Selectie van overspanningsbeveiligingsapparaten voor PV-systemen – Soorten overspanningsbeveiligingsapparaten
Fotovoltaïsche (PV) energieopwekking is een belangrijke bron van hernieuwbare energie en is economisch zeer concurrerend ten opzichte van traditionele energieopwekking. Kleine, decentrale PV-systemen, zoals zonnepanelen op daken, worden steeds populairder. PV-systemen op daken maken gebruik van zowel wisselstroom- als gelijkstroomdistributie met spanningen tot wel 1500V. De gelijkstroomzijde, met name de PV-panelen, kan in risicogebieden direct blootgesteld worden aan blikseminslagen, waardoor ze kwetsbaar zijn voor bliksemschade.
Bliksembeveiliging voor gebouwen wordt, afhankelijk van het bliksemrisico, onderverdeeld in externe beveiliging (bliksembeveiligingssysteem, LPS) en interne beveiliging (overspanningsbeveiliging, SPM). Overspanningsbeveiligingsapparaten (SPD's), als onderdeel van de interne beveiliging, beschermen tegen tijdelijke overspanningen veroorzaakt door atmosferische bliksem of schakelhandelingen. SPD's worden buiten de te beveiligen apparatuur geïnstalleerd en werken hoofdzakelijk als volgt: wanneer er geen overspanning in het elektriciteitsnet is, heeft de SPD geen significante invloed op de normale werking van het systeem dat hij beschermt. Wanneer er een overspanning optreedt, biedt de SPD een lage impedantie, waardoor de overspanningsstroom door zichzelf wordt geleid en de spanning tot een veilig niveau wordt beperkt. Nadat de overspanning is verdwenen en eventuele reststroom is uitgedoofd, keert de SPD terug naar een hoge impedantie.
1. De installatielocatie van overspanningsbeveiligingsapparaten (SPD)
De installatielocatie van overspanningsbeveiligingen (SPD's) wordt bepaald op basis van de mate van blikseminslaggevaar en het concept van bliksembeveiligingszones (LPZ) in IEC 62305. Transiënte overspanningen worden geleidelijk gereduceerd tot een veilig niveau, dat lager moet zijn dan de doorslagspanning van de te beschermen apparatuur. Zoals weergegeven in de afbeelding, worden SPD's geïnstalleerd aan de grenzen van deze zones, wat leidt tot het concept van meerlaagse overspanningsbeveiliging dat wordt gebruikt in laagspanningssystemen. Bij PV-systemen ligt de focus op het voorkomen dat blikseminslagen via de wisselstroom- en gelijkstroomzijde binnendringen, waardoor kritieke componenten zoals omvormers worden beschermd.
2. Testklassen voor overspanningsbeveiligingsapparaten (SPD's)
Volgens IEC 61643-11 worden overspanningsbeveiligingen (SPD's) ingedeeld in drie testcategorieën op basis van het type bliksemstroomimpuls waartegen ze bestand moeten zijn. Type I-tests (aangeduid als T1) zijn bedoeld om gedeeltelijke bliksemstromen te simuleren die een gebouw kunnen binnendringen. Deze tests maken gebruik van een 10/350 µs-golfvorm, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding, en worden doorgaans toegepast op de grens tussen LPZ0 en LPZ1, bijvoorbeeld bij hoofdverdeelborden of ingangen van laagspanningstransformatoren. SPD's voor dit niveau zijn meestal van het spanningsschakelende type, met componenten zoals gasontladingsbuizen of vonkbruggen (bijvoorbeeld hoornvonkbruggen of grafietvonkbruggen).
Type II (T2) en Type III (T3) tests maken gebruik van kortere impulsen. Type II SPD's zijn meestal spanningsbegrenzende apparaten die componenten zoals metaaloxidevaristoren (MOV's) gebruiken. Ze worden getest met een nominale ontladingsstroom met een stroomgolfvorm van 8/20 µs (zie onderstaande afbeelding) en zijn verantwoordelijk voor het verder beperken van de resterende overspanning afkomstig van het stroomopwaartse beveiligingsapparaat. Type III tests maken gebruik van een gecombineerde golfgenerator met een spanningsimpuls van 1,2/50 µs en een stroomimpuls van 8/20 µs (zie onderstaande afbeelding), waarmee overspanningen dichter bij de eindgebruiksapparatuur worden gesimuleerd.
