Защита от пренапрежение при PV инсталации

С годишен новоинсталиран капацитет, възлизащ на няколко гигавата, фотоволтаичните централи вече се превръщат в неразделна част от съвременните електроснабдителни системи в редица държави. Днес се инсталират голямомащабни PV системи с капацитет от 100 MW и повече, които се свързват директно към мрежите средно и високо напрежение.

Като неделим компонент от захранващата система, фотоволтаичните централи следва да осигурят стабилност в експлоатацията на мрежата. Освен това възможните производствени загуби, които влияят отрицателно на годишния коефициент на производителност на централата, се регистрират от системата за мониторинг на добива. Вследствие на тези фактори размерът на инвестициите и минималният експлоатационен живот от поне 20 години изискват отчитане на риска, свързан с падането на мълнии и предприемането на мерки за защита.

Риск от попадение на мълния

Съществува връзка между слънчевото излъчване, влажността на въздуха и честотата на мълниите. Региони с високи стойности на соларно излъчване и влажност на въздуха са по-податливи на падане на мълнии.

Честотата на мълнии на регионално ниво (мълнии на кв. км на година) и местоположението и размерът на фотоволтаичната централа са в основата на изчисленията за възможността от падане на мълнии върху системата.

Необходимост от защита

Неизправности във фотоволтаичните системи могат да възникнат както от директното падане на мълния, така и от индуктивните или капацитивни свързвания на напрежения, причинени от електромагнитното поле на мълнията. Освен това пикове в напрежението, дължащи се на комутационни процеси в променливотоковата система преди централата, могат да повредят PV модулите, инверторите, зарядните контролери и техните системи за мониторинг и комуникация.

Тези неизправности водят до разходи за подмяна и ремонт на компоненти, загуба на производителност и разходи за използване на резервираната мощност на централата. Импулсите на мълниите могат да предизвикат и преждевременна амортизация на байпасните диоди, силовите полупроводникови елементи и приемо-предавателните схеми на системите за данни, което също води до увеличаване на разходите за ремонт.

В допълнение, мрежовите оператори в някои държави поставят изисквания по отношение на достъпността на генерираната енергия. Банките и застрахователните компании също често изискват предприемането на мерки за мълниезащита.

Рискът от падане на мълния трябва да бъде определен съгласно стандарт БДС EN 62305-3, а резултатите от анализа на риска следва да бъдат отчетени при етапа на проектиране на инсталацията.

Мълниеотводна система

За предотвратяване на директно падане на мълнии върху електрическите инсталации на фотоволтаични централи те следва да са защитени с мълниетоводни системи. Определянето на необходимия брой мълниеприемникови пръти може да се осъществи по метода на въртящата се сфера съгласно БДС EN 62305-2. Мълниеприемниците формират защитен обем над конструкцията с модулите, работните постройки и кабелите. Поради риска от взаимна индукция, е препоръчително разпределителните кутии на генераторите, монтирани на носещата конструкция за модулите, и децентрализираните инвертори да бъдат инсталирани възможно най-далеч от мълниеотводните системи.

Високите стълбове, на които се монтират системите за видеонаблюдение, също действат като мълниеприемници. Затова системата за видеонаблюдение трябва да бъде инсталирана по такъв начин, че да е разположена в защитения обем на стълба.

Всички проводници на тези мълниеотводни системи следва да са свързани към кабелните обувки на заземителната система. Поради риска от корозия в точката на излизането им от почвата или бетона, кабелните обувки трябва да са изработени от корозионноустойчив материал.

Заземителна система

Заземителната система е в основата на внедряването на ефективни мерки за мълниезащита и защита от пренапрежение във фотоволтаичните централи. Стандарт БДС EN 62305-3 препоръчва заземително съпротивление за системата под 10 ома. В практиката се е утвърдило използването на проводникова мрежа от неръждаема стомана, която се вкопава под границата на замръзване. Металната носеща конструкция за модулите също може да се използва като част от мрежата, ако се характеризира с минималния коефициент на проводимост съгласно същия стандарт.

По отношение на заземителната система на работните постройки следва да се спазват стриктно изискванията на стандартите БДС EN 61936-1 и БДС EN 50522. Заземителните системи на PV генераторите и на работните сгради трябва да бъдат свързани посредством плосък или кръгъл проводник. Това е необходимо, за да се намали общото заземително съпротивление. Свързването на заземителните системи води до създаването на еквипотенциална повърхнина, което значително намалява натоварването от напрежението върху електрическите свързващи линии в случай на смущение в резултат на мълния между фотоволтаичния масив и работната сграда.

Поддържането на стабилно заземително съпротивление през целия експлоатационен период на PV централата изисква отчитането на фактори като корозия, влажност и замръзване на почвата. Действителната дължина на заземителните електроди следва да е такава, че те да навлизат в зоните под границата на замръзване.

