Valg av overspenningsvern for PV-systemer – typer overspenningsvern
Fotovoltaisk (PV) kraftproduksjon er en viktig kilde til fornybar energi og er svært konkurransedyktig økonomisk sammenlignet med tradisjonell kraftproduksjon. Små distribuerte PV-systemer, som solcellepaneler på taket, blir stadig mer populære. PV-systemer på taket involverer både AC- og DC-distribusjon med spenninger opptil 1500 V. DC-siden, spesielt PV-panelene, kan bli direkte utsatt for lynnedslag i høyrisikoområder, noe som gjør dem sårbare for lynskader.
Lynvern for bygninger er delt inn i ekstern beskyttelse (Lightning Protection System, LPS) og intern beskyttelse (Surge Protective Measures, SPM), basert på lynrisiko. Overspenningsvern (SPD-er), som en del av den interne beskyttelsen, beskytter mot forbigående overspenninger forårsaket av atmosfærisk lyn eller koblingsoperasjoner. Overspenningsvern installeres utenfor det beskyttede utstyret og fungerer hovedsakelig som følger: Når det ikke er noen overspenning i strømforsyningssystemet, påvirker ikke SPD-en den normale driften av systemet den beskytter betydelig. Når en overspenning oppstår, tilbyr SPD-en lav impedans, og leder overspenningsstrømmen gjennom seg selv og begrenser spenningen til et trygt nivå. Etter at overspenningen har passert og eventuell reststrøm har dødd ut, går SPD-en tilbake til en høyimpedanstilstand.
1. Installasjonssted for overspenningsvern (SPD)
Installasjonsstedet for SPD-er bestemmes i henhold til graden av lynfare og basert på konseptet for lynvernsoner (LPZ) i IEC 62305. Transiente overspenninger reduseres gradvis til et sikkert nivå, som må være under holdbarhetsspenningen til det beskyttede utstyret. Som illustrert i figur, installeres SPD-er ved grensene til disse sonene, noe som gir opphav til konseptet med flernivå overspenningsvern som brukes i lavspenningssystemer. For PV-systemer er fokuset på å forhindre at lynnedslag trenger inn gjennom AC- og DC-sidene, og dermed beskytte kritiske komponenter som omformere.
2. Testklasser for overspenningsvern (SPD)
I henhold til IEC 61643-11 er SPD-er klassifisert i tre testkategorier basert på typen lynstrømimpuls de er konstruert for å motstå. Type I-tester (merket som T1) er ment å simulere delvise lynstrømmer som kan ledes inn i en bygning. Disse bruker en 10/350 µs bølgeform, som vist i figur 1, og brukes vanligvis ved grensen mellom LPZ0 og LPZ1 – for eksempel ved hovedfordelingstavler eller lavspenningstransformatorinngangsledere. SPD-er for dette nivået er vanligvis av spenningsbrytende typen, med komponenter som gassutladningsrør eller gnistgap (f.eks. horngap eller grafittgap).
Type II (T2) og type III (T3) tester bruker impulser med kortere varighet. Type II SPD-er er vanligvis spenningsbegrensende enheter som bruker komponenter som metalloksidvaristorer (MOV-er). De testes med en nominell utladningsstrøm ved hjelp av en strømbølgeform på 8/20 µs (se figur 3), og er ansvarlige for ytterligere å begrense den gjenværende overspenningen som kommer fra oppstrøms beskyttelsesenheten. Type III-tester bruker en kombinasjonsbølgegenerator med en spenningsimpuls på 1,2/50 µs og 8/20 µs (se figur nedenfor), som simulerer overspenninger nærmere sluttbrukerutstyr.
3. Tilkoblingstype for overspenningsvern (SPD-er)
Det finnes to hovedmoduser for beskyttelse mot transiente overspenninger. Den første er fellesmodusbeskyttelse (CT1), som er utformet for å beskytte mot overspenninger mellom spenningsførende ledere og PE (beskyttelsesjord). Lynnedslag kan for eksempel introdusere høye spenninger i forhold til jord i et system. Fellesmodusbeskyttelse bidrar til å redusere virkningen av slike eksterne forstyrrelser, som lyn, som illustrert nedenfor.
Den andre er differensialmodusbeskyttelse (CT2), som beskytter mot overspenninger mellom linjelederen (L) og nøytrallederen (N). Denne typen beskyttelse er spesielt viktig for å håndtere interne forstyrrelser, for eksempel elektrisk støy eller interferens generert i selve systemet, som vist i diagrammet nedenfor.
Ved å implementere én eller begge disse beskyttelsesmodusene kan elektriske systemer bedre beskyttes mot potensielle overspenningskilder, noe som til slutt forbedrer levetiden og påliteligheten til tilkoblet utstyr.
Det er viktig å merke seg at valget av SPD-beskyttelsesmoduser bør samsvare med det aktuelle jordingssystemet. For TN-systemer kan både CT1- og CT2-beskyttelsesmoduser brukes. I TT-systemer kan imidlertid CT1 bare brukes nedstrøms for en jordfeilbryter. I IT-systemer – spesielt de uten nøytralleder – er ikke CT2-beskyttelse aktuelt. Dette er en kritisk faktor i likestrømsdistribusjonssystemer som bruker IT-jordingskonfigurasjoner. Detaljer finner du i tabellen nedenfor.
4. Viktige parametere for overspenningsvern (SPD)
I henhold til den internasjonale standarden IEC 61643-11 er egenskapene og testene til SPD-er koblet til lavspennings kraftdistribusjonssystemer definert, som vist i figur 7.
(1) Spenningsbeskyttelsesnivå (opp)
Det viktigste aspektet ved valg av SPD er dens spenningsbeskyttelsesnivå (Up), som karakteriserer SPD-ens ytelse når det gjelder å begrense spenningen mellom terminalene. Denne verdien bør være høyere enn den maksimale klemmespenningen. Den nås når strømmen som flyter gjennom SPD-en er lik den nominelle utladningsstrømmen In. Det valgte spenningsbeskyttelsesnivået må være lavere enn impulsmotstandsspenningen Uw for lasten. Ved lynnedslag holdes spenningen over SPD-terminalene vanligvis under Up. For PV DC-systemer refererer lasten vanligvis til PV-moduler og omformere.
(2) Maksimal kontinuerlig driftsspenning (Uc)
Uc er den maksimale likespenningen som kontinuerlig kan påføres SPD-beskyttelsesmodusen. Den velges basert på nominell spenning og systemets jordingskonfigurasjon og fungerer som aktiveringsterskel for SPD-en. For likespenningssiden av PV-systemer bør Uc være større enn eller lik PV-arrayets Uoc Max. Uoc Max refererer til den høyeste åpenkretsspenningen mellom faseterminalene og mellom faseterminalen og jord på det angitte punktet på PV-arrayet.
(3) Nominell utladningsstrøm (in)
Dette er toppverdien til en 8/20 μs bølgeformstrøm som flyter gjennom SPD-en, brukt for type II-tester og for forkondisjoneringstester i type I og Type IIIEC krever at SPD-en tåler minst 19 utladninger med en bølgeformstrøm på 8/20 μs. Jo høyere In-verdi, desto lengre levetid har SPD-en, men kostnaden øker også.
(4) Impulsstrøm (Iimp)
Denne strømmen er definert av tre parametere: strømtopp (Ipeak), ladning (Q) og spesifikk energi (W/R), og brukes i Type I tester. Den typiske bølgeformen er 10/350 μs.