انتخاب دستگاههای حفاظت در برابر نوسانات برق برای سیستمهای فتوولتائیک - انواع SPDها
تولید برق فتوولتائیک (PV) منبع کلیدی انرژی تجدیدپذیر است و در مقایسه با تولید برق سنتی از نظر اقتصادی بسیار رقابتی است. سیستمهای PV توزیعشده کوچک، مانند پنلهای خورشیدی پشت بامی، به طور فزایندهای محبوب میشوند. سیستمهای PV پشت بامی شامل توزیع AC و DC با ولتاژهایی تا 1500 ولت هستند. سمت DC، به ویژه پنلهای PV، میتواند در مناطق پرخطر مستقیماً در معرض اصابت رعد و برق قرار گیرد و آنها را در برابر آسیب رعد و برق آسیبپذیر کند.
حفاظت از صاعقه برای ساختمانها بر اساس خطر صاعقه به حفاظت خارجی (سیستم حفاظت از صاعقه، LPS) و حفاظت داخلی (اقدامات حفاظتی سرج، SPM) تقسیم میشود. دستگاههای محافظ سرج (SPD)، به عنوان بخشی از حفاظت داخلی، در برابر اضافه ولتاژهای گذرا ناشی از صاعقه جوی یا عملیات سوئیچینگ محافظت میکنند. SPDها در خارج از تجهیزات محافظت شده نصب میشوند و عمدتاً به شرح زیر عمل میکنند: هنگامی که هیچ سرج در سیستم برق وجود ندارد، SPD تأثیر قابل توجهی بر عملکرد عادی سیستمی که از آن محافظت میکند، نمیگذارد. هنگامی که سرج رخ میدهد، SPD امپدانس پایینی ارائه میدهد، جریان سرج را از خود منحرف میکند و ولتاژ را به سطح ایمن محدود میکند. پس از عبور سرج و از بین رفتن هرگونه جریان باقیمانده، SPD به حالت امپدانس بالا باز میگردد.
۱. محل نصب دستگاههای محافظ سرج (SPD)
محل نصب SPDها بر اساس میزان تهدید صاعقه و بر اساس مفهوم مناطق حفاظت از صاعقه (LPZ) در IEC 62305 تعیین میشود. اضافه ولتاژهای گذرا به تدریج تا سطح ایمنی کاهش مییابند که باید کمتر از ولتاژ قابل تحمل تجهیزات حفاظت شده باشد. همانطور که در شکل نشان داده شده است، SPDها در مرزهای این مناطق نصب میشوند و مفهوم حفاظت از اضافه ولتاژ چند سطحی مورد استفاده در سیستمهای ولتاژ پایین را ایجاد میکنند. برای سیستمهای PV، تمرکز بر جلوگیری از ورود اضافه ولتاژهای صاعقه از طریق طرفهای AC و DC است و در نتیجه از اجزای حیاتی مانند اینورترها محافظت میشود.
۲. کلاسهای تست دستگاههای محافظ ولتاژ (SPD)
طبق استاندارد IEC 61643-11، SPDها بر اساس نوع جریان ضربهای صاعقه که برای تحمل آن طراحی شدهاند، به سه دسته آزمایشی طبقهبندی میشوند. آزمایشهای نوع I (با علامت T1) برای شبیهسازی جریانهای جزئی صاعقه که ممکن است به داخل ساختمان هدایت شوند، در نظر گرفته شدهاند. این آزمایشها از شکل موج 10/350 میکروثانیه، همانطور که در شکل نشان داده شده است، استفاده میکنند و معمولاً در مرز بین LPZ0 و LPZ1 - مانند تابلوهای توزیع اصلی یا ورودیهای ترانسفورماتور ولتاژ پایین - اعمال میشوند. SPDهای این سطح معمولاً از نوع سوئیچینگ ولتاژ هستند و دارای اجزایی مانند لولههای تخلیه گاز یا شکافهای جرقه (مثلاً شکافهای شاخ یا شکافهای گرافیتی) میباشند.
تستهای نوع II (T2) و نوع III (T3) از پالسهای با مدت زمان کوتاهتر استفاده میکنند. SPD های نوع II معمولاً دستگاههای محدودکننده ولتاژ هستند که از اجزایی مانند وریستورهای اکسید فلزی (MOV) استفاده میکنند. آنها با جریان تخلیه اسمی با استفاده از شکل موج جریان ۸/۲۰ میکروثانیه (به شکل ضربه مراجعه کنید) آزمایش میشوند و مسئول محدود کردن بیشتر ولتاژ ضربه باقیمانده از دستگاه حفاظت بالادست هستند. تستهای نوع III از یک مولد موج ترکیبی با ولتاژ ۱.۲/۵۰ میکروثانیه و پالس جریان ۸/۲۰ میکروثانیه (به شکل زیر مراجعه کنید) استفاده میکنند و موجهای نزدیکتر به تجهیزات مورد استفاده نهایی را شبیهسازی میکنند.
