Výběr přepěťových ochran pro fotovoltaické systémy – typy přepěťových ochran
Fotovoltaická (FV) výroba energie je klíčovým zdrojem obnovitelné energie a je ekonomicky vysoce konkurenceschopná ve srovnání s tradiční výrobou energie. Malé distribuované FV systémy, jako jsou střešní solární panely, se stávají stále populárnějšími. Střešní FV systémy zahrnují distribuci střídavého i stejnosměrného proudu s napětím dosahujícím až 1500 V. Stejnosměrná strana, zejména FV panely, může být ve vysoce rizikových oblastech přímo vystavena úderům blesku, což je činí zranitelnými vůči poškození bleskem.
Ochrana budov před bleskem se dělí na vnější ochranu (systém ochrany před bleskem, LPS) a vnitřní ochranu (přepěťová ochranná opatření, SPM), a to na základě rizika blesku. Přepěťové ochrany (SPD), jako součást vnitřní ochrany, chrání před přechodnými přepětími způsobenými atmosférickým bleskem nebo spínacími operacemi. SPD se instalují vně chráněného zařízení a fungují hlavně následovně: pokud v energetické soustavě nedochází k přepětí, SPD významně neovlivňuje normální provoz systému, který chrání. Když dojde k přepětí, SPD nabízí nízkou impedanci, odvádí přepěťový proud skrz sebe a omezuje napětí na bezpečnou úroveň. Po pominutí přepětí a odeznění zbytkového proudu se SPD vrací do stavu s vysokou impedancí.
1. Místo instalace přepěťových ochran (SPD)
Místo instalace SPD se určuje podle stupně ohrožení bleskem a na základě konceptu zón ochrany před bleskem (LPZ) v normě IEC 62305. Přechodná přepětí se postupně snižují na bezpečnou úroveň, která musí být pod výdržným napětím chráněného zařízení. Jak je znázorněno na obrázku, SPD se instalují na hranicích těchto zón, což vede ke konceptu víceúrovňové přepěťové ochrany používané v nízkonapěťových systémech. U fotovoltaických systémů se klade důraz na prevenci pronikání bleskových přepětí přes střídavou a stejnosměrnou stranu, čímž se chrání kritické komponenty, jako jsou střídače.
2. Zkušební třídy přepěťových ochran (SPD)
Podle normy IEC 61643-11 jsou SPD klasifikovány do tří zkušebních kategorií na základě typu impulzu bleskového proudu, kterému jsou navrženy. Zkoušky typu I (označené jako T1) jsou určeny k simulaci částečných bleskových proudů, které mohou být vedeny do budovy. Tyto zkoušky používají průběh 10/350 µs, jak je znázorněno na obrázku blow, a obvykle se používají na rozhraní mezi LPZ0 a LPZ1 – například u hlavních rozvaděčů nebo přívodů nízkonapěťových transformátorů. SPD pro tuto úroveň jsou obvykle typu s přepínáním napětí, s komponenty, jako jsou plynové výbojky nebo jiskřiště (např. jiskřiště typu trychtýř nebo grafitové jiskřiště).
Testy typu II (T2) a typu III (T3) používají kratší impulsy. SPD typu II jsou obvykle zařízení omezující napětí, která používají komponenty, jako jsou varistory na bázi oxidu kovu (MOV). Testují se jmenovitým vybíjecím proudem s proudovým průběhem 8/20 µs (viz obrázek níže) a jsou zodpovědné za další omezení zbytkového přepětí přicházejícího z ochranného zařízení před nimi. Testy typu III používají kombinovaný generátor vln s napěťovým impulsem 1,2/50 µs a proudovým impulsem 8/20 µs (viz obrázek níže), simulující přepětí blíže k koncovým zařízením.
3. Typ připojení přepěťové ochrany (SPD)
Existují dva hlavní režimy ochrany proti přechodným přepětím. Prvním je ochrana v souhlasném režimu (CT1), která je navržena k ochraně před přepětím mezi vodiči pod napětím a PE (ochranným uzemněním). Například údery blesku mohou do systému zavést vysoké napětí vzhledem k zemi. Ochrana v souhlasném režimu pomáhá zmírnit dopad takových vnějších rušení, jako je blesk, jak je znázorněno níže.
Druhou je diferenciální ochrana (CT2), která chrání před přepětím mezi fázovým vodičem (L) a nulovým vodičem (N). Tento typ ochrany je obzvláště důležitý pro řešení vnitřních poruch, jako je elektrický šum nebo rušení generované v samotném systému, jak je znázorněno na níže uvedeném diagramu.
Implementací jednoho nebo obou těchto ochranných režimů lze elektrické systémy lépe chránit před potenciálními zdroji přepětí, což v konečném důsledku zvyšuje životnost a spolehlivost připojených zařízení.
Je důležité si uvědomit, že výběr ochranných režimů SPD by měl být v souladu s použitým uzemňovacím systémem. U systémů TN lze použít ochranné režimy CT1 i CT2. V systémech TT však lze CT1 použít pouze za proudovým chráničem (RCD). V systémech IT – zejména v těch bez nulového vodiče – není ochrana CT2 použitelná. Toto je kritický faktor v systémech stejnosměrného proudu, které používají konfigurace uzemnění IT. Podrobnosti naleznete v tabulce níže.
4. Klíčové parametry přepěťových ochran (SPD)
Podle mezinárodní normy IEC 61643-11 jsou definovány charakteristiky a zkoušky SPD připojených k nízkonapěťovým rozvodným systémům, jak je znázorněno na obrázku 7.
(1) Úroveň ochrany napětí (nahoru)
Nejdůležitějším aspektem při výběru SPD je jeho úroveň ochrany proti napětí (Up), která charakterizuje výkon SPD při omezování napětí mezi svorkami. Tato hodnota by měla být vyšší než maximální svorkové napětí. Je jí dosaženo, když proud protékající SPD dosáhne jmenovitého vybíjecího proudu In. Zvolená úroveň ochrany proti napětí musí být nižší než impulzní výdržné napětí Uw zátěže. V případě úderu blesku se napětí na svorkách SPD obvykle udržuje pod hodnotou Up. U FV systémů DC se zátěž obvykle vztahuje na FV moduly a střídače.
(2) Maximální trvalé provozní napětí (Uc)
Uc je maximální stejnosměrné napětí, které lze trvale aplikovat na ochranný režim SPD. Volí se na základě jmenovitého napětí a konfigurace uzemnění systému a slouží jako aktivační práh SPD. Pro stejnosměrnou stranu FV systémů by Uc mělo být větší nebo rovno Uoc Max FV pole. Uoc Max označuje nejvyšší napětí naprázdno mezi fázovými svorkami a mezi fázovou svorkou a zemí v určeném bodě FV pole.
(3) Jmenovitý vybíjecí proud (In)
Toto je špičková hodnota proudu o tvaru vlny 8/20 μs, který protéká SPD a používá se pro testy typu II a pro testy předběžné úpravy typu I a Typ IINorma IEC vyžaduje, aby SPD vydrželo alespoň 19 výbojů s průběhem proudu 8/20 μs. Čím vyšší je hodnota In, tím delší je životnost SPD, ale také se zvyšují náklady.
(4) Impulsní proud (Iimp)
Tento proud, definovaný třemi parametry: proudovou špičkou (Ipeak), nábojem (Q) a měrnou energií (W/R), se používá v Typ I. testy. Typický průběh je 10/350 μs.