Traballo colaborativo de protectores de sobretensións, interruptores automáticos e fusibles en sistemas fotovoltaicos: análise funcional e debate sobre a necesidade
Introdución
Co rápido desenvolvemento da industria fotovoltaica global, a seguridade e a estabilidade dos sistemas de xeración de enerxía solar convertéronse no foco de atención da industria. Os sistemas fotovoltaicos están expostos á intemperie durante moito tempo e son vulnerables a ameazas como raios, flutuacións da rede eléctrica e fallos nos equipos, que poden causar danos nos equipos ou incluso incendios. Os protectores de sobretensións (SPD), os interruptores automáticos e os fusibles son dispositivos de protección clave que realizan as súas funcións e cooperan entre si para garantir o funcionamento seguro do sistema. Este artigo analizará en profundidade as súas funcións, os mecanismos de coordinación e a necesidade de proporcionar referencia aos usuarios da industria.
I. O "asasino invisible" ao que se enfrontan os sistemas fotovoltaicos
As centrais fotovoltaicas son como "guerreiros de aceiro" que traballan ao aire libre, someténdose constantemente a diversas probas duras.
1.1 Problemas relacionados cos raios:
En particular, no Oriente Medio e no sueste asiático, unha soa tempada de tormentas pode paralizar os sistemas que carecen de protección.
1.2 Flutuacións da rede eléctrica:
No proxecto chileno do que estaba ao meu cargo, varios equipos queimáronse debido a un aumento repentino da tensión da rede eléctrica.
1.3 Risco de curtocircuíto:
O ano pasado, un proxecto en Alemaña sufriu un curtocircuíto debido a uns cables envellecidos, o que case provocou un incendio.
Estes riscos non son unha esaxeración. Segundo a Alianza Internacional para a Seguridade Fotovoltaica, máis do 60 % das avarías dos sistemas fotovoltaicos débense a unha protección eléctrica inadecuada.
II. Funcións principais dos dispositivos de protección contra sobretensións (SPD)
2.1 Principio de funcionamento
Un SPD desvía a sobretensión transitoria á terra a través de varistores de óxido metálico (MOV) ou tubos de descarga de gas (GDT), limitando a tensión dentro dun rango seguro. Nos sistemas fotovoltaicos, os SPD adoitan instalarse nos seguintes lugares:
Lado de CC (entre os módulos e o inversor): Para protexer contra sobretensións inducidas por raios.
Lado de CA (entre o inversor e a rede): Para suprimir a sobretensión do lado da rede.
2.2 Parámetros clave
Tensión máxima de funcionamento continuo (Uc): Debe coincidir co nivel de tensión do sistema fotovoltaico (como 1000 V CC ou 1500 V CC).
Corrente de descarga (In/Iimp): reflicte a capacidade de descargar a corrente do raio e os sistemas fotovoltaicos adoitan requirir 20 kA ou máis.
Nivel de protección de tensión (Up): Determina o tamaño da tensión residual e debe ser inferior á tensión soportada do equipo protexido.
2.3 Necesidade
Evite que equipos caros, como inversores e caixas combinadoras, sexan danados por sobretensións.
Cumprir as normas internacionais (como IEC 6164331, UL 1449) e os requisitos de aceptación para centrais fotovoltaicas.
Ⅲ. Función e selección de interruptores e fusibles
3.1 Interruptor
Función:
• Protección contra sobrecarga: cando a corrente supera o valor configurado (como 1,3 veces a corrente nominal), o mecanismo de disparo térmico funciona.
• Protección contra curtocircuítos: o mecanismo de disparo electromagnético corta a corrente de curtocircuíto (como 10 kA) en milisegundos.
•Características da aplicación para a enerxía fotovoltaica:
É necesario seleccionar un disxuntor de CC dedicado (como CC de 1000 V/1500 V).
A capacidade de corte debe coincidir coa corrente de curtocircuíto do sistema (normalmente ≥ 15 kA).
