Συσκευές Προστασίας από Υπερτάσεις DC: Οδηγός για Φ/Β, Φόρτιση EV, BESS και Βιομηχανικά DC SPD

Τι είναι η συσκευή προστασίας από υπερτάσεις DC και πώς επιλέγετε την κατάλληλη;

Μια συσκευή προστασίας από υπερτάσεις DC (DC SPD) εκτρέπει τις παροδικές υπερτάσεις σε έναν δίαυλο συνεχούς ρεύματος προς τη γείωση, προστατεύοντας μετατροπείς, φορτιστές και μπαταρίες. Επιλέξτε την αντιστοιχίζοντας τη μέγιστη συνεχή τάση (Ucpv) πάνω από τη μέγιστη τάση του συστήματος, επιλέγοντας Τύπο 1 ή Τύπο 2 ανάλογα με την έκθεση σε κεραυνούς και επαληθεύοντας το ισχύον πρότυπο—IEC 61643-31 για Φ/Β, IEC 61643-11 για EV, BESS και βιομηχανικές εφαρμογές DC.

Μια σωστά προδιαγεγραμμένη συσκευή DC SPD δεν είναι εναλλάξιμη με την αντίστοιχη AC, και το πρότυπο που εφαρμόζεται εξαρτάται αποκλειστικά από την εφαρμογή. Αυτός ο οδηγός καθορίζει τις παραμέτρους, τα πρότυπα και τα όρια εφαρμογής που αποφασίζουν εάν μια συσκευή προστατεύει τον εξοπλισμό αξιόπιστα ή αποτυγχάνει κατά τη λειτουργία.

Βασικά συμπεράσματα

• Το DC δεν είναι AC. Ένα τόξο DC δεν σβήνει από μόνο του στο μηδενικό πέρασμα της τάσης, επομένως ένα SPD για AC δεν προσφέρει ασφαλή προστασία σε έναν δίαυλο DC και μπορεί να αποτύχει επικίνδυνα. Χρησιμοποιείτε πάντα μια συσκευή με ονομαστική τιμή DC, προσαρμοσμένη στην τάση του διαύλου.
• Το πρότυπο ακολουθεί την εφαρμογή. Το πρότυπο IEC 61643-31 καλύπτει μόνο την πλευρά DC φωτοβολταϊκών γεννητριών και μετατροπέων έως 1500 V DC. Τα συστήματα αποθήκευσης σε μπαταρίες και πυκνωτές εξαιρούνται ρητά, επομένως τα BESS, τα EV και οι βιομηχανικές συσκευές DC πιστοποιούνται σύμφωνα με το γενικό πρότυπο IEC 61643-11.
• Πέντε παράμετροι καθορίζουν την επιλογή: Ucpv, In, Imax, Iimp και Up. Πρώτα ορίστε σωστά τα Ucpv και Up — τα υπόλοιπα αφορούν τον συντονισμό.
• Ο τύπος IEC ≠ τύπος UL. Οι τύποι IEC περιγράφουν μια κλάση δοκιμής υπέρτασης· οι τύποι UL 1449 περιγράφουν την επιτρεπόμενη θέση εγκατάστασης σε σχέση με τον διακόπτη απομόνωσης της παροχής.
• Η εγκατάσταση καθορίζει την απόδοση. Τα κοντά καλώδια, ο σωστός τρόπος σύνδεσης για τη γείωση του συστήματος και η εφεδρική προστασία από υπερένταση έχουν τόση σημασία όση και η ονομαστική τιμή της συσκευής.

Γιατί η προστασία από υπερτάσεις DC δεν είναι ίδια με την AC

Σε ένα κύκλωμα AC, το ρεύμα διέρχεται από το μηδέν εκατό ή εκατόν είκοσι φορές ανά δευτερόλεπτο, και οποιοδήποτε τόξο δημιουργείται κατά την απομάκρυνση των επαφών σβήνει φυσικά σε εκείνο το σημείο διέλευσης. Ένας δίαυλος συνεχούς ρεύματος δεν διέρχεται ποτέ από το μηδέν. Μόλις δημιουργηθεί ένα τόξο μέσα σε μια υποβαθμιζόμενη διάταξη, θα συντηρείται μέχρι κάτι να διακόψει τη διαδρομή της ενέργειας. διάταξη προστασίας από υπερτάσεις, Αυτή η μοναδική φυσική διαφορά καθορίζει ολόκληρο τον σχεδιασμό ενός SPD DC: το βαρίστορ μεταλλικού οξειδίου (MOV) πρέπει να αντέχει σε μια συνεχή μονοκατευθυντική τάση αντί για μια εναλλασσόμενη, και η συσκευή χρειάζεται έναν ενσωματωμένο μηχανισμό αποζεύξεως DC ή κατάσβεσης τόξου που μια μονάδα AC δεν διαθέτει.

