Introducció

En els sistemes d'energia moderns i les aplicacions d'equips electrònics, els protectors contra sobretensions (SPD) i els inversors, com a dos components clau, el seu funcionament col·laboratiu és crucial per garantir el funcionament segur i estable de tot el sistema. Amb el ràpid desenvolupament de les energies renovables i l'aplicació generalitzada dels dispositius electrònics de potència, l'ús combinat d'aquests dos s'ha tornat cada cop més comú. Aquest article aprofundirà en els principis de funcionament, els criteris de selecció, els mètodes d'instal·lació dels SPD i els inversors, així com en com es poden combinar de manera òptima per proporcionar una protecció completa per als sistemes d'energia.

 

 

Capítol 1: Anàlisi exhaustiva dels protectors contra sobretensions

 

1.1 Què és un protector contra sobretensions?

 

Un dispositiu de protecció contra sobretensions (SPD per abreujar), també conegut com a parafoudre o protector de sobretensió, és un dispositiu electrònic que proporciona protecció de seguretat per a diversos equips electrònics, instruments i línies de comunicació. Pot connectar el circuit protegit al sistema equipotencial en un temps extremadament curt, fent que el potencial a cada port de l'equip sigui igual i, simultàniament, alliberar a terra el corrent de sobretensió generat al circuit a causa de llamps o operacions de commutació, protegint així els equips electrònics de danys.

 

Els protectors de sobretensió s'utilitzen àmpliament en camps com la comunicació, l'energia, la il·luminació, la monitorització i el control industrial, i són un component indispensable i important de l'enginyeria moderna de protecció contra llamps. Segons les normes de la Comissió Electrotècnica Internacional (IEC), els protectors de sobretensió es poden classificar en tres categories: Tipus I (per a la protecció directa contra llamps), Tipus II (per a la protecció del sistema de distribució) i Tipus III (per a la protecció d'equips terminals).

 

1.2 Principi de funcionament del protector contra sobretensions

 

El principi bàsic de funcionament d'un protector contra sobretensions es basa en les característiques dels components no lineals (com ara varistors, tubs de descàrrega de gas, díodes de supressió de tensió transitòria, etc.). Sota tensió normal, presenten un estat d'alta impedància i gairebé no tenen cap impacte en el funcionament del circuit. Quan es produeix una sobretensió, aquests components poden canviar a un estat de baixa impedància en nanosegons, desviant l'energia de sobretensió a terra i limitant així la tensió a través de l'equip protegit a un rang segur.

El procés de treball específic es pot dividir en quatre etapes:

 

1.2.1 Fase de monitorització

 

SPD ambmonitoritza contínuament les fluctuacions de voltatge al circuit. Roman en un estat d'alta impedància dins del rang de voltatge normal, sense afectar el funcionament normal del sistema.

 

1.2.2 Fase de resposta

 

Quan es detecta que el voltatge supera el llindar establert (com ara 385 V per a un sistema de 220 V), l'element protector respon ràpidament en nanosegons.

 

1.2.3 Descàrrega escenari

L'element protector canvia a un estat de baixa impedància, creant una via de descàrrega per dirigir el sobrecorrent a terra, alhora que manté la tensió a través de l'equip protegit a un nivell segur.

 

1.2.4 Fase de recuperació:

Després de la sobretensió, el component de protecció torna automàticament a un estat d'alta impedància i el sistema reprèn el funcionament normal. Per als tipus que no es recuperen autoreparablement, pot ser necessari substituir el mòdul.

 

1.3 Com a triar un protector de sobretensions

 

Seleccionar el protector de sobretensió adequat requereix tenir en compte diversos factors per garantir el millor efecte de protecció i els beneficis econòmics

 

1.3.1 Seleccioneu el tipus en funció de les característiques del sistema

 

- Els sistemes de distribució d'energia TT, TN o IT requereixen diferents tipus de SPD

- No es poden barrejar SPD per a sistemes de corrent altern i sistemes de corrent continu (com ara sistemes fotovoltaics).

- La diferència entre sistemes monofàsics i trifàsics

 

1.3.2 Clau Coincidència de paràmetres

 

- La tensió màxima de funcionament continu (Uc) ha de ser superior a la tensió contínua més alta possible que pugui trobar el sistema (normalment 1,15-1,5 vegades la tensió nominal del sistema)

- El nivell de protecció de tensió (Up) ha de ser inferior a la tensió suportada de l'equip protegit.

