Что такое устройство защиты от импульсных перенапряжений постоянного тока и как правильно его выбрать?
Устройство защиты от импульсных перенапряжений постоянного тока (DC SPD) отводит переходные перенапряжения на шине постоянного тока на землю, защищая инверторы, зарядные устройства и аккумуляторные батареи. Выбор осуществляется путем подбора максимального длительного рабочего напряжения (Ucpv), превышающего максимально возможное напряжение в системе, выбора типа 1 или типа 2 в зависимости от грозовой активности, а также проверки применимого стандарта — IEC 61643-31 для фотоэлектрических систем, IEC 61643-11 для зарядных станций электромобилей, систем накопления энергии и промышленного оборудования постоянного тока.
Правильно подобранное устройство DC SPD не является взаимозаменяемым с аналогом для переменного тока, а применимый стандарт полностью зависит от области использования. В данном руководстве изложены параметры, стандарты и границы применения, определяющие, будет ли устройство надежно защищать оборудование или выйдет из строя в процессе эксплуатации.
Основные выводы
- Постоянный ток — это не переменный ток. Электрическая дуга постоянного тока не гаснет самостоятельно при переходе напряжения через ноль, поэтому устройство защиты для переменного тока не обеспечивает безопасную защиту на шине постоянного тока и может привести к опасной аварии. Всегда используйте устройство, рассчитанное на постоянный ток и соответствующее напряжению шины.
- Стандарт определяется областью применения. Стандарт IEC 61643-31 распространяется только на сторону постоянного тока фотоэлектрических генераторов и инверторов с напряжением до 1500 В постоянного тока. Системы накопления энергии на аккумуляторах и конденсаторах явно исключены, поэтому системы BESS, электромобили и промышленные устройства постоянного тока подлежат сертификации по общему стандарту IEC 61643-11.
- Выбор определяется пятью параметрами: Ucpv, In, Imax, Iimp и Up. Сначала определите Ucpv и Up — остальное является вопросом координации.
- Тип по IEC ≠ Тип по UL. Типы по IEC описывают класс испытаний на импульсные перенапряжения; типы по UL 1449 описывают допустимое место установки относительно разъединителя питания.
- Установка определяет эффективность работы. Короткие проводники, правильный способ подключения для заземления системы и резервная защита от сверхтоков имеют такое же значение, как и номинальные характеристики устройства.
Почему защита от перенапряжений в цепях постоянного тока отличается от защиты в цепях переменного тока
В цепи переменного тока ток пересекает нулевую отметку сто или сто двадцать раз в секунду, и любая дуга, возникающая при размыкании контактов, естественным образом гаснет в этот момент. Шина постоянного тока никогда не пересекает ноль. Как только дуга возникает внутри деградирующего устройства, устройство защиты от перенапряжения, она будет поддерживать себя до тех пор, пока что-либо не прервет путь прохождения энергии. Это единственное физическое различие определяет всю конструкцию УЗИП постоянного тока: варистор на основе оксида металла (MOV) должен выдерживать постоянное однонаправленное напряжение, а не переменное, и устройство нуждается во встроенном механизме отключения постоянного тока или дугогашения, которого нет в устройствах для переменного тока.
Практический вывод однозначен. УЗИП переменного тока, установленное в фотоэлектрической цепочке, на шине аккумулятора или на выходе быстрого зарядного устройства постоянного тока, является не просто неоптимальным решением — это риск возникновения пожара. Номиналы напряжения, химический состав варистора и поведение при отключении в конце срока службы — все это рассчитано на формы волны переменного тока, которые никогда не возникнут в цепи постоянного тока.
Применимые стандарты
Самая распространенная ошибка в спецификациях при выборе защиты от перенапряжений постоянного тока — это применение неподходящего стандарта для конкретного применения. В таблице ниже четко определены границы.
| Стандарт | Объем | Применимо к |
|---|---|---|
| IEC 61643-31 | Требования и методы испытаний для УЗИП на стороне постоянного тока фотоэлектрических установок ≤ 1500 В постоянного тока | Фотоэлектрические массивы и входы постоянного тока инверторов Только— системы накопления энергии на аккумуляторах и конденсаторах явно исключены |
| IEC 61643-32 | Принципы выбора и применения УЗИП для фотоэлектрических систем (оценка рисков, заземление, координация) | Проектирование и размещение фотоэлектрических систем |
| IEC 61643-11 | Общие требования и методы испытаний УЗИП в низковольтных электрических сетях (≤ 1000 В перем. тока / 1500 В пост. тока) | Зарядка электромобилей (пост. ток), системы накопления энергии (BESS, пост. ток), промышленное и телекоммуникационное оборудование (пост. ток) |
| UL 1449 | Североамериканский стандарт безопасности для устройств защиты от перенапряжений | Устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) переменного и постоянного тока, реализуемые на рынках, регулируемых стандартами UL |
Исключение, прописанное в стандарте IEC 61643-31, является деталью, которую упускают большинство руководств: устройство, “соответствующее стандарту IEC 61643-31”, предназначено для фотоэлектрического генератора, а не для аккумуляторной батареи, расположенной рядом. Вы можете подтвердить область применения непосредственно в перечне стандарта IEC 61643-31. Стандарт IEC 61643-32, в свою очередь, регулирует how выбор и размещение УЗИП для фотоэлектрических систем — оценку рисков, влияние заземления системы на способ подключения и схемы согласованной защиты.
