УЗИП для солнечных систем AC/DC: руководство по выбору

• Почему защита фотоэлектрических систем от импульсных перенапряжений регулируется двумя стандартами
• Архитектура фотоэлектрической системы: где устанавливаются УЗИП
• Защита стороны постоянного тока: требования IEC 61643-31
• Защита стороны переменного тока: требования IEC 61643-11
• Сравнительная таблица параметров УЗИП AC/DC для фотоэлектрических систем
• Уровни напряжения: переход от 600 В к 1500 В DC
• Принципы построения защиты для фотоэлектрических систем
• Что необходимо учитывать при выборе
• Часто задаваемые вопросы
• Итоги

Фотоэлектрические системы подвержены импульсным перенапряжениям как со стороны постоянного тока (между солнечными модулями и инвертором), так и со стороны переменного тока (между инвертором и сетью). Для этих двух участков применяются разные стандарты IEC, разные уровни напряжения и разные конфигурации УЗИП. В этом руководстве объясняются ключевые различия и предлагается системный подход к выбору УЗИП для PV-систем.

Почему защита фотоэлектрических систем от импульсных перенапряжений регулируется двумя стандартами

Фотоэлектрическая установка не является единой электрической средой. На стороне DC энергия передаётся от солнечных модулей к инвертору, а рабочее напряжение в крупных солнечных электростанциях сегодня достигает 1500 В DC. На стороне AC выход инвертора подключается к электрической сети или локальным нагрузкам и работает на стандартных уровнях низкого переменного напряжения. УЗИП на этих двух участках подвергаются различным электрическим нагрузкам и испытываются по разным стандартам IEC. Поэтому защита PV-систем от импульсных перенапряжений по сторонам AC и DC рассматривается как две отдельные задачи.

Поэтому защита солнечных электростанций от импульсных перенапряжений обычно строится по двухчастной схеме: УЗИП на стороне DC испытываются по IEC 61643-31 (стандарт для УЗИП в фотоэлектрических установках), а УЗИП на стороне AC — по IEC 61643-11 (стандарт для УЗИП в низковольтных сетях переменного тока). Понимание различий между этими стандартами — в методиках испытаний, классификации напряжений и принципах подключения — позволяет правильно подобрать УЗИП для каждой стороны PV-системы. Линейка УЗИП Cresin для солнечных PV-систем включает устройства как для стороны DC, так и для стороны AC, разработанные в соответствии с применимыми стандартами.

Архитектура фотоэлектрической системы: где устанавливаются УЗИП

В типичной сетевой фотоэлектрической системе защита от импульсных перенапряжений устанавливается в нескольких ключевых точках. На стороне DC УЗИП размещают как можно ближе к входу постоянного тока инвертора — между PV-строкой (или массивом) и инвертором. Это защищает оборудование от импульсов, приходящих по кабелям DC, которые нередко прокладываются на значительные расстояния по крышам или открытой местности. На стороне AC УЗИП устанавливают на выходе переменного тока инвертора либо в распределительном щите AC, где они ограничивают перенапряжения, поступающие из сети или возникающие при коммутационных процессах в сети переменного тока.

Это разделение принципиально важно, поскольку цепи постоянного и переменного тока по-разному ведут себя при импульсных перенапряжениях. В цепях DC отсутствует естественный переход тока через ноль, поэтому гашение дуги для УЗИП постоянного тока сложнее. В цепях AC периодический переход тока через ноль помогает погасить сопровождающий ток. Эти особенности влияют на конструкцию внутренних компонентов и требования к испытаниям, установленные соответствующими стандартами. Именно поэтому УЗИП для сторон AC и DC фотоэлектрической системы необходимо выбирать отдельно.

Защита стороны постоянного тока: требования IEC 61643-31

IEC 61643-31 — международный стандарт, специально предназначенный для устройств защиты от импульсных перенапряжений, подключаемых к цепям постоянного тока фотоэлектрических систем. Он устанавливает классы испытаний, номинальные значения напряжения и требования к характеристикам с учётом непрерывного характера постоянного тока и специфических электрических характеристик PV-массивов.

Один из ключевых параметров на стороне DC — максимальное длительно допустимое рабочее напряжение Uc. Значение Uc УЗИП для фотоэлектрической цепи DC должно быть выше максимального напряжения холостого хода Voc PV-массива при минимальной ожидаемой рабочей температуре, поскольку при снижении температуры напряжение массива возрастает. Например, PV-строка с номинальным Voc 1000 В при стандартных условиях испытаний (25 °C) при −10 °C может иметь значительно более высокое напряжение. Если при выборе Uc не учитывать температурный коэффициент, это может привести к нежелательному срабатыванию или ускоренному старению УЗИП.