- El corrent de descàrrega nominal (In) i el corrent de descàrrega màxim (Imax) s'han de seleccionar en funció de la ubicació de la instal·lació i de la intensitat de sobretensió prevista.

- El temps de resposta ha de ser prou ràpid (normalment

 

1.3.3 Instal·lació consideracions sobre la ubicació

 

- L'entrada d'alimentació ha d'estar equipada amb un SPD de classe I o classe II

- El quadre de distribució pot estar equipat amb un SPD de classe II

- La part frontal de l'equip ha d'estar protegida per un SPD de protecció fina de classe III.

 

1.3.4 Especial Requisits ambientals

 

- Per a la instal·lació a l'aire lliure, tingueu en compte les classificacions d'impermeabilitat i resistència a la pols (IP65 o superior)

- En entorns d'altes temperatures, seleccioneu SPD que siguin adequats per a altes temperatures

- En ambients corrosius, trieu tancaments amb propietats anticorrosives

 

1.3.5 Certificació Estàndards

 

- Compleix amb normes internacionals com ara IEC 61643 i UL 1449

- Certificat amb CE, TUV, etc.

- Per a sistemes fotovoltaics, ha de complir amb la norma IEC 61643-31

 

1.4 Com fer-ho instal·lar un protector de sobretensions

 

La instal·lació correcta és la clau per garantir l'eficàcia dels protectors de sobretensió. Aquí teniu una guia d'instal·lació professional

 

1.4.1 Instal·lació Ubicació Selecció

 

- L'SPD d'entrada de corrent s'ha d'instal·lar a la caixa de distribució principal, tan a prop com sigui possible de l'extrem de la línia d'entrada.

- L'SPD de la caixa de distribució secundària s'ha d'instal·lar després de l'interruptor.

- El descarregador frontal de l'equip s'ha de col·locar el més a prop possible de l'equip protegit (es recomana que la distància sigui inferior a 5 metres).

 

1.4.2 Cablejat Especificacions

 

- El mètode de connexió en "V" (connexió Kelvin) pot reduir la influència de la inductància del cable.

- Els cables de connexió han de ser tan curts i rectes com sigui possible (

- La secció transversal dels cables ha de complir amb les normes (normalment, no menys de 4 mm² de cable de coure).

- El cable de terra ha de triar preferentment un cable bicolor groc-verd, amb una secció transversal no inferior a la del cable de fase.

 

1.4.3 Posada a terra Requisits

 

- Els terminals de terra de l'SPD han d'estar connectats de manera segura al bus de terra del sistema.

- La resistència de connexió a terra ha de complir els requisits del sistema (normalment

- Eviteu tenir cables de terra excessivament llargs, ja que això augmentarà la impedància de terra.

 

1.4.4 Instal·lació Passos

 

1) Desconnecteu el subministrament elèctric i comproveu que no hi hagi voltatge

2) Reserveu una posició d'instal·lació a la caixa de distribució segons la mida de l'SPD

3) Fixeu la base o el rail guia de l'SPD

4) Connecteu el cable de fase, el cable neutre i el cable de terra segons el diagrama de cablejat.

5) Comproveu si totes les connexions són segures

6) Engegueu l'aparell per fer proves i observeu els indicadors lluminosos d'estat.

 

1.4.5 Instal·lació Precaucions

 

- No instal·leu l'SPD abans del fusible o de l'interruptor automàtic.

- Cal mantenir una distància adequada (longitud del cable > 10 metres) entre diversos SPD o s'ha d'afegir un dispositiu de desacoblament.

- Després de la instal·lació, s'ha d'instal·lar un dispositiu de protecció contra sobrecorrent (com ara un fusible o un interruptor automàtic) a l'extrem frontal de l'SPD.

- S'han de dur a terme inspeccions periòdiques (almenys un cop l'any) i manteniment. S'han de dur a terme inspeccions reforçades abans i després de la temporada de tempestes.

