Naprendszer-megszakítók típusai és alkalmazásai: Teljes útmutató

Bevezetés

A korszerű napelemes rendszerek tervezésénél a hangsúly gyakran az energiatermelésre helyeződik – a panelek hatékonyságára és az inverterek konverziós arányára. Mindazonáltal minden napelemes berendezés gazdasági és működési fenntarthatósága a védelmi intézkedéseken alapul. A napelemes rendszer biztonságát szolgáló megszakító ennek a biztonsági architektúrának a lelke, amely nyugalmat biztosít a rendszer tulajdonosainak.

Egy napelemes rendszer nem csupán egy generátor, hanem egy élő, nagyfeszültségű egyenáramú (DC) erőmű, amelyet lakóépületek tetejére vagy ipari területekre szerelnek. A védelmi követelmények a rendszer kapacitásával együtt nőnek. Az erős védelem szükségessége mindenhol jelen van, legyen szó akár az áramkörök védelméről egy... PV egyesítődoboz, ahol az energia koncentrálódik, vagy az egyenáramú terheléspanelek több kimenetének vezérlése, ahol a háztulajdonosok közvetlenül egyenáramot használnak.

Az egyenáramú átvitel veszélyei, nevezetesen a tartós ívképződés és az elektromos veszélyek, nem ugyanazok, mint a normál váltakozó áramú hálózatok esetében. Így az áramkör védelmének megválasztása – legyen szó akár elosztódobozról, akár főelosztóról – nem könnyelmű kiegészítő választás, hanem fontos mérnöki számítás.

Ez az útmutató a napelemes megszakítók típusait, azok fotovoltaikus rendszer topológiájában való felhasználását, valamint a megfelelő méretezésükhöz szükséges matematikai modellt vizsgálja.

Mi az a napelemes rendszer áramköri megszakítója?

A napelemes rendszer megszakítója egy automatikus védőberendezés, amely az elektromos áramkörök védelmére szolgál a túlterhelés vagy a túláram okozta rövidzárlat okozta károk ellen. A megszakító egy tartós kapcsolóberendezés, ellentétben egy egyszerű biztosítékkal, amely csak egyszer működik, és ki kell cserélni. A hiba elhárítása után újraindítható (manuálisan vagy automatikusan) a normál működés folytatásához.

Az egyenáramú megszakítónak két fő célja van a fotovoltaikus rendszerek (PV) esetében:

• Izoláció és kapcsolás: Manuális leválasztási pontot kínál, amely lehetővé teszi a karbantartó személyzet számára a biztonságos leválasztást. PV akkumulátortömb, akkumulátortelep vagy napelemes inverter üzemeltethető feszültség veszélye nélkül. Ez különösen fontos azokban a rendszerekben, amelyek transzformátoros leválasztó invertereket használnak. Ezekben a tervekben a mérnöki szabványok általában kétpólusú egyenáramú megszakítót írnak elő, amelynek áramkorlátozó képessége legalább a napelem rövidzárlati áramának (Isc) 1.25-szerese. PV és a napelemes rendszer üresjárati feszültségének (Voc) 1.2-szerese PV sor.
• Túlfeszültség védelem: Ez egy hő- és mágneses árnyékolás. Amikor az áramkörön átfolyó áram egy hiba vagy kábelezési hiba miatt meghaladja a névleges áramot, a megszakító kiold, megszakítva az áramkört, hogy biztosítsa a vezeték szigetelésének olvadását és a berendezés katasztrofális meghibásodását.

Szükséges különbséget tenni egy DC leválasztó és egy egyenáramú áramkör-megszakító. Bár egy leválasztó használható az áramkör megszakítására a fenntartás érdekében, nem feltétlenül biztosít automatikus túláramvédelmet. Az áramkör-megszakító biztosítja a fent említett szükséges leválasztást és aktív hibavédelmet.

Napelemes rendszer megszakítója vs. normál váltóáramú megszakító: Miért fontos a különbség?

A váltakozó áramú (AC) megszakítók egyenárammal (DC) történő cseréje az egyik legelterjedtebb és legveszélyesebb hiba a napelemes rendszerek telepítésében. A készülékek avatatlan szemmel hasonlónak tűnnek, míg egy fizikus vagy villamosmérnök számára gyökeresen más valóságban léteznek.

A legfontosabb különbség a nullaátmenet jelensége.

• Az AC valósága: A váltakozó áram másodpercenként 50 vagy 60 alkalommal (Hertz) fordítja meg a polaritást. Ebben a ciklusban a feszültség másodpercenként 100 vagy 120 alkalommal csökken nulla voltra. Amikor egy váltakozó áramú megszakító kiold, és elektromos ív jön létre az érintkezők között, ez a nulla feszültségpont természetes módon létrejön, és segít az ív kioltásában.
• A DC veszélye: Az egyenáram egy folyamatos feszültség nullaátmenetek nélkül. Amikor nagyfeszültségű egyenárammal próbálunk meg megnyitni egy áramkört, az ív nem alszik ki magától. Ehelyett egy tartós plazmahíddá alakul, amely hatalmas hőt termel (több ezer Celsius fok).

Amikor egy tipikus AC megszakítót használnak egy napelemes egyenáramú áramkörben, előfordulhat, hogy az nem képes megszakítani az ívet kioldáskor. Ez érintkezési összeolvadást okoz, amelynek során a megszakító biztosítékai bezárnak és nem kapcsolják le az áramellátást, vagy a megszakító házának teljes károsodását okozza, ami gyakran elektromos tüzet okoz.

