Treball col·laboratiu de protectors de sobretensió, interruptors automàtics i fusibles en sistemes fotovoltaics: anàlisi funcional i discussió de les necessitats

Introducció

Amb el ràpid desenvolupament de la indústria fotovoltaica mundial, la seguretat i l'estabilitat dels sistemes de generació d'energia solar s'han convertit en el centre d'atenció de la indústria. Els sistemes fotovoltaics estan exposats a l'exterior durant molt de temps i són vulnerables a amenaces com ara llamps, fluctuacions de la xarxa elèctrica i fallades dels equips, que poden causar danys als equips o fins i tot incendis. Els protectors de sobretensió (SPD), els interruptors automàtics i els fusibles són dispositius de protecció clau que realitzen les seves funcions i cooperen entre si per garantir el funcionament segur del sistema. Aquest article analitzarà en profunditat les seves funcions, els mecanismes de coordinació i la necessitat de proporcionar referència als usuaris de la indústria.

I. L'"assassí invisible" que afronta els sistemes fotovoltaics

Les centrals fotovoltaiques són com "guerrers d'acer" que treballen a l'aire lliure, suportant constantment diverses proves dures.

1.1 Problemes amb els llamps:

En particular, a l'Orient Mitjà i al sud-est asiàtic, una sola temporada de tempestes pot paralitzar sistemes que no tenen protecció.
1.2 Fluctuacions de la xarxa elèctrica:
En el projecte xilè del qual estava a càrrec, diversos equips es van cremar a causa d'un augment sobtat de la tensió de la xarxa.

1.3 Risc de curtcircuit:
L'any passat, un projecte a Alemanya va patir un curtcircuit a causa d'uns cables envellits, que gairebé va provocar un incendi.

Aquests riscos no són una exageració. Segons l'Aliança Internacional de Seguretat Fotovoltaica, més del 60% de les avaries dels sistemes fotovoltaics es deuen a una protecció elèctrica inadequada.

II. Funcions bàsiques dels dispositius de protecció contra sobretensions (SPD)

2.1 Principi de funcionament
Un SPD desvia la sobretensió transitòria a terra mitjançant varistors d'òxid metàl·lic (MOV) o tubs de descàrrega de gas (GDT), limitant la tensió dins d'un rang segur. En els sistemes fotovoltaics, els SPD s'instal·len normalment als següents llocs:
Costat de CC (entre els mòduls i l'inversor): Per protegir contra sobretensions induïdes per llamps.
Costat de CA (entre l'inversor i la xarxa): Per suprimir la sobretensió del costat de la xarxa.

2.2 Paràmetres clau
Tensió màxima de funcionament continu (Uc): Ha de coincidir amb el nivell de tensió del sistema fotovoltaic (com ara 1000V CC o 1500V CC).
Corrent de descàrrega (In/Iimp): Reflecteix la capacitat de descarregar corrent de llamp, i els sistemes fotovoltaics solen requerir 20 kA o més.
Nivell de protecció de tensió (Up): Determina la tensió residual i ha de ser inferior a la tensió suportada de l'equip protegit.

2.3 Necessitat
Eviteu que equips cars com ara inversors i caixes combinadores es facin malbé per sobretensions.
Complir amb les normes internacionals (com ara IEC 6164331, UL 1449) i els requisits d'acceptació per a les centrals fotovoltaiques.

Ⅲ. Funció i selecció d'interruptors i fusibles

3.1 Interruptor de circuit
Funció:
• Protecció contra sobrecàrrega: Quan el corrent supera el valor establert (com ara 1,3 vegades el corrent nominal), s'activa el mecanisme de desconnexió tèrmica.
• Protecció contra curtcircuits: el mecanisme de dispar electromagnètic talla el corrent de curtcircuit (com ara 10 kA) en mil·lisegons.

• Característiques de l'aplicació per a la fotovoltaica:
Cal seleccionar un interruptor automàtic de CC dedicat (com ara CC 1000V/1500V).
La capacitat de ruptura ha de coincidir amb el corrent de curtcircuit del sistema (normalment ≥ 15 kA).