 

Capítol 2: Enanàlisi en profunditat dels inversors

 

2.1 Què és un inversor?

 

Un inversor és un dispositiu electrònic de potència que converteix el corrent continu (CC) en corrent altern (CA). És un component clau indispensable en els sistemes energètics moderns. Amb el ràpid desenvolupament de les energies renovables, l'aplicació d'inversors s'ha generalitzat cada cop més, especialment en sistemes de generació d'energia fotovoltaica, sistemes de generació d'energia eòlica, sistemes d'emmagatzematge d'energia i sistemes de subministrament d'energia ininterrompuda (SAI).

 

 

Els inversors es poden classificar en inversors d'ona quadrada, inversors d'ona sinusoidal modificada i inversors d'ona sinusoidal pura segons les seves formes d'ona de sortida; també es poden classificar en inversors connectats a la xarxa, inversors fora de la xarxa i inversors híbrids segons els seus escenaris d'aplicació; i es poden dividir en microinversors, inversors de cadena i inversors centralitzats segons les seves potències nominals.

 

2.2 Treballant Principi de l'inversor

 

El principi bàsic de funcionament de l'inversor és convertir el corrent continu en corrent altern mitjançant les accions de commutació ràpida dels dispositius de commutació de semiconductors (com ara IGBT i MOSFET). El procés bàsic de funcionament és el següent:

 

2.2.1 Entrada de CC Escenari

 

La font d'alimentació de CC (com ara panells fotovoltaics, bateries) subministra energia elèctrica de CC a l'inversor.

 

2.2.2 Impulsió Escenari (Opcional)

 

La tensió d'entrada s'augmenta fins a un nivell adequat per al funcionament de l'inversor mitjançant un circuit elevador de corrent continu (DC-DC).

 

2.2.3 Inversió Escenari

 

Els interruptors de control s'encenen i s'apaguen en una seqüència específica, convertint el corrent continu en corrent continu pulsant. A continuació, el circuit de filtre filtra aquest corrent per formar una forma d'ona alterna.

 

2.2.4 Sortida Escenari

 

Després de passar pel filtratge LC, la sortida serà un corrent altern qualificat (com ara 220V/50Hz o 110V/60Hz).

 

Per als inversors connectats a la xarxa, també inclou funcions avançades com ara el control síncron de la connexió a la xarxa, el seguiment del punt de màxima potència (MPPT) i la protecció contra l'efecte d'illament. Els inversors moderns solen utilitzar tecnologia PWM (modulació per amplada de pols) per millorar la qualitat i l'eficiència de la forma d'ona.

 

2.3 Com fer-ho triar un inversor

 

L'elecció de l'inversor adequat requereix tenir en compte diversos factors:

 

2.3.1 Seleccioneu el tipus basat sobre l'escenari de l'aplicació

 

- Per a sistemes connectats a la xarxa, trieu inversors connectats a la xarxa

- Per a sistemes fora de xarxa, trieu inversors fora de xarxa

- Per a sistemes híbrids, trieu inversors híbrids

 

2.3.2 Poder Coincidència

 

- La potència nominal ha de ser lleugerament superior a la potència total de la càrrega (un marge recomanat d'1,2 - 1,5 vegades)

- Considereu la capacitat de sobrecàrrega instantània (com ara el corrent d'arrencada del motor)

 

2.3.3 Entrada característica coincidència

 

- El rang de tensió d'entrada ha de cobrir el rang de tensió de sortida de la font d'alimentació.

- Per als sistemes fotovoltaics, el nombre de camins MPPT i el corrent d'entrada han de coincidir amb els paràmetres dels components.

 

2.3.4 Sortida Característiques Requisits

 

- El voltatge i la freqüència de sortida compleixen amb els estàndards locals (com ara 220V/50Hz)

- Qualitat de la forma d'ona (preferiblement un inversor d'ona sinusoidal pura)

- Eficiència (els inversors d'alta qualitat tenen una eficiència > 95%)

 

2.3.5 Protecció Funcions

 

- Proteccions bàsiques com ara sobretensió, subtensió, sobrecàrrega, curtcircuit i sobreescalfament

- Per als inversors connectats a la xarxa, cal protecció contra l'efecte d'illament.

