Samarbete med överspänningsskydd, brytare och säkringar i solceller: Funktionsanalys och diskussion om nödvändighet

Introduktion

Med den snabba utvecklingen av den globala solcellsindustrin har säkerheten och stabiliteten hos solenergisystem hamnat i fokus för branschens uppmärksamhet. Solcellssystem exponeras för utomhusmiljöer under lång tid och är sårbara för hot som blixtnedslag, fluktuationer i elnätet och utrustningsfel, vilket kan orsaka skador på utrustningen eller till och med brand. Överspänningsskydd (SPD), strömbrytare och säkringar är viktiga skyddsanordningar som var och en utför sina uppgifter och samarbetar med varandra för att säkerställa systemets säkera drift. Denna artikel kommer att djupgående analysera deras funktioner, samordningsmekanismer och behov för att ge referenser till industrianvändare.

I. Den "osynliga mördaren" som solceller står inför

Solcellskraftverk är som "stålkrigare" som arbetar utomhus och ständigt utsätts för olika hårda tester.

1.1 Problem med blixtnedslag:

Särskilt i Mellanöstern och Sydostasien kan en enda åskvädersäsong förlama system som saknar skydd.
1.2 Fluktuationer i elnätet:
I det chilenska projektet jag ansvarade för brann flera utrustningsdelar ut på grund av en plötslig ökning av nätspänningen.

1.3 Kortslutningsrisk:
Förra året drabbades ett projekt i Tyskland av en kortslutning på grund av åldrande kablar, vilket nästan orsakade en brand.

Dessa risker är ingen överdrift. Enligt International Photovoltaic Safety Alliance beror över 60 % av alla fel på solcellssystem på otillräckligt elektriskt skydd.

II. Kärnfunktioner hos överspänningsskydd (SPD)

2.1 Arbetsprincip
SPD avleder transient överspänning till jord via metalloxidvaristorer (MOV) eller gasurladdningsrör (GDT), vilket begränsar spänningen inom ett säkert område. I solcellssystem installeras SPD:er vanligtvis på följande platser:
DC-sida (mellan modulerna och växelriktaren): För att skydda mot blixtnedslag.
AC-sida (mellan växelriktaren och nätet): För att undertrycka överspänning från nätsidan.

2.2 Viktiga parametrar
Maximal kontinuerlig driftspänning (Uc): Måste matcha spänningsnivån för det solcellsbaserade systemet (t.ex. 1000V DC eller 1500V DC).
Urladdningsström (In/Iimp): Återspeglar förmågan att urladda blixtström, och solcellssystem kräver vanligtvis 20 kA eller mer.
Spänningsskyddsnivå (upp): Bestämmer den kvarvarande spänningens storlek och måste vara lägre än den skyddade utrustningens hållspänning.

2.3 Nödvändighet
Förhindra att dyr utrustning som växelriktare och kombinerboxar skadas av överspänningar.
Följ internationella standarder (som IEC 6164331, UL 1449) och godkännandekrav för solcellskraftverk.

Ⅲ. Funktion och val av brytare och säkringar

3.1 Säkring
Fungera:
•Överbelastningsskydd: När strömmen överstiger det inställda värdet (t.ex. 1,3 gånger märkströmmen) aktiveras den termiska utlösningsmekanismen.
•Kortslutningsskydd: Den elektromagnetiska utlösningsmekanismen avbryter kortslutningsströmmen (t.ex. 10 kA) inom millisekunder.

• Tillämpningsegenskaper för solceller:
En dedikerad likströmsbrytare (t.ex. DC 1000V/1500V) måste väljas.
Brytkapaciteten bör matcha systemets kortslutningsström (vanligtvis ≥ 15 kA).

3.2 Säkring
Fungera:
Genom att smälta säkringselementet kan den snabbt isolera den felaktiga kretsen och skydda den seriekopplade grenen.

Fördelar:
Frånkopplingshastigheten är snabbare (på mikrosekundnivå), lämplig för scenarier med hög kortslutningsström.
Den är liten i storleken och lämplig för strömförande dosor med begränsat utrymme.

3.3 Samarbete med SPD

SPD ansvarar för spänningsskydd, medan strömbrytare/säkringsskydd ansvarar för strömskydd.
När SPD-enheten slutar fungera på grund av överspänningsavbrott kan strömbrytare eller säkringsskydd omedelbart stänga av den felaktiga kretsen för att förhindra brand.

Ⅳ. Fallstudie av flernivåskyddssystem

Ta ett solcellskraftverk på 1 MW som exempel:
4.1 Skydd på likströmssidan
Komponentseriegrenar: Installera säkringar (t.ex. 10A gPV-typ) för varje serie.
Ingång till kombinerboxen: Installera typ II SPD (upp till ≤ 1,5 kV) och DC-brytare (63 A).

4.2 Skydd på AC-sidan
Växelriktarens utgångsände: Konfigurera typ 1+2 SPD (Iimp ≥ 12,5 kA) och gjuten automatsäkring (250 A).

4.3 Simulering av felscenarier
Vid blixtnedslag: Överföringsenheten släpper ut stötströmmen och sänker spänningen under 2 kV; om överföringsenheten slutar fungera på grund av kortslutning löser brytaren ut.
Vid kortslutning: Säkringen smälter inom 5 ms för att förhindra spridning av termisk punkteffekt.

Ⅴ. Försiktighetsåtgärder vid val och installation

5.1 Val av varvtalsriktning
För likströmssidan bör en solcellsspecifik SPD (t.ex. PVSPD) väljas för att undvika problemet med backström som uppstår vid vanlig AC-SPD.
Temperaturmarginalen bör beaktas (Uc måste lämna en marginal i miljöer med hög temperatur).

5.2 Matchning av kretsbrytare/säkringar
Brytkapaciteten bör vara högre än systemets maximala kortslutningsström (t.ex. kan strängens felström nå 1,5 kA).
Säkringens märkström bör vara mer än 1,56 gånger komponentens kortslutningsström (Isc) (i enlighet med NEC 690.8).

5.3 Förslag på systemintegration
Kabellängden mellan överspänningsskyddet och brytaren bör vara ≤ 0,5 m för att minska restspänningen.
Regelbundna inspektioner av SPD-statusindikatorer bör utföras och trasiga moduler bör bytas ut i tid.

Ⅵ. Branschtrender och standarduppdateringar
• Högspänningsbehov: Med den utbredda användningen av 1500V solcellssystem måste spänningsnivåerna för överspänningsskydd och brytare förbättras synkroniserat.

• Intelligent övervakning: Intelligenta överspänningsskydd som integrerar temperatursensorer och trådlösa kommunikationsfunktioner tillämpas gradvis för att uppnå tidig varning vid fel på distans.

•Standardförstärkning: Den nya versionen av IEC 625482023 har infört strängare samordningskrav på skyddsanordningar för solcellssystem.

Slutsats
I solcellssystem utgör överspänningsskydd, brytare och säkringar ett komplett, samverkande skyddssystem med "spänning och ström". Korrekt val och konfiguration av dessa komponenter kan inte bara förlänga utrustningens livslängd och minska drifts- och underhållskostnader, utan är också viktiga förutsättningar för att säkerställa säker drift av kraftverk. Med teknikutvecklingen kommer integrationen och intelligensen hos dessa skyddsanordningar ytterligare att förbättra solcellssystemens tillförlitlighet i framtiden.