انتخاب و طراحی دستگاه های ایمنی در سیستم های فتوولتائیک

نیروگاه ها معمولاً در بیابان یا روی پشت بام نصب می شوند و قطعات باید در هوای آزاد نصب شوند. محیط طبیعی خشن است و بلایای طبیعی و انسان ساز اجتناب ناپذیر است. بلایای طبیعی مانند طوفان، طوفان برفی و شن و غبار به تجهیزات آسیب می زند. ایمنی نیروگاه بسیار مهم است. چه یک نیروگاه کوچک توزیع شده باشد یا یک نیروگاه برق زمینی در مقیاس بزرگ، خطرات خاصی وجود دارد. بنابراین تجهیزات باید مجهز به وسایل ایمنی خاصی مانند فیوز و وسایل حفاظت در برابر صاعقه باشد. ، همیشه از ایمنی نیروگاه محافظت کنید.

1. فیوز
فیوز CHYT یک محافظ جریان است که بر اساس اصل قطع مدار با ذوب مذاب با گرمای تولید شده توسط خود پس از عبور جریان از مقدار مشخص شده برای مدت زمان معین ساخته شده است. فیوزها به طور گسترده در سیستم های توزیع برق کم ولتاژ، سیستم های کنترل و تجهیزات الکتریکی استفاده می شوند. به عنوان محافظ اتصال کوتاه و جریان بیش از حد، فیوزها یکی از متداول ترین وسایل حفاظتی هستند. فیوزهای نیروگاه های فتوولتائیک به فیوزهای DC و فیوزهای AC تقسیم می شوند.
سمت DC نیروگاه فتوولتائیک چندین رشته را به صورت موازی به باس بار DC جعبه ترکیب کننده DC (طرح متمرکز) یا اینورتر رشته (طرح اینورتر رشته) مطابق با پیکربندی طرح متصل می کند. هنگامی که چندین رشته فتوولتائیک به صورت موازی به هم متصل می شوند، اگر یک خطای اتصال کوتاه در یک رشته خاص رخ دهد، رشته های دیگر در گذرگاه DC و شبکه جریان اتصال کوتاه را به نقطه اتصال کوتاه می دهند. اگر اقدامات حفاظتی مربوطه وجود نداشته باشد، منجر به سوختن تجهیزاتی مانند کابل های متصل به آن می شود. در عین حال، ممکن است باعث سوختن ضمیمه های نزدیک تجهیزات شود. در حال حاضر، حوادث مشابه آتش سوزی فتوولتائیک سقف در چین بسیار زیاد است، بنابراین لازم است برای افزایش ایمنی نیروگاه های فتوولتائیک، وسایل حفاظتی در مدارهای موازی هر رشته نصب شود.

