Почему устройству защиты от перенапряжения необходимы классы защиты как I, так и II?

В миле от места удара молнии в землю ударяет молния. Прямого попадания нет. Видимых повреждений нет. Однако внутри распределительной коробки солнечных панелей по кабелям постоянного тока от панелей пробегает скачок напряжения. Этот скачок проходит через шины к инвертору. На входных клеммах небольшое устройство ограничивает напряжение. Скачкообразное напряжение отводится в землю. Инвертор продолжает работать. Свет в здании не мигает. Защищенное оборудование даже не знает о существовании угрозы.

Такова функция устройства защиты от перенапряжений. Устройство защиты от перенапряжений постоянного тока класса I+II разработано специально для фотоэлектрических систем с напряжением в цепях до 1500 В постоянного тока. Серия EKU5-T1+T2-40PV от ETEK представляет собой комбинированное устройство защиты типа 1+2, рассчитанное на максимальное непрерывное рабочее напряжение (Ucpv) 500 В, 1000 В или 1500 В, с максимальным разрядным током (Imax) 40 кА (8/20 мкс) и импульсным током (Iimp) 6,25 кА (10/350 мкс). Устройство сертифицировано по стандарту IEC/EN 61643-31, международному стандарту защиты от перенапряжений постоянного тока в фотоэлектрических системах. В этой статье объясняется, чем устройство защиты от перенапряжения класса I+II отличается от стандартного устройства класса II, как номинальный ток 40 кА обеспечивает реальную защиту для цепи напряжением 1500 В, и почему важна возможность замены картриджа после окончания срока его службы.

Тип 1+2: почему одно устройство заменяет двухступенчатую схему защиты

Фотоэлектрическая система подвержена воздействию двух различных типов импульсных перенапряжений. Прямой удар молнии или удар с очень близкого расстояния вызывает высокоэнергетический импульсный ток с длительностью 10/350 мкс. Удар молнии на расстоянии или переходный процесс переключения от расположенного рядом инвертора вызывают перенапряжение меньшей энергии с длительностью 8/20 мкс. Традиционные схемы защиты используют устройство защиты от перенапряжения класса I на входе в сеть для защиты от высокоэнергетических импульсов длительностью 10/350 мкс, а затем устройство защиты от перенапряжения класса II ниже по цепи для защиты от оставшихся перенапряжений длительностью 8/20 мкс. Для обеспечения согласованности работы эти два устройства должны быть разделены развязывающим расстоянием или индуктором.

Устройство защиты от перенапряжения с классификацией Type 1+2 объединяет обе функции в одном корпусе. Внутренняя схема использует искровой разрядник или газоразрядную трубку для высокоэнергетического импульса 10/350 мкс и металлооксидный варистор (MOV) для импульса 8/20 мкс. Две ступени интегрированы, поэтому внешняя развязка не требуется. Для солнечной распределительной коробки, расположенной на крыше здания, где возможны как прямые, так и косвенные удары молнии, одно устройство защиты от перенапряжения Type 1+2 обеспечивает полную защиту без необходимости каскадного подключения устройств.

Инвертор EKU5-T1+T2-40PV рассчитан на импульсный разрядный ток (Iimp) 6,25 кА на полюс (10/350 мкс) и суммарный импульсный ток 12,5 кА на всех полюсах, что достаточно для большинства крупномасштабных солнечных электростанций. Максимальный разрядный ток (Imax) 40 кА (8/20 мкс) покрывает коммутационные переходные процессы, генерируемые инвертором и ударами молнии на большем расстоянии. Устройство доступно в 3-полюсной конфигурации с режимами защиты DC+, DC- и PE.

Откуда берется номинальный ток 40 кА: почему вам нужен автоматический выключатель защиты класса I+2.

Устройство защиты от перенапряжения недостаточной мощности выйдет из строя при первом же сильном скачке напряжения, оставив инвертор без защиты. Номинальный ток Imax 40 кА означает, что устройство может безопасно отводить до 40 000 ампер импульсного тока один раз. Для фотоэлектрической системы в регионе с умеренной грозовой активностью может быть достаточно устройства защиты от перенапряжения на 20 кА. Для крупномасштабной солнечной электростанции во Флориде или на Среднем Западе, где летом часто бывают грозы, устройство защиты от перенапряжения на 40 кА обеспечивает больший запас прочности.

