Samenwerking tussen overspanningsbeveiligers, stroomonderbrekers en zekeringen in fotovoltaïsche systemen: functionele analyse en discussie over de noodzaak.

Invoering

Met de snelle ontwikkeling van de wereldwijde fotovoltaïsche industrie is de veiligheid en stabiliteit van zonne-energiesystemen een belangrijk aandachtspunt geworden. Fotovoltaïsche systemen staan ​​lange tijd buiten en zijn kwetsbaar voor bedreigingen zoals blikseminslagen, schommelingen in het elektriciteitsnet en defecten aan apparatuur, die schade aan de apparatuur of zelfs brand kunnen veroorzaken. Overspanningsbeveiligers (SPD's), stroomonderbrekers en zekeringen zijn essentiële beveiligingscomponenten die elk hun eigen functie vervullen en met elkaar samenwerken om de veilige werking van het systeem te garanderen. Dit artikel analyseert hun functies, coördinatiemechanismen en noodzaak diepgaand om gebruikers in de industrie van relevante informatie te voorzien.

I. De "onzichtbare moordenaar" die fotovoltaïsche systemen bedreigt

Zonne-energiecentrales zijn als "stalen krijgers" die in de open lucht werken en voortdurend allerlei zware beproevingen doorstaan.

1.1 Problemen met blikseminslagen:

Met name in het Midden-Oosten en Zuidoost-Azië kan één enkel onweersseizoen systemen die geen bescherming bieden, lamleggen.
1.2 Schommelingen in het elektriciteitsnet:
Bij het Chileense project waar ik de leiding over had, zijn verschillende apparaten doorgebrand als gevolg van een plotselinge stijging van de netspanning.

1.3 Risico op kortsluiting:
Vorig jaar deed zich bij een project in Duitsland een kortsluiting voor als gevolg van verouderde kabels, wat bijna tot brand leidde.

Deze risico's zijn niet overdreven. Volgens de International Photovoltaic Safety Alliance is meer dan 60% van de storingen in fotovoltaïsche systemen te wijten aan ontoereikende elektrische beveiliging.

II. Kernfuncties van overspanningsbeveiligingsapparaten (SPD)

2.1 Werkingsprincipe
Een SPD leidt tijdelijke overspanningen af ​​naar aarde via metaaloxidevaristoren (MOV's) of gasontladingsbuizen (GDT's), waardoor de spanning binnen een veilig bereik blijft. In fotovoltaïsche systemen worden SPD's doorgaans op de volgende locaties geïnstalleerd:
DC-zijde (tussen de modules en de omvormer): Ter bescherming tegen door bliksem veroorzaakte spanningspieken.
Wisselstroomzijde (tussen de omvormer en het net): Om overspanning vanuit het net te onderdrukken.

2.2 Belangrijkste parameters
Maximale continue bedrijfsspanning (Uc): Moet overeenkomen met het spanningsniveau van het fotovoltaïsche systeem (bijvoorbeeld 1000V DC of 1500V DC).
Ontladingsstroom (In/Iimp): Geeft het vermogen weer om bliksemstroom af te voeren. Fotovoltaïsche systemen vereisen doorgaans 20 kA of meer.
Spanningsbeveiligingsniveau (Up): Bepaalt de grootte van de restspanning en moet lager zijn dan de doorslagspanning van de beveiligde apparatuur.

2.3 Noodzaak
Voorkom dat dure apparatuur zoals omvormers en verdeelkasten beschadigd raken door spanningspieken.
Voldoen aan internationale normen (zoals IEC 6164331, UL 1449) en acceptatie-eisen voor fotovoltaïsche energiecentrales.

III. Functie en selectie van stroomonderbrekers en zekeringen

3.1 Stroomonderbreker
Functie:
•Overbelastingsbeveiliging: Wanneer de stroom de ingestelde waarde overschrijdt (bijvoorbeeld 1,3 keer de nominale stroom), treedt het thermische uitschakelmechanisme in werking.
•Kortsluitingsbeveiliging: Het elektromagnetische uitschakelmechanisme onderbreekt de kortsluitstroom (bijvoorbeeld 10 kA) binnen milliseconden.

•Toepassingskenmerken voor fotovoltaïsche systemen:
Er moet een speciale DC-stroomonderbreker (zoals DC 1000V/1500V) worden geselecteerd.
Het uitschakelvermogen moet overeenkomen met de kortsluitstroom van het systeem (doorgaans ≥ 15 kA).