در حال حاضر از فیوزهای DC در جعبه های ترکیبی و اینورترها برای محافظت در برابر جریان اضافه استفاده می شود. سازندگان اصلی اینورتر، فیوزها را به عنوان اجزای اصلی حفاظت DC در نظر می گیرند. در همان زمان، سازندگان فیوز مانند Bussman و Littelfuse نیز فیوزهای DC مخصوص فتوولتائیک را راه اندازی کرده اند.
با افزایش تقاضا برای فیوزهای DC در صنعت فتوولتائیک، نحوه انتخاب صحیح فیوزهای DC برای حفاظت موثر مشکلی است که هم کاربران و هم تولیدکنندگان باید به آن توجه زیادی داشته باشند. هنگام انتخاب فیوزهای DC، نمی توانید به سادگی فیوزهای AC را کپی کنید. مشخصات الکتریکی و ابعاد ساختاری، از آنجا که مشخصات فنی و مفاهیم طراحی متفاوتی بین این دو وجود دارد، به بررسی جامع این موضوع مربوط می‌شود که آیا می‌توان جریان خطا را به‌طور ایمن و قابل اطمینان بدون تصادف قطع کرد یا خیر.
1) از آنجایی که جریان DC نقطه عبور جریان صفر ندارد، در هنگام شکستن جریان خطا، قوس فقط می تواند به سرعت خود به خود تحت عمل خنک کننده اجباری پرکننده شن کوارتز خاموش شود، که بسیار دشوارتر از شکستن آن است. قوس AC طراحی معقول و روش جوشکاری تراشه، نسبت خلوص و اندازه ذرات ماسه کوارتز، نقطه ذوب، روش پخت و سایر عوامل همگی کارایی و تأثیر بر خاموش کردن اجباری قوس DC را تعیین می کنند.
2) تحت ولتاژ نامی یکسان، انرژی قوس تولید شده توسط قوس DC بیش از دو برابر انرژی قوس الکتریکی AC است. به منظور اطمینان از اینکه هر بخش از قوس می تواند در یک فاصله قابل کنترل محدود شود و همزمان به سرعت خاموش شود، هیچ بخشی ظاهر نمی شود. قوس مستقیماً به صورت سری به هم متصل می شود تا یک مخزن انرژی بزرگ ایجاد کند و در نتیجه فیوز تصادف می کند. ترکیدن به دلیل قوس مداوم زمان بیش از حد طولانی است. بدنه لوله فیوز DC به طور کلی بلندتر از فیوز AC است، در غیر این صورت اندازه آن در استفاده معمولی قابل مشاهده نیست. تفاوت، زمانی که جریان خطا رخ می دهد، عواقب جدی خواهد داشت.
3) طبق داده های توصیه شده سازمان بین المللی فناوری فیوز، به ازای هر 150 ولت افزایش ولتاژ DC، طول بدنه فیوز باید 10 میلی متر افزایش یابد و غیره. هنگامی که ولتاژ DC 1000 ولت است، طول بدنه باید 70 میلی متر باشد.
4) هنگامی که فیوز در مدار DC استفاده می شود، تأثیر پیچیده انرژی اندوکتانس و خازن باید در نظر گرفته شود. بنابراین، ثابت زمانی L/R یک پارامتر مهم است که نمی توان آن را نادیده گرفت. باید با توجه به وقوع و نرخ پوسیدگی جریان خطای اتصال کوتاه سیستم خط خاص تعیین شود. ارزیابی دقیق به این معنا نیست که بتوانید رشته یا فرعی را به دلخواه انتخاب کنید. از آنجایی که ثابت زمانی L/R فیوز DC انرژی قوس شکستن، زمان شکست و ولتاژ عبوری را تعیین می کند، ضخامت و طول بدنه لوله باید به طور معقول و ایمن انتخاب شود.
فیوز AC: در انتهای خروجی اینورتر خارج از شبکه یا انتهای ورودی منبع تغذیه داخلی اینورتر متمرکز، یک فیوز AC باید طراحی و نصب شود تا از جریان اضافه یا اتصال کوتاه بار جلوگیری شود.

2. محافظ صاعقه
بخش اصلی سیستم فتوولتائیک در هوای آزاد نصب شده است و منطقه توزیع نسبتاً بزرگ است. قطعات و تکیه گاه ها هادی هستند که برای صاعقه کاملاً جذاب هستند بنابراین خطر برخورد مستقیم و غیر مستقیم صاعقه وجود دارد. در عین حال، این سیستم به طور مستقیم به تجهیزات و ساختمان های الکتریکی مرتبط متصل است، بنابراین صاعقه به سیستم فتوولتائیک نیز شامل تجهیزات، ساختمان ها و بارهای الکتریکی مرتبط می شود. به منظور جلوگیری از آسیب صاعقه به سیستم تولید برق فتوولتائیک، راه اندازی سیستم حفاظت در برابر صاعقه و زمین برای حفاظت ضروری است.
رعد و برق یک پدیده تخلیه الکتریکی در جو است. در هنگام تشکیل ابر و باران، قسمتی از آن بارهای مثبت و قسمتی دیگر بارهای منفی جمع می کند. وقتی این بارها تا حد معینی جمع شوند، پدیده تخلیه رخ می دهد و رعد و برق را تشکیل می دهد. صاعقه به صاعقه مستقیم و صاعقه القایی تقسیم می شود. صاعقه مستقیم به صاعقه هایی اطلاق می شود که مستقیماً روی آرایه های فتوولتائیک، سیستم های توزیع برق DC، تجهیزات الکتریکی و سیم کشی آنها و همچنین مناطق مجاور می افتند. دو راه نفوذ صاعقه مستقیم وجود دارد: یکی تخلیه مستقیم آرایه های فتوولتائیک و غیره که در بالا ذکر شد، به طوری که بیشتر جریان صاعقه پرانرژی وارد ساختمان ها یا تجهیزات، خطوط می شود. دیگر اینکه صاعقه می تواند مستقیماً از میله های صاعقه عبور کند و غیره. وسیله ای که جریان صاعقه را به زمین منتقل می کند تخلیه می شود و باعث می شود پتانسیل زمین به طور لحظه ای بالا بیاید و قسمت زیادی از جریان صاعقه به طور معکوس به تجهیزات و خطوط متصل می شود. از طریق سیم محافظ زمین

