การป้องกันไฟกระชากสำหรับระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์

ที่มา: iaeimagazine.org

พายุที่สมบูรณ์แบบของ Lightning สำหรับการทำลายล้างอยู่ในทุ่งพลังงานแสงอาทิตย์ แผงโซลาร์เซลล์ 'ขนาดใหญ่ - และมักจะถูกเปิดเผยและแยก - สถานที่ตั้งทำให้การป้องกันไฟกระชากมีความสำคัญต่ออายุการใช้งาน

ฟ้าผ่าเป็นการปล่อยไฟฟ้าในชั้นบรรยากาศ เมื่อเกิดฟ้าผ่าไฟก็มีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นเนื่องจากการปล่อยพลังงาน เมฆเมฆเมฆ (เมฆฝน) มีความเข้มข้นของประจุไฟฟ้าและการสะสมของพวกเขาสร้างไอออนไนซ์ของอากาศ การแตกตัวเป็นไอออนของอากาศที่อยู่ระหว่างพื้นดินและเมฆเมฆหมอกสร้างการปลดปล่อยจากเมฆเข้าสู่พื้นดิน เมฆเมฆเมฆทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นมากที่สุดเพราะมันเป็นสิ่งที่สร้างสายฟ้า

การโจมตีด้วยฟ้าผ่าทางอ้อมเป็นการทำลายล้าง การสังเกตประวัติเกี่ยวกับกิจกรรมฟ้าผ่ามักจะเป็นตัวบ่งชี้ที่ไม่ดีของระดับของสายฟ้า - การกระตุ้นแรงดันไฟฟ้าในอาร์เรย์ PV¹- การโจมตีด้วยฟ้าผ่าทางอ้อมสามารถทำลายส่วนประกอบที่ละเอียดอ่อนภายในอุปกรณ์ PV ซึ่งมักจะมีค่าใช้จ่ายสูงในการซ่อมแซมหรือเปลี่ยนส่วนประกอบที่เสียหายและส่งผลกระทบต่อความน่าเชื่อถือของระบบ PV¹- แรงดันไฟฟ้าเกินขึ้นอยู่กับเงื่อนไขการตั้งค่าของแต่ละระบบ PV และ Wirings

ระบบ PV จะถูกเปิดเผยในพื้นที่เปิดโล่งขนาดใหญ่โดยทั่วไปในเขตข้อมูลหรือบนยอดอาคาร เมฆฝนที่มีประจุที่สะสมอยู่เหนือทุ่งโล่งนั้นมีแนวโน้มที่จะปล่อยประจุในรูปแบบของสายฟ้า เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าจะเกิดขึ้น ยิ่งมีการทำลายล้างมากเท่าใดก็ยิ่งมีการทำลายล้างมากขึ้นเท่านั้น

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สามารถเสียหายได้อย่างง่ายดายจนถึงจุดที่เกิดความหายนะโดยการกระชาก หากมีการเพิ่มขึ้นเมื่อมีบุคลากรใด ๆ ก็จะเป็นอันตรายต่อความปลอดภัยของพวกเขาเช่นกัน การโจมตีด้วยฟ้าผ่าทางอ้อมอาจเป็นอันตรายถึงชีวิตได้หากบุคคลนั้นอยู่ในระยะ 60 ฟุตจากจุดโจมตีสายฟ้า [2] เมื่อระบบ PV ตั้งอยู่บนพื้นที่อุตสาหกรรมการดำเนินธุรกิจและอุปกรณ์ก็อยู่ที่อันตรายเช่นกัน อินเวอร์เตอร์มีราคาแพง แต่สำหรับการใช้งานอุตสาหกรรมความล้มเหลวที่มีราคาแพงกว่าคือค่าใช้จ่ายในการหยุดทำงาน