Линейка УЗИП Cresin для PV-цепей постоянного тока охватывает значения Uc от DC 670 В до DC 1800 В и рассчитана на фотоэлектрические системы с номинальным напряжением 600, 1000, 1200 и 1500 В DC. Устройства испытываются по IEC 61643-31 и имеют номинальный разрядный ток In 20 кА и максимальный разрядный ток Imax 40 кА. Схема подключения — между положительным и отрицательным полюсами (PV+ и PV−) либо между каждым полюсом и землёй (PV+–PE, PV−–PE) — зависит от системы заземления и схемы гальванической развязки инвертора.

Защита стороны переменного тока: требования IEC 61643-11

На стороне AC фотоэлектрической системы применяются УЗИП для сетей переменного тока, испытанные по IEC 61643-11 — тому же стандарту, который используется для обычных низковольтных распределительных сетей AC. К стороне AC обычно относятся сетевой выход инвертора, распределительный щит переменного тока и подключение к внешней электросети или локальным нагрузкам.

Для большинства бытовых и коммерческих PV-систем, подключённых к сети 230/400 В, обычно выбирают УЗИП Type 2 для переменного тока с Uc 275 или 385 В. В более крупных коммерческих и промышленных установках с повышенным напряжением AC — например, при подключении к сети 690 В и выше — применяются УЗИП с соответствующим более высоким значением Uc. Линейка Cresin для стороны AC фотоэлектрических систем охватывает Uc от AC 385 В до AC 1500 В, номинальный разрядный ток In от 20 до 60 кА и максимальный разрядный ток Imax от 40 до 100 кА, что позволяет использовать устройства с различными конфигурациями выходного напряжения инверторов.

Выбор Type 1 или Type 2 на стороне AC выполняется по тем же принципам, что и в других низковольтных установках переменного тока. Type 1 (испытание импульсным током 10/350 мкс) обычно рассматривается для объектов с внешней системой молниезащиты, а Type 2 (испытание током 8/20 мкс) предназначен для защиты от наведённых грозовых и коммутационных перенапряжений. Подробнее о выборе Type 1 и Type 2 на стороне AC см. в материале УЗИП для сетей AC: Type 1 или Type 2.

Сравнительная таблица параметров УЗИП AC/DC для фотоэлектрических систем

В таблице ниже приведено сравнение основных параметров и требований стандартов для УЗИП на стороне DC и AC. Она может использоваться как справочная основа при выборе устройств для каждой стороны фотоэлектрической системы.

Уровни напряжения: переход от 600 В к 1500 В DC

За последнее десятилетие рабочее напряжение постоянного тока в PV-системах увеличивалось, поскольку более высокое напряжение позволяет снизить потери в проводниках и повысить эффективность крупных установок. Определение уровня напряжения конкретной фотоэлектрической системы — первый шаг при выборе подходящего УЗИП DC для PV-систем.

Системы 600 В DC были распространены в более ранних бытовых и небольших коммерческих установках. Для такого уровня напряжения обычно выбирают УЗИП PV DC с Uc около DC 670 В, обеспечивая необходимый запас относительно Voc массива при низкой температуре и не превышая максимально допустимое длительное рабочее напряжение УЗИП.

Системы 1000 В DC широко применяются в коммерческих и промышленных фотоэлектрических установках. Для таких систем часто задают Uc DC 1200 В или выше — в зависимости от температурного коэффициента PV-модулей и ожидаемой минимальной рабочей температуры на объекте.

Системы 1500 В DC сегодня являются распространённым решением для крупных солнечных электростанций: более высокое напряжение DC позволяет уменьшить количество параллельных строк и снизить затраты на вспомогательное оборудование системы. Для систем 1500 В DC значение Uc УЗИП обычно выбирают на уровне DC 1800 В или выше, чтобы учесть рост Voc при снижении температуры. УЗИП Cresin для PV-систем 1500 В разработаны и испытаны по IEC 61643-31 для таких высоковольтных применений.

Примечание: при выборе Uc необходимо учитывать температурный коэффициент PV-модулей (для модулей на кристаллическом кремнии обычно около −0,3 %/°C). При −10 °C массив, рассчитанный на 1500 В, может иметь Voc, приближающееся к 1800 В или превышающее это значение. Поэтому в системах 1500 В часто применяют устройства с Uc DC 1800 В.