Η πρακτική συνέπεια είναι σαφής. Ένα SPD AC εγκατεστημένο σε μια σειρά φωτοβολταϊκών, έναν δίαυλο μπαταριών ή την έξοδο ενός ταχυφορτιστή DC δεν είναι απλώς υποδεέστερο—αποτελεί κίνδυνο πυρκαγιάς. Οι ονομαστικές τιμές τάσης, η χημεία του MOV και η συμπεριφορά αποζεύξεως στο τέλος της διάρκειας ζωής είναι όλα σχεδιασμένα γύρω από κυματομορφές AC τις οποίες το κύκλωμα DC δεν θα παρουσιάσει ποτέ.

Τα πρότυπα που εφαρμόζονται πραγματικά

Το πιο συνηθισμένο σφάλμα προδιαγραφών στην προστασία από υπερτάσεις DC είναι η εφαρμογή λανθασμένου προτύπου στην εφαρμογή. Ο παρακάτω πίνακας ορίζει τα όρια με ακρίβεια.

Η εξαίρεση που αναγράφεται στο πρότυπο IEC 61643-31 είναι η λεπτομέρεια που παραλείπουν οι περισσότεροι οδηγοί: μια συσκευή “συμβατή με το IEC 61643-31” είναι κατάλληλη για φωτοβολταϊκή γεννήτρια, όχι για τη συστοιχία μπαταριών δίπλα της. Μπορείτε να επιβεβαιώσετε το πεδίο εφαρμογής απευθείας στο κατάλογο του προτύπου IEC 61643-31. Το πρότυπο IEC 61643-32 διέπει στη συνέχεια πώς τον τρόπο επιλογής και τοποθέτησης των φωτοβολταϊκών SPD — εκτίμηση κινδύνου, την επίδραση της γείωσης του συστήματος στον τρόπο σύνδεσης και τα συντονισμένα σχήματα προστασίας.

Μια σημείωση σχετικά με τους αριθμούς Τύπου. Μια συσκευή Τύπου 1 κατά IEC ελέγχεται με ρεύμα κρούσης 10/350 µs (Iimp) που προσομοιώνει απευθείας κεραυνικό πλήγμα· μια συσκευή Τύπου 2 κατά IEC ελέγχεται με ονομαστικό ρεύμα εκφόρτισης 8/20 µs (In) που αντιπροσωπεύει επαγωγικές και μεταβατικές υπερτάσεις μεταγωγής. Το πρότυπο UL 1449 χρησιμοποιεί τα ίδια ψηφία για να υποδηλώσει κάτι εντελώς διαφορετικό: μια συσκευή Τύπου 1 κατά UL μπορεί να συνδεθεί στην πλευρά της γραμμής του διακόπτη απομόνωσης παροχής χωρίς εξωτερική προστασία υπερέντασης, μια συσκευή Τύπου 2 κατά UL τοποθετείται στην πλευρά του φορτίου και μια συσκευή Τύπου 3 κατά UL είναι μια συσκευή στο σημείο χρήσης. Κατά την προμήθεια προϊόντων για αγορές IEC και UL, επιβεβαιώστε ρητά και τους δύο χαρακτηρισμούς· αυτή η σύγκριση των προτύπων αντικεραυνικής προστασίας — IEC 61643 έναντι UL 1449 έναντι GB 18802 αντιστοιχίζει τις ισοδυναμίες.

Παράμετροι επιλογής πυρήνα

Πέντε ονομαστικές τιμές καθορίζουν αν ένα DC SPD θα αντέξει και αν όντως προστατεύει το φορτίο. Διαβάστε τις με αυτή τη σειρά.

Οι δύο παράμετροι που οι μηχανικοί παρερμηνεύουν συχνότερα είναι η Ucpv—η μέγιστη συνεχής τάση λειτουργίας—και η Up. Εάν η Ucpv ρυθμιστεί πολύ χαμηλά, η συσκευή αντιμετωπίζει την κανονική τάση λειτουργίας ως σφάλμα, υπερθερμαίνεται και γερνά πρόωρα. Η παγίδα στα φωτοβολταϊκά (PV) είναι η θερμοκρασία: η τάση ανοικτού κυκλώματος ενός πλαισίου αυξάνεται καθώς η κυψέλη ψύχεται, επομένως η χειρότερη περίπτωση τάσης της συστοιχίας εμφανίζεται το πιο κρύο καθαρό πρωινό, όχι στην ονομαστική τιμή της πινακίδας. Εάν η Up ρυθμιστεί πολύ υψηλά, η υπέρταση διέρχεται προς τον εξοπλισμό του οποίου η μόνωση δεν μπορεί να την αντέξει. Όπου η In και η Imax συγχέονται, αυτός ο οδηγός για τις ονομαστικές τιμές Imax έναντι In διευκρινίζει τη διάκριση μεταξύ επαναλαμβανόμενων και μεμονωμένων κρούσεων.