เมื่อฟ้าผ่าโจมตีระบบ PV สุริยแสงมันจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าชั่วคราวและแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นภายในห่วงลวดระบบแสงอาทิตย์ PV กระแสและแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวเหล่านี้จะปรากฏขึ้นที่ขั้วอุปกรณ์และน่าจะทำให้เกิดฉนวนและความล้มเหลวของอิเล็กทริกภายในส่วนประกอบไฟฟ้า PV และอิเล็กทรอนิกส์พลังงานแสงอาทิตย์เช่นแผง PV, อินเวอร์เตอร์, อุปกรณ์ควบคุมและการสื่อสาร²เช่นเดียวกับอุปกรณ์ในการติดตั้งอาคาร³- กล่องอาร์เรย์อินเวอร์เตอร์และอุปกรณ์ MPPT (ตัวติดตามจุดสูงสุด) มีจุดสูงสุดของความล้มเหลว

เพื่อป้องกันไม่ให้พลังงานสูงผ่านอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และทำให้เกิดความเสียหายต่อแรงดันไฟฟ้าสูงต่อระบบ PV ไฟกระชากแรงดันไฟฟ้าจะต้องมีเส้นทางสู่พื้นดิน ในการทำเช่นนี้พื้นผิวนำไฟฟ้าทั้งหมดควรมีการต่อสายดินโดยตรงและการเดินสายทั้งหมดที่เข้าและออกจากระบบ (เช่นสายเคเบิลอีเธอร์เน็ตและสายไฟ AC) จะถูกรวมเข้ากับพื้นผ่านอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก (SPD)

จำเป็นต้องใช้ SPD สำหรับแต่ละกลุ่มของสตริงภายในกล่องอาร์เรย์กล่อง Recombiner และ DC Disconnect

การจำแนกประเภทอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก

SPDs ให้การป้องกันอันตรายที่เกิดจากการเพิ่มขึ้น

UL 1449 [4] กำหนดประเภท 1, ประเภท 2 และประเภท 3 SPDS:

ประเภท 1:พอร์ตหนึ่งพอร์ตที่เชื่อมต่ออย่างถาวร SPDs ยกเว้นวัตต์ - ซ็อกเก็ตมิเตอร์ชั่วโมงที่แนบมาโดยมีจุดประสงค์สำหรับการติดตั้งระหว่างทุติยภูมิของหม้อแปลงบริการและด้านสายของอุปกรณ์บริการที่มีอยู่ในปัจจุบัน Type 1 SPDs สำหรับใช้ในระบบ PV สามารถเชื่อมต่อระหว่างอาร์เรย์ PV และการตัดการเชื่อมต่อบริการหลัก

ประเภท 2:SPDs ที่เชื่อมต่ออย่างถาวรมีไว้สำหรับการติดตั้งที่ด้านโหลดของอุปกรณ์บริการที่มีกระแสเกิน รวมถึง SPDs ที่อยู่ที่แผงสาขาและ SPDs เคสแบบขึ้นรูป ค่า IMAX คือกระแสการปล่อยเดี่ยวสูงสุดที่แสดงโดยรูปคลื่น 8/20 µS ที่ SPD สามารถรองรับได้

ประเภท 3:จุดของการใช้ประโยชน์ SPDs ติดตั้งที่ความยาวตัวนำขั้นต่ำ 10 เมตรจากแผงบริการไฟฟ้าไปจนถึงจุดที่ใช้งานเช่นเชื่อมต่อสายไฟปลั๊กโดยตรง - ในประเภทเต้ารับและ SPDs ติดตั้งที่อุปกรณ์การใช้งานที่ได้รับการปกป้อง ระยะทาง (10 เมตร) ไม่รวมตัวนำที่ให้หรือใช้ในการแนบ SPD

Type 1 SPDS ป้องกันการโจมตีด้วยฟ้าผ่าโดยตรงและมีลักษณะเป็นคลื่นปัจจุบัน 10/350 µs ใช้ SPD ประเภท 1 ในอินเวอร์เตอร์กลาง

