Видове и приложения на прекъсвачи за слънчева система: Пълно ръководство

Въведение

Акцентът при проектирането на съвременни системи за слънчева енергия често е насочен към производството на енергия – ефективност на панелите и коефициенти на преобразуване на инверторите. Въпреки това, икономическата и оперативната устойчивост на всяка слънчева инсталация се основава на нейните защитни мерки. Предпазителят за безопасност на слънчевата система е в основата на тази архитектура за безопасност, осигурявайки спокойствие на собствениците на системата.

Слънчевата инсталация не е просто генератор, а жива електроцентрала с високо напрежение и постоянен ток (DC), монтирана на покриви на жилищни сгради или промишлени обекти. Изискванията за защита се увеличават с капацитета на системата. Необходимостта от силна защита е навсякъде, независимо дали става въпрос за защита на веригите в... PV кутия за комбиниране, където е концентрирана мощността, или управление на множество изходи в DC товарни панели, където собствениците на жилища използват директно постоянен ток.

Опасностите от това предаване на постоянен ток, а именно продължително образуване на дъга и електрически опасности, не са същите като тези при нормалните променливотокови мрежи. Следователно, изборът на защита на веригата – на всяко решение, независимо дали става въпрос за комбинирани кутии или главно разпределение – не е лекомислен избор на аксесоар; това е важно инженерно изчисление.

Това ръководство представлява строг преглед на типовете слънчеви прекъсвачи, тяхното специфично приложение в топологията на фотоволтаичната система и математическия модел, необходим за правилното им оразмеряване.

Какво представлява прекъсвачът на слънчевата система?

Предпазителят на слънчевата система е автоматично защитно устройство, което се използва за защита на електрическите вериги от повреди, причинени от претоварване или късо съединение, причинени от свръхток. Предпазителят е издръжливо комутационно устройство, за разлика от обикновен предпазител, който работи само веднъж и трябва да се смени. Той може да бъде рестартиран (ръчно или автоматично), за да продължи нормалната си работа след отстраняване на грешка.

DC прекъсвачът има две основни цели в конкретния случай на фотоволтаични системи (PV):

• Изолация и превключване: Той предлага ръчна точка за изключване, която позволява на персонала по поддръжката безопасно да изолира PV панел, батерия или соларен инвертор да работят без опасност от фазово напрежение. Това е особено важно в системи, които използват инвертори, изолиращи трансформатори. В тези конструкции инженерните стандарти обикновено изискват двуполюсен DC прекъсвач с възможност за ограничаване на тока от поне 1.25 пъти тока на късо съединение (Isc) на соларната система. PV панела и 1.2 пъти напрежението на отворена верига (Voc) на слънчевата енергия PV масив.
• Защита от свръхток: Това е термичен и магнитен щит. Когато токът, протичащ през веригата, е по-голям от номиналния ток поради повреда или грешка в окабеляването, предпазителят се изключва, прекъсвайки веригата, за да се гарантира, че изолацията на проводника няма да се стопи и оборудването няма да се повреди катастрофално.

Необходимо е да се прави разлика между a DC изолатор и DC прекъсвач. Въпреки че изолатор може да се използва за прекъсване на веригата, за да се поддържа тя, той не осигурява непременно автоматична защита от свръхток. Автоматичният прекъсвач предлага необходимата изолация, както е споменато по-горе, и активна защита от повреда.

Предпазител на слънчевата система срещу нормален прекъсвач за променлив ток: Защо разликата е важна

Замяната на прекъсвачи за променлив ток (AC) с прекъсвачи за постоянен ток (DC) е една от най-разпространените и опасни грешки при инсталациите на слънчева енергия. Устройствата изглеждат подобни на неопитното око. Те съществуват в коренно различни реалности за един физик или електроинженер.

Най-важната разлика е феноменът на пресичане на нулата.

