Как подобрать размер ШПД постоянного тока для массива солнечных батарей

Введение: Цена ошибки

Представьте себе: солнечная электростанция среднего размера, работающая всего два года, внезапно отключается. Команда операторов бросается на поиски, и после нескольких часов диагностики они находят виновника. Это был не отказ панели или сбой программного обеспечения. Это был катастрофический отказ трех центральных инверторов, сердца всей работы. Первопричина? Мощный всплеск напряжения от близкого удара молнии, с которым не справились заниженные и неправильно установленные устройства защиты от перенапряжения (SPD). В результате было потрачено более $100 000 на замену оборудования и потеряна неделя дохода от генерации, что стало дорогостоящим уроком важности компонента, составляющего лишь малую часть общей стоимости системы.

Этот сценарий не гипотетический - это реальность, которая реализуется в солнечных установках по всему миру. Как отмечается в отраслевых анализах, электрические события, включая скачки напряжения, являются основной причиной отказа оборудования и простоя системы. Устройство защиты от перенапряжений постоянного тока - это не просто пункт в спецификации материалов; это необходимый страховой полис для долгосрочного здоровья и финансовой отдачи вашего солнечного актива. Как для инженера, проектирующего систему, так и для менеджера, закупающего комплектующие, понимание того, как правильно определить размеры, выбрать и разместить эти устройства, является неотъемлемым аспектом ответственного проектирования системы. В этом руководстве представлен четкий пошаговый процесс, позволяющий сделать это правильно.

Часть 1: Неумолимая природа Скачки постоянного тока

Солнечные фотоэлектрические системы уникально уязвимы для импульсных перенапряжений. Их большие, открытые массивы служат массивными антеннами для молний, а длинные кабели постоянного тока могут вызвать мощные переходные перенапряжения во время грозы. Однако наиболее важным фактором, который необходимо понять, является фундаментальная разница между переменным и постоянным током.

В системе переменного тока ток естественным образом пересекает ноль 100 или 120 раз в секунду. Это пересечение нуля обеспечивает короткое окно, в котором электрическая дуга может погаснуть. В системе постоянного тока такого пересечения нуля нет. Если дуга постоянного тока возникла - например, внутри неисправного защитного устройства, - она может поддерживать себя, выделяя огромную тепловую энергию и создавая серьезную опасность пожара.

Вот почему Никогда не используйте SPD, рассчитанные на переменный ток, в системах постоянного тока. Как подчеркивают эксперты, в СПД переменного тока отсутствуют специальные дугогасительные механизмы, необходимые для безопасного прерывания постоянного тока, что приводит к катастрофическому отказу. Правильный СПД постоянного тока спроектирован таким образом, чтобы справиться с неумолимой природой постоянного тока. Его основную функцию можно сравнить с клапаном сброса давления: он остается пассивным во время нормальной работы, но открывается за наносекунды, когда обнаруживает опасный всплеск напряжения, безопасно отводя разрушительный импульсный ток на землю. Это действие “зажимает” напряжение в системе на безопасном уровне, защищая чувствительную электронику инвертора и другие компоненты.

Часть 2: Пошаговые расчеты размеров

Определение размера СПД постоянного тока - это точная инженерная задача. Он требует систематического подхода, основанного на электрических характеристиках вашего фотоэлектрического массива и условиях окружающей среды на объекте. Следование методологии, изложенной в таких стандартах, как IEC 61643-32, гарантирует безопасную и эффективную схему защиты.

Шаг 1: Рассчитайте максимальное непрерывное рабочее напряжение (MCOV / Uc)

MCOV (часто обозначается как Uc или Ucpv) - самый важный параметр. Он определяет максимальное напряжение постоянного тока, которое СПД может выдержать без срабатывания. Если MCOV слишком низкий, SPD будет воспринимать нормальные колебания напряжения в системе как ошибку, что приведет к преждевременному износу и выходу из строя. При слишком высоком значении защитные характеристики будут снижены.

MCOV должно быть выше, чем максимально возможное напряжение разомкнутой цепи (Voc) солнечной батареи. Это не Voc при стандартных условиях испытаний (STC), а Voc при самых низких ожидаемых температурах на объекте, поскольку напряжение увеличивается при снижении температуры.

Формула выглядит следующим образом: MCOV ≥ 1,25 × Voc(max)

Где:

• Voc (макс.) максимальное напряжение сети с поправкой на самую низкую историческую температуру в месте установки.
• Сайт 1.25 Коэффициент - это важный запас прочности, учитывающий колебания напряжения и производственные допуски.

Давайте рассмотрим пример:

• Система: Ряд из 20 фотоэлектрических модулей.
• Характеристики модуля: Voc при STC = 41,5 В; Температурный коэффициент Voc = -0,28%/°C.
• Состояние участка: Самая низкая ожидаемая температура окружающей среды = -10°C.
• Максимальное значение Voc струны в STC: 20 модулей × 41,5 В = 830 В.