Еквипотенциално свързване

Еквипотенциалното свързване включва директно свързване на всички метални системи по такъв начин, че да могат да проведат тока на мълниите. Ако модулите, кабелите и работната сграда с метеорологичната станция са разположени в защитения обем на външна система за мълниезащита, не би следвало токът на мълнията да протича по линиите. Ако връзката с оператора на разпределителната мрежа се осъществява на ниво ниско напрежение, тази точка се свързва към основната заземителна шина посредством катодни отводители тип 1, тъй като са налични частични токове на мълнията.

Особености на външната мълниезащитна система

Мълниеотводите са от съществено значение за външната защитна система. В случай на неконтролирано попадение на мълния върху PV системата, токовете й протичат по електрическата инсталация и могат да доведат до тежки повреди.

При инсталирането на външната мълниезащитна система трябва да се внимава да не се стигне до засенчване на соларните клетки, например от мълниеприемниците. Разсеяните сенки, които се получават от отдалечени мълниеприемникови пръти и проводници, не влияят негативно върху фотоволтаичната система и добива на енергия. Неразсеяните засенчвания обаче натоварват излишно соларните клетки и съответните байпасни диоди. Необходимото разстояние между мълниеприемника и соларния модул може да се изчисли и зависи от диаметъра на мълниепроводника. Например ако прътът е с диаметър 10 mm, той трябва да се постави на разстояние 1 m от модула, за да се получи само разсеяно засенчване.

Защита от пренапрежение

При попадение на мълния върху външната защитна система на PV инсталация, разположена в открита зона, върху всички електрически проводници се индуцират високоволтови импулси, а частични токове на мълнията протичат през всички видове кабели (DC, AC и за данни). Големината на тези токове зависи например от вида на заземителната система, почвеното специфично съпротивление и типа на кабелите.

Използваните защити от пренапрежение следва да са с достатъчно висок номинален ток на късо съединение, който се определя по стандарт БДС EN 50539-11 и трябва да бъде специфициран от производителя. Това се отнася и за възможните обратни токове.

В PV системи с централен инвертор защитата от обратни токове се осигурява от предпазители. Максималният наличен ток зависи от действителното слънчево излъчване. В определени работни режими предпазителите се задействат едва след няколко минути и затова защитите от пренапрежение, инсталирани в разпределителните кутии на генераторите, следва да са проектирани за възможен общ ток, съставен от работния и обратния ток, и при претоварване да осигуряват автоматично изключване без образуване на електрическа дъга.

Защита на постояннотоковата част

Обичайните U/I криви на фотоволтаичните източници на ток са много различни от тези на конвенционалните постояннотокови източници - те се отличават с нелинейна характеристика и специфично поведение спрямо електрическа дъга. Това не само влияе върху конструкцията и типоразмера на комутаторите и предпазителите, но изисква адаптиране на защитите от пренапрежение към уникалната природа на PV източниците на постоянен ток.

Изчисляването на разпределението на тока на мълнията изисква отчитане на проводниците на мълниезащитната система, възможните заземителни свързвания на фотоволтаичния масив и постояннотоковите линии. Големината и амплитудата на частичните токове на мълнията, преминаващи през защитите от пренапрежение към постояннотоковите линии, не само зависят от броя мълниезащитни проводници, но и се влияят от импеданса на катодните отводители. Той, от своя страна, зависи от номиналното напрежение, топологията и вида (комутиращи или ограничаващи напрежението) на защитите.

Редуцирането на формата на импулса е характерно за частичните токове на мълниите, преминаващи през устройствата за защита от пренапрежение в постояннотоковата част на фотоволтаичната система. При избора на подходящи защити следва да се вземат предвид максималният ток и товарът на импулса.

PV централи с децентрализирани стрингови инвертори

Ако фотоволтаичната инсталация е с децентрализирани стрингови инвертори, повечето силови кабели се инсталират в променливотоковата част на системата. Инверторите се монтират в пространството под носещата конструкция за модулите на съответните соларни генератори. Поради близостта до модулите, инверторът поема типичните функции на разпределителна кутия на генератор.

При употребата на стрингови инвертори силовите кабели се използват и като еквипотенциален свързващ проводник между локалния заземителен потенциал на ударения от мълния PV масив и отдалечената еквипотенциална повърхнина на захранващия трансформатор. Единствената разлика в сравнение с инсталациите с централни инвертори се състои в това, че при фотоволтаичните системи със стрингови инвертори частичните токове на мълнията протичат през променливотоковата част. Следователно, защитите от пренапрежение тип 1 се инсталират в променливотоковата част на стринговите инвертори и частта ниско напрежение на захранващия трансформатор.