Επιλογή ανάλογα με την εφαρμογή

Φωτοβολταϊκά

Τα φωτοβολταϊκά είναι η μόνη από τις τέσσερις εφαρμογές που καλύπτεται πλήρως από τα πρότυπα IEC 61643-31 και 61643-32. Οι συσκευές είναι συνήθως Τύπου 2, τοποθετημένες στο Κουτί συνένωσης DC και στην είσοδο DC του μετατροπέα για τον περιορισμό των επαγόμενων υπερτάσεων και των υπερτάσεων μεταγωγής. Όπου η εγκατάσταση διαθέτει εξωτερικό σύστημα αντικεραυνικής προστασίας ή έκθεση σε απευθείας κεραυνικά πλήγματα —ειδικά σε συστοιχίες επί εδάφους— απαιτείται συσκευή Τύπου 1 (ή συνδυασμένη Τύπου 1+2) στην πλευρά DC. Δύο αποφάσεις είναι μοναδικές για τα φωτοβολταϊκά: ο καθορισμός του μεγέθους Ucpv σε σχέση με την αύξηση της τάσης λόγω χαμηλής θερμοκρασίας που περιγράφεται παραπάνω, και η επιλογή του τρόπου σύνδεσης από τη γείωση της συστοιχίας. Μια μη γειωμένη (IT) συστοιχία απαιτεί συνήθως μια τριπολική συσκευή (+ / − / PE) σε διάταξη Υ· ένα σύστημα με γειωμένο πόλο χρησιμοποιεί συχνά δύο πόλους (ενεργός / PE), αλλά μόνο αφού ελεγχθούν τα σενάρια σφάλματος. Μια πλήρης ροή εργασιών για την πλευρά των φωτοβολταϊκών παρατίθεται στον οδηγό VIOX σχετικά με την επιλογή του κατάλληλου SPD για ένα ηλιακό ενεργειακό σύστημα.

Φόρτιση EV

Ένας ταχυφορτιστής συνεχούς ρεύματος (DC) αποτελεί ένα μικτό περιβάλλον: περιλαμβάνει παροχή εναλλασσόμενου ρεύματος (AC), δίαυλο εξόδου υψηλής τάσης DC, καθώς και γραμμές επικοινωνίας και μέτρησης, όλα τοποθετημένα σε εξωτερικό περίβλημα εκτεθειμένο σε κεραυνούς και διαταραχές του δικτύου. Επομένως, η προστασία είναι πολυεπίπεδη και όχι μονοσημειακή. Η είσοδος AC απαιτεί αντικεραυνική προστασία (SPD) τύπου 1 ή τύπου 2· ο δίαυλος εξόδου DC απαιτεί SPD συνεχούς ρεύματος με ονομαστική τάση αντίστοιχη του φορτιστή (συνήθως έως ~1000 V)· και οι γραμμές επικοινωνίας απαιτούν SPD σήματος συμβατό με τη συγκεκριμένη διεπαφή. Η προστασία DC για ηλεκτρικά οχήματα (EV) πιστοποιείται σύμφωνα με το πρότυπο IEC 61643-11 και όχι το 61643-31, καθώς ο δίαυλος DC του φορτιστή δεν αποτελεί φωτοβολταϊκή γεννήτρια. Το συνδυασμένο σύστημα προστασίας από υπερτάσεις και ασφαλειών για αυτές τις μονάδες περιγράφεται αναλυτικά στον Οδηγό προστασίας ταχυφορτιστών DC.