Сначала рассчитайте скорректированное по температуре Voc для одного модуля:
Voc(-10°C) = 41,5 В × (1 + (-0,0028/°C) × (-10°C - 25°C))
Voc(-10°C) = 41,5 В × (1 + 0,098) = 45,58 В

Затем найдите максимальное напряжение струны:
Voc(max) = 20 модулей × 45,58 В = 911,6 В

Наконец, определите требуемый MCOV для СПД:
МКОВ ≥ 1,25 × 911,6В = 1139,5В

В этом случае вы выберете СПД постоянного тока со следующим стандартным рейтингом MCOV, который больше или равен этому значению, например модель 1200 В или 1500 В .

Шаг 2: Определите уровень защиты по напряжению (вверх)

Уровень защиты по напряжению (Up) указывает на остаточное напряжение, которое пройдет через SPD и достигнет вашего оборудования во время скачка напряжения. Это показатель того, насколько хорошо SPD зажимает напряжение.

Правило простое: Up SPD должно быть ниже, чем импульсное выдерживаемое напряжение (Uw) оборудования.

В качестве наилучшей практики рекомендуется запас прочности не менее 20% (Up ≤ 0,8 × Uw). Инверторы и другая фотоэлектроника обычно имеют Uw от 2,5 кВ до 4 кВ. Если Uw инвертора составляет 2,5 кВ, вам потребуется SPD с Вверх значительно ниже 2,5 кВ, в идеале - менее или равным 2,0 кВ.

Смелый вывод: При сравнении двух одинаковых в остальном СПД лучше выбрать тот, в котором меньше Вверх обеспечивает лучшую защиту.

Шаг 3: Укажите мощность тока разряда (In, Imax, Iimp)

Этот параметр определяет прочность и срок службы СПД.

• Номинальный ток разряда (В): Пиковый ток, который SPD может выдержать в течение определенного количества скачков (обычно 15-20), не выходя из строя. Это показатель долговечность. Обычный На сайте Номинальное значение для СПД типа 2, используемых в фотоэлектрических системах, составляет 20 кА.
• Максимальный ток разряда (Imax): Максимальный импульсный ток, который SPD может выдержать за один раз без разрушения. Это показатель прочность. Как правило, она в два раза больше На сайте значение (например, 40 кА).
• Импульсный разрядный ток (Iimp): Этот рейтинг характерен для SPD типа 1 и проверяет их способность выдерживать часть прямого удара молнии, используя более жесткую форму волны 10/350 мкс.

Необходимые номиналы зависят от риска поражения молнией в конкретном месте и типа используемого SPD. Для большинства применений на стороне постоянного тока на инверторе или объединительной коробке требуется СПД типа 2 с In = 20 кА и Imax = 40 кА - стандартный и надежный выбор. .

Упрощенный рабочий процесс для определения размера СПД постоянного тока на основе ключевых параметров системы и объекта.

Часть 3: Выбор правильной технологии

Помимо электрических характеристик, важна внутренняя технология СПД. В основном используются две технологии: металлооксидные варисторы (MOV) и газоразрядные трубки (GDT), а во многих современных СПД применяется гибридный подход.

Сравнение 1: СПД типа 1 и СПД типа 2

Наиболее фундаментальный выбор - между СПД типа 1 и СПД типа 2, который определяет его применение и надежность.

Для постоянного тока типичной солнечной установки, СПД типа 2 - стандартный выбор для установки в распаечных коробках и на входе постоянного тока инвертора.  Устройство типа 1 может потребоваться на главном агрегаторе постоянного тока, если на объекте имеется система внешних молниеотводов 

Сравнение 2: технология MOV против технологии GDT

Смелый вывод: Многие высокопроизводительные СПД постоянного тока являются гибридными устройствами. Они сочетают в себе MOV, обеспечивающий быстрое срабатывание, и GDT, обеспечивающий обработку высоких энергий и изоляцию. Это позволяет использовать сильные стороны обеих технологий для обеспечения превосходной защиты.

Часть 4: Стратегическая установка: Где и как

Идеально подобранный по размеру SPD бесполезен при неправильной установке. Размещение и подключение так же важны, как и технические характеристики устройства. Наилучшей практикой является “каскадная” или многоуровневая стратегия защиты, при которой СПД устанавливаются на ключевых переходах в системе.

Для стороны постоянного тока наиболее важными являются два места:

1. В окне комбинатора строк.
2. На входе постоянного тока центрального/струнного инвертора.

Этот многоуровневый подход основан на “Правило <10 метров”.” широко принятый промышленный стандарт. Это правило гласит, что если длина кабеля постоянного тока между SPD и защищаемым оборудованием (например, между объединительной коробкой и инвертором) составляет более 10 метров (около 33 футов), На конце оборудования следует установить второй SPD. Это связано с тем, что длинные кабельные линии имеют большую индуктивность, что может привести к большим наведенным напряжениям во время скачка напряжения, сводя на нет защиту удаленного SPD.

Кроме того, длина свинца имеет первостепенное значение. Провода, соединяющие СПД с положительными, отрицательными и заземляющими клеммами, должны быть как можно короче и прямее. Каждый дюйм провода добавляет индуктивность, которая увеличивает эффективное Вверх устройства. Длинные, петляющие провода могут легко создать напряжение, достаточное для того, чтобы сделать SPD неэффективным.

