Samarbeid med overspenningsvern, effektbrytere og sikringer i solcelleanlegg: Funksjonsanalyse og nødvendighetsdiskusjon

Introduksjon

Med den raske utviklingen av den globale solcelleindustrien har sikkerheten og stabiliteten til solcelleanlegg blitt fokus for bransjens oppmerksomhet. Solcelleanlegg er utsatt for utendørsmiljøer over lang tid og er sårbare for trusler som lynnedslag, svingninger i strømnettet og utstyrsfeil, som kan forårsake skade på utstyr eller til og med brann. Overspenningsvern (SPD-er), effektbrytere og sikringer er viktige beskyttelsesenheter som hver utfører sine oppgaver og samarbeider med hverandre for å sikre sikker drift av systemet. Denne artikkelen vil analysere deres funksjoner, koordineringsmekanismer og nødvendighet grundig for å gi referanse til industribrukere.

I. Den «usynlige morderen» som står overfor solcelleanlegg

Fotovoltaiske kraftverk er som «stålkrigere» som jobber i friluft og stadig utholder ulike tøffe tester.

1.1 Problemer med lynnedslag:

Spesielt i Midtøsten og Sørøst-Asia kan én enkelt tordenværsesong lamme systemer som mangler beskyttelse.
1.2 Fluktuasjoner i strømnettet:
I det chilenske prosjektet jeg hadde ansvaret for, ble flere utstyrsenheter utbrent på grunn av en plutselig økning i nettspenningen.

1.3 Kortslutningsrisiko:
I fjor opplevde et prosjekt i Tyskland en kortslutning på grunn av aldrende kabler, noe som nesten forårsaket brann.

Disse risikoene er ingen overdrivelse. Ifølge International Photovoltaic Safety Alliance skyldes over 60 % av feil i solcelleanlegg utilstrekkelig elektrisk beskyttelse.

II. Kjernefunksjoner til overspenningsvern (SPD)

2.1 Arbeidsprinsipp
SPD-er leder forbigående overspenning til jord via metalloksidvaristorer (MOV) eller gassutladningsrør (GDT), og begrenser spenningen innenfor et trygt område. I solcelleanlegg installeres SPD-er vanligvis på følgende steder:
DC-side (mellom modulene og omformeren): For å beskytte mot lynnedslag.
AC-side (mellom omformeren og nettet): For å undertrykke overspenning fra nettsiden.

2.2 Viktige parametere
Maksimal kontinuerlig driftsspenning (Uc): Må samsvare med spenningsnivået til det solcelleanlegget (for eksempel 1000V DC eller 1500V DC).
Utladningsstrøm (In/Iimp): Reflekterer evnen til å utlade lynstrøm, og solcelleanlegg krever vanligvis 20 kA eller mer.
Spenningsbeskyttelsesnivå (opp): Bestemmer restspenningsstørrelsen og må være lavere enn motstandsspenningen til det beskyttede utstyret.

2.3 Nødvendighet
Forhindre at dyrt utstyr som omformere og kombinerbokser blir skadet av overspenninger.
Overhold internasjonale standarder (som IEC 6164331, UL 1449) og godkjenningskrav for solcelleanlegg.

Ⅲ. Funksjon og valg av effektbrytere og sikringer

3.1 Sikringsbryter
Funksjon:
• Overbelastningsbeskyttelse: Når strømmen overstiger den innstilte verdien (for eksempel 1,3 ganger nominell strøm), aktiveres den termiske utløsermekanismen.
• Kortslutningsbeskyttelse: Den elektromagnetiske utløsermekanismen kutter av kortslutningsstrømmen (for eksempel 10 kA) i løpet av millisekunder.

• Bruksegenskaper for fotovoltaisk energi:
En dedikert likestrømsbryter (for eksempel DC 1000V/1500V) må velges.
Brytekapasiteten bør samsvare med systemets kortslutningsstrøm (typisk ≥ 15 kA).