Устройство также рассчитано на суммарный разрядный ток (ITotal) 40 кА (8/20 мкс) и 12,5 кА (10/350 мкс), то есть суммарный импульсный ток на всех трех полюсах. Если удар молнии вызовет 15 кА на линии постоянного тока+ и 10 кА на линии постоянного тока-, устройство защиты от перенапряжения отклонит оба тока, не превышая своих номинальных значений. Корпус изготовлен из термопластика, соответствующего стандарту UL94-V0, поэтому, если внутренний компонент выйдет из строя при экстремальном перенапряжении, корпус не загорится.

Номинальное напряжение 1500 В постоянного тока имеет решающее значение для современных фотоэлектрических систем. Более высокое напряжение в цепочках снижает потери в кабелях и позволяет использовать более длинные цепочки между распределительными коробками. Для системы на 1500 В требуется устройство защиты от перенапряжения постоянного тока, рассчитанное на это напряжение, а не устройство на 1000 В, которое выйдет из строя, когда напряжение в цепочке превысит его номинальное значение. Модель EKU5-T1+T2-40PV доступна в конфигурациях на 500 В, 1000 В и 1500 В с уровнем защиты от перенапряжения (Up) ≤2,0 кВ при 500 В, ≤4,0 кВ при 1000 В и ≤5,2 кВ при 1500 В. При напряжении 1500 В постоянного тока напряжение ограничения значительно ниже номинального напряжения изоляции типичного инвертора.

Уровень защиты от перенапряжения и IEC 61643-31: почему важны цифры на этикетке.

Уровень защиты от перенапряжения (Up) — это максимальное напряжение, которое может появиться на клеммах устройства защиты от перенапряжения (SPD) при перехвате импульса. Для EKU5-T1+T2-40PV уровень защиты от перенапряжения составляет 5,2 кВ при постоянном напряжении 1500 В. Это напряжение, которое должно выдерживать оборудование, расположенное ниже по цепи — инвертор, кабели, шины распределительной коробки. Номинальная изоляция типичного инвертора на 1500 В постоянного тока составляет 5–6 кВ. Уровень защиты от перенапряжения 5,2 кВ находится в пределах этого диапазона, но лишь немного. Если бы уровень защиты от перенапряжения составлял 6,5 кВ, инвертор мог бы выйти из строя даже при наличии устройства защиты от перенапряжения.

Стандарт IEC 61643-31 — это международная спецификация для устройств защиты от перенапряжений постоянного тока, используемых в фотоэлектрических системах. Он определяет тестовые формы сигналов, систему классификации (тип 1, тип 2 и тип 1+2) и параметры производительности. Устройство защиты от перенапряжений, имеющее маркировку IEC 61643-31, прошло испытания на устойчивость к определенному количеству импульсов перенапряжения при номинальном токе без выхода из строя. Для фотоэлектрической системы, которая должна пройти инспекцию при вводе в эксплуатацию в Европе или на других рынках, принимающих стандарты IEC, сертификация является обязательной.

Заявленное время отклика SPD составляет ≤25 нс. Этого достаточно для защиты современных инверторов на основе карбида кремния (SiC), частота переключения которых достигает десятков кГц, и которые чувствительны к перенапряжению. Более медленный SPD позволил бы переднему фронту импульса пройти до момента его ограничения, что потенциально могло бы повредить входные конденсаторы инвертора.

Сменные картриджи и визуальная индикация: почему техническое обслуживание занимает всего 30 секунд.

Устройство защиты от перенапряжения со временем изнашивается. Каждый раз, когда оно отводит скачок напряжения, варистор немного деградирует. После сотен небольших переходных процессов или одного сильного удара молнии устройство в конечном итоге выйдет из строя. Неисправное устройство защиты от перенапряжения необходимо заменить. В случае проводного устройства это требует отключения питания распределительного щита, отсоединения проводов, демонтажа старого устройства, установки нового и повторного подключения. Это техническое обслуживание занимает 30-60 минут и требует участия квалифицированного электрика.

В панели EKU5‑T1+T2‑40PV используется конструкция со сменными картриджами. Основание остается подключенным к распределительной коробке. Модули защиты вставляются в основание и удерживаются на месте с помощью защелок. При выходе из строя картриджа — о чем свидетельствует механическое окошко, меняющее цвет с зеленого на красный — техник извлекает его и вставляет новый картридж. Панель остается под напряжением, а замена занимает менее двух минут. Конструкция со сменными картриджами также упрощает первоначальную установку; основание можно установить и подключить, а картриджи установить последними, что снижает вероятность повреждения электроники во время монтажа панели.