Примечание о типах устройств. Устройство типа 1 по стандарту IEC испытывается импульсным током 10/350 мкс (Iimp), имитирующим прямой удар молнии; устройство типа 2 по стандарту IEC испытывается номинальным разрядным током 8/20 мкс (In), представляющим наведенные и коммутационные перенапряжения. Стандарт UL 1449 использует те же цифры для обозначения совершенно иных понятий: устройство типа 1 по UL может быть подключено со стороны линии до вводного разъединителя без внешней защиты от сверхтоков, устройство типа 2 по UL устанавливается со стороны нагрузки, а устройство типа 3 по UL является устройством для защиты конечного оборудования. При закупках для рынков, использующих стандарты IEC и UL, уточняйте оба обозначения; данное сравнение стандартов защиты от перенапряжений — IEC 61643 против UL 1449 против GB 18802 сопоставляет эквиваленты.
Параметры выбора жил
Пять номинальных характеристик определяют, выдержит ли УЗИП постоянного тока нагрузку и обеспечит ли он ее реальную защиту. Изучайте их в данном порядке.
| Параметр | Символ | Значение | Правило выбора |
|---|---|---|---|
| Макс. длительное рабочее напряжение | Uc / Ucpv | Максимальное постоянное напряжение, которое УЗИП может выдерживать неограниченно долго | ≥ максимально возможному напряжению системы; для фотоэлектрических систем общепринятым является Ucpv ≥ 1.2 × Voc массива при минимальной температуре на объекте |
| Номинальный ток разряда | На сайте | импульс 8/20 мкс, который УЗИП выдерживает многократно | Соответствие ожидаемой частоте наведенных импульсов перенапряжения (типичное значение — 20 кА) |
| Максимальный разрядный ток | Имакс | Максимальный одиночный импульс 8/20 мкс, который выдерживает устройство типа 2 | Обеспечение запаса по току выше In для объектов с высоким уровнем риска |
| Импульсный ток | Имп | Импульс прямого удара молнии 10/350 мкс для устройств типа 1 | Требуется при наличии системы молниезащиты; ~12,5 кА на полюс охватывает практически все системы |
| Уровень защиты по напряжению | Вверх | Напряжение ограничения на клеммах во время скачка напряжения | Как минимум на 20% ниже импульсного выдерживаемого напряжения защищаемого оборудования |
Два параметра, в которых инженеры чаще всего ошибаются, — это Ucpv — максимальным длительным рабочим напряжением— и Up. Если установить Ucpv слишком низким, устройство будет воспринимать нормальное рабочее напряжение как неисправность, перегреваться и преждевременно выходить из строя. Ловушка в фотоэлектрических системах (PV) заключается в температуре: напряжение холостого хода модуля растет по мере охлаждения ячейки, поэтому наихудшее напряжение массива возникает в самое холодное ясное утро, а не при номинальных значениях, указанных на паспортной табличке. Если установить Up слишком высоким, скачок напряжения пройдет к оборудованию, изоляция которого не сможет его выдержать. Там, где In и Imax путают, данное руководство по соотношению Imax и In разъясняет различие между повторным и однократным срабатыванием.
Выбор в зависимости от области применения
Солнечная фотоэлектрика
Фотоэлектрические системы — единственная из четырех областей применения, полностью охваченная стандартами IEC 61643-31 и 61643-32. Устройства обычно относятся к типу 2 и устанавливаются в DC объединительный щит и на входе постоянного тока инвертора для ограничения наведенных и коммутационных перенапряжений. Если на объекте имеется внешняя система молниезащиты или существует риск прямого удара молнии (особенно для наземных установок), на стороне постоянного тока требуется устройство типа 1 (или комбинированное устройство типа 1+2). Для фотоэлектрических систем характерны два уникальных решения: выбор номинального напряжения Ucpv с учетом повышения напряжения при низких температурах, описанного выше, и выбор схемы подключения в зависимости от заземления массива. Для изолированного (IT) массива обычно требуется трехполюсное устройство (+ / − / PE) в Y-образной конфигурации; в системе с заземленным полюсом часто используются два полюса (активный проводник / PE), но только после проверки сценариев повреждения. Полный рабочий процесс для стороны постоянного тока фотоэлектрической системы изложен в руководстве VIOX по выбору подходящего УЗИП для солнечной энергетической системы.