3.2 Sikring
Funksjon:
Ved å smelte sikringselementet kan den raskt isolere den defekte kretsen og beskytte den seriekoblede grenen.

Fordeler:
Frakoblingshastigheten er raskere (på mikrosekundnivå), egnet for scenarier med høy kortslutningsstrøm.
Den er liten i størrelse og egnet for strømførende bokser med begrenset plass.

3.3 Samarbeid med SPD

SPD er ansvarlig for spenningsvern, mens sikringsbrytere/sikringsbeskyttere er ansvarlige for strømvern.
Når SPD-en svikter på grunn av overspenningsavbrudd, kan effektbrytere eller sikringsbeskyttere raskt kutte den defekte kretsen for å forhindre brann.

Ⅳ. Casestudie av flernivåbeskyttelsessystem

Ta et solcellekraftverk på 1 MW som et eksempel:
4.1 Beskyttelse på likestrømssiden
Komponentserieforgreninger: Installer sikringer (for eksempel 10A gPV-typen) for hver serie.
Innføring av kombinatorboksen: Installer type II SPD (opptil ≤ 1,5 kV) og DC-sikring (63 A).

4.2 Beskyttelse på AC-siden
Utgangsenden på omformeren: Konfigurer type 1+2 SPD (Iimp ≥ 12,5 kA) og støpt sikringsbryter (250 A).

4.3 Simulering av feilscenario
Når et lynnedslag inntreffer: SPD-en utløser overspenningsstrømmen og holder spenningen under 2 kV; hvis SPD-en svikter på grunn av kortslutning, utløses effektbryteren.
Ved kortslutning: Sikringen smelter innen 5 ms for å forhindre spredning av termisk punkteffekt.

Ⅴ. Forholdsregler for valg og installasjon

5.1 Valg av hastighetsregulator
For DC-siden bør en fotovoltaisk spesifikk SPD (som PVSPD) velges for å unngå problemet med reversstrøm fra vanlig AC SPD.
Temperaturmargin bør tas i betraktning (Uc må ha en margin i miljøer med høy temperatur).

5.2 Samsvar mellom sikringsbrytere
Brytekapasiteten bør være høyere enn systemets maksimale kortslutningsstrøm (f.eks. kan strengens feilstrøm nå 1,5 kA).
Sikringens nominelle strøm skal være mer enn 1,56 ganger komponentens kortslutningsstrøm (Isc) (i samsvar med NEC 690.8).

5.3 Forslag til systemintegrasjon
Lengden på ledningen mellom SPD og sikringsbryter bør være ≤ 0,5 m for å redusere restspenning.
Regelmessige inspeksjoner av SPD-statusindikatorer bør utføres, og defekte moduler bør byttes ut i tide.

Ⅵ. Bransjetrender og standardoppdateringer
• Høyspenningsbehov: Med den utbredte bruken av 1500 V solcelleanlegg, må motstandsspenningsnivåene til SPD-er og effektbrytere forbedres synkront.

• Intelligent overvåking: Intelligente SPD-er som integrerer temperatursensorer og trådløse kommunikasjonsfunksjoner blir gradvis tatt i bruk for å oppnå tidlig varsling av feil på avstand.

•Standard forsterkning: Den nye versjonen av IEC 625482023 har innført strengere koordineringskrav til beskyttelsesenheter for solcelleanlegg.

Konklusjon
I solcelleanlegg utgjør overspenningsvern, effektbrytere og sikringer et komplett samarbeidende beskyttelsessystem med "spenning-strøm". Riktig valg og konfigurasjon av disse komponentene kan ikke bare forlenge levetiden til utstyr og redusere drifts- og vedlikeholdskostnader, men er også viktige forutsetninger for å sikre sikker drift av kraftverk. Med utviklingen av teknologi vil integreringen og intelligensen til disse beskyttelsesenhetene ytterligere forbedre påliteligheten til solcelleanlegg i fremtiden.