3.2 Fusible
Función:
Ao fundir o elemento fusible, pode illar rapidamente o circuíto defectuoso e protexer a rama conectada en serie.
Vantaxes:
A velocidade de desconexión é máis rápida (ao nivel de microsegundos), axeitada para escenarios de correntes de curtocircuíto elevadas.
É de tamaño pequeno e axeitado para caixas que transportan corrente con espazo limitado.
3.3 Colaboración con SPD
O SPD é responsable da protección contra a tensión, mentres que os interruptores/fusibles son responsables da protección contra a corrente.
Cando o SPD falla debido a unha sobretensión, os interruptores automáticos ou os protectores de fusibles poden cortar inmediatamente o circuíto defectuoso para evitar un incendio.
Ⅳ. Estudo de caso dun sistema de protección multinivel
Tomemos como exemplo unha central fotovoltaica de 1 MW:
4.1 Protección no lado de CC
Ramificacións da serie de compoñentes: Instalar fusibles (como o tipo gPV de 10 A) para cada serie.
Entrada da caixa combinadora: Instalar un SPD de tipo II (ata ≤ 1,5 kV) e un disyuntor de CC (63 A).
4.2 Protección no lado de CA
Extremo de saída do inversor: configurar un SPD de tipo 1+2 (Iimp ≥ 12,5 kA) e un interruptor automático de caixa moldeada (250 A).
4.3 Simulación de escenarios de fallos
Cando se produce un raio: o SPD libera unha corrente de sobrecorrente e mantén a tensión por debaixo de 2 kV; se o SPD falla debido a un curtocircuíto, o disyuntor disxunxe.
Cando hai un curtocircuíto na liña: o fusible fúndese en 5 ms para evitar a propagación do efecto de punto térmico.
Ⅴ. Precaucións para a selección e a instalación
5.1 Selección do DPS
Para o lado de CC, débese seleccionar un SPD específico para fotovoltaica (como o PVSPD) para evitar o problema de corrente inversa do SPD de CA ordinario.
Débese ter en conta a marxe de temperatura (a Uc precisa deixar unha marxe en ambientes de alta temperatura).
5.2 Adaptación de disxuntores/fusibles
A capacidade de corte debe ser superior á corrente máxima de curtocircuíto do sistema (por exemplo, a corrente de falla da cadea pode alcanzar os 1,5 kA).
A corrente nominal do fusible debe ser superior a 1,56 veces a corrente de curtocircuíto do compoñente (Isc) (segundo a norma NEC 690.8).
5.3 Suxestións de integración de sistemas
A lonxitude do cable entre o SPD e o disxuntor debe ser ≤ 0,5 m para reducir a tensión residual.
Débense realizar inspeccións regulares dos indicadores de estado do SPD e os módulos avariados deben substituírse a tempo.
III. Tendencias da industria e actualizacións estándar
• Demanda de alta tensión: Coa adopción xeneralizada de sistemas fotovoltaicos de 1500 V, é necesario mellorar sincronizadamente os niveis de tensión soportada dos SPD e os interruptores automáticos.
• Monitorización intelixente: Os SPD intelixentes que integran sensores de temperatura e funcións de comunicación sen fíos están a aplicarse gradualmente para lograr unha alerta temperá de fallos remotos.
• Reforzo estándar: A nova versión da norma IEC 625482023 impuxo requisitos de coordinación máis estritos aos dispositivos de protección para sistemas fotovoltaicos.
Conclusión
Nos sistemas fotovoltaicos, os protectores contra sobretensións, os interruptores automáticos e os fusibles constitúen un sistema completo de protección colaborativa de "tensión-corrente". A selección e configuración correctas destes compoñentes non só poden prolongar a vida útil dos equipos e reducir os custos de operación e mantemento, senón que tamén son condicións esenciais para garantir o funcionamento seguro das centrais eléctricas. Co desenvolvemento da tecnoloxía, a integración e a intelixencia destes dispositivos de protección mellorarán aínda máis a fiabilidade dos sistemas fotovoltaicos no futuro.