Зарядка ЭМ
Устройство быстрой зарядки постоянным током (DC) представляет собой среду со смешанными сигналами: питание переменного тока, выходная шина высокого напряжения постоянного тока, а также линии связи и учета, расположенные в уличном корпусе, подверженном воздействию молний и помех в сети. Поэтому защита является многоуровневой, а не точечной. На входе переменного тока устанавливается УЗИП типа 1 или типа 2; на выходной шине постоянного тока — УЗИП постоянного тока, рассчитанное на напряжение зарядного устройства (обычно до ~1000 В); а для линий связи используются сигнальные УЗИП, соответствующие конкретному интерфейсу. Защита зарядных устройств для электромобилей постоянного тока сертифицируется по стандарту IEC 61643-11, а не 61643-31, так как шина постоянного тока зарядного устройства не является фотоэлектрическим генератором. Комбинированная схема защиты от перенапряжений и плавких предохранителей для этих устройств подробно описана в Руководстве по защите зарядных устройств быстрой зарядки постоянного тока.
BESS (системы накопления энергии на аккумуляторах)
Именно здесь границы стандартов проявляются наиболее остро. Поскольку стандарт IEC 61643-31 прямо исключает системы накопления энергии, УЗИП постоянного тока для BESS сертифицируется по стандарту IEC 61643-11. Инженерное различие здесь не является бюрократическим: аккумуляторная батарея представляет собой источник с низким импедансом и высокой энергией с очень большим ожидаемым током короткого замыкания, в то время как фотоэлектрическая панель ограничена по току. Поэтому УЗИП постоянного тока на шине аккумулятора должно обладать достаточной способностью прерывания сопровождающего тока и иметь правильно подобранное резервное устройство защиты от сверхтоков, иначе неисправность, начавшаяся как скачок напряжения, может перерасти в серьезную аварию. Указывайте стойкость к токам короткого замыкания и рекомендуемый резервный предохранитель из технического паспорта устройства; не предполагайте, что компонент, рассчитанный на фотоэлектрические системы, подойдет для аккумуляторного шкафа на 1500 В. Для скоординированной защиты систем накопления энергии со стороны постоянного тока, переменного тока и сигнальных линий см. специализированное Руководство по выбору защиты от перенапряжений для BESS.
Промышленные и телекоммуникационные системы постоянного тока
Промышленные системы постоянного тока включают системы управления, приводы постоянного тока, стойки ПЛК и телекоммуникационные шины, такие как -48 В, а также более высокие напряжения управления 110 В и 220 В постоянного тока. Они регулируются стандартом IEC 61643-11. Типичная ошибка заключается в подборе УЗИП по общей маркировке “DC” вместо соответствия фактическому напряжению шины и требованиям к непрерывности работы. Выбирайте Uc для конкретной шины, используйте тип 2 для обычного распределения внутри помещений и переходите на тип 1 только в тех случаях, когда линия подвержена воздействию энергии прямого удара молнии.
| Приложение | Максимальное напряжение постоянного тока | Регулирующий стандарт | Типовой тип УЗИП | Ключевой инженерный аспект |
|---|---|---|---|---|
| Солнечная фотоэлектрика | 1000–1500 В | IEC 61643-31 + -32 | Тип 2; Тип 1+2 с системой молниезащиты (LPS) | Ucpv в сравнении с ростом Voc при низких температурах; схема подключения; гашение дуги постоянного тока |
| Зарядка электромобилей (быстрая зарядка постоянным током) | до ~1000 В | IEC 61643-11 | Тип 2 для постоянного тока (DC); Тип 1/2 для переменного тока (AC) | Многоуровневая защита AC + DC + сигнальных линий; для наружной установки |
| BESS (система накопления энергии на аккумуляторах) | до 1500 В | IEC 61643-11 (не -31) | Тип 2 / Тип 1+2 | Высокий ожидаемый ток короткого замыкания; сопровождающий ток и резервное устройство защиты от сверхтоков (OCPD) |
| Промышленное / телекоммуникационное оборудование постоянного тока | 48–1500 В | IEC 61643-11 | Тип 2 (Тип 1 при внешнем размещении) | Соответствие Uc фактическому напряжению на шине; непрерывность контроля |
Монтаж и координация
Правильно выбранное устройство будет работать неэффективно при некачественном монтаже. Основным механизмом потерь является индуктивность проводников: во время быстрого нарастания импульса перенапряжения даже короткий соединительный провод создает значительное индуктивное напряжение, которое суммируется с уровнем защиты Up. Длина соединительных проводов должна быть минимально возможной — желательно менее 0,5 м. При каскадном подключении УЗИП (например, Тип 1 на вводе и Тип 2 рядом с инвертором) необходимо обеспечить расстояние между ступенями защиты не менее 10 м или установить развязывающий дроссель индуктивностью около 15 мкГн, чтобы устройства работали согласованно, а не конфликтовали друг с другом.
