Съображения при защитата от пренапрежения на соларни инсталации

• Фотоволтаичните системи често са позиционирани в големи открити пространства, например в полета или на покривите на сгради
  
  
• Както директните, така и индиректните удари от мълния могат лесно да повредят чувствителните компоненти на фотоволтаичното оборудване
  
  
• За ефективна мълниезащита и защита от пренапрежение на соларните инсталации се използват специални SPD устройства и модули

С голяма площ и метални конструкции, разположени на открито и често в пълна изолация от останалия свят, соларните панели биха ставали чести жертви на гръмотевичните бури, ако не бяха комплексните им системи за защита от пренапрежение при падане на мълнии върху инсталацията. Както директните, така и индиректните удари от мълния могат лесно да повредят чувствителните компоненти на фотоволтаичното оборудване, които често са скъпи за ремонт или замяна, а неизправностите им компрометират надеждността на цялата система.

Пренапрежението зависи от настройките и окабеляването на конкретната PV инсталация. Фотоволтаичните системи често са позиционирани в големи открити пространства, обикновено в полета или на покривите на сгради. Колкото по-обширна е площта на разполагане на оборудването, толкова по-вероятно е да настъпят щети вследствие на падане на мълния.

Електронното оборудване може да претърпи катастрофална повреда при пренапрежение, а ако такова събитие възникне при наличието на персонал в централата, това застрашава и неговата безопасност. Когато соларната инсталация е предназначена за захранването на промишлен обект, технологичните и бизнес операции в обекта също са изложени на висок риск. PV инверторите традиционно са скъпи и щетите от пренапрежения костват много на операторите на фотоволтаични паркове, а в индустриални приложения още по-скъпи за предприятията се оказват нежеланите престои на захранваните товари и системи. Ето защо е необходимо да се осигури адекватна защита от мълнии и пренапрежения, за да се елиминират рисковете от повреди на соларните панели и останалите елементи на PV централите и свързаните с тях разходи и проблеми.

Специфики

Когато мълния удари фотоволтаична система, тя предизвиква индуциран преходен ток и напрежение в проводниковите вериги, които е вероятно да причинят изолационни и диелектрични повреди в електрическите и електронните компоненти, включително соларните панели, инверторите, контролното и комуникационно оборудване, както и в устройства, които са част от сградната инсталация. Стринговите комбиниращи кутии, разположени между фотоволтаичните модули и инвертора, самите инвертори и MPPT (Maximum power point tracker) устройствата за следене на максималната мощност са подложени на най-сериозен риск от повреда при пренапрежение.

За да се предотвратят преминаването на големи енергийни полета през електрониката и щетите върху фотоволтаичната система, пиковите напрежения трябва да бъдат отвеждани към земята. За целта всички проводящи повърхности е необходимо да бъдат директно заземени и всички кабели, които влизат и излизат от системата (включително Ethernet кабелите и тези за променливотоково захранване), да бъдат свързани към земята чрез специални SPD (Surge protection devices) устройства за защита от пренапрежение. Такова устройство е необходимо за всяка отделна група стрингове, за рекомбиниращата кутия, както и за разединителя за постоянен ток.
UL 1449 – стандартът за безопасност на SPD устройства, проектирани за многократно ограничаване на преходни пренапрежения например, дефинира три типа с различни защитни функции и показания за местоположение на инсталацията в рамките на системата, които я предпазват от директни, индиректни удари от мълнии или свързаните с тях електромагнитни ефекти.

Избор и инсталация на SPD устройства

Соларните инсталации значително се различават по характеристиките си от други електрически системи, което налага използването на SPD устройства, които са специално проектирани и оразмерени за тази цел. PV системите работят при високи напрежения до 1500 V, а максималният им пик на мощността обикновено е само няколко персентила под тока на късо съединение. Ето защо при избора на оптимален модул за защита от пренапрежение на фотоволтаична система е необходимо да се проучат:

• Плътността на поразяване от мълнии в съответната зона (средногодишният брой на паданията на 1 кв. км);
  
  
• Работната температура на системата;
  
  
• Работното напрежение на системата;
  
  
• Номиналният ток на късо съединение на системата;
  
  
• Формата на вълната, от която трябва се осигури защита при директен или индиректен удар от мълния;
  
  
• Номиналният разряден ток.
  