3. Aansluitingstype van overspanningsbeveiligingsapparaten (SPD's)
Er zijn twee belangrijke beschermingsmechanismen tegen transiënte overspanningen. Het eerste is common-mode beveiliging (CT1), die is ontworpen om te beschermen tegen spanningspieken tussen actieve geleiders en PE (beschermende aarde). Blikseminslagen kunnen bijvoorbeeld hoge spanningen ten opzichte van aarde in een systeem introduceren. Common-mode beveiliging helpt de impact van dergelijke externe verstoringen, zoals bliksem, te beperken, zoals hieronder wordt geïllustreerd.
De tweede is differentiële beveiliging (CT2), die beschermt tegen spanningspieken tussen de fasegeleider (L) en de nulgeleider (N). Dit type beveiliging is vooral belangrijk voor het aanpakken van interne storingen, zoals elektrische ruis of interferentie die binnen het systeem zelf wordt gegenereerd, zoals weergegeven in het onderstaande diagram.
Door een of beide van deze beveiligingsmodi te implementeren, kunnen elektrische systemen beter worden beschermd tegen mogelijke overspanningsbronnen, waardoor de levensduur en betrouwbaarheid van aangesloten apparatuur uiteindelijk worden verbeterd.
Het is belangrijk om te weten dat de keuze van de SPD-beveiligingsmodi moet aansluiten op het aanwezige aardingssysteem. Voor TN-systemen kunnen zowel CT1- als CT2-beveiligingsmodi worden gebruikt. In TT-systemen kan CT1 echter alleen stroomafwaarts van een aardlekschakelaar worden toegepast. In IT-systemen – met name systemen zonder nulleider – is CT2-beveiliging niet van toepassing. Dit is een cruciale overweging in gelijkstroomdistributiesystemen die gebruikmaken van IT-aardingsconfiguraties. Meer details vindt u in de onderstaande tabel.
4. Belangrijkste parameters van overspanningsbeveiligingsapparaten (SPD)
Volgens de internationale norm IEC 61643-11 worden de kenmerken en tests van overspanningsbeveiligingen (SPD's) die zijn aangesloten op laagspanningsdistributiesystemen gedefinieerd, zoals weergegeven in figuur 7.
(1) Spanningsbeveiligingsniveau (omhoog)
Het belangrijkste aspect bij de selectie van een SPD is het spanningsbeveiligingsniveau (Up), dat de prestaties van de SPD kenmerkt bij het beperken van de spanning tussen de klemmen. Deze waarde moet hoger zijn dan de maximale klemspanning. Deze wordt bereikt wanneer de stroom die door de SPD vloeit gelijk is aan de nominale ontlaadstroom In. Het gekozen spanningsbeveiligingsniveau moet lager zijn dan de impulsbestendigheidsspanning Uw van de belasting. In geval van blikseminslag wordt de spanning over de SPD-klemmen over het algemeen onder Up gehouden. Bij PV-DC-systemen verwijst de belasting meestal naar PV-modules en omvormers.
(2) Maximale continue bedrijfsspanning (Uc)
Uc is de maximale gelijkspanning die continu kan worden toegevoerd aan de overspanningsbeveiliging (SPD). Deze waarde wordt gekozen op basis van de nominale spanning en de aardingsconfiguratie van het systeem en dient als activeringsdrempel voor de SPD. Voor de gelijkstroomzijde van PV-systemen moet Uc groter of gelijk zijn aan de maximale open-circuitspanning (Uoc Max) van de PV-array. Uoc Max verwijst naar de hoogste open-circuitspanning tussen de faseklemmen en tussen de faseklem en aarde op het aangewezen punt van de PV-array.
(3) Nominale ontlaadstroom (In)
Dit is de piekwaarde van een 8/20 μs golfvormstroom die door de SPD loopt, gebruikt voor Type II-tests en voor voorconditioneringstests in Type I en Type IIIEC vereist dat de overspanningsbeveiliging (SPD) bestand is tegen ten minste 19 ontladingen met een stroomgolfvorm van 8/20 μs. Hoe hoger de In-waarde, hoe langer de levensduur van de SPD, maar hoe hoger de kosten.
(4) Impulsstroom (Iimp)
Deze stroom, gedefinieerd door drie parameters: piekstroom (Ipeak), lading (Q) en specifieke energie (W/R), wordt gebruikt in Type I tests. De typische golfvorm is 10/350 μs.