Type 2 SPDs ป้องกันการโจมตีด้วยฟ้าผ่าทางอ้อมซึ่งมีลักษณะเป็นคลื่น 8/20 µs รูปคลื่น 8/20 µs หมายความว่าการนัดหยุดงานมีเวลาเพิ่มขึ้น 8 µs และระยะเวลาเป็นหนึ่ง - ครึ่งยอดสูงสุดของ 20 µs SPD ประเภท 2 ป้องกันการแพร่กระจายของแรงดันไฟฟ้าเกินเข้าสู่การติดตั้งและอุปกรณ์ไฟฟ้า พวกเขายังป้องกันเอฟเฟกต์แม่เหล็กไฟฟ้าของ Lightning ที่แพร่กระจายคลื่นภายในสาย

ควรใช้ Type 2 SPD ในแต่ละ MPPT และภายในสตริงอินเวอร์เตอร์และกล่องอาร์เรย์

กล่องที่เกิดขึ้นมักจะเสียหายจากการนัดหยุดงานที่เป็นทางอ้อม ไม่เพียง แต่ประเภทของวัสดุและความสูงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงรูปร่างที่มีผลต่อความสามารถของวัตถุในการดึงดูดการโจมตีด้วยฟ้าผ่า หากรูปร่างของกล่องหรือวัสดุมีแนวโน้มที่จะดึงดูดการนัดหยุดงานฟ้าผ่าควรใช้ SPD ประเภท 1 หรือก้านสายฟ้า

ความสูงรูปร่างแหลมและการแยกเป็นลักษณะเด่นที่กำหนดว่าการโจมตีของสายฟ้า มันเป็นตำนานที่โลหะดึงดูดฟ้าผ่า อย่างไรก็ตามเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องทราบว่าไม่ว่าฟาร์ม PV จะอยู่ที่ใดหรือรูปร่างของวัตถุใกล้เคียง SPDs เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับระบบ PV ทุกระบบเนื่องจากความอ่อนแอโดยธรรมชาติของพวกเขาในการนัดหยุดงานโดยตรงและทางอ้อม

การเลือกอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากและการติดตั้งระบบ PV

ระบบ PV มีลักษณะเฉพาะซึ่งต้องใช้ SPD ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับระบบ PV

ระบบ PV มีแรงดันไฟฟ้า DC สูงถึง 1,500 โวลต์ จุดพลังงานสูงสุดของพวกเขาทำงานที่เพียงไม่กี่เปอร์เซ็นไทล์ที่ต่ำกว่ากระแสไฟฟ้าลัดวงจรของระบบ

ในการกำหนดโมดูล SPD ที่เหมาะสมสำหรับระบบ PV และการติดตั้งคุณต้องรู้:

ความหนาแน่นของไฟฟ้าผ่า

อุณหภูมิการทำงานของระบบ

แรงดันไฟฟ้าของระบบ

การจัดอันดับกระแสไฟฟ้าลัดวงจรของระบบ

ระดับของรูปคลื่นที่จะได้รับการปกป้องจาก (สายฟ้าทางอ้อมหรือโดยตรง); และ

กระแสการปล่อยเล็กน้อย

ข้อกำหนด SPD สำหรับการติดตั้งที่ได้รับการปกป้องโดยระบบป้องกันฟ้าผ่าภายนอก (LPS) ขึ้นอยู่กับคลาสที่เลือกของ LPS และระยะห่างจากการแยกระหว่าง LPS และการติดตั้ง PV นั้นแยกได้หรือไม่ใช่ - [4] IEC 62305-3 รายละเอียดข้อกำหนดระยะทางแยกสำหรับ LPs ภายนอก

เพื่อให้มีผลการป้องกันระดับการป้องกันแรงดันไฟฟ้าของ SPD (UP) ควรต่ำกว่าความแข็งแรงของอิเล็กทริกของอุปกรณ์เทอร์มินัลของระบบ 20 %

มันเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องใช้ SPD ที่มีวงจรลัดวงจรทนต่อกระแสไฟฟ้าสูงกว่ากระแสไฟฟ้าลัดวงจรของสตริงอาเรย์โซลาร์เซลล์ที่ SPD เชื่อมต่อกับ SPD ที่มีให้ในเอาท์พุท DC จะต้องมี DC MCOV เท่ากับหรือมากกว่าแรงดันไฟฟ้าเซลล์แสงอาทิตย์สูงสุดของแผงควบคุม