  

При наличието на външна LPS (Lightning protection system) система за защита от мълнии изискванията за инсталация на SPD устройства зависят от избрания клас LPS решение и от това дали разделителното разстояние между LPS и PV инсталацията е изолирано или неизолирано (съгласно стандарта за мълниезащита БДС EN IEC 62305-3).

За да има достатъчен ефект, нивото на защита от напрежение на SPD устройството трябва да бъде с 20% по-ниско от диелектричната якост на крайното оборудване на системата. Обикновено се избира SPD модул с ток на издръжливост на късо съединение, по-голям от тока на късо съединение на стринга, към който е свързан. Устройствата, които се използват в постояннотоковата част на инсталацията, е необходимо да имат максимално непрекъснато работно напрежение (MCOV), равно или по-голямо от максималното напрежение на фотоволтаичния панел.

В зависимост от точката на падане на мълния върху соларните масиви могат да бъдат повредени или само инверторът, или и инверторът, и соларният панел. Традиционно инверторите са най-скъпите компоненти на фотоволтаичните инсталации, затова е от ключова важност да се изберат и инсталират оптимални устройства за защита от пренапрежение както в постояннотоковата, така и в променливотоковата част на инсталацията. Използването на различно от специално проектирано и оразмерено за конкретната (AC или DC) част устройство би могло да доведе до сериозни негативни последици за системата при неизправност. Фотоволтаичните източници изискват не само по-големи превключватели и предпазители, но и разединители за устройствата за защита от пренапрежение, адаптирани към уникалните характеристики на соларните инсталации и способни да се справят с големите PV токове.

В AC секцията на инсталацията множество инвертори могат да бъдат свързани към едно и също SPD устройство, ако споделят обща мрежова връзка. Модулите за защита от пренапрежение по правило винаги се инсталират преди устройствата, които предпазват. Коректното присъединяване на SPD модул към системата зависи от три ключови параметъра:

• Максималното непрекъснато работно напрежение;
  
  
• Степента/класа на защита от напрежение: категорията на пренапрежение на оборудването трябва да бъде по-висока от нивото на защита от напрежение на SPD устройството;
  
  
• Номинален разряден ток: пиковата стойност на формата на вълната (например 8/20 мs за Тип 2 SPD модули по UL 1449), на която SPD устройството е в състояние да издържи след повтарящи се удари от мълнии.
  
  

Изисквания във връзка с кабелите и инверторите

Окабеляването на фотоволтаичните инсталации обикновено се простира на големи разстояния, за да се осигури свързването им към мрежата. Има обаче специални изисквания по отношение на дължината на кабелите, използвани за свързване на SPD устройствата към съответния товар. По правило тя не трябва да надвишава 10 м, а при необходимост от по-дълъг кабел се използват допълнителни SPD модули.
Местоположението и броят на SPD модулите, които е необходимо да бъдат инсталирани в постояннотоковата част на инсталацията, зависи от дължината на кабела между соларните панели и инвертора. При по-дълъг от 10 м кабел се предвижда едно устройство за защита от пренапрежение, разположено в близост до инвертора, и второ – близо до соларния панел.

В някои действащи стандарти, например в спецификациите по NFPA 780 за инсталация на системи за защита от пренапрежение, се изисква допълнително SPD устройство на DC входа на инвертора, ако той е разположен на повече от 30 м от най-близката комбинираща или рекомбинираща кутия. Модулът се позиционира между специалните устройства за защита на стринговете и инвертора, ако са налице такива, например предпазители, DC прекъсвачи и др.
При свързването на SPD устройство към инвертор с интегрирана кутия с предпазители е важно вътрешните предпазители да са свързани паралелно, както и да са присъединени външните стрингови предпазители. SPD модулите се монтират извън инвертора в защитен корпус със специален рейтинг (например NEMA Тип 3R) за използване в приложения на открито. Стринговите инвертори се инсталират максимално близо до съответните стрингове. Кабелите на SPD устройствата, които ги свързват към мрежата или минават между клемния блок на SPD модула и заземителната шина, трябва да са с дължина по-малка от 2,5 метра. Колкото по-къса е кабелната връзка, толкова по-ефективна и рентабилна е защитата на съответната секция.

За инвертори с едно-единствено MPP устройство за следене на максималната мощност се препоръчва комбиниране на стринговете преди инвертора и свързването им към SPD модула в точката на обединяване. При наличие на повече на брой MPP устройства се предвижда по една SPD комбинация за всеки вход.