• Реалността на климатика: Променливият ток обръща полярността 50 или 60 пъти в секунда (херца). В този цикъл напрежението се намалява до нула волта 100 или 120 пъти в секунда. Когато прекъсвачът на променливотоковия ток се изключи и между контактите се създаде електрическа дъга, тази точка на нулево напрежение се създава естествено и спомага за погасяването на дъгата.
• Опасността от DC: Постоянният ток е непрекъснато напрежение без пресичания през нулата. Когато се опитате да отворите верига с високоволтов постоянен ток, дъгата не се самоугасва. Вместо това, тя се превръща в дълготраен плазмен мост, който произвежда огромна топлина (хиляди градуси по Целзий).

Когато в слънчева DC верига се използва типичен AC прекъсвач, той може да не е в състояние да прекъсне дъгата при изключване. Това причинява контактно заваряване, при което предпазителите на прекъсвача се затварят и не успяват да изключат захранването, или причинява пълно разрушаване на корпуса на прекъсвача, което често причинява електрически пожар.

Поради това, соларните DC прекъсвачи са проектирани със сложни дъгогасителни камери. Те използват магнитни бобини за издухване, за да разтегнат физически дъгата и да я избутат в „дъгови улеи“, където тя се разделя и охлажда бързо. Задължителна мярка за безопасност е да се използва специален DC прекъсвач, вместо да се разчита на панел с променливотоков вход за DC товари.

Основни видове прекъсвачи за слънчева система

Слънчевата защита е пряко пропорционална на енергийната плътност. Пазарът предлага прекъсвачи, малки като 15-амперови, за използване в жилищни инсталации, и големи до 6000-амперови разпределителни устройства за използване в комунална инфраструктура.

Въпреки че функционално най-често срещаните видове прекъсвачи могат да бъдат разделени на стандартни, GFCI (заземяване) и AFCI (дъгова защита), всеки от които има специфична защитна роля, инженерите определят основния избор в зависимост от размера на системата и физическия дизайн на устройството. Хардуерната йерархия е разделена на три широки структурни категории:

Тип прекъсвач	Типичен номинален ток	Оценка на напрежението	Прекъсване на капацитета	Основен сценарий на приложение
DC MCB	1А - 125А	До 1000V DC	Ниско до средно (напр. 6kA)	Покриви на жилищни сгради, PV Комбинационни кутии, защита на низове.
DC MCCB	63А - 1600А	До 1500V DC	Висока (20kA – 50kA)	Търговски масиви, централни инвертори, главен прекъсвач на батериите.
АКБ / BESS	2000А - 6300А	До 1500V DC	Много високо (вакуум/въздух)	Слънчеви паркове с комунално предназначение, съхранение на енергия в мрежов мащаб (BESS).

DC MCB (Миниатюрен прекъсвач)

В приложения с по-нисък ток, миниатюрният прекъсвач за постоянен ток (MCB) до голяма степен е заменил по-старите 20-амперови или 30-амперови предпазители, използвани в по-стари паралелни панелни инсталации. Тези устройства са проектирани да бъдат малки и имат модулен дизайн, предназначен за монтаж на стандартни DIN шини, поради което са изборът по подразбиране в PV Разпределителни кутии и жилищни разпределителни табла.

• Инженерен обхват: MCBОбикновено са с номинален ток 125A и постоянно напрежение 1000 V.
• Механизъм: Те използват термомагнитен механизъм за двустранно изключване. Термичният елемент се използва за справяне с бавни, продължителни претоварвания, докато магнитният елемент се използва за незабавно прекъсване на връзката при възникване на късо съединение с висок ток, за да защити отделни соларни низове или входове на хибридни инвертори.

DC MCCB (Прекъсвач с лят корпус)

След като амперажът надвиши жилищния диапазон в търговски слънчеви системи и промишления (C&I) диапазон, ограничението на MCB се постига. В този случай, прекъсвачът с лят корпус (MCCB) ще бъде необходимият стандарт. Тези устройства са много по-големи и по-здрави, поместени в здрав, формован изолационен корпус и са предназначени за монтаж с болтове, за да издържат на механичните сили при превключване на висока мощност.