- Protecció antiinjecció inversa (per a sistemes híbrids)

 

2.3.6 Medi ambient Adaptabilitat

 

- Rang de temperatura de funcionament

- Grau de protecció (es requereix IP65 o superior per a instal·lacions a l'aire lliure)

Adaptabilitat a l'altitud

 

2.3.7 Certificació Requisits

 

- Els inversors connectats a la xarxa han de tenir certificacions locals de connexió a la xarxa (com ara CQC a la Xina, VDE-AR-N 4105 a la UE, etc.)

- Certificacions de seguretat (com ara UL, IEC, etc.)

 

2.4 Com fer-ho instal·lar l'inversor

 

La correcta instal·lació de l'inversor és de vital importància per al seu rendiment i vida útil:

 

2.4.1 Instal·lació Ubicació Selecció

 

- Ben ventilat, evitant la llum solar directa

- Temperatura ambient que oscil·la entre -25 ℃ i +60 ℃ (consulteu les especificacions del producte per a més detalls)

- Sec i net, evitant la pols i els gasos corrosius

- Ubicació convenient per a l'operació i el manteniment

- Tan a prop com sigui possible de la bateria (per reduir les pèrdues de línia)

 

2.4.2 Mecànic Instal·lació

 

- Instal·leu-lo mitjançant suports de paret o suports per garantir l'estabilitat

- Mantenir instal·lat verticalment per a una millor dissipació de la calor

- Reserveu prou espai al voltant (normalment més de 50 cm a sobre i a sota, i més de 30 cm a l'esquerra i a la dreta)

 

2.4.3 Elèctric Connexions

 

- Connexió del costat de CC:

- Verifiqueu la polaritat correcta (els terminals positiu i negatiu no s'han d'invertir)

- Utilitzeu cables amb les especificacions adequades (normalment de 4 a 35 mm²)

- Es recomana instal·lar un interruptor automàtic de CC al terminal positiu

 

- Connexió lateral de CA:

- Connectar segons L/N/PE

- Les especificacions del cable han de complir els requisits actuals

- Cal instal·lar un interruptor automàtic de corrent altern

 

- Connexió a terra:

- Assegureu-vos una connexió a terra fiable (resistència de connexió a terra

- El diàmetre del cable de terra no ha de ser inferior al diàmetre del cable de fase.

 

2.4.4 Sistema Configuració

 

- Els inversors connectats a la xarxa han d'estar equipats amb dispositius de protecció de xarxa compatibles.

- Els inversors aïllats s'han de configurar amb els bancs de bateries adequats.

- Configurar els paràmetres del sistema correctes (tensió, freqüència, etc.)

 

2.4.5 Instal·lació Precaucions

 

- Assegureu-vos que totes les fonts d'alimentació estiguin desconnectades abans de la instal·lació

- Eviteu que les línies de CC i CA passin l'una al costat de l'altra.

- Separar les línies de comunicació de les línies elèctriques

- Realitzeu una inspecció exhaustiva després de la instal·lació abans d'encendre'l per fer les proves

 

2.4.6 Depuració i Proves

 

- Mesureu la resistència d'aïllament abans d'encendre

- Engegueu gradualment l'alimentació i observeu el procés d'arrencada

- Comprovar si les diverses funcions de protecció funcionen correctament

- Mesurar el voltatge de sortida, la freqüència i altres paràmetres

 

Capítol 3: Col·laboració entre SPD i inversor

 

3.1 Per què el L'inversor necessita un protector de sobretensions?

 

Com a dispositiu electrònic de potència, l'inversor és molt sensible a les fluctuacions de voltatge i requereix la protecció col·laborativa d'un protector de sobretensions. Els principals motius d'això inclouen:

 

3.1.1 Alt Sensibilitat de l'inversor

 

L'inversor conté un gran nombre de dispositius semiconductors i circuits de control precisos. Aquests components tenen una tolerància limitada a la sobretensió i són molt susceptibles a danys per sobretensions.

 

3.1.2 Sistema Obertura

Les línies de CC i CA del sistema fotovoltaic solen ser força llargues i parcialment exposades a l'exterior, cosa que les fa més propenses a les sobrecorrents induïdes per llamps.

 

3.1.3 Dual Riscos

L'inversor no només està exposat a amenaces de sobretensions del costat de la xarxa elèctrica, sinó que també pot estar subjecte a impactes de sobretensions del costat del panell fotovoltaic.

