag og er baseret på konceptet for lynbeskyttelseszoner (LPZ) i IEC 62305. Transiente overspændinger reduceres gradvist til et sikkert niveau, som skal være under det beskyttede udstyrs holdbarhedsspænding. Som illustreret i figur installeres SPD'er ved grænserne af disse zoner, hvilket giver anledning til konceptet med flerniveau-overspændingsbeskyttelse, der anvendes i lavspændingssystemer. For PV-systemer er fokus på at forhindre lynnedslag i at trænge ind gennem AC- og DC-siderne og derved beskytte kritiske komponenter såsom invertere.

2. Testklasser for overspændingsbeskyttelsesudstyr (SPD)

I henhold til IEC 61643-11 klassificeres overspændingsafledere (SPD'er) i tre testkategorier baseret på den type lynstrømsimpuls, de er designet til at modstå. Type I-test (markeret som T1) har til formål at simulere partielle lynstrømme, der kan ledes ind i en bygning. Disse bruger en 10/350 µs bølgeform, som vist i figur 1, og anvendes typisk ved grænsen mellem LPZ0 og LPZ1 - såsom ved hovedfordelingstavler eller lavspændingstransformator-indgangsledere. Overspændingsafledere til dette niveau er normalt af spændingsskiftetypen med komponenter som gasudladningsrør eller gnistgab (f.eks. horngab eller grafitgab).

Type II (T2) og type III (T3) tests bruger impulser af kortere varighed. Type II SPD'er er normalt spændingsbegrænsende enheder, der bruger komponenter såsom metaloxidvaristorer (MOV'er). De testes med en nominel afladningsstrøm ved hjælp af en strømbølgeform på 8/20 µs (se figur 1) og er ansvarlige for yderligere at begrænse den resterende overspænding, der kommer fra den opstrøms beskyttelsesenhed. Type III-tests bruger en kombinationsbølgegenerator med en spændingsimpuls på 1,2/50 µs og 8/20 µs (se figur nedenfor), der simulerer overspændinger tættere på slutbrugerudstyr.

3. Tilslutningstype for overspændingsbeskyttelse (SPD'er)

Der er to primære beskyttelsesmetoder mod transiente overspændinger. Den første er common-mode-beskyttelse (CT1), som er designet til at beskytte mod overspændinger mellem spændingsførende ledere og PE (beskyttelsesjord). Lynnedslag kan for eksempel introducere høje spændinger i forhold til jord i et system. Common-mode-beskyttelse hjælper med at afbøde virkningen af ​​sådanne eksterne forstyrrelser, som f.eks. lynnedslag, som illustreret nedenfor.

Den anden er differentialtilstandsbeskyttelse (CT2), som beskytter mod overspændinger mellem linjelederen (L) og neutrallederen (N). Denne type beskyttelse er især vigtig for at håndtere interne forstyrrelser, såsom elektrisk støj eller interferens genereret i selve systemet, som vist i diagrammet nedenfor.

Ved at implementere en eller begge af disse beskyttelsestilstande kan elektriske systemer bedre beskyttes mod potentielle overspændingskilder, hvilket i sidste ende forbedrer levetiden og pålideligheden af ​​tilsluttet udstyr.

Det er vigtigt at bemærke, at valget af SPD-beskyttelsestilstande skal stemme overens med det gældende jordingssystem. For TN-systemer kan både CT1- og CT2-beskyttelsestilstande anvendes. I TT-systemer kan CT1 dog kun anvendes nedstrøms for en RCD. I IT-systemer - især dem uden en neutral leder - er CT2-beskyttelse ikke relevant. Dette er en kritisk overvejelse i DC-distributionssystemer, der bruger IT-jordingskonfigurationer. Detaljer kan findes i tabellen nedenfor.

4. Nøgleparametre for overspændingsbeskyttelsesenheder (SPD)

I henhold til den internationale standard IEC 61643-11 er egenskaberne og testene for SPD'er tilsluttet lavspændingsforsyningssystemer defineret, som vist i figur 7.

(1) Spændingsbeskyttelsesniveau (op)

Det vigtigste aspekt ved valg af en SPD er dens spændingsbeskyttelsesniveau (Up), som karakteriserer SPD'ens ydeevne til at begrænse spændingen mellem terminalerne. Denne værdi skal være højere end den maksimale klemmespænding. Den nås, når strømmen, der løber gennem SPD'en, er lig med den nominelle afladningsstrøm In. Det valgte spændingsbeskyttelsesniveau skal være lavere end belastningens impulsmodstandsspænding Uw. I tilfælde af lynnedslag holdes spændingen over SPD-terminalerne generelt under Up. For PV DC-systemer refererer belastningen normalt til PV-moduler og invertere.

(2) Maksimal kontinuerlig driftsspænding (Uc)

Uc er den maksimale DC-spænding, der kontinuerligt kan påføres SPD-beskyttelsestilstanden. Den vælges baseret på nominel spænding og systemets jordkonfiguration og fungerer som aktiveringstærskel for SPD'en. For DC-siden af ​​PV-systemer skal Uc være større end eller lig med PV-arrayets Uoc Max. Uoc Max refererer til den højeste åben kredsløbsspænding mellem faseterminalerne og mellem faseterminalen og jord på det angivne punkt på PV-arrayet.

(3) Nominel afladningsstrøm (in)

Dette er spidsværdien af ​​en 8/20 μs bølgeformstrøm, der løber gennem SPD'en, og som bruges til type II-test og til forkonditioneringstest i type I og Type IIIEC kræver, at SPD'en kan modstå mindst 19 udladninger med en bølgeformstrøm på 8/20 μs. Jo højere In-værdien er, desto længere er SPD'ens levetid, men omkostningerne stiger også.

(4) Impulsstrøm (Iimp)

Denne strøm, der er defineret af tre parametre: strømtop (Ipeak), ladning (Q) og specifik energi (W/R), bruges i Type I tests. Den typiske bølgeform er 10/350 μs.