• Инженерен обхват: MCCBИзползват се за извършване на тежко повдигане, а номиналните им стойности обикновено са между 63A и 1600A и с висока изключваща способност (например от 20kA до 50kA).
• Възползвайте се: За разлика от фиксираните настройки на MCB, много MCCBимат регулируеми настройки за изключване. Това позволява на инженерите да регулират кривата на защита, за да отговаря на характеристиките на натоварване на големи PV масиви или батерийни банки, което е основният проблем с централните инвертори.

ACB и BESS Предпазители (високоволтови/индустриални)

Въздушните прекъсвачи (ACB) се използват в зенита на комуналните услуги, който обхваща големи електроцентрали и системи за съхранение на енергия от батерии (BESS), за да контролира горния край на спектъра на постоянен ток. Това не са просто превключватели, а сложни системи за гасене на дъга със сгъстен въздух или вакуумни технологии.

BESS Специализация: Стандартните прекъсвачи не винаги са адекватни в контекста на съхранението. Необходими са високоскоростни DC прекъсвачи, за да се преодолеят огромните токове на късо съединение, които литиево-йонните батерии могат да осигурят. Тези устройства трябва да реагират за милисекунди, за да се избегне катастрофално термично претоварване.

Инженерен обхват: Може да се справи с хиляди ампери (2000A – 6300A).

Приложения: Къде да инсталирате предпазител за слънчева система в PV системи

Слънчева PV Системата трябва да бъде защитена на различни места в логиката на енергийния поток. Неправилното поставяне на прекъсвачи или липсата на разделяне между променливотоковия и постояннотоковия домейни излага на риск уязвимите части на системата. По този начин ние установяваме използването на прекъсвачи в четири жизненоважни области.

PV Кутия за комбиниране на масиви (защита на низове)

Комбинаторната кутия е първата защитна точка в многострунни системи, където комбинация от множество струни от панели се формира в един изход. Преди консолидирането, DC MCB трябва да се монтират в края на всяка струна. Това позициониране е от съществено значение, по-специално за решаване на проблема със съществуващата насоченост, както е посочено в мерките за безопасност.

Когато една от струните е засенчена или има повреда, останалите струни могат да прокарат ток в обратна посока към нея. Както беше споменато, случайната промяна на посоката би причинила сериозни опасения за безопасността и би повредила слънчевите клетки. Въпреки че прекъсвачът не насочва активно тока, той е необходима защита срещу тези опасни обратни токове, които в противен случай биха причинили пожар и необратими повреди на модулите.

Защита на батерията

Слизайки до секцията за съхранение на енергия, интерфейсът между батерията и инвертора/зарядното устройство е най-предизвикателната зона за пренос на ток в цялата система. Тази секция позволява максимален поток на ампераж и силен постоянен ток. MCCB или висок рейтинг MCB изисква се.

Тук е включен прекъсвач, не само за да предпази дебелокабелните кабели на батерията от термично претоварване, причинено от свръхтокове, но и, може би по-важното, за да предложи безопасен, физически метод за изключване. Тази изолация позволява на персонала по поддръжката да работи върху батерията без фаталното излагане на постоянно напрежение под напрежение.

Главен вход на инвертора (DC разпределение)

Защитата на главния вход на инвертора играе ролята на критичен шлюз между генерирането на постоянен ток и преобразуването на променлив ток. Този прекъсвач се поставя между изхода на кутията на обединителя и входа на инвертора и служи като главен DC превключвател на цялата страна на генериране. Той не само изпълнява защита от свръхток, но и предпазва чувствителната вътрешна силова електроника на инвертора от външни пренапрежения и осигурява централизирана точка на изолиране на цялата система за разпределение на постоянен ток.

Разпределение на DC товара (жилищни DC вериги)

И накрая, има определени приложения от страна на потреблението, особено за собствениците на жилища, които използват постоянен ток директно, за да постигнат ефективност. За да се подсилят тези изисквания, инсталаторите са длъжни да инсталират отделни разпределителни табла (кутии с предпазители) със специални прекъсвачи, които са коренно различни от панела за променлив ток.

