בחירת התקני הגנה מפני נחשולי מתח עבור מערכות פוטו-וולטאיות - סוגי SPD

ייצור חשמל פוטו-וולטאי (PV) הוא מקור מרכזי לאנרגיה מתחדשת והוא תחרותי מאוד מבחינה כלכלית בהשוואה לייצור חשמל מסורתי. מערכות פוטו-וולטאי מבוזרות קטנות, כגון פאנלים סולאריים על גגות, הופכות פופולריות יותר ויותר. מערכות פוטו-וולטאי על גגות כוללות חלוקת זרם חילופין (AC) וגם זרם ישר (DC) עם מתחים המגיעים עד 1500 וולט. הצד הישר, במיוחד פאנלים פוטו-וולטאיים, עלול להיות חשוף ישירות לפגיעות ברק באזורים בסיכון גבוה, מה שהופך אותם לפגיעים לנזקי ברק.

הגנה מפני ברקים במבנים מחולקת להגנה חיצונית (Lightning Protection System, LPS) והגנה פנימית (Surge Protective Measures, SPM), המבוססת על סיכון הברקים. התקני הגנה מפני נחשולי מתח (SPDs), כחלק מההגנה הפנימית, מגנים מפני מתח יתר חולף הנגרם מברקים אטמוספריים או פעולות מיתוג. SPDs מותקנים מחוץ לציוד המוגן ומתפקדים בעיקר באופן הבא: כאשר אין נחשול מתח במערכת החשמל, ה-SPD אינו משפיע באופן משמעותי על הפעולה הרגילה של המערכת שהוא מגן עליה. כאשר מתרחש נחשול מתח, ה-SPD מציע עכבה נמוכה, מסיט את זרם הנחשול דרכו ומגביל את המתח לרמה בטוחה. לאחר שהנחשול חלף וכל זרם שיורי דעך, ה-SPD חוזר למצב עכבה גבוהה.

1. מיקום ההתקנה של התקני הגנה מפני נחשולי מתח (SPD)

מיקום ההתקנה של ממסרי הגנה מפני ברקים (SPDs) נקבע בהתאם למידת איום הברקים ועל סמך מושג אזורי הגנה מפני ברקים (LPZ) בתקן IEC 62305. מתח יתר חולף מופחת בהדרגה לרמה בטוחה, שחייבת להיות מתחת למתח העמידה של הציוד המוגן. כפי שמודגם באיור, ממסרי הגנה מפני ברקים (SPDs) מותקנים בגבולות אזורים אלה, מה שמוליד את מושג ההגנה מפני נחשולי מתח רב-מפלסיים המשמשת במערכות מתח נמוך. עבור מערכות פוטו-וולטאיות, הדגש הוא על מניעת חדירת נחשולי מתח ברקים דרך צידי AC ו-DC, ובכך להגן על רכיבים קריטיים כמו ממירים.

2. קטגוריות בדיקה של התקני הגנה מפני נחשולי מתח (SPD)

על פי תקן IEC 61643-11, מבחני SPD מסווגים לשלוש קטגוריות בדיקה בהתבסס על סוג דחף זרם הברקים שהם נועדו לעמוד בו. בדיקות מסוג I (מסומנות כ-T1) נועדו לדמות זרמי ברק חלקיים שעשויים להיכנס לבניין. אלה משתמשות בצורת גל של 10/350 מיקרו-שנייה, כפי שמוצג באיור 3, ומיושמות בדרך כלל בגבול בין LPZ0 ל-LPZ1 - כגון בלוחות חלוקה ראשיים או במבואות שנאי מתח נמוך. מבחני SPD לרמה זו הם בדרך כלל מסוג מיתוג מתח, עם רכיבים כמו צינורות פריקת גז או פערי ניצוצות (למשל, פערי קרן או פערי גרפיט).

בדיקות מסוג II (T2) וסוג III (T3) משתמשות בפולסים קצרי אורך. ממסרי SPD מסוג II הם בדרך כלל התקנים מגבילי מתח המשתמשים ברכיבים כגון וריסטורים מסוג תחמוצת מתכת (MOV). הם נבדקים עם זרם פריקה נומינלי באמצעות צורת גל זרם של 8/20 מיקרו-שנייה (ראה איור תקציר), ואחראים על הגבלה נוספת של מתח הנחשולים השיורי המגיע מהתקן ההגנה במעלה הזרם. בדיקות מסוג III משתמשות במחולל גל משולב עם מתח של 1.2/50 מיקרו-שנייה ופולס זרם של 8/20 מיקרו-שנייה (ראה איור למטה), המדמה נחשולים קרוב יותר לציוד קצה.

