עבודה שיתופית של מגני נחשולי מתח, מפסקי זרם ונתיכים במערכות פוטו-וולטאיות: ניתוח פונקציונלי ודיון על נחיצות

מָבוֹא

עם ההתפתחות המהירה של תעשיית הפוטו-וולטאית העולמית, הבטיחות והיציבות של מערכות ייצור אנרגיה סולארית הפכו למוקד תשומת הלב של התעשייה. מערכות פוטו-וולטאיות חשופות לסביבה חיצונית במשך זמן רב ופגיעות לאיומים כמו מכות ברקים, תנודות ברשת החשמל וכשלים בציוד, אשר עלולים לגרום נזק לציוד או אפילו לשריפה. מגני נחשולי מתח (SPD), מפסקי זרם ונתיכים הם התקני הגנה מרכזיים שכל אחד מהם מבצע את תפקידו ומשתף פעולה זה עם זה כדי להבטיח את פעולת המערכת הבטוחה. מאמר זה ינתח לעומק את תפקידיהם, מנגנוני התיאום והצורך שלהם כדי לספק מקור מידע למשתמשים בתעשייה.

א. "הרוצח הבלתי נראה" העומד בפני מערכות פוטו-וולטאיות

תחנות כוח פוטו-וולטאיות הן כמו "לוחמי פלדה" הפועלים באוויר הפתוח, ועומדים ללא הרף במבחנים קשים שונים.

1.1 בעיות של פגיעות ברק:

בפרט, במזרח התיכון ובדרום מזרח אסיה, עונת סופות רעמים אחת עלולה לשתק מערכות חסרות הגנה.
1.2 תנודות ברשת החשמל:
בפרויקט הצ'יליאני עליו הייתי אחראי, מספר חלקי ציוד נשרפו עקב עלייה פתאומית במתח הרשת.

1.3 סיכון קצר חשמלי:
בשנה שעברה, פרויקט בגרמניה חווה קצר חשמלי עקב כבלים ישנים, שכמעט גרם לשריפה.

סיכונים אלה אינם הגזמה. על פי הברית הבינלאומית לבטיחות פוטו-וולטאית, למעלה מ-60% מתקלות במערכות פוטו-וולטאיות נובעות מהגנה חשמלית לא מספקת.

II. פונקציות ליבה של התקני הגנה מפני נחשולי מתח (SPD)

2.1 עקרון עבודה
ממסר הפרדה (SPD) מסיט מתח יתר חולף לאדמה דרך וריסטורים של תחמוצת מתכת (MOV) או צינורות פריקה של גז (GDT), ומגביל את המתח לטווח בטוח. במערכות פוטו-וולטאיות, ממסרי הפרדה (SPD) מותקנים בדרך כלל במקומות הבאים:
צד DC (בין המודולים לממיר): להגנה מפני נחשולי מתח הנגרמים מברקים.
צד AC (בין הממיר לרשת): כדי לדכא מתח יתר מצד הרשת.

2.2 פרמטרים מרכזיים
מתח הפעלה רציף מרבי (Uc): חייב להתאים לרמת המתח של המערכת הפוטו-וולטאית (כגון 1000V DC או 1500V DC).
זרם פריקה (In/Iimp): משקף את היכולת לפרוק זרם ברקים, ומערכות פוטו-וולטאיות דורשות בדרך כלל 20kA ומעלה.
רמת הגנת מתח (למעלה): קובעת את גודל המתח השיורי וחייבת להיות נמוכה ממתח העמידה של הציוד המוגן.

2.3 הכרח
מנע נזק לציוד יקר כגון ממירים וקופסאות קומבינציה כתוצאה מקפיצות מתח.
לעמוד בתקנים בינלאומיים (כגון IEC 6164331, UL 1449) ובדרישות קבלה לתחנות כוח פוטו-וולטאיות.

Ⅲ. תפקוד ובחירת מפסקי זרם ונתיכים

3.1 מפסק זרם
פוּנקצִיָה:
•הגנה מפני עומס יתר: כאשר הזרם עולה על הערך שנקבע (כגון פי 1.3 מהזרם המדורג), מנגנון הניתוק התרמי פועל.
•הגנה מפני קצר חשמלי: מנגנון ההפעלה האלקטרומגנטי מנתק את זרם הקצר חשמלי (כגון 10kA) תוך אלפיות השנייה.

• מאפייני יישום עבור פוטו-וולטאי:
יש לבחור מפסק זרם ישר ייעודי (כגון DC 1000V/1500V).
קיבולת הפריצה צריכה להתאים לזרם הקצר של המערכת (בדרך כלל ≥ 15kA).