เมื่อฟ้าผ่าโจมตีที่จุด A (ดูรูปที่ 1) แผงเซลล์แสงอาทิตย์ PV และอินเวอร์เตอร์มีแนวโน้มที่จะได้รับความเสียหาย เฉพาะอินเวอร์เตอร์เท่านั้นที่จะได้รับความเสียหายหากการโจมตีของสายฟ้าที่จุด B อย่างไรก็ตามโดยทั่วไปแล้วอินเวอร์เตอร์จะเป็นส่วนประกอบที่แพงที่สุดภายในระบบ PV ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงจำเป็นต้องเลือกและติดตั้ง SPD ที่ถูกต้องทั้งสาย AC และ DC ยิ่งการนัดหยุดงานเข้าใกล้อินเวอร์เตอร์มากเท่าไหร่อินเวอร์เตอร์ก็ยิ่งเสียหายมากขึ้นเท่านั้น

รูปที่ 1.Lightning Strike Location

SPDs สำหรับด้าน DC ของระบบเซลล์แสงอาทิตย์

แหล่งที่มาของ PV มีลักษณะกระแสและแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันมากกว่าแหล่ง DC แบบดั้งเดิม: พวกเขามีลักษณะเชิงเส้นที่ไม่ใช่ - และทำให้ยาว - การคงอยู่ของอาร์คที่ติดไฟ ดังนั้นแหล่งกระแสไฟฟ้า PV ไม่เพียง แต่ต้องการสวิตช์ PV ขนาดใหญ่และฟิวส์ PV แต่ยังแยกการเชื่อมต่อสำหรับอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากซึ่งปรับให้เข้ากับลักษณะที่เป็นเอกลักษณ์นี้และสามารถรับมือกับกระแส PV ได้

SPDs ที่ติดตั้งอยู่ทางด้าน DC จะต้องได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับแอปพลิเคชัน DC การใช้ SPD ในด้าน AC หรือ DC ที่ไม่ถูกต้องเป็นอันตรายภายใต้เงื่อนไขความผิดพลาด

เมื่อใช้ SPDs ในด้าน DC พวกเขาจะต้องใช้ในด้าน AC เนื่องจากความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้น

SPDs สำหรับด้าน AC

การป้องกันไฟกระชากเป็นสิ่งสำคัญสำหรับด้าน AC เช่นเดียวกับด้าน DC ตรวจสอบให้แน่ใจว่า SPD ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับด้าน AC

เพื่อการป้องกันที่ดีที่สุดควรมีขนาด SPD โดยเฉพาะสำหรับระบบ การเลือกที่เหมาะสมจะรับประกันการป้องกันที่ดีที่สุดด้วยอายุขัยที่ยาวที่สุด

ในด้าน AC อินเวอร์เตอร์หลายตัวสามารถเชื่อมต่อกับ SPD เดียวกันได้หากพวกเขาแบ่งปันการเชื่อมต่อกริดเดียวกัน

การติดตั้ง

SPDs ควรติดตั้งต้นน้ำของอุปกรณ์ที่พวกเขาจะปกป้อง NFPA 780 12.4.2.1 กล่าวว่าการป้องกันไฟกระชากจะต้องจัดทำในเอาท์พุท DC ของแผงโซลาร์เซลล์จากบวกถึงพื้นดินและลบถึงพื้นดินที่กล่อง Combiner และ Recombiner สำหรับแผงโซลาร์เซลล์หลายตัวและที่เอาต์พุต AC ของอินเวอร์เตอร์

การติดตั้ง SPD ที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับค่าสามค่า ได้แก่ :

แรงดันไฟฟ้าต่อเนื่องสูงสุด: แรงดันไฟฟ้าที่ SPD จะเปิดใช้งาน

ระดับการป้องกันแรงดันไฟฟ้า: หมวดหมู่แรงดันไฟฟ้าเกินของอุปกรณ์จะต้องสูงกว่าระดับการป้องกันแรงดันไฟฟ้าของ SPD