Предусмотрите резервное устройство защиты от сверхтоков — предохранитель или автоматический выключатель — номиналом согласно техническому паспорту УЗИП, чтобы обеспечить безопасное отключение устройства по окончании срока службы. Также обеспечьте низкоомное заземление, так как плохое заземление не только делает работу УЗИП бесполезной, но и повышает риск опасного напряжения при прикосновении. В распределительных коробках фотоэлектрических систем УЗИП работает совместно с устройствами изоляции и защиты от сверхтоков, а не заменяет их; распределение этих функций описано в Защита цепей постоянного тока в фотоэлектрических системах: автоматические выключатели (MCB), плавкие предохранители и устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) в сравнении с устройствами защитного отключения (УЗО), а также граница между изоляцией и разрывом цепи в сравнении VIOX Разъединители постоянного тока в сравнении с автоматическими выключателями постоянного тока.
Техническое обслуживание и окончание срока службы
УЗИП постоянного тока — это расходный компонент: каждый поглощенный им импульс перенапряжения немного сокращает срок его службы. Большинство качественных устройств оснащены визуальным индикатором состояния — зеленый цвет означает исправность, красный — окончание срока службы. Многие модели используют сменные картриджи, что позволяет заменить выработавший ресурс модуль без переподключения проводов. Регулярно проверяйте индикатор и заменяйте картридж при срабатывании индикации, после любого значительного скачка напряжения или удара молнии, либо по истечении номинального срока службы. Типичный срок эксплуатации составляет около 10–15 лет в умеренных условиях и меньше в регионах с высокой грозовой активностью; ориентируйтесь на показания индикатора, а не на календарный срок.
Часто задаваемые вопросы
Можно ли использовать УЗИП переменного тока в цепи постоянного тока?
Нет. Дуга постоянного тока не гаснет сама по себе при переходе через ноль, поэтому устройство, не рассчитанное на отключение постоянного тока, может выйти из строя с опасными последствиями. Всегда используйте УЗИП постоянного тока, рассчитанное на напряжение шины.
Распространяется ли стандарт IEC 61643-31 на аккумуляторные системы хранения энергии?
Нет. Он применяется только к стороне постоянного тока фотоэлектрических генераторов и инверторов напряжением до 1500 В постоянного тока; аккумуляторные и конденсаторные накопители энергии прямо исключены из области применения, поэтому УЗИП постоянного тока для BESS сертифицируются по общему стандарту IEC 61643-11.
Тип 1 или Тип 2 для солнечных электростанций?
Используйте Тип 2 в сумматорной коробке (комбайнере) и на входе постоянного тока инвертора для защиты от наведенных и коммутационных перенапряжений. Добавьте Тип 1 (или Тип 1+2) там, где имеется внешняя система молниезащиты или риск прямого удара молнии. Полная классификация Тип 1, Тип 2 и Тип 3 объясняет классы испытаний для каждого из них.
Как установить Ucpv для фотоэлектрического массива?
Выбирайте номинал выше напряжения холостого хода массива в наихудшем случае. Поскольку напряжение холостого хода (Voc) модуля растет при понижении температуры, используйте минимально ожидаемую температуру окружающей среды — общепринятое правило: Ucpv ≥ 1,2 × Voc массива при стандартных условиях испытаний (STC).
Двухполюсный или трехполюсный УЗИП постоянного тока?
Это зависит от системы заземления. Для изолированных (IT) массивов обычно требуются трехполюсные устройства (+ / − / PE); в системах с заземленным полюсом часто используются двухполюсные после проверки поведения при неисправностях.
Технические характеристики УЗИП постоянного тока, варианты Тип 1, Тип 2 и Тип 1+2, а также документацию IEC/UL для фотоэлектрических систем, электромобилей, систем накопления энергии (BESS) и промышленных приложений постоянного тока см. в Линейка устройств защиты от перенапряжений VIOX для цепей постоянного и переменного тока.