Дополнительный дистанционный сигнальный контакт может быть подключен к системе ПЛК или SCADA. При выходе из строя картриджа система генерирует сигнал тревоги, и на место выезжает группа технического обслуживания с запасным модулем. Для крупномасштабной солнечной электростанции с сотнями распределительных коробок такое дистанционное оповещение экономит дни времени на осмотр.

Где установить устройство защиты от перенапряжения (SPD) в фотоэлектрической системе на 1500 В?

Фотоэлектрическая система требует многоуровневой защиты. Устройство EKU5‑T1+T2‑40PV предназначено для установки на входе постоянного тока распределительной коробки и на входе постоянного тока инвертора. Производитель рекомендует устанавливать устройство на обоих концах линии питания постоянного тока — со стороны солнечной панели и со стороны инвертора — особенно если линия проложена снаружи и имеет большую длину.

Устройство устанавливается на 35-мм DIN-рейку (EN 60715). Площадь поперечного сечения соединительного проводника должна составлять не менее 4 мм² и не более 35 мм². Сечение заземляющего проводника должно быть рассчитано на импульсный ток; для устройства на 40 кА рекомендуется медный проводник сечением 6 мм². Устройство защиты от перенапряжения имеет степень защиты IP20 и подходит для установки внутри распределительной коробки класса NEMA или IP65. Диапазон рабочих температур составляет от -40°C до +80°C, что охватывает экстремальные условия на крышах в пустынных районах и установки в условиях низких температур.

Для крупномасштабной солнечной электростанции устройство защиты от разряда молнии (SPD) следует устанавливать на выходе каждой распределительной коробки, перед кабелем постоянного тока, идущим к инвертору. Для коммерческой солнечной электростанции на крыше может быть достаточно одного устройства SPD на входе постоянного тока инвертора, в зависимости от длины цепочки и оценки риска поражения молнией. Стандарт IEC 62305 содержит рекомендации по расчету ожидаемой частоты ударов молнии для данной установки.

Как EKU5‑T1+T2‑40PV вписывается в стратегию защиты солнечных фотоэлектрических систем

Компания ETEK Solar производит EKU5‑T1+T2‑40PV как часть семейства устройств защиты от перенапряжений постоянного тока для фотоэлектрических систем. В линейку продукции входят устройства защиты от перенапряжений типа 1+2 (с номинальным током 40 кА и 12,5 кА) и устройства защиты от перенапряжений типа 2 для защиты нижестоящих систем. EKU5‑T1+T2‑40PV предназначен для защиты от постоянного тока на крупных солнечных электростанциях, коммерческих солнечных батареях на крышах и промышленных солнечных установках. Он сертифицирован по стандарту IEC/EN 61643‑31, имеет маркировку CE и доступен в конфигурациях на 500 В, 1000 В и 1500 В. Сменная конструкция позволяет заменять вышедшие из строя модули без использования инструментов, а индикаторы состояния обеспечивают локальное визуальное обнаружение неисправностей. Для интеграции с системами SCADA предприятия доступен дополнительный удаленный сигнальный контакт.

Устройство защиты от перенапряжения , сочетающее в себе прямую защиту от молнии и подавление переходных процессов при переключении в одном блоке, упрощает установку, сокращает складские запасы комплектующих и гарантирует, что как удар молнии поблизости, так и переключение инвертора будут обрабатываться одним и тем же устройством. Для оператора солнечной электростанции, которому пришлось заменить слишком много плат инвертора после летней грозы, EKU5‑T1+T2‑40PV обеспечивает номинальное напряжение 1500 В постоянного тока, пиковую нагрузку 40 кА и удобство обслуживания с возможностью замены, что позволяет поддерживать работу электростанции в течение всего сезона гроз.

【Запросите ценовое предложение у ETEK Solar】
Для получения рекомендаций по настройке устройства защиты от молнии и образца подключаемого модуля свяжитесь с компанией ETEK Solar, указав напряжение вашей системы (500 В, 1000 В или 1500 В постоянного тока), количество стрингов на распределительную коробку и зону риска поражения молнией.