กระแสการปล่อยเล็กน้อย: ค่าสูงสุดของรูปคลื่น (8/20 µs สำหรับ Type 2 SPDS) ว่า SPD สามารถทนต่อการหยุดยั้งได้หลังจากเกิดขึ้นซ้ำ ๆ

สายเคเบิล

สายเคเบิลในระบบ PV มักจะขยายไปในระยะทางไกลเพื่อให้สามารถไปถึงจุดเชื่อมต่อกริด อย่างไรก็ตามไม่แนะนำให้ใช้ความยาวสายเคเบิลยาวและระบบ PV นั้นยังห่างไกลจากข้อยกเว้น

นี่เป็นเพราะเอฟเฟกต์ของฟิลด์ - และดำเนินการรบกวนทางไฟฟ้าที่เกิดจากการปล่อยฟ้าผ่าเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับความยาวสายเคเบิลที่เพิ่มขึ้นและลูปตัวนำ เมื่อแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วคราวเกิดขึ้นแรงดันไฟฟ้าแบบอุปนัยใด ๆ จะลดลงในสายเคเบิลที่เชื่อมต่อสามารถทำให้ผลการป้องกันของ SPD อ่อนลง สิ่งนี้มีโอกาสน้อยที่จะเกิดขึ้นหากสายเคเบิลถูกกำหนดเส้นทางให้สั้นที่สุด

แรงดันไฟกระชากเป็นตัวช่วยสำคัญต่อความล้มเหลวของสายเคเบิลและแรงกระตุ้นแต่ละสายบนสายเคเบิลจะช่วยลดความแข็งแรงของฉนวนกันความร้อนของสายเคเบิล

หากไฟกระชากถูกฉีดเข้าไปในขาตั้ง - ระบบ PV เพียงอย่างเดียว (ระบบที่อยู่ไกลจากกริดพลังงาน) การดำเนินการอุปกรณ์ใด ๆ ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์เช่นอุปกรณ์การแพทย์หรือแหล่งน้ำอาจหยุดชะงัก

ตำแหน่งและปริมาณของ SPDs ที่จะติดตั้งบนด้าน DC ขึ้นอยู่กับความยาวของสายเคเบิลระหว่างแผงโซลาร์เซลล์และอินเวอร์เตอร์ (ดูตารางที่ 1) หากความยาวน้อยกว่า 10 เมตรจำเป็นต้องมี SPD เพียงตัวเดียวและควรติดตั้ง SPD ภายในบริเวณใกล้เคียงกับอินเวอร์เตอร์ หากความยาวของสายเคเบิลมากกว่า 10 เมตรให้ติดตั้ง SPD หนึ่งตัวภายในบริเวณใกล้เคียงของอินเวอร์เตอร์เช่นเดียวกับ SPD ที่สองในกล่องที่อยู่ใกล้กับแผงโซลาร์เซลล์

เส้นทางสายเคเบิลในลักษณะที่หลีกเลี่ยงลูปตัวนำขนาดใหญ่ สาย AC และ DC และสายข้อมูลจะต้องถูกกำหนดเส้นทางพร้อมกับตัวนำพันธะ equipotential ตลอดเส้นทางเพื่อให้แน่ใจว่าลูปตัวนำจะไม่เกิดขึ้นจากการถูกกำหนดเส้นทางผ่านหลายสายหรือเมื่อเชื่อมต่ออินเวอร์เตอร์กับการเชื่อมต่อกริด

ตารางที่ 1.การเลือก SPD

วิธีรวม SPDs กับอินเวอร์เตอร์

ฟาร์ม PV ประกอบด้วยอุปกรณ์ที่มีความละเอียดอ่อนมากซึ่งต้องการการป้องกันที่กว้างขวาง เนื่องจากฟาร์ม PV สร้างพลังงานโดยตรง (DC) อินเวอร์เตอร์ (ซึ่งจำเป็นในการแปลงพลังงานนี้จาก DC เป็น AC) เป็นองค์ประกอบที่สำคัญในการผลิตไฟฟ้า น่าเสียดายที่อินเวอร์เตอร์ไม่เพียง แต่มีความอ่อนไหวต่อการนัดหยุดงานของสายฟ้าเท่านั้น แต่ยังมีราคาแพงอย่างไม่น่าเชื่อ