۳. نوع اتصال دستگاه محافظ سرج (SPD)
دو حالت اصلی برای محافظت در برابر اضافه ولتاژهای گذرا وجود دارد. حالت اول، حفاظت حالت مشترک (CT1) است که برای محافظت در برابر افزایش ولتاژ بین هادیهای برقدار و PE (زمین حفاظتی) طراحی شده است. به عنوان مثال، برخورد صاعقه میتواند ولتاژهای بالایی نسبت به زمین به سیستم وارد کند. حفاظت حالت مشترک به کاهش تأثیر چنین اختلالات خارجی، مانند رعد و برق، کمک میکند، همانطور که در زیر نشان داده شده است.
مورد دوم، حفاظت حالت دیفرانسیلی (CT2) است که در برابر افزایش ولتاژ بین هادی خط (L) و هادی خنثی (N) محافظت میکند. این نوع حفاظت به ویژه برای مقابله با اختلالات داخلی، مانند نویز الکتریکی یا تداخل ایجاد شده در خود سیستم، همانطور که در نمودار زیر نشان داده شده است، بسیار مهم است.
با اجرای یک یا هر دوی این حالتهای حفاظتی، سیستمهای الکتریکی میتوانند در برابر منابع بالقوهی نوسانات برق، بهتر محافظت شوند و در نهایت طول عمر و قابلیت اطمینان تجهیزات متصل را افزایش دهند.
توجه به این نکته ضروری است که انتخاب حالتهای حفاظتی SPD باید با سیستم اتصال زمین موجود هماهنگ باشد. برای سیستمهای TN، میتوان از هر دو حالت حفاظتی CT1 و CT2 استفاده کرد. با این حال، در سیستمهای TT، CT1 فقط میتواند در پاییندست یک RCD اعمال شود. در سیستمهای IT - بهویژه سیستمهایی که هادی خنثی ندارند - حفاظت CT2 قابل اجرا نیست. این یک نکته مهم در سیستمهای توزیع DC است که از پیکربندیهای اتصال زمین IT استفاده میکنند. جزئیات را میتوانید در جدول زیر بیابید.
۴. پارامترهای کلیدی دستگاههای محافظ سرج (SPD)
طبق استاندارد بینالمللی IEC 61643-11، مشخصات و آزمایشهای SPD های متصل به سیستمهای توزیع برق ولتاژ پایین، همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است، تعریف شدهاند.
(1) سطح حفاظت ولتاژ (بالا)
مهمترین جنبه در انتخاب یک SPD، سطح حفاظت ولتاژ (Up) آن است که عملکرد SPD را در محدود کردن ولتاژ بین ترمینالها مشخص میکند. این مقدار باید بالاتر از حداکثر ولتاژ مهار باشد. این مقدار زمانی حاصل میشود که جریان عبوری از SPD برابر با جریان تخلیه اسمی In باشد. سطح حفاظت ولتاژ انتخاب شده باید کمتر از ولتاژ ضربهای Uw بار باشد. در صورت برخورد صاعقه، ولتاژ دو سر ترمینالهای SPD معمولاً کمتر از Up نگه داشته میشود. برای سیستمهای PV DC، منظور از بار معمولاً ماژولهای PV و اینورترها است.
(2) حداکثر ولتاژ عملیاتی مداوم (Uc)
Uc حداکثر ولتاژ DC است که میتواند به طور مداوم به حالت حفاظت SPD اعمال شود. این ولتاژ بر اساس ولتاژ نامی و پیکربندی اتصال زمین سیستم انتخاب میشود و به عنوان آستانه فعالسازی SPD عمل میکند. برای سمت DC سیستمهای PV، Uc باید بزرگتر یا مساوی Uoc Max آرایه PV باشد. Uoc Max به بالاترین ولتاژ مدار باز بین ترمینالهای برقدار و بین ترمینال برقدار و زمین در نقطه تعیین شده آرایه PV اشاره دارد.
(3) جریان تخلیه اسمی (اینچ)
این مقدار پیک جریان موجی 8/20 میکروثانیه است که از SPD عبور میکند و برای آزمایشهای نوع II و آزمایشهای پیششرطبندی در نوع I و نوع دومIEC الزام میکند که SPD بتواند حداقل ۱۹ تخلیه با جریان موج ۸/۲۰ میکروثانیه را تحمل کند. هرچه مقدار In بالاتر باشد، طول عمر SPD بیشتر میشود، اما هزینه نیز افزایش مییابد.
(4) جریان ضربهای (Iimp)
این جریان که با سه پارامتر تعریف میشود: پیک جریان (Ipeak)، بار (Q) و انرژی ویژه (W/R)، در موارد زیر استفاده میشود: نوع اول شکل موج معمول ۱۰/۳۵۰ میکروثانیه است.