BESS (συστήματα αποθήκευσης ενέργειας με μπαταρίες)

Εδώ είναι που τα όρια των προτύπων γίνονται πιο αυστηρά. Επειδή το πρότυπο IEC 61643-31 εξαιρεί ρητά την αποθήκευση ενέργειας, ένα SPD DC για BESS πιστοποιείται σύμφωνα με το IEC 61643-11. Η τεχνική διαφορά δεν είναι γραφειοκρατική: μια συστοιχία μπαταριών είναι μια πηγή χαμηλής σύνθετης αντίστασης και υψηλής ενέργειας με πολύ μεγάλο αναμενόμενο ρεύμα βραχυκύκλωσης, ενώ μια φωτοβολταϊκή συστοιχία είναι περιορισμένου ρεύματος. Επομένως, ένα SPD DC σε δίαυλο μπαταριών πρέπει να διαθέτει επαρκή ικανότητα διακοπής ρεύματος συνέχειας και μια σωστά διαστασιολογημένη εφεδρική διάταξη προστασίας από υπερένταση, διαφορετικά ένα σφάλμα που ξεκινά ως υπέρταση μπορεί να κλιμακωθεί. Καθορίστε την αντοχή σε βραχυκύκλωμα και τη συνιστώμενη εφεδρική ασφάλεια από το δελτίο δεδομένων της συσκευής· μην υποθέτετε ότι ένα εξάρτημα κατάλληλο για φωτοβολταϊκά μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ερμάριο μπαταριών 1500 V. Για συντονισμένη προστασία στις πλευρές DC, AC και σήματος ενός συστήματος αποθήκευσης, δείτε τον ειδικό Οδηγό επιλογής αντικεραυνικής προστασίας BESS.

Βιομηχανικό και τηλεπικοινωνιακό DC

Το βιομηχανικό DC καλύπτει συστήματα ελέγχου, οδηγούς DC, ικριώματα PLC και ζυγούς τηλεπικοινωνιών όπως -48 V, παράλληλα με υψηλότερες τάσεις ελέγχου DC 110 V και 220 V. Αυτά διέπονται από το πρότυπο IEC 61643-11. Το επαναλαμβανόμενο λάθος είναι η επιλογή SPD με βάση μια γενική ένδειξη “DC” αντί για την πραγματική τάση του διαύλου και τις απαιτήσεις συνέχειας. Επιλέξτε την τάση Uc για τη συγκεκριμένη ράγα, χρησιμοποιήστε Τύπο 2 για κανονική εσωτερική διανομή και αναβαθμίστε σε Τύπο 1 μόνο όπου η γραμμή είναι εκτεθειμένη σε ενέργεια άμεσου κεραυνικού πλήγματος.

Εγκατάσταση και συντονισμός

Μια σωστά επιλεγμένη συσκευή εξακολουθεί να έχει χαμηλή απόδοση εάν η καλωδίωση είναι κακή. Ο κυρίαρχος μηχανισμός απώλειας είναι η επαγωγή των αγωγών: κατά τη διάρκεια μιας απότομης αύξησης της υπέρτασης, ακόμη και ένα μικρό μήκος καλωδίου σύνδεσης αναπτύσσει σημαντική επαγωγική τάση που προστίθεται στο Up. Διατηρήστε το συνολικό μήκος των καλωδίων σύνδεσης όσο το δυνατόν μικρότερο—ιδανικά κάτω από 0,5 m. Όταν τα SPD είναι συνδεδεμένα σε σειρά (για παράδειγμα, ένα Τύπου 1 ανάντη και ένα Τύπου 2 κοντά στον μετατροπέα), διατηρήστε τουλάχιστον 10 m καλωδίου μεταξύ των σταδίων ή τοποθετήστε έναν επαγωγέα αποσύζευξης περίπου 15 µH, ώστε οι δύο συσκευές να συντονίζονται αντί να αλληλοεξουδετερώνονται.

Παρέχετε μια εφεδρική συσκευή προστασίας από υπερένταση—ασφάλεια ή διακόπτη—με μέγεθος σύμφωνα με το δελτίο δεδομένων του SPD, ώστε η συσκευή να αποσυνδέεται με ασφάλεια στο τέλος της διάρκειας ζωής της, και επιβεβαιώστε μια γείωση χαμηλής σύνθετης αντίστασης, διότι μια κακή γείωση καθιστά το SPD αναποτελεσματικό και αυξάνει τον κίνδυνο τάσης επαφής. Στα κουτιά συνδυασμού φωτοβολταϊκών, το SPD λειτουργεί παράλληλα με, και όχι στη θέση των, συσκευών απομόνωσης και προστασίας από υπερένταση· ο τρόπος κατανομής αυτών των ρόλων καθορίζεται στο Επεξήγηση προστασίας DC φωτοβολταϊκών: MCB, ασφάλειες και SPD έναντι RCD, και το όριο μεταξύ απομόνωσης και διακοπής στη σύγκριση VIOX των Διακόπτες απομόνωσης DC έναντι αυτόματων διακοπτών DC.