Принципы построения защиты для фотоэлектрических систем

При построении защиты PV-системы от импульсных перенапряжений обычно учитывают несколько принципов, связанных с различными условиями на сторонах AC и DC:

Конфигурация стороны DC. УЗИП PV DC устанавливают как можно ближе к входу постоянного тока инвертора. Соединительные проводники следует делать короткими, чтобы минимизировать дополнительное падение напряжения при прохождении импульсного тока. Схема подключения (PV+ к PV− или PV+/PV− к PE) зависит от системы заземления. В незаземлённых (плавающих) системах, характерных для бестрансформаторных инверторов, УЗИП обычно подключают между каждым полюсом и функциональным заземлением. В заземлённых системах схема определяется расположением точки заземления.

Конфигурация стороны AC. УЗИП AC устанавливают на выходе переменного тока инвертора или в распределительном щите AC, через который выполняется подключение к сети. Выбор Type 1 или Type 2 производится по тем же принципам, что и в обычных установках переменного тока: учитываются наличие внешней системы молниезащиты здания и результаты оценки риска.

Координация между сторонами DC и AC. УЗИП на сторонах DC и AC защищают от разных путей проникновения импульсных перенапряжений и обычно не требуют энергетической координации между собой, поскольку эти стороны разделены внутренней схемой инвертора. Однако внутри каждой стороны может быть полезна многоступенчатая защита. Например, при длинных линиях DC один УЗИП можно установить в объединительном щите (combiner box), а второй — у входа DC инвертора.

Для проектов, где конфигурация PV-системы, схема заземления или уровень напряжения требуют индивидуального решения, технические специалисты Cresin могут помочь с подбором. Вы можете связаться с нами для получения рекомендаций по конкретному проекту либо ознакомиться со страницей Решения по защите солнечных PV-систем от импульсных перенапряжений с примерами типовых конфигураций.

Что необходимо учитывать при выборе

При выборе УЗИП для солнечного проекта необходимо проверить несколько ключевых факторов:

• Uc и Voc при минимальной температуре. При выборе Uc на стороне DC необходимо учитывать напряжение холостого хода PV-массива при минимальной ожидаемой рабочей температуре, а не только номинальное Voc при стандартных условиях испытаний. Игнорирование температурного коэффициента может привести к выбору УЗИП с недостаточным значением Uc.
• Проверка соответствия стандартам. Убедитесь, что УЗИП для стороны DC испытано по IEC 61643-31, а не только по IEC 61643-11, поскольку методики и требования к испытаниям постоянного тока отличаются. Устройство с маркировкой DC, испытанное только по стандартам для AC, может не обеспечить требуемую защиту в фотоэлектрической цепи постоянного тока.
• Схема подключения и заземление. Схема подключения УЗИП (между полюсами или между полюсом и землёй) должна соответствовать системе заземления объекта. Неправильно выбранная топология может оставить отдельные пути распространения импульса без защиты.
• Резервная защита от сверхтока. Для УЗИП PV DC требуется подходящий вышестоящий аппарат защиты от сверхтока, способный отключать ток повреждения постоянного тока. Обычные предохранители или автоматические выключатели для AC могут быть непригодны для цепей DC. Подходящие варианты резервных отключающих устройств см. на странице Специализированные УЗИП и аксессуары с дополнительными устройствами резервной защиты.

Итоги

Защита солнечных электростанций от импульсных перенапряжений включает две отдельные стратегии, регулируемые разными стандартами. УЗИП PV DC, испытанные по IEC 61643-31, рассчитаны на особенности постоянного тока и температурно-зависимое напряжение фотоэлектрических цепей. УЗИП PV AC, испытанные по IEC 61643-11, защищают выход инвертора от типичных импульсных перенапряжений в сетях переменного тока. При выборе Uc, In, Imax и схемы подключения необходимо учитывать уровень напряжения системы (600, 1000 или 1500 В DC), систему заземления и минимальную ожидаемую рабочую температуру на объекте.

Если рассматривать стороны DC и AC отдельно — каждую в соответствии с применимым стандартом и её электрическими условиями — можно построить защиту PV-системы от импульсных перенапряжений с учётом специфических угроз на каждой стороне и в соответствии с IEC 61643-31 и IEC 61643-11.