رعد و برق القایی به صاعقه هایی اطلاق می شود که در نزدیکی و دورتر از ساختمان ها، تجهیزات و خطوط مرتبط ایجاد می شود و باعث افزایش ولتاژ ساختمان ها، تجهیزات و خطوط مرتبط می شود. این اضافه ولتاژ به صورت سری از طریق القای الکترواستاتیک یا القای الکترومغناطیسی متصل می شود. به تجهیزات و خطوط الکترونیکی مرتبط، باعث آسیب رساندن به تجهیزات و خطوط می شود.
برای سیستم‌های تولید برق در مقیاس بزرگ یا فتوولتائیک که در زمین‌های باز و کوه‌های مرتفع نصب می‌شوند، به‌ویژه در مناطق مستعد رعد و برق، دستگاه‌های زمینی حفاظت از صاعقه باید مجهز شوند.
دستگاه حفاظت از نوسانات (Surge protect Device) وسیله ای ضروری در حفاظت در برابر صاعقه تجهیزات الکترونیکی است. قبلاً به آن صاعقه گیر یا محافظ اضافه ولتاژ می گفتند. مخفف انگلیسی SPD است. عملکرد محافظ برق این است که اضافه ولتاژ لحظه ای وارد شده به خط برق و خط انتقال سیگنال را در محدوده ولتاژی که تجهیزات یا سیستم می تواند تحمل کند، یا نشت جریان قوی صاعقه به زمین، به گونه ای که از خط محافظت شده وارد می شود، محدود کند. تجهیزات یا سیستم از آسیب دیدن در اثر ضربه آسیب دیده است. در ادامه به تشریح پارامترهای فنی اصلی برقگیرهای رایج در سیستم های تولید برق فتوولتائیک می پردازیم.

(1) حداکثر ولتاژ کار مداوم Ucpv: این مقدار ولتاژ حداکثر ولتاژ قابل اعمال در برقگیر را نشان می دهد. تحت این ولتاژ برقگیر باید بتواند به طور معمول بدون خرابی کار کند. در عین حال، ولتاژ به طور مداوم بر روی برقگیر بدون تغییر ویژگی های کاری برقگیر بارگذاری می شود.
(2) جریان تخلیه نامی (In): به آن جریان تخلیه اسمی نیز گفته می شود که به مقدار پیک فعلی شکل موج جریان صاعقه 8/20μs اشاره دارد که برقگیر می تواند تحمل کند.
(3) حداکثر جریان تخلیه Imax: هنگامی که یک موج رعد و برق استاندارد با شکل موج 8/20 میلی ثانیه یک بار به محافظ اعمال می شود، حداکثر مقدار حداکثر جریان ضربه ای که محافظ می تواند تحمل کند.
(4) سطح حفاظت ولتاژ بالا (در): حداکثر مقدار محافظ در آزمایش‌های زیر: ولتاژ فلاش اوور با شیب 1KV/ms. ولتاژ باقیمانده جریان تخلیه نامی
محافظ برق از وریستور با ویژگی های غیرخطی عالی استفاده می کند. در شرایط عادی، محافظ ولتاژ در حالت مقاومت بسیار بالا قرار دارد و جریان نشتی تقریباً صفر است و منبع تغذیه طبیعی سیستم قدرت را تضمین می کند. هنگامی که اضافه ولتاژ در سیستم قدرت رخ می دهد، محافظ ولتاژ بلافاصله در عرض نانوثانیه روشن می شود تا مقدار اضافه ولتاژ را در محدوده کار ایمن تجهیزات محدود کند. در همان زمان، انرژی اضافه ولتاژ آزاد می شود. متعاقباً، محافظ به سرعت به حالت امپدانس بالا تغییر می کند، بنابراین بر منبع تغذیه عادی سیستم قدرت تأثیر نمی گذارد.

رعد و برق علاوه بر اینکه می تواند ولتاژ و جریان افزایشی ایجاد کند، در لحظه بسته شدن و قطع شدن مدار پرقدرت، لحظه روشن یا خاموش شدن بار القایی و بار خازنی و قطع شدن سیستم قدرت بزرگ یا تبدیل کننده. ولتاژ و جریان بزرگ سوئیچینگ نیز باعث آسیب به تجهیزات و خطوط مرتبط می شود. به منظور جلوگیری از القای صاعقه، یک وریستور به انتهای ورودی DC اینورتر کم مصرف اضافه می شود. حداکثر جریان تخلیه می تواند به 10 کیلو ولت آمپر برسد که اساساً می تواند نیازهای سیستم های حفاظت صاعقه فتوولتائیک خانگی را برآورده کند.