کار مشترک محافظهای ولتاژ، قطعکنندههای مدار و فیوزها در سیستمهای فتوولتائیک: تحلیل عملکردی و بحث در مورد ضرورت
مقدمه
با توسعه سریع صنعت جهانی فتوولتائیک، ایمنی و پایداری سیستمهای تولید انرژی خورشیدی مورد توجه صنعت قرار گرفته است. سیستمهای فتوولتائیک برای مدت طولانی در معرض فضای باز قرار دارند و در برابر تهدیداتی مانند صاعقه، نوسانات شبکه برق و خرابی تجهیزات آسیبپذیر هستند که ممکن است باعث آسیب به تجهیزات یا حتی آتشسوزی شود. محافظهای ولتاژ (SPD)، قطعکنندههای مدار و فیوزها دستگاههای حفاظتی کلیدی هستند که هر کدام وظایف خود را انجام میدهند و با یکدیگر همکاری میکنند تا عملکرد ایمن سیستم را تضمین کنند. این مقاله به طور عمیق عملکرد، مکانیسمهای هماهنگی و لزوم ارائه مرجع برای کاربران صنعت را تجزیه و تحلیل خواهد کرد.
۱. «قاتل نامرئی» پیش روی سیستمهای فتوولتائیک
نیروگاههای فتوولتائیک مانند "جنگجویان فولادی" هستند که در فضای باز کار میکنند و دائماً آزمایشهای سخت مختلفی را تحمل میکنند.
۱.۱ مشکلات ناشی از برخورد صاعقه:
به طور خاص، در خاورمیانه و آسیای جنوب شرقی، یک فصل رعد و برق میتواند سیستمهایی را که فاقد حفاظت هستند، فلج کند.
۱.۲ نوسانات شبکه برق:
در پروژه شیلی که من مسئول آن بودم، به دلیل افزایش ناگهانی ولتاژ شبکه، چندین قطعه از تجهیزات سوخته بودند.
۱.۳ خطر اتصال کوتاه:
سال گذشته، یک پروژه در آلمان به دلیل کابلهای قدیمی دچار اتصال کوتاه شد و نزدیک بود آتشسوزی ایجاد کند.
این خطرات اغراقآمیز نیستند. طبق اعلام اتحادیه بینالمللی ایمنی فتوولتائیک، بیش از ۶۰ درصد از خرابیهای سیستمهای فتوولتائیک به دلیل حفاظت الکتریکی ناکافی است.
دوم. وظایف اصلی دستگاههای محافظ در برابر نوسانات برق (SPD)
۲.۱ اصول کار
SPD ولتاژ اضافی گذرا را از طریق واریستورهای اکسید فلزی (MOV) یا لولههای تخلیه گازی (GDT) به زمین منتقل میکند و ولتاژ را در یک محدوده ایمن محدود میکند. در سیستمهای فتوولتائیک، SPDها معمولاً در مکانهای زیر نصب میشوند:
سمت DC (بین ماژولها و اینورتر): برای محافظت در برابر اضافه ولتاژهای ناشی از رعد و برق.
سمت AC (بین اینورتر و شبکه): برای جلوگیری از اضافه ولتاژ از سمت شبکه.
۲.۲ پارامترهای کلیدی
حداکثر ولتاژ کار مداوم (Uc): باید با سطح ولتاژ سیستم فتوولتائیک مطابقت داشته باشد (مانند ۱۰۰۰ ولت DC یا ۱۵۰۰ ولت DC).
جریان تخلیه (In/Iimp): نشاندهنده توانایی تخلیه جریان صاعقه است و سیستمهای فتوولتائیک معمولاً به 20kA یا بالاتر نیاز دارند.
سطح حفاظت ولتاژ (Up): اندازه ولتاژ باقیمانده را تعیین میکند و باید کمتر از ولتاژ قابل تحمل تجهیزات حفاظت شده باشد.
۲.۳ ضرورت
از آسیب دیدن تجهیزات گرانقیمت مانند اینورترها و جعبههای کمباین در اثر نوسانات برق جلوگیری کنید.
مطابق با استانداردهای بینالمللی (مانند IEC 6164331، UL 1449) و الزامات پذیرش برای نیروگاههای فتوولتائیک.
Ⅲ. عملکرد و انتخاب مدارشکنها و فیوزها
۳.۱ مدارشکن
عملکرد:
•حفاظت در برابر اضافه بار: وقتی جریان از مقدار تعیین شده (مانند ۱.۳ برابر جریان نامی) بیشتر شود، مکانیزم قطع حرارتی عمل میکند.
•حفاظت در برابر اتصال کوتاه: مکانیزم قطع الکترومغناطیسی، جریان اتصال کوتاه (مانند 10kA) را در عرض میلی ثانیه قطع میکند.
• ویژگیهای کاربردی برای فتوولتائیک:
یک قطع کننده مدار DC اختصاصی (مانند DC 1000V/1500V) باید انتخاب شود.
ظرفیت قطع باید با جریان اتصال کوتاه سیستم (معمولاً ≥ ۱۵ کیلوآمپر) مطابقت داشته باشد.