NFPA 780มาตรฐานสำหรับการติดตั้งระบบป้องกันฟ้าผ่าใน 12.4.2.3 ต้องใช้ SPD เพิ่มเติมที่อินพุต DC ของอินเวอร์เตอร์หากอินเวอร์เตอร์ของระบบมีมากกว่า 30 เมตรจากกล่อง Combiner หรือ Recombiner ที่ใกล้ที่สุด

ติดตั้ง SPD ระหว่างฟิวส์และอินเวอร์เตอร์หากมีตัวป้องกันสตริง (เช่นฟิวส์เบรกเกอร์ DC หรือไดโอดสตริง) [ดูรูปที่ 2]

รูปที่ 2.SPD อย่างถูกต้องและเชื่อมต่ออย่างไม่ถูกต้องกับอินเวอร์เตอร์ด้วยตัวป้องกันสตริง

ในการเชื่อมต่อ SPD เมื่อมีอินเวอร์เตอร์ที่มีกล่องฟิวส์ในตัวตรวจสอบให้แน่ใจว่าฟิวส์ภายในถูกบายพาสและเชื่อมต่อสตริงภายนอก (ดูรูปที่ 3) SPDs จะต้องติดตั้งนอกของอินเวอร์เตอร์และในประเภท NEMA - 3 r ที่แนบมาหรือสูงกว่าถ้าเป็นแอปพลิเคชันกลางแจ้ง

ควรติดตั้งอินเวอร์เตอร์สตริงให้ใกล้กับสตริงมากที่สุด สายเคเบิล SPD ที่เชื่อมต่อกับเครือข่าย L+/L - และระหว่างบล็อกเทอร์มินัลของ SPD และ busbar ภาคพื้นดินจะต้องน้อยกว่า 2.5 เมตร ยิ่งสายเคเบิลเชื่อมต่อที่สั้นลงยิ่งมีประสิทธิภาพและค่าใช้จ่ายมากขึ้น - การป้องกันจะมีประสิทธิภาพมากขึ้น

สำหรับอินเวอร์เตอร์ที่มีตัวติดตาม MPP เพียงตัวเดียวให้รวมสตริงก่อนอินเวอร์เตอร์และเชื่อมต่อกับ SPD ที่จุดเชื่อมต่อ

ควรวางแผนชุดค่าผสม SPD สำหรับแต่ละอินพุตเมื่ออินเวอร์เตอร์มีตัวติดตาม MPP หลายตัว ต้องใช้ SPD สำหรับแต่ละอินพุตที่หลอมรวมด้วยไดโอดสตริง

รูปที่ 3.SPD เชื่อมต่อกับอินเวอร์เตอร์ด้วยกล่องฟิวส์ในตัว

บทสรุป

การใช้งานอุปกรณ์เซลล์แสงอาทิตย์โดยไม่มีการป้องกันไฟกระชากที่เหมาะสมนั้นเป็นมากกว่าธุรกิจที่มีความเสี่ยง - มันประมาท

เพื่อให้ระบบพลังงานแสงอาทิตย์เป็นอนาคตของโลกที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมพวกเขาจะต้องได้รับการปกป้อง การเกิดฟ้าผ่านั้นไม่สามารถหยุดยั้งได้ดังนั้นการป้องกันจึงเป็นสิ่งจำเป็น

ช่องโหว่ของระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ต่อการโจมตีด้วยฟ้าผ่า - ทั้งทางตรงและทางอ้อม - หมายความว่าพวกเขาจะต้องสร้างด้วยการป้องกันไฟกระชากที่เชื่อถือได้และติดตั้งอย่างเหมาะสม