3.2 Zekering
Functie:
Door het zekeringelement te laten smelten, kan het defecte circuit snel worden geïsoleerd en de in serie geschakelde tak worden beschermd.

Voordelen:
De ontkoppelingssnelheid is hoger (op microsecondenniveau), waardoor deze geschikt is voor situaties met een hoge kortsluitstroom.
Het is klein van formaat en geschikt voor stroomvoerende dozen met beperkte ruimte.

3.3 Samenwerking met SPD

De SPD (Surface Power Device) zorgt voor spanningsbeveiliging, terwijl stroomonderbrekers/zekeringen zorgen voor stroombeveiliging.
Als een overspanningsbeveiliging uitvalt door een spanningspiek, kunnen stroomonderbrekers of zekeringen het defecte circuit snel uitschakelen om brand te voorkomen.

IV. Casestudie van een meerlaags beveiligingssysteem

Neem bijvoorbeeld een fotovoltaïsche energiecentrale van 1 MW:
4.1 Beveiliging aan de DC-zijde
Componentreeksvertakkingen: Installeer zekeringen (bijvoorbeeld van het type 10A gPV) voor elke reeks.
Ingang van de verdeelkast: Installeer een type II overspanningsbeveiliging (Up ≤ 1,5 kV) en een gelijkstroomschakelaar (63 A).

4.2 Bescherming aan de AC-zijde
Uitgangszijde van de omvormer: Configureer een type 1+2 SPD (Iimp ≥ 12,5 kA) en een gegoten stroomonderbreker (250 A).

4.3 Simulatie van foutscenario's
Bij een blikseminslag: de overspanningsbeveiliging (SPD) voert de overspanningspiek af en houdt de spanning onder de 2 kV; als de SPD door kortsluiting uitvalt, schakelt de stroomonderbreker uit.
Bij een kortsluiting in een leiding: De zekering smelt binnen 5 ms om de verspreiding van het thermische punteffect te voorkomen.

V. Voorzorgsmaatregelen bij selectie en installatie

5.1 SPD-selectie
Voor de DC-zijde moet een specifiek voor fotovoltaïsche systemen ontworpen overspanningsbeveiliging (zoals PVSPD) worden gekozen om het probleem van omgekeerde stroom bij gewone AC-overspanningsbeveiligingen te voorkomen.
Er moet rekening worden gehouden met de temperatuurmarge (Uc moet een marge aanhouden in omgevingen met hoge temperaturen).

5.2 Afstemming van stroomonderbreker/zekering
Het uitschakelvermogen moet hoger zijn dan de maximale kortsluitstroom van het systeem (de foutstroom van de string kan bijvoorbeeld 1,5 kA bereiken).
De nominale stroomsterkte van de zekering moet meer dan 1,56 keer de kortsluitstroom (Isc) van het component bedragen (conform NEC 690.8).

5.3 Suggesties voor systeemintegratie
De lengte van de draad tussen de overspanningsbeveiliging (SPD) en de stroomonderbreker mag maximaal 0,5 meter bedragen om restspanning te verminderen.
Regelmatige controles van de statusindicatoren van de SPD moeten worden uitgevoerd en defecte modules moeten tijdig worden vervangen.

VI. Trends in de sector en updates van standaarden
•Hoge spanningsvraag: Door de wijdverspreide toepassing van 1500V fotovoltaïsche systemen moeten de doorslagspanningsniveaus van overspanningsbeveiligingen en stroomonderbrekers synchroon worden verhoogd.

•Intelligente bewaking: Intelligente overspanningsbeveiligingen (SPD's) die temperatuursensoren en draadloze communicatiefuncties integreren, worden steeds vaker toegepast voor vroegtijdige waarschuwing bij storingen op afstand.

•Versterking van de norm: De nieuwe versie van IEC 625482023 legt strengere coördinatie-eisen op aan beveiligingsapparaten voor fotovoltaïsche systemen.

Conclusie
In fotovoltaïsche systemen vormen overspanningsbeveiligers, stroomonderbrekers en zekeringen een compleet, gezamenlijk beveiligingssysteem voor spanning en stroom. De juiste selectie en configuratie van deze componenten verlengt niet alleen de levensduur van de apparatuur en verlaagt de bedrijfs- en onderhoudskosten, maar is ook essentieel voor de veilige werking van de energiecentrales. Met de verdere ontwikkeling van de technologie zal de integratie en intelligentie van deze beveiligingscomponenten de betrouwbaarheid van fotovoltaïsche systemen in de toekomst verder verhogen.