۳.۲ فیوز
عملکرد:
با ذوب شدن عنصر فیوز، میتواند به سرعت مدار معیوب را ایزوله کرده و از شاخه متصل به سری محافظت کند.
مزایا:
سرعت قطع اتصال سریعتر است (در سطح میکروثانیه)، که برای سناریوهای جریان اتصال کوتاه بالا مناسب است.
اندازه آن کوچک است و برای جعبههای حامل جریان با فضای محدود مناسب است.
۳.۳ همکاری با SPD
SPD مسئول حفاظت از ولتاژ است، در حالی که قطع کنندههای مدار/محافظهای فیوز مسئول حفاظت از جریان هستند.
هنگامی که SPD به دلیل خرابی ناگهانی برق از کار میافتد، قطعکنندههای مدار یا محافظهای فیوز میتوانند به سرعت مدار معیوب را قطع کنند تا از آتشسوزی جلوگیری شود.
Ⅳ. مطالعه موردی سیستم حفاظت چند سطحی
به عنوان مثال، یک نیروگاه فتوولتائیک ۱ مگاواتی را در نظر بگیرید:
۴.۱ حفاظت در سمت جریان مستقیم
شاخههای سری قطعات: برای هر سری، فیوز (مانند نوع gPV 10A) نصب کنید.
ورودی جعبه کمباین: SPD نوع II (بالاتر از 1.5 کیلوولت) و کلید قطع جریان مستقیم (63 آمپر) را نصب کنید.
۴.۲ حفاظت در سمت جریان متناوب
خروجی اینورتر: نوع ۱+۲ SPD (جریان ورودی ≥ ۱۲.۵ کیلوآمپر) و کلید قطع مدار قالبی (۲۵۰ آمپر) را پیکربندی کنید.
۴.۳ شبیهسازی سناریوی خطا
وقتی رعد و برق رخ میدهد: SPD جریان اضافه ولتاژ را آزاد میکند و ولتاژ را به زیر ۲ کیلوولت میرساند؛ اگر SPD به دلیل اتصال کوتاه از کار بیفتد، مدارشکن تریپ میدهد.
وقتی اتصال کوتاه در خط برق رخ میدهد: فیوز در عرض ۵ میلیثانیه ذوب میشود تا از گسترش اثر نقطهای حرارتی جلوگیری شود.
Ⅴ. اقدامات احتیاطی برای انتخاب و نصب
۵.۱ انتخاب SPD
برای سمت DC، باید یک SPD مخصوص فتوولتائیک (مانند PVSPD) انتخاب شود تا از مشکل جریان معکوس SPD معمولی AC جلوگیری شود.
حاشیه دما باید در نظر گرفته شود (UC باید در محیطهای با دمای بالا حاشیهای باقی بگذارد).
۵.۲ تطبیق فیوز/کلید مدار
ظرفیت قطع باید بالاتر از حداکثر جریان اتصال کوتاه سیستم باشد (مانند جریان خطای رشته که ممکن است به ۱.۵ کیلوآمپر برسد).
جریان نامی فیوز باید بیش از ۱.۵۶ برابر جریان اتصال کوتاه قطعه (Isc) باشد (مطابق با NEC 690.8).
۵.۳ پیشنهادات ادغام سیستم
طول سیم بین SPD و مدارشکن باید کمتر یا مساوی ۰.۵ متر باشد تا ولتاژ پسماند کاهش یابد.
بازرسیهای منظم از شاخصهای وضعیت SPD باید انجام شود و ماژولهای خراب باید به موقع تعویض شوند.
۲. روندهای صنعت و بهروزرسانیهای استاندارد
• تقاضای ولتاژ بالا: با پذیرش گسترده سیستمهای فتوولتائیک ۱۵۰۰ ولت، سطح ولتاژ قابل تحمل SPDها و مدارشکنها باید به صورت هماهنگ افزایش یابد.
• نظارت هوشمند: SPD های هوشمند که حسگرهای دما و عملکردهای ارتباط بیسیم را ادغام میکنند، به تدریج برای دستیابی به هشدار زودهنگام خطا از راه دور به کار گرفته میشوند.
•تقویت استاندارد: نسخه جدید IEC 625482023 الزامات هماهنگی سختگیرانهتری را بر روی دستگاههای حفاظتی سیستمهای فتوولتائیک اعمال کرده است.
نتیجهگیری
در سیستمهای فتوولتائیک، محافظهای ولتاژ، قطعکنندههای مدار و فیوزها یک سیستم حفاظت مشارکتی کامل "ولتاژ-جریان" را تشکیل میدهند. انتخاب و پیکربندی صحیح این اجزا نه تنها میتواند عمر مفید تجهیزات را افزایش داده و هزینههای بهرهبرداری و نگهداری را کاهش دهد، بلکه شرایط ضروری برای اطمینان از عملکرد ایمن نیروگاهها نیز هستند. با توسعه فناوری، ادغام و هوشمندی این دستگاههای حفاظتی، قابلیت اطمینان سیستمهای فتوولتائیک را در آینده بیشتر افزایش خواهد داد.