انتخاب دستگاه‌های حفاظت در برابر سرج برای سیستم‌های فتوولتائیک - نصب SPDها

1. عوامل مؤثر بر نصب SPD

اضافه ولتاژها در سیستم‌های فتوولتائیک (PV) پشت بامی در درجه اول ناشی از برخورد مستقیم صاعقه (روی یا نزدیک ساختمان یا تجهیزات PV با LPS)، ولتاژ القایی ناشی از تغییرات میدان الکتریکی مرتبط با صاعقه یا عملیات سوئیچینگ در شبکه‌های توزیع برق AC/DC هستند. برای ارزیابی نیاز به حفاظت در برابر اضافه ولتاژ و تعیین استراتژی حفاظتی مناسب، باید از ولتاژ نامی تحمل ضربه (Uw) تجهیزات به عنوان مرجع استفاده شود. مگر اینکه در ارزیابی ریسک طور دیگری مشخص شده باشد، SPDها باید در هر دو طرف DC و AC سیستم PV نصب شوند.

دستگاه‌هایی که در یک سیستم فتوولتائیک (PV) ممکن است نیاز به حفاظت داشته باشند عبارتند از:

اینورترها، شامل رابط‌های سیستم AC ولتاژ پایین و سیستم DC، آرایه‌های PV، سیم‌کشی داخلی سیستم PV، اجزای نصب شده بین اینورتر و آرایه‌های PV، مانند جعبه‌های ترکیبی؛ تجهیزات مورد استفاده برای نظارت و کنترل سیستم PV.

طبق استاندارد IEC 61643-12 و بخش‌های مربوطه از GB/T 21714، انتخاب و نصب SPDها برای سیستم‌های PV به عوامل متعددی بستگی دارد. این عوامل شامل چگالی برق‌گرفتگی زمین (NG) [1/km²·year] یا میانگین تعداد روزهای رعد و برق در سال (T)، ویژگی‌های سیستم تامین برق ولتاژ پایین (مثلاً خطوط هوایی یا کابل‌های زیرزمینی) و ماهیت تجهیزات تحت حفاظت، و اینکه آیا یک سیستم حفاظت در برابر صاعقه خارجی (LPS) برای محافظت از سیستم PV در برابر برخورد مستقیم صاعقه نصب شده است یا خیر، می‌شود.

اگر یک LPS خارجی وجود داشته باشد، الزامات SPD تحت تأثیر سطح حفاظت (کلاس) LPS و اینکه آیا فاصله جداسازی مورد نیاز (S) بین LPS و سیستم PV حفظ می‌شود یا خیر (LPS ایزوله در مقابل LPS غیر ایزوله).

۲. تأثیر پیکربندی‌های مختلف LPS خارجی بر حفاظت در برابر صاعقه برای سیستم‌های PV

نصب SPD برای سیستم‌های فتوولتائیک پشت بامی، بر اساس وجود و نوع LPS خارجی، عموماً به سه دسته تقسیم می‌شود:

(1) سیستم‌های PV بدون LPS خارجی

همانطور که در نمودار نشان داده شده است (در اینجا گنجانده نشده است)، اگر ساختمان مجهز به سیستم حفاظت در برابر صاعقه خارجی نباشد، SPDها باید بر اساس نتیجه ارزیابی ریسک صاعقه نصب شوند. توصیه می‌شود برای محافظت از اجزای حیاتی PV، دستگاه‌های حفاظت در برابر سرج در هر دو طرف AC و DC نصب شوند.

برای سمت DC، یک SPD نوع ۲ DC (که به عنوان DC1 مشخص می‌شود) باید در نزدیکی جعبه ترکیب‌کننده PV یا آرایه PV (در صورت عدم استفاده از جعبه ترکیب‌کننده) نصب شود. این SPD ساختمان را از نوسانات خارجی منتقل شده از طریق کابل‌های PV محافظت می‌کند و معمولاً درست پس از ورود کابل‌های PV به ساختمان نصب می‌شود. SPD نوع ۲ DC دیگری (که به عنوان DC2 مشخص می‌شود) باید در نزدیکی ورودی DC اینورتر نصب شود. اگر طول کابل بین DC1 و اینورتر کمتر از ۱۰ متر باشد، می‌توان DC1 را حذف کرد.

برای سمت AC، یک SPD AC نوع ۲ (که به عنوان AC1 مشخص می‌شود) در ورودی برق AC توصیه می‌شود که معمولاً در پنل توزیع اصلی قرار دارد. این دستگاه در برابر اضافه ولتاژهای ناشی از شبکه برق محافظت می‌کند. اینکه آیا AC1 در سیستمی بدون حفاظت خارجی در برابر صاعقه مورد نیاز است یا خیر، به نتایج ارزیابی ریسک صاعقه بستگی دارد. برای محافظت از اینورتر گران‌قیمت، یک SPD AC نوع ۲ (که به عنوان AC2 مشخص می‌شود) معمولاً در نزدیکی خروجی AC اینورتر نصب می‌شود. اگر طول کابل بین AC1 و AC2 کمتر از ۱۰ متر باشد، می‌توان AC2 را حذف کرد. لطفاً برای راهنمایی دقیق به جدول پیکربندی مراجعه کنید.

(2) سیستم‌های PV با LPS خارجی که فاصله جداسازی مورد نیاز را برآورده می‌کنند (LPS ایزوله)

همانطور که در نمودار نشان داده شده است، هنگامی که یک ساختمان دارای سیستم حفاظت در برابر صاعقه خارجی (مانند میله‌ها یا نوارهای اتصال هوایی) است و آرایه PV پشت بام توسط این سیستم با حفظ فاصله جداسازی مناسب محافظت می‌شود، سیستم PV مجهز به یک LPS ایزوله در نظر گرفته می‌شود. حتی در این حالت، نصب SPDها همچنان ضروری است.