 

3.1.4 Econòmic Pèrdua

Els inversors solen ser un dels components més cars d'un sistema fotovoltaic. El seu dany pot provocar una paralització del sistema i uns costos de reparació elevats.

 

3.1.5 Seguretat Risc

Els danys a l'inversor poden provocar accidents secundaris com ara descàrregues elèctriques i incendis.

 

Segons les estadístiques, en els sistemes fotovoltaics, aproximadament el 35% de les avaries dels inversors estan relacionades amb sobretensions elèctriques, i la majoria d'aquestes es poden evitar mitjançant mesures raonables de protecció contra sobretensions.

 

3.2 Solució d'integració de sistemes de protector contra sobretensions i inversor

 

Un esquema complet de protecció contra sobretensions per a un sistema fotovoltaic hauria d'incloure diversos nivells de protecció:

 

3.2.1 CC Costat Protecció

 

- Instal·leu un SPD de CC dedicat específicament per a sistemes fotovoltaics dins de la caixa combinadora de CC del panell fotovoltaic.

- Instal·leu un SPD de CC de segon nivell a l'extrem d'entrada de CC de l'inversor.

- Protegiu els mòduls fotovoltaics i la secció DC/DC de l'inversor.

 

3.2.2 Comunicacióprotecció lateral

 

- Instal·leu l'SPD de CA de primer nivell a l'extrem de sortida de CA de l'inversor

- Instal·leu el SPD de CA de segon nivell al punt de connexió a la xarxa o al quadre de distribució.

- Protegiu la part de CC/CA de l'inversor i la interfície amb la xarxa elèctrica

 

3.2.3 Senyal Bucle Protecció

 

- Instal·lar descarregadors de senyal per a línies de comunicació com ara RS485 i Ethernet

- Protegir els circuits de control i els sistemes de monitorització

 

3.2.4 Igualtat Potencial Connexió

 

- Assegureu-vos que tots els terminals de terra SPD estiguin connectats correctament a la presa de terra del sistema.

- Reduir la diferència de potencial entre els sistemes de posada a terra

 

3.3 Coordinat consideració de selecció i instal·lació

 

En l'aplicació conjunta de protectors de sobretensió i inversors, la selecció i la instal·lació han de tenir en compte especialment els factors següents:

 

3.3.1 Adaptació de voltatge

 

- El valor Uc de l'SPD del costat de CC ha de ser superior a la tensió màxima en circuit obert del panell fotovoltaic (tenint en compte el coeficient de temperatura)

- El valor Uc de l'SPD del costat de corrent altern ha de ser superior a la tensió màxima de funcionament continu de la xarxa elèctrica.

- El valor de pujada de l'SPD ha de ser inferior al valor de la tensió de resistència de cada port de l'inversor.

 

3.3.2 Capacitat actual

 

- Seleccioneu l'In i l'Imax de l'SPD en funció del corrent de sobretensió previst a la ubicació de la instal·lació.

- Per al costat de CC del sistema fotovoltaic, es recomana utilitzar un SPD amb almenys 20 kA (8/20 μs).

- Per al costat de CA, trieu un SPD amb 20-50 kA depenent de la ubicació.

 

3.3.3 Coordinació i Cooperació

 

- Hi hauria d'haver una correspondència energètica adequada (distància o desacoblament) entre múltiples SPD.

- Assegureu-vos que els SPD propers a l'inversor no suportin sols tota l'energia de sobretensió.

- Els valors ascendents de cada nivell de SPD haurien de formar un gradient (normalment, el nivell superior és un 20% o més alt que el nivell inferior).

 

3.3.4 Especial Requisits

 

- L'SPD de CC fotovoltaic ha de tenir protecció de connexió inversa.

- Considereu la protecció contra sobretensions bidireccional (les sobretensions poden ser introduïdes tant des del costat de la xarxa com des del costat fotovoltaic).

- Seleccioneu SPD amb capacitats d'alta temperatura per al seu ús en entorns d'alta temperatura.

 

3.3.5 Instal·lació Consells

 

- L'SPD s'ha de col·locar el més a prop possible del port protegit (terminals CC/CA de l'inversor)

- Els cables de connexió han de ser tan curts i rectes com sigui possible per reduir la inductància del cable.