Диаграмма, показывающая рекомендуемое размещение SPD на стороне постоянного и переменного тока фотоэлектрической системы с учетом правила 10 метров.

Часть 5: Обслуживание и устранение неисправностей

Устройства DC SPD разработаны как жертвенные устройства. Они поглощают повреждающую энергию, чтобы защитить более ценное оборудование. Большинство современных SPD оснащены простым визуальным индикатором состояния, часто это небольшое окошко на передней панели устройства.

• Зеленый: СПД является здоровым и обеспечивает защиту.
• Красный: Срок действия СПД истек, и она больше не обеспечивает защиту.

Вывод: Красный индикатор означает, что внутренние защитные компоненты (например, MOV) отключились из-за деградации или сильного перенапряжения. Устройство выполнило свою работу и должно быть немедленно заменено для восстановления защиты.

Эти показатели следует проверять в ходе планового технического обслуживания. Многие СПД оснащены сменными модулями, что позволяет быстро и легко заменить их без необходимости переделывать весь базовый блок.

Часть 6: Часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Мой инвертор имеет встроенные SPD. Нужны ли мне еще внешние?
Да. Хотя встроенные SPD обеспечивают хороший базовый уровень, они часто являются последней, низкоуровневой ступенью защиты. Внешние SPD, установленные в распределительных коробках, выступают в качестве основной, более надежной первой линии защиты, поглощая основную часть перенапряжения еще до того, как оно достигнет инвертора.

2. Сколько СПД необходимо для моей системы?
Это зависит от схемы и размера системы. Как минимум, вам нужен один на главном входе DC-комбайна/инвертора. Для более крупных систем с несколькими блоками объединителей и кабелями длиной более 10 метров понадобятся дополнительные SPD на каждом блоке и на центральном инверторе, по принципу каскадной защиты.

3. Что произойдет, если я использую AC SPD на стороне постоянного тока?
Он выйдет из строя, скорее всего, катастрофическим и опасным образом. В нем отсутствует способность гасить дугу постоянного тока, что может привести к перегреву и возгоранию устройства при попытке его эксплуатации.

4. Что на самом деле означает рейтинг MCOV (Uc)?
Это максимальное непрерывное напряжение постоянного тока, которое SPD может выдержать без наводок. Выбор MCOV, по крайней мере в 1,25 раза превышающего максимальное напряжение массива в холодную погоду, имеет решающее значение для предотвращения неприятных срабатываний и преждевременного выхода из строя.

5. Почему правило 10 метров так важно?
Длинные кабели обладают высокой индуктивностью. Во время быстро нарастающего импульса эта индуктивность создает значительное падение напряжения на кабеле, что увеличивает напряжение на зажиме SPD. Если кабель слишком длинный, этого дополнительного напряжения может быть достаточно, чтобы повредить оборудование, которое вы пытаетесь защитить.

6. Следует ли мне выбирать SPD с наибольшим показателем Imax?
Не обязательно. Хотя высокий Imax свидетельствует о надежности, номинальный ток разряда (In) является лучшим показателем прочности и срока службы. Для большинства фотоэлектрических систем хорошо сбалансированным и стандартным выбором является SPD типа 2 с In=20 кА / Imax=40 кА.

7. Влияет ли система заземления на выбор СПД?
Безусловно. SPD отводит импульсный ток на землю, поэтому для его эффективной работы необходима низкоомная система заземления. Конфигурация заземления системы (например, положительное или отрицательное заземление, плавающее) также диктует конкретную схему подключения SPD.

8. На какие сертификаты следует обратить внимание?
Убедитесь, что SPD сертифицирован по соответствующим стандартам. Для фотоэлектрических систем обратите внимание на соответствие стандартам IEC 61643-31 или UL 1449. Эти сертификаты гарантируют, что устройство прошло испытания на безопасность и работоспособность в специфических для солнечной энергетики сценариях.

Заключение: Важнейшая инвестиция

Определение размеров и выбор СДП постоянного тока - задача не из простых. Это систематический процесс, в котором сбалансированы электрические параметры, условия окружающей среды и стратегическое размещение. Как мы видим, основные выводы очевидны:

• Рассчитайте MCOV с поправкой на температуру Voc (макс.) и коэффициент безопасности.
• Выберите Вверх значение намного ниже допустимого напряжения вашего оборудования.
• Используйте каскадную стратегию, соблюдая правило 10 метров.
• Соединительные провода должны быть как можно короче.
• Регулярно проверяйте индикаторы состояния.

Первоначальная стоимость высококачественного, правильно установленного устройства защиты от перенапряжений постоянного тока ничтожно мала по сравнению со стоимостью замены инвертора и связанными с этим потерями генерации. Рассматривая защиту от перенапряжений как критически важную инвестицию, вы обеспечите эксплуатационную целостность и финансовую жизнеспособность вашего солнечного проекта на десятилетия вперед.