3.2 נתיך
פוּנקצִיָה:
על ידי התכת רכיב הפיוז, ניתן לבודד במהירות את המעגל הפגום ולהגן על הענף המחובר בטור.

יתרונות:
מהירות הניתוק מהירה יותר (ברמת המיקרו-שניות), ומתאימה לתרחישי זרם קצר חשמלי גבוה.
הוא קטן בגודלו ומתאים לקופסאות נושאות זרם עם מקום מוגבל.

3.3 שיתוף פעולה עם SPD

SPD אחראי על הגנת מתח, בעוד מפסקי זרם/מגיני נתיכים אחראים על הגנת זרם.
כאשר SPD נכשל עקב תקלה במתח, מפסקי זרם או מגני נתיכים יכולים לנתק מיד את המעגל הפגום כדי למנוע שריפה.

Ⅳ. ניתוח מקרה של מערכת הגנה רב-מפלסית

קחו לדוגמה תחנת כוח פוטו-וולטאית בהספק של 1 מגה-וואט:
4.1 הגנה בצד הזרם הישר
ענפי סדרת רכיבים: התקן נתיכים (כגון מסוג 10A gPV) עבור כל סדרה.
כניסת קופסת הקומבינציה: התקן מפסק זרם ישר מסוג II (עד ≤ 1.5kV) ומפסק זרם ישר (63A).

4.2 הגנה בצד המזגן
קצה המוצא של הממיר: הגדר SPD מסוג 1+2 (Iimp ≥ 12.5kA) ומפסק חשמלי בעל מארז יצוק (250A).

4.3 סימולציית תרחיש תקלה
כאשר מתרחשת מכת ברק: מפסק המעגל (SPD) משחרר זרם נחשול ומוריד את המתח מתחת ל-2 קילו-וולט; אם ה-SPD נכשל עקב קצר חשמלי, מפסק המעגל מופעל.
כאשר יש קצר חשמלי בקו: הנתיך נמס תוך 5 מילישניות כדי למנוע את התפשטות אפקט הנקודה התרמית.

Ⅴ. אמצעי זהירות לבחירה והתקנה

5.1 בחירת מהירות סיבובית
עבור צד הזרם הישר, יש לבחור ב-SPD ספציפי לפוטו-וולטאי (כגון PVSPD) כדי למנוע את בעיית הזרם ההפוך של SPD AC רגיל.
יש לקחת בחשבון את מרווח הטמפרטורה (Uc צריך להשאיר מרווח בסביבות טמפרטורה גבוהה).

5.2 התאמת מפסק/נתיך
קיבולת הפריצה צריכה להיות גבוהה מזרם הקצר המרבי של המערכת (כגון זרם התקלה של המחרוזת עשוי להגיע ל-1.5kA).
הזרם המדורג של הנתיך צריך להיות גדול מפי 1.56 מזרם הקצר חשמלי של הרכיב (Isc) (בהתאם לתקן NEC 690.8).

5.3 הצעות לשילוב מערכת
אורך החוט בין ה-SPD למפסק החשמל צריך להיות ≤ 0.5 מטר כדי להפחית את המתח השיורי.
יש לבצע בדיקות סדירות של מחווני סטטוס SPD, ולהחליף מודולים פגומים בזמן.

Ⅵ. מגמות בתעשייה ועדכוני סטנדרטים
• ביקוש למתח גבוה: עם האימוץ הנרחב של מערכות פוטו-וולטאיות של 1500 וולט, יש לשפר באופן מסונכרן את רמות המתח העמידות של מפסקים ומפסקים.

• ניטור חכם: ממסרי SPD חכמים המשלבים חיישני טמפרטורה ופונקציות תקשורת אלחוטית מיושמים בהדרגה כדי להשיג התרעה מוקדמת על תקלות מרחוק.

• חיזוק סטנדרטי: הגרסה החדשה של IEC 625482023 הטילה דרישות תיאום מחמירות יותר על התקני הגנה עבור מערכות פוטו-וולטאיות.

מַסְקָנָה
במערכות פוטו-וולטאיות, מגני נחשולי מתח, מפסקי זרם ונתיכים מהווים מערכת הגנה משותפת שלמה מסוג "מתח-זרם". בחירה ותצורה נכונים של רכיבים אלה לא רק יכולים להאריך את חיי הציוד ולהפחית את עלויות התפעול והתחזוקה, אלא גם מהווים תנאים חיוניים להבטחת הפעלה בטוחה של תחנות כוח. עם התפתחות הטכנולוגיה, השילוב והאינטליגנציה של התקני הגנה אלה ישפרו עוד יותר את אמינותן של מערכות פוטו-וולטאיות בעתיד.