3. סוג חיבור של התקן הגנה מפני נחשולי מתח (SPDs)

ישנם שני מצבי הגנה עיקריים מפני מתח יתר חולף. הראשון הוא הגנה במצב משותף (CT1), שנועדה להגן מפני נחשולי מתח בין מוליכים חיים לבין PE (הארקה). מכות ברק, למשל, יכולות להכניס למערכת מתחים גבוהים יחסית לאדמה. הגנה במצב משותף מסייעת למתן את ההשפעה של הפרעות חיצוניות כאלה, כמו ברק, כפי שמודגם להלן.

השני הוא הגנה במצב דיפרנציאלי (CT2), אשר מגנה מפני נחשולי מתח בין מוליך הקו (L) למוליך האפס (N). סוג זה של הגנה חשוב במיוחד לטיפול בהפרעות פנימיות, כגון רעש חשמלי או הפרעות הנוצרות בתוך המערכת עצמה, כפי שמוצג בתרשים למטה.

על ידי יישום אחד או שני מצבי ההגנה הללו, ניתן להגן טוב יותר על מערכות חשמליות מפני מקורות נחשולי מתח פוטנציאליים, ובסופו של דבר לשפר את אורך החיים והאמינות של הציוד המחובר.

חשוב לציין כי בחירת מצבי ההגנה של SPD צריכה להתאים למערכת ההארקה הקיימת. עבור מערכות TN, ניתן להשתמש הן במצבי ההגנה CT1 והן במצבי הגנה CT2. עם זאת, במערכות TT, ניתן להחיל CT1 רק במורד הזרם של RCD. במערכות IT - במיוחד אלו ללא מוליך נייטרלי - הגנת CT2 אינה ישימה. זהו שיקול קריטי במערכות חלוקת DC המשתמשות בתצורות הארקה של IT. פרטים ניתן למצוא בטבלה שלהלן.

4. פרמטרים מרכזיים של התקני הגנה מפני נחשולי מתח (SPD)

על פי התקן הבינלאומי IEC 61643-11, המאפיינים והבדיקות של ממסרי SPD המחוברים למערכות חלוקת חשמל במתח נמוך מוגדרים, כפי שמוצג באיור 7.

(1) רמת הגנת מתח (למעלה)

ההיבט החשוב ביותר בבחירת ממסר SPD הוא רמת הגנת המתח שלו (Up), המאפיינת את ביצועי ה-SPD בהגבלת המתח בין הדקים. ערך זה צריך להיות גבוה ממתח ההידוק המרבי. הוא מושג כאשר הזרם הזורם דרך ה-SPD שווה לזרם הפריקה הנומינלי In. רמת הגנת המתח שנבחרה חייבת להיות נמוכה ממתח עמידות הדחפים Uw של העומס. במקרה של פגיעות ברק, המתח על פני הדקי ה-SPD נשמר בדרך כלל מתחת ל-Up. עבור מערכות PV DC, העומס מתייחס בדרך כלל למודולים PV ולמהפכים.

(2) מתח הפעלה רציף מרבי (Uc)

Uc הוא מתח הישר המרבי שניתן להפעיל ברציפות על מצב הגנה של ה-SPD. הוא נבחר על סמך המתח המדורג ותצורת הארקה של המערכת ומשמש כסף ההפעלה של ה-SPD. עבור צד הישר של מערכות פוטו-וולטאיות, Uc צריך להיות גדול או שווה למתח Uoc Max של מערך ה-PV. Uoc Max מתייחס למתח המעגל הפתוח הגבוה ביותר בין הדקי החשמל ובין הדקי החשמל לאדמה בנקודה הייעודית של מערך ה-PV.

(3) זרם פריקה נומינלי (אינץ')

זהו ערך השיא של זרם צורת גל של 8/20 מיקרושניות הזורם דרך ה-SPD, המשמש לבדיקות מסוג II ולבדיקות התניה מוקדמת בבדיקות מסוג I ו- סוג IIחברת החשמל דורשת שה-SPD יוכל לעמוד בלפחות 19 פריקות של זרם צורה של 8/20 מיקרושנייה. ככל שערך In גבוה יותר, כך תוחלת החיים של ה-SPD ארוכה יותר, אך גם העלות עולה.

(4) זרם אימפולס (Iimp)

זרם זה, המוגדר על ידי שלושה פרמטרים: שיא זרם (Ipeak), מטען (Q) ואנרגיה ספציפית (W/R), משמש ב... סוג א' בדיקות. צורת הגל האופיינית היא 10/350 מיקרו-שניות.