Това е необходимо в ситуации, при които уреди като LED лампи зависят от постоянната наличност на постоянен ток, за да работят. Тъй като тези устройства се нуждаят от специфична захранваща среда, DC прекъсвачите в този случай се използват за защита на тези чувствителни товари. Те гарантират, че захранването се поддържа под контрол и че всяко претоварване в осветителната верига се изолира възможно най-бързо, без да се засяга основната система.

Отчитане на факторите при избора на прекъсвач на слънчевата система

Избор на прекъсвачи в слънчевата енергия PV Системите са област на изследване, която често се пренебрегва в полза на панелни или инверторни опции. Но небрежността в този случай е скъпоструваща. Лошо избраният прекъсвач често ще повреди поради термично намаляване на номиналните мощности, причинявайки прегряване и, в най-лошия случай, пожар в системата.

Изборът на прекъсвач не е игра на късмета, а въпрос на съобразяване на спецификациите с работните условия на системата.

Номинално напрежение и регулаторни стандарти

Номиналното напрежение на прекъсвача трябва да е по-голямо от максималното напрежение на отворена верига (Voc) на PV масив, но при най-ниската очаквана температура. Освен това, изборът трябва да бъде в съответствие с топологията на инвертора и индустриалните стандарти, включително UL508i и IEC60947-3.

• 600 V DC (UL508i): Това е стандартната спецификация за жилищни инсталации, използващи еднофазни инвертори.
• 1000 V постоянен ток (IEC60947-3): Търговски монтаж на покрив и стандартен трифазен стринг инвертор.
• 1500 V DC: Настоящият стандарт за централизирани инвертори и големи комунални соларни паркове. Повишеното напрежение минимизира загубите по кабелите, но изисква прекъсвачи с по-добра изолация и защита от дъга.

Конфигурация на полюсите спрямо брой струни

Конфигурацията на полюсите е правопропорционална на броя на струните в изолатора. Един от най-важните принципи на DC изолацията е, че всички проводници под напрежение трябва да бъдат обеззарядени едновременно.

• 2P (Двуполюсен): Стандарт за един стринг (с прекъсване както на положителния, така и на отрицателния полюс). Това може да се използва с типични стрингови инвертори, в които като преобразувател се използва един тракер на точката на максимална мощност (MPPT).
• 4P (четириполюсен): Това е необходимо при едновременна работа на два низа или в системи с по-високо напрежение (1000 V/1200 V). Във високоволтовите системи полюсите обикновено се свързват последователно, за да разделят напрежението на дъгата между няколко точки на контакт, което позволява на малък прекъсвач безопасно да се справи с товара.

Екологична издръжливост и безопасност на материалите

Влиянието на инсталационната среда е един от най-важните аспекти, които обикновено липсват в спецификациите. Слънчевите изолатори и прекъсвачи не работят в климатизирани сървърни помещения, а в тежки условия.

• Температурен диапазон: Нормалната работна температура на здравите DC прекъсвачи трябва да бъде между -40°C и 60°C. Прекъсвачите трябва да бъдат намалени, когато температурите на околната среда са над този диапазон, за да се избегне нежелано изключване.
• Стандарти за запалимост: Тъй като основната задача е да се предотврати пожар, материалът на корпуса трябва да бъде огнеупорен. Спецификациите трябва да са в строго съответствие със стандартите UL 94V-0 до UL 94V-2, според които кутията на корпуса трябва да е самозагасваща се в случай на повреда на вътрешни компоненти.

Оразмеряване и изчисление (Как да изчислим амперите)

Съгласно Националния електрически кодекс (NEC) и общите инженерни най-добри практики, прекъсвачът не трябва да работи непрекъснато на 100% от номиналната си мощност.

Формулата за изчисление:

За да определите минималния номинален ампераж за вашия прекъсвач (Ibreaker), трябва да приложите коефициенти на безопасност към PV Ток на късо съединение (Isc) на масива.

Опростено:

Пример:

Ако имате верига от панели с Isc от 10A:

Трябва да закръглите до най-близкия стандартен размер, който би бил 20A DC прекъсвач.

