Разединители за PV инсталации

• Разединители могат да бъдат използвани за изолиране на части от фотоволтаичния масив, заземяване на системата или за комутиране на потенциални контури за съхранение на енергия
  
  
• Най-значимите фактори, които превръщат прекъсването на постоянни токове в предизвикателство, са температурата и коефициентът на проводимост на дъгата, товаровата индуктивност (времеконстанта) и напрежението през разединителя
  
  
• Три основни параметъра трябва да бъдат взети предвид при избора на разединители за приложение във фотоволтаични инсталации – номиналното изолационно напрежение, номиналното работно напрежение и номиналният работен ток

Соларните фотоволтаични системи преобразуват слънчевата радиация в чиста електроенергия чрез PV панели, състоящи се от полупроводникови клетки, които поглъщат енергията на фотоните и генерират постоянен ток. Поради ниската производителност на един-единствен панел, няколко PV панела обикновено са свързани последователно за по-високи напрежения и успоредно за токове с по-голяма величина. Така свързаните панели формират стрингове, които при по-големи системи се свързват успоредно, формирайки PV масив с изходен постоянен ток, равен на сумата от изходните токове на стринговете. Схемата на свързване на панелите може да се нарече PV генератор, независимо дали се състои от един или стотици панели.

Получената енергия може да се използва захранване на товари на местно ниво (системи, неприсъединени към мрежата) или да се подаде към електроразпределителната мрежа. Тъй като изходният ток от PV генератора е постоянен, а повечето публични мрежи приемат само променлив ток, се използват инвертори, които преобразуват тока от постоянен в променлив. В допълнение, изходният ток и изходното напрежение от PV генераторите не са постоянни, което налага необходимостта инверторът да регулира измененията в тока и напрежението на входа си, за да приема електроенергия от генератора.

Например наличното количество светлина, разбира се, допринася за изходния ток на PV клетките, докато изходното напрежение се повлиява негативно от температурата на клетките. Между PV панелите и променливотоковата мрежа стоят компонентите за балансиране на системата, към които спадат инверторът, свързващите кабели и проводници, максималнотоковата защита, защитата от пренапрежение, заземителното оборудване и устройствата за комутиране и разединяване на различни участъци от схемата. Съгласно Националния електрически кодекс на САЩ (NEC) се изисква осигуряването на разединител при постояннотоковата страна на PV инвертора. Допълнителни разединители могат да бъдат използвани за изолиране на части от фотоволтаичния масив, заземяване на системата или за комутиране на потенциални схеми за съхранение на енергия.

Напрежения и токове в системата

PV системите преминават към по-високи напрежения с цел подобряване на ефективността. По-високите напрежения редуцират съпротивителните загуби. Много системи достигат напрежения до 1000 VDC, като се очаква в бъдеще тази стойност да бъде превишена. В жилищни приложения не са необичайни по-ниски напрежения, като 500 V или дори по-малко от 300 V. В зависимост от конфигурацията на системата напрежението в съединенията на PV масива може да е по-ниско от постъпващото в инвертора.

Изборът на компонентите за балансиране на системата се базира на характеристиките на PV генератора, основно на сумата на токовете на късо съединение (Isc) на успоредно свързаните фотоволтаични панели и сумата на напреженията при липса на товар (Voc) на последователно свързаните PV панели.

По отношение на разединителите, напрежението на PV системата следва да се определи като максималното постижимо напрежение, т. е. напрежението без товар на последователно свързаните панели. Номиналното системно напрежение обаче често се заявява като по-ниско от реалното напрежение при липса на товар, тъй като системата на практика работи при по-ниско напрежение. Инверторните системи обикновено са оптимизирани да увеличат максимално изходната мощност чрез активно регулиране на товара, получаван от фотоволтаичния източник. Това може да доведе до ситуация, в която разединителят, избран правилно спрямо Voc и Isc, може да изглежда преоразмерен по отношение на нормалната му експлоатация.

Прекъсване на постоянен ток

По своята същност постоянният ток е по-труден за прекъсване от променливия, защото постоянният няма пресичания на нулата, докато променливият има две пресичания на нулата в рамките на един цикъл. Постоянният ток трябва да бъде занулен принудително. Когато един разединител е отворен при постояннотоков товар, токът не спира веднага, а продължава да протича между контактите чрез нискоенергийна дъга. Токът спира да протича, само когато напрежението по дъгата стане достатъчно високо. Заради екстремно високата температура на тази дъга (до 20 000 K), е жизненоважно тя да бъде потисната и токът да бъде спрян възможно най-бързо.

Най-значимите фактори, които превръщат прекъсването на постоянни токове в предизвикателство, са температурата и коефициентът на проводимост на дъгата, индуктивността на товара (времеконстанта) и напрежението през разединителя.

Времеконстантите във фотоволтаичните постояннотокови вериги не са много високи. Нивата на напрежение от постояннотоковата страна обикновено са значително по-високи от напрежението от променливотоковата страна. За да се прекъсне токът, отварянето на разединителя трябва бързо да осигури достатъчно разстояние между контактите, така че дъгата да бъде разтеглена максимално. Дължината на дъгата оказва въздействие върху общото дъгово съпротивление за ограничаване на тока, както и за охлаждане на дъгата.

Поради тази причина разединителите в постояннотокови приложения често имат повече от един полюс, свързан последователно. Охлаждането на дъгата допълнително повишава дъговото съпротивление и следователно допринася за потискането й. Когато съпротивлението през разединителя се увеличи достатъчно по отношение на напрежението, намалелият ток не може да поддържа дъгата, тя се прекъсва и токът спира да протича.

Избор на разединители

Три основни параметъра трябва да бъдат взети предвид при избора на разединители за приложение във фотоволтаични инсталации – номиналното изолационно напрежение, номиналното работно напрежение и номиналният работен ток. Неправилният избор на тези параметри може да доведе до неизправната работа на едно устройство и създаването на рискове за безопасността на крайния потребител или самата инсталация.

Номиналното изолационно напрежение характеризира изолационните възможности на разединителя. Стойността на този параметър се определя от диелектричната якост, разстоянията между вътрешните проводящи части, различните изолиращи материали, от които е изработено устройството, и атмосферните условия, в които то се използва.

Номиналното работно напрежение се дефинира като стойността на напрежението, която заедно с номиналния работен ток определя предназначението на оборудването. Разликата между номиналното работно напрежение и номиналното изолационно напрежение е, че първото представлява максималното напрежение, при което разединителят може да работи, докато второто е мярка за способността на разединителя надеждно да изолира две електрически вериги. За един разединител номиналното работно напрежение никога не може да превишава номиналното изолационно напрежение. Във PV веригите номиналното работно напрежение на резединителите трябва винаги да бъде равно или по-голямо от напрежението, при което се осъществява прекъсването на тока. Колкото по-високо е напрежението, при което работи разединителят, толкова по-трудно е прекъсването на тока. Номиналният работен ток на един разединител трябва да бъде равен или по-голям от тока, при който се извършва разединяването.