Val av överspänningsskydd Val av överspänningsskydd för PV-system – Typer av överspänningsskydd

Fotovoltaisk (PV) kraftproduktion är en viktig källa till förnybar energi och är mycket konkurrenskraftig ekonomiskt jämfört med traditionell kraftproduktion. Små distribuerade PV-system, såsom solpaneler på tak, blir alltmer populära. PV-system på tak omfattar både växelströms- och likströmsdistribution med spänningar upp till 1500 V. Likströmssidan, särskilt PV-panelerna, kan utsättas direkt för blixtnedslag i högriskområden, vilket gör dem sårbara för blixtskador.

Åskskydd för byggnader delas in i externt skydd (Lightning Protection System, LPS) och internt skydd (Surge Protective Measures, SPM), baserat på blixtrisk. Överspänningsskydd (SPD), som en del av det interna skyddet, skyddar mot transienta överspänningar orsakade av atmosfäriskt blixtnedslag eller kopplingsoperationer. Överspänningsskydd installeras utanför den skyddade utrustningen och fungerar huvudsakligen enligt följande: när det inte finns någon överspänning i elsystemet påverkar överspänningsskyddet inte den normala driften av det system det skyddar nämnvärt. När en överspänning inträffar erbjuder överspänningsskyddet låg impedans, vilket avleder överspänningsströmmen genom sig själv och begränsar spänningen till en säker nivå. Efter att överspänningen har passerat och eventuell restström har slocknat, återgår överspänningsskyddet till ett högimpedant tillstånd.

1. Installationsplats för överspänningsskydd (SPD)

Installationsplatsen för överspänningsskydd bestäms utifrån graden av blixthot och baseras på konceptet för åskskyddszoner (LPZ) i IEC 62305. Transienta överspänningar reduceras gradvis till en säker nivå, som måste vara under den skyddade utrustningens hållspänning. Som illustreras i figur installeras överspänningsskydd vid gränserna för dessa zoner, vilket ger upphov till konceptet med flernivåöverspänningsskydd som används i lågspänningssystem. För solcellssystem ligger fokus på att förhindra att blixtnedslag tränger in genom växelströms- och likströmssidorna, och därigenom skydda kritiska komponenter som växelriktare.

2. Testklasser för överspänningsskydd (SPD)

Enligt IEC 61643-11 klassificeras överspänningsskydd i tre testkategorier baserat på vilken typ av blixtströmsimpuls de är konstruerade för att motstå. Typ I-tester (markerade som T1) är avsedda att simulera partiella blixtströmmar som kan ledas in i en byggnad. Dessa använder en vågform på 10/350 µs, som visas i figur 1, och tillämpas vanligtvis vid gränsen mellan LPZ0 och LPZ1 – såsom vid huvudfördelningscentraler eller lågspänningstransformatorers ingångsledare. Överspänningsskydd för denna nivå är vanligtvis av spänningsomkopplande typ, med komponenter som gasurladdningsrör eller gnistgap (t.ex. horngap eller grafitgap).

Typ II (T2) och typ III (T3) tester använder impulser med kortare varaktighet. Typ II SPD:er är vanligtvis spänningsbegränsande enheter som använder komponenter som metalloxidvaristorer (MOV). De testas med en nominell urladdningsström med en strömvågform på 8/20 µs (se figur) och ansvarar för att ytterligare begränsa den kvarvarande stötspänningen som kommer från uppströmsskyddet. Typ III-tester använder en kombinerad våggenerator med en spänningsimpuls på 1,2/50 µs och strömimpuls på 8/20 µs (se figur nedan), vilket simulerar stötar närmare slutanvändarutrustning.

3. Anslutningstyp för överspänningsskydd (SPD)

Det finns två huvudsakliga skyddslägen mot transienta överspänningar. Det första är common-mode-skydd (CT1), som är utformat för att skydda mot överspänningar mellan spänningsförande ledare och PE (skyddsjord). Blixtnedslag kan till exempel introducera höga spänningar i ett system i förhållande till jord. Common-mode-skydd hjälper till att mildra effekterna av sådana externa störningar, som blixtar, vilket illustreras nedan.

Det andra är differentialskydd (CT2), som skyddar mot överspänningar mellan linjeledaren (L) och neutralledaren (N). Denna typ av skydd är särskilt viktigt för att hantera interna störningar, såsom elektriskt brus eller störningar som genereras i själva systemet, vilket visas i diagrammet nedan.

Genom att implementera ett eller båda av dessa skyddslägen kan elektriska system skyddas bättre från potentiella överspänningskällor, vilket i slutändan förbättrar livslängden och tillförlitligheten hos ansluten utrustning.

Det är viktigt att notera att valet av SPD-skyddslägen bör anpassas till det aktuella jordningssystemet. För TN-system kan både CT1- och CT2-skyddslägen användas. I TT-system kan dock CT1 endast tillämpas nedströms en jordfelsbrytare. I IT-system – särskilt de utan neutralledare – är CT2-skydd inte tillämpligt. Detta är en viktig faktor i likströmsdistributionssystem som använder IT-jordningskonfigurationer. Detaljer finns i tabellen nedan.

4. Viktiga parametrar för överspänningsskydd (SPD)

Enligt den internationella standarden IEC 61643-11 definieras egenskaper och tester för SPD:er anslutna till lågspänningsdistributionssystem, såsom visas i figur 7.

(1) Spänningsskyddsnivå (upp)

Den viktigaste aspekten vid val av en SPD är dess spänningsskyddsnivå (Up), vilket kännetecknar SPD:ns prestanda vid begränsning av spänningen mellan terminalerna. Detta värde bör vara högre än den maximala spänningshållningsspänningen. Det uppnås när strömmen som flyter genom SPD:n är lika med den nominella urladdningsströmmen In. Den valda spänningsskyddsnivån måste vara lägre än belastningens impulsspänning Uw. Vid blixtnedslag hålls spänningen över SPD:ns terminaler i allmänhet under Up. För PV DC-system avser belastningen vanligtvis PV-moduler och växelriktare.

(2) Maximal kontinuerlig driftspänning (Uc)

Uc är den maximala likspänningen som kontinuerligt kan appliceras på SPD-skyddsläget. Den väljs baserat på märkspänningen och systemets jordkonfiguration och fungerar som aktiveringströskel för SPD. För likspänningssidan av PV-system bör Uc vara större än eller lika med PV-arrayens Uoc Max. Uoc Max avser den högsta tomgångsspänningen mellan fasterminalerna och mellan fasterminalen och jord vid den angivna punkten på PV-arrayen.

(3) Nominell urladdningsström (in)

Detta är toppvärdet för en 8/20 μs vågformsström som flyter genom SPD:n, som används för typ II-tester och för förkonditioneringstester i typ I och Typ IIIEC kräver att överströmsskyddet kan motstå minst 19 urladdningar med en vågformsström på 8/20 μs. Ju högre In-värde, desto längre livslängd har överströmsskyddet, men kostnaden ökar också.

(4) Impulsström (Iimp)

Denna ström definieras av tre parametrar: strömtopp (Ipeak), laddning (Q) och specifik energi (W/R), och används i Typ I tester. Den typiska vågformen är 10/350 μs.