Защо да изберете BENY Прекъсвач

На пазар, залят с генерични компоненти, BENY е производител, фокусиран специално върху сложността на DC слънчевата защита. Разликата не е в маркетинга, а в инженерната прецизност.

С над 30 години опит в индустрията, BENY инженери прекъсвачи на слънчевата система които преодоляват разликата между рентабилност и устойчивост на индустриално ниво. Нашите решения са проектирани да се справят с пълния спектър от PV изисквания – от 12V до 1500V системи – поддържащи тежки токове до 630A с минимални загуби на енергия.

Безопасността е неразделна част от нашата философия „Built to Endure“. Всеки прекъсвач е снабден с усъвършенствани бариери за потискане на дъгата и капацитет на изключване 6kA за незабавно неутрализиране на повредите. Решаваме практическите предизвикателства при монтажа с неполяризиран дизайн, който елиминира грешки при окабеляване, и здрави корпуси IP65, тествани за работа в екстремни климатични условия от -40°C до 85°C.

Подкрепени от 5-годишна гаранция и 24/7 глобална поддръжка, избирайки BENY означава осигуряване на вашата инфраструктура с партньор, ангажиран с безкомпромисна безопасност и дълготрайност.

Заключение

Фотоволтаичната инвестиция има безшумен защитник - слънчев предпазител. Докато панелите създават стойност, прекъсвачите я поддържат. Преминаването към по-сложни търговски панели с високо напрежение, за разлика от простите жилищни системи, изисква промяна в отношението ни към избора на компоненти.

Трябва да спрем да гледаме на прекъсвачите като на стоки и да ги разглеждаме като важни средства за безопасност. За да разберете това по-добре, прочетете Гръбнакът на електрическата безопасност: DC прекъсвачи и тяхното значениеИнсталаторите могат да се уверят в надеждността на системите, като вземат предвид уникалната физика на постояннотоковите дъги, съпоставят прекъсвачите със съответните им области на приложение, като например кутии за комбиниране с батерийни блокове, и като вземат предвид строги екологични стандарти и амперметри.

Автоматичните предпазители са високопрофилният щит, от който се нуждаят много системи. Когато се спазват правилните инструкции за окабеляване, мерки за безопасност и поддръжка, те гарантират, че качеството на фотоволтаичния панел ще издържи дълго.

До лицата, които искат надеждни, сертифицирани и проектирани решения за DC защита, BENY предлага хардуера, от който се нуждаят, за да изградят слънчевите системи на утрешния ден - безопасно и ефективно.

Въпроси и Отговори

В: Какъв тип прекъсвач се използва за слънчеви панели?

A: Трябва да използвате специализиран прекъсвач за защита на слънчеви панели, обикновено DC прекъсвач. Не използвайте стандартни домашни AC прекъсвачи. DC електричеството създава непрекъснати дъги, които са по-трудни за гасене от AC. Слънчеви прекъсвачи (като DC MCBите или MCCBс) имат специфични дъгогасителни улеи и магнитни механизми, проектирани за безопасно прекъсване на тези високоволтови постояннотокови дъги и предотвратяване на пожар.

В: Необходим ли е прекъсвач между слънчевия панел и инвертора?

A: Да. Необходим е прекъсвач на слънчевия панел (или DC изолатор) между PV масивът и инверторът.. Той изпълнява две жизненоважни роли: защитава входа на инвертора от електрически пренапрежения или късо съединение и осигурява безопасна точка за физическо изключване, през която персоналът по поддръжката може да обслужва системата, без да докосва проводници под напрежение.

В: Къде да поставя предпазител в слънчева система?

A: Предпазителите трябва да бъдат инсталирани в три критични защитни зони:

• Разпределително табло за постоянен ток: За защита на постояннотокови товари, като LED лампи или помпи.
• PV Кутия за комбиниране: За защита на отделни соларни низове от обратен ток.
• Батерия: Между батерията и инвертора (това обикновено е най-големият прекъсвач).