- Assegureu-vos que el sistema de posada a terra tingui una baixa impedància

- Eviteu formar un bucle a les línies entre l'SPD i l'inversor

 

3.4 Manteniment i resolució de problemes

 

Punts de manteniment per al sistema coordinat de protectors de sobretensió i inversors:

 

3.4.1 Regular inspecció

 

- Inspeccioneu visualment l'indicador d'estat del SPD mensualment.

- Comprovar l'estanquitat de les connexions trimestralment.

- Mesurar la resistència de la connexió a terra anualment.

- Inspeccionar immediatament després d'un llamp.

 

3.4.2 Comú resolució de problemes

 

- Funcionament freqüent de l'SPD: comproveu si la tensió del sistema és estable i si el model d'SPD és l'adequat.

- Fallada de l'SPD: comproveu si el dispositiu de protecció frontal és compatible i si la sobretensió supera la capacitat de l'SPD.

- L'inversor encara està malmès: comproveu si la posició d'instal·lació de l'SPD és raonable i si la connexió és correcta.

- Falsa alarma: comproveu la compatibilitat entre l'SPD i l'inversor i si la connexió a terra és bona.

 

3.4.3 Reemplaçament Estàndards

 

- L'indicador d'estat mostra un error

- L'aspecte mostra danys evidents (com ara cremades, esquerdes, etc.)

- Experimentar sobretensions que superen el valor nominal

- Assolir la vida útil recomanada pel fabricant (normalment de 8 a 10 anys)

 

3.4.4 Sistema Optimització

 

- Ajusta la configuració de l'SPD en funció de l'experiència operativa

- Aplicació de noves tecnologies (com ara la monitorització intel·ligent de SPD)

- Augmentar la protecció en conseqüència durant l'expansió del sistema

 

Capítol 4: Futur Tendències de desenvolupament

 

Amb el desenvolupament de la tecnologia de l'Internet de les Coses, els SPD intel·ligents es convertiran en la tendència:

 

4.1 Impuls intel·ligent protecció tecnologia

Amb el desenvolupament de la tecnologia de l'Internet de les Coses, els SPD intel·ligents es convertiran en la tendència:

- Monitorització en temps real de l'estat del SPD i la vida útil restant

- Registre del nombre i l'energia dels esdeveniments de sobretensió

- Alarma i diagnòstic remots

- Integració amb sistemes de monitorització d'inversors

 

4.2 Superior rendiment dispositius de protecció

 

S'estan desenvolupant nous tipus de dispositius de protecció:

- Dispositius de protecció d'estat sòlid amb temps de resposta més ràpids

- Materials compostos amb major capacitat d'absorció d'energia

- Dispositius de protecció autoreparables

- Mòduls que integren múltiples proteccions com ara protecció contra sobretensió, sobrecorrent i sobreescalfament

 

4.3 Sistemanivell solució de protecció col·laborativa

 

La direcció de desenvolupament futur és evolucionar des de la protecció d'un sol dispositiu fins a la protecció col·laborativa a nivell de sistema:

- Cooperació coordinada entre SPD i la protecció integrada de l'inversor

- Esquemes de protecció personalitzats basats en les característiques del sistema

- Estratègies de protecció dinàmica que tenen en compte l'impacte de la interacció amb la xarxa

- Protecció predictiva combinada amb algoritmes d'IA

 

Conclusió

 

El funcionament coordinat dels protectors de sobretensió i els inversors és una garantia crucial per al funcionament segur dels sistemes elèctrics moderns. Mitjançant la selecció científica, la instal·lació estandarditzada i la integració completa del sistema, es pot minimitzar al màxim el risc de sobretensions, es pot allargar la vida útil dels equips i es pot millorar la fiabilitat del sistema. Amb l'avanç de la tecnologia, la cooperació entre tots dos esdevindrà més intel·ligent i eficient, proporcionant un suport de protecció més fort per al desenvolupament d'energia neta i l'aplicació d'equips electrònics de potència.

 

Per als dissenyadors de sistemes i el personal d'instal·lació/manteniment, una comprensió completa dels principis de funcionament dels protectors de sobretensió i els inversors, així com els punts clau de la seva coordinació, ajudarà a dissenyar solucions més optimitzades i a crear més valor per als usuaris. En l'era actual de transició energètica i electrificació accelerada, aquest pensament de protecció col·laborativa entre dispositius és particularment important.