3.2 Fusible
Funció:
En fondre l'element fusible, es pot aïllar ràpidament el circuit defectuós i protegir la branca connectada en sèrie.

Avantatges:
La velocitat de desconnexió és més ràpida (al nivell de microsegons), adequada per a escenaris de corrent de curtcircuit elevat.
És de mida petita i adequat per a caixes de corrent amb espai limitat.

3.3 Col·laboració amb SPD

L'SPD és responsable de la protecció contra la tensió, mentre que els interruptors/fusibles són responsables de la protecció contra el corrent.
Quan un SPD falla a causa d'una avaria de sobretensió, els interruptors automàtics o els protectors de fusibles poden tallar immediatament el circuit defectuós per evitar incendis.

Ⅳ. Cas pràctic d'un sistema de protecció multinivell

Prenguem com a exemple una central fotovoltaica d'1 MW:
4.1 Protecció al costat de CC
Ramificacions de la sèrie de components: instal·leu fusibles (com ara el tipus gPV de 10 A) per a cada sèrie.
Entrada de la caixa combinadora: instal·leu un SPD de tipus II (fins a ≤ 1,5 kV) i un interruptor automàtic de CC (63 A).

4.2 Protecció al costat de CA
Extrem de sortida de l'inversor: configureu un SPD tipus 1+2 (Iimp ≥ 12.5kA) i un interruptor automàtic de caixa motllurada (250A).

4.3 Simulació d'escenaris de fallades
Quan es produeix un llamp: l'SPD allibera un corrent de sobretensió i manté la tensió per sota de 2 kV; si l'SPD falla a causa d'un curtcircuit, l'interruptor automàtic salta.
Quan hi ha un curtcircuit de línia: el fusible es fon en 5 ms per evitar la propagació de l'efecte de punt tèrmic.

Ⅴ. Precaucions per a la selecció i la instal·lació

5.1 Selecció de SPD
Per al costat de CC, s'ha de seleccionar un SPD específic per a fotovoltaica (com ara PVSPD) per evitar el problema del corrent invers dels SPD de CA ordinaris.
Cal tenir en compte el marge de temperatura (la Uc ha de deixar un marge en ambients d'alta temperatura).

5.2 Adaptació de fusibles/disjuntors
La capacitat de trencament ha de ser superior al corrent màxim de curtcircuit del sistema (per exemple, el corrent de fallada de la cadena pot arribar a 1,5 kA).
El corrent nominal del fusible ha de ser superior a 1,56 vegades el corrent de curtcircuit del component (Isc) (d'acord amb NEC 690.8).

5.3 Suggeriments d'integració de sistemes
La longitud del cable entre l'SPD i l'interruptor automàtic ha de ser ≤ 0,5 m per reduir la tensió residual.
S'han de dur a terme inspeccions periòdiques dels indicadors d'estat dels SPD i s'han de substituir els mòduls fallats a temps.

Ⅵ. Tendències de la indústria i actualitzacions estàndard
• Demanda d'alta tensió: Amb l'adopció generalitzada de sistemes fotovoltaics de 1500 V, cal millorar de manera sincronitzada els nivells de tensió de resistència dels SPD i els interruptors automàtics.

• Monitorització intel·ligent: Els SPD intel·ligents que integren sensors de temperatura i funcions de comunicació sense fil s'estan aplicant gradualment per aconseguir un avís precoç de fallades remotes.

• Reforç estàndard: La nova versió de la norma IEC 625482023 ha imposat requisits de coordinació més estrictes als dispositius de protecció per a sistemes fotovoltaics.

Conclusió
En els sistemes fotovoltaics, els protectors contra sobretensions, els interruptors automàtics i els fusibles constitueixen un sistema complet de protecció col·laborativa de "tensió-corrent". La selecció i configuració correctes d'aquests components no només poden allargar la vida útil dels equips i reduir els costos d'operació i manteniment, sinó que també són condicions essencials per garantir el funcionament segur de les centrals elèctriques. Amb el desenvolupament de la tecnologia, la integració i la intel·ligència d'aquests dispositius de protecció milloraran encara més la fiabilitat dels sistemes fotovoltaics en el futur.