Συντήρηση και τέλος κύκλου ζωής

Ένα SPD DC είναι ένα αναλώσιμο εξάρτημα: κάθε υπέρταση που απορροφά καταναλώνει ένα μέρος της διάρκειας ζωής του. Οι περισσότερες ποιοτικές συσκευές διαθέτουν οπτικό παράθυρο κατάστασης—πράσινο για καλή λειτουργία, κόκκινο για τέλος ζωής—και πολλές χρησιμοποιούν αποσπώμενο φυσίγγιο, ώστε η αντικατάσταση της εξαντλημένης μονάδας να γίνεται χωρίς επανακαλωδίωση. Ελέγχετε την ένδειξη σε τακτά χρονικά διαστήματα και αντικαταστήστε το φυσίγγιο μόλις εμφανιστεί η ένδειξη, μετά από οποιοδήποτε γνωστό σημαντικό γεγονός υπέρτασης ή κεραυνού, ή στο τέλος της ονομαστικής διάρκειας ζωής του. Η τυπική διάρκεια ζωής κυμαίνεται περίπου στα 10–15 έτη σε περιβάλλοντα με μέτριες συνθήκες και είναι μικρότερη σε περιοχές με συχνούς κεραυνούς· λάβετε υπόψη την ένδειξη και όχι το ημερολόγιο ως τον καθοριστικό παράγοντα.

Συχνές ερωτήσεις

Μπορώ να χρησιμοποιήσω ένα SPD AC σε κύκλωμα DC;

Όχι. Ένα τόξο συνεχούς ρεύματος (DC) δεν σβήνει αυτόματα στο μηδενικό πέρασμα, επομένως μια συσκευή χωρίς ονομαστική ικανότητα αποζεύξεως DC μπορεί να αποτύχει επικίνδυνα. Χρησιμοποιείτε πάντα ένα SPD DC με ονομαστική τάση κατάλληλη για την τάση του διαύλου.

Καλύπτει το πρότυπο IEC 61643-31 την αποθήκευση σε μπαταρίες;

Όχι. Εφαρμόζεται μόνο στην πλευρά DC φωτοβολταϊκών γεννητριών και αντιστροφέων έως 1500 V DC. Η αποθήκευση σε μπαταρίες και πυκνωτές εξαιρείται ρητά, επομένως τα SPD DC για συστήματα BESS πιστοποιούνται σύμφωνα με το γενικό πρότυπο IEC 61643-11.

Τύπου 1 ή Τύπου 2 για φωτοβολταϊκά;

Χρησιμοποιήστε Τύπου 2 στο κουτί συνδυασμού (combiner box) και στην είσοδο DC του αντιστροφέα για επαγωγικές υπερτάσεις και υπερτάσεις μεταγωγής. Προσθέστε Τύπου 1 (ή Τύπου 1+2) όπου υπάρχει εξωτερικό σύστημα αντικεραυνικής προστασίας ή κίνδυνος άμεσου πλήγματος. Η πλήρης ανάλυση των Τύπου 1, Τύπου 2 και Τύπου 3 εξηγεί τις κλάσεις δοκιμών πίσω από κάθε τύπο.

Πώς ρυθμίζω την Ucpv για μια φωτοβολταϊκή συστοιχία;

Επιλέξτε μέγεθος πάνω από τη μέγιστη τάση ανοικτού κυκλώματος της συστοιχίας. Επειδή η τάση Voc των φωτοβολταϊκών πλαισίων αυξάνεται καθώς η θερμοκρασία πέφτει, χρησιμοποιήστε την ψυχρότερη αναμενόμενη θερμοκρασία περιβάλλοντος — μια κοινή σύμβαση είναι Ucpv ≥ 1,2 × Voc συστοιχίας σε συνθήκες STC.

Διπολικό ή τριπολικό DC SPD;

Εξαρτάται από τη γείωση. Οι συστοιχίες με αιωρούμενο δυναμικό (IT) απαιτούν συνήθως τριπολικό ( + / − / PE)· συστήματα με γειωμένο πόλο χρησιμοποιούν συχνά διπολικό, αφού επαληθευτεί η συμπεριφορά σε περίπτωση σφάλματος.

Για προδιαγραφές DC SPD, επιλογές Τύπου 1, Τύπου 2 και Τύπου 1+2, καθώς και τεκμηρίωση IEC/UL για εφαρμογές PV, EV, BESS και βιομηχανικές εφαρμογές DC, δείτε το Σειρά διατάξεων προστασίας από υπερτάσεις VIOX DC και AC.