برای سیستم‌هایی با LPS ایزوله، تنظیمات SPD مشابه سیستم‌هایی است که هیچ گونه حفاظت در برابر صاعقه خارجی ندارند. یک SPD نوع ۲ DC باید در نزدیکی جعبه کمباین یا در صورت عدم استفاده از جعبه کمباین، نزدیک آرایه PV نصب شود. یک SPD نوع ۲ DC دیگر باید در نزدیکی سمت DC اینورتر و یک SPD نوع ۲ AC در نزدیکی سمت AC اینورتر قرار گیرد. با این حال، از آنجا که سیستم PV به داخل و خارج ساختمان متصل می‌شود، یک SPD نوع ۱ AC نیز در تابلوی توزیع اصلی AC که برق شهری وارد ساختمان می‌شود، مورد نیاز است. برای راهنمایی دقیق در مورد چیدمان، به جدول پیکربندی مراجعه کنید.

(3) سیستم‌های PV با LPS خارجی که فاصله جداسازی مورد نیاز را رعایت نمی‌کنند (LPS غیر ایزوله)

در سیستم‌های فتوولتائیک پشت بامی که پنل‌ها خیلی به سیستم حفاظت از صاعقه خارجی (LPS) نزدیک هستند و نمی‌توانند فاصله ایمنی لازم را رعایت کنند، تمام قطعات فلزی سیستم فتوولتائیک باید به LPS متصل شوند تا از همبندی مناسب صاعقه اطمینان حاصل شود. این رویکرد رایجی است که برای حفاظت از صاعقه پشت بام استفاده می‌شود. در این روش، هر دو کابل AC و DC مانند هادی‌های موازی در سیستم همبندی در نظر گرفته می‌شوند، به این معنی که می‌توانند مستقیماً تحت تأثیر جریان صاعقه قرار گیرند. به همین دلیل است که IEC استفاده از دستگاه‌های محافظ سرج نوع ۱ (SPD) - معمولاً همراه با SPD های نوع ۲ - را در نقاط کلیدی سیستم توصیه می‌کند: جایی که کابل‌های فتوولتائیک وارد ساختمان می‌شوند، و در هر دو طرف AC و DC دستگاه‌های مهم مانند اینورتر.

همانطور که در نمودار نشان داده شده است، DC1 باید تا حد امکان نزدیک به جعبه کمباین یا در صورت عدم وجود جعبه کمباین، نزدیک آرایه PV نصب شود. DC2 و AC2 باید نزدیک اینورتر قرار گیرند تا از آن محافظت بهتری شود. در بیشتر موارد، AC1 (در پنل اصلی) و AC2 (نزدیک اینورتر) هر دو مورد نیاز هستند. اما اگر اینورتر در داخل پنل اصلی نصب شود و زمین مشترکی داشته باشند، با طول کابل کمتر یا مساوی 0.5 متر، ممکن است AC2 لازم نباشد. می‌توانید برای راهنمایی دقیق نصب، جدول را بررسی کنید.

۱: DC1 می‌تواند تحت شرایط زیر حذف شود: اگر طول کابل بین DC1 و اینورتر کمتر از ۱۰ متر باشد، و سطح حفاظت ولتاژ (Up) مربوط به AC2 کمتر یا مساوی ۰.۸ برابر ولتاژ ضربه قابل تحمل نامی آرایه PV (Uw) باشد؛ یا اگر Up مربوط به AC2 کمتر یا مساوی ۰.۵ برابر Uw باشد و هادی PE (زمین حفاظتی) نزدیک به کابل‌های DC قرار گرفته باشد.

۲：AC2 را می‌توان تحت شرایط زیر حذف کرد: اگر طول کابل بین AC1 و AC2 کمتر از ۱۰ متر باشد؛ یا اگر اینورتر و تابلوی توزیع اصلی از الکترود زمین یکسانی استفاده کنند و کابل‌های اتصال SPD هر کدام بیش از ۰.۵ متر نباشند - به عنوان مثال، اگر اینورتر در داخل تابلوی اصلی نصب شده باشد.

۳: حداقل سطح مقطع برای هادی‌های اتصال زمین SPD: برای SPDهای نوع ۲، هادی اتصال زمین مسی نباید کمتر از ۶ میلی‌متر مربع باشد؛ برای SPDهای نوع ۱، نباید کمتر از ۱۶ میلی‌متر مربع باشد.

انتخاب SPD های سمت DC در سیستم‌های PV پشت بامی عمدتاً به نحوه محافظت ساختمان در برابر رعد و برق و نحوه سیم‌کشی سیستم بستگی دارد. طبق جدول پیکربندی و استانداردهای IEC، همیشه باید یک محافظ ولتاژ در سمت DC اینورتر وجود داشته باشد. اما SPD های اضافی در نزدیکی جعبه کمباین - یا در صورت عدم وجود جعبه کمباین - نزدیک پنل‌های PV فقط در صورتی مورد نیاز هستند که کابل بین پنل‌ها و اینورتر بیش از 10 متر باشد.

با این حال، این روش در همه جا اجرا نمی‌شود. در برخی کشورها - به عنوان مثال آلمان - قوانین اساساً برعکس است. در آنجا، محافظ ولتاژ DC همیشه درست در کنار پنل‌های PV نصب می‌شود و اگر طول کابل بیش از 10 متر باشد، فقط باید یکی را در نزدیکی اینورتر اضافه کنید.