Így a napelemes egyenáramú megszakítók kifinomult ívoltó kamrákkal vannak ellátva. Ezek mágneses kifújótekercseket használnak az ív fizikai megnyújtására és „ívcsatornákba” tolására, ahol az elválik és gyorsan lehűl. Kötelező biztonsági intézkedés egy különálló egyenáramú megszakító használata ahelyett, hogy egy váltakozó áramú bemeneti megszakító panelre hagyatkoznánk egy egyenáramú terhelések esetén.

A napelemes rendszer megszakítójának fő típusai

A napvédelem egyenesen arányos az energiasűrűséggel. A piacon kaphatók olyan kicsi megszakítók, mint az agilis 15 amperesek a lakossági vezetékezéshez, és akár 6000 amperes kapcsolóberendezések is a közműméretű infrastruktúrához.

Bár funkcionálisan a leggyakoribb megszakítótípusok standard, GFCI (földzárlatvédelmi) és AFCI (Ívzárlat) típusok közül mindegyiknek megvan a maga sajátos védelmi szerepe, a mérnökök a rendszer méretétől és az eszköz fizikai kialakításától függően határozzák meg a fő választást. A hardverhierarchia három nagy szerkezeti kategóriára oszlik:

Megszakító típusa	Tipikus áramerősség	Feszültségértékelés	Törési képesség	Elsődleges alkalmazási forgatókönyv
DC MCB	1A - 125A	Akár 1000V DC	Alacsonytól közepesig (pl. 6 kA)	Lakóházak tetején, PV Kombinátor dobozok, String védelem.
DC MCCB	63A - 1600A	Akár 1500V DC	Magas (20 kA – 50 kA)	Kereskedelmi tömbök, központi inverterek, akkumulátor főkapcsoló.
ACB / BESS	2000A - 6300A	Akár 1500V DC	Nagyon magas (vákuum/levegő)	Közmű méretű napelemes farmok, hálózati méretű energiatárolás (BESS).

DC MCB (Miniatűr áramkör-megszakító)

Alacsonyabb áramerősségű alkalmazásoknál az egyenáramú kismegszakító (MCB) nagyrészt felváltotta a régebbi párhuzamos panelberendezésekben használt 20 vagy 30 amperes biztosítékokat. Ezeket az egységeket kis méretre tervezték, és moduláris felépítésűek, így szabványos DIN sínre szerelhetők, ezért ezek az alapértelmezett választások a PV Összekötő dobozok és lakossági elosztótáblák.

• Mérnöki hatókör: MCBAz áramerősség általában 125 A, feszültsége pedig 1000 V.
• Mechanizmus: Termikus-mágneses kettős működésű kioldómechanizmust használnak. A termikus elem a lassú, hosszan tartó túlterhelések kezelésére szolgál, míg a mágneses elem a csatlakozás azonnali megszakítására szolgál nagyáramú rövidzárlat esetén, az egyes napelemes sztringek vagy hibrid inverter bemenetek védelme érdekében.

DC MCCB (Öntött tokos megszakító)

Amint az áramerősség meghaladja a lakossági, kereskedelmi napelemes rendszerek és az ipari (C&I) tartományt, a korlátozás érvénybe lép. MCB elérik. Ebben az esetben a öntött tokos áramkör-megszakító (MCCB) lesz a kötelező szabvány. Ezek az egységek sokkal nagyobbak és masszívabbak, erős, öntött szigetelőházban helyezkednek el, és csavarokkal rögzíthetők, hogy ellenálljanak a nagy teljesítményű kapcsolás mechanikai erőinek.

• Mérnöki hatókör: MCCBAz s típusú kapcsolókat nehéz emelések elvégzésére használják, névleges áramuk általában 63 A és 1600 A között van, nagy megszakítóképességgel (pl. 20 kA és 50 kA között).
• Haszon: Egy fix beállításokkal ellentétben MCB, sokan MCCBállítható kioldási beállításokkal rendelkeznek. Ez lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy a védelmi görbét a nagyméretű berendezések terhelési jellemzőihez igazítsák. PV akkumulátortömbök vagy akkumulátortelepek, ami a központi inverterek fő leválasztója.

ACB és BESS Megszakítók (nagyfeszültségű/ipari)

A légmegszakítókat (ACB) a közműhálózat csúcsán használják, amely nagyméretű erőműveket és akkumulátoros energiatároló rendszereket foglal magában (BESS), az egyenáramú spektrum felső végének vezérlésére. Ezek nem csupán kapcsolók, hanem bonyolult ívoltó rendszerek sűrített levegővel vagy vákuumtechnológiával.

BESS Szakosodás: A hagyományos AC megszakítók nem mindig megfelelőek tárolási környezetben. Nagy sebességű egyenáramú megszakítókra van szükség a lítium-ion akkumulátorállványok által leadható hatalmas rövidzárlati áramok leküzdéséhez. Ezeknek az egységeknek ezredmásodpercek alatt kell reagálniuk, hogy elkerüljék a katasztrofális hőmegfutást.

Mérnöki hatókör: Több ezer amper (2000 A – 6300 A) áteresztőképességére képes.

Alkalmazások: Hol kell telepíteni a napelemes rendszer áramkör-megszakítóját? PV Systems

Egy nap PV A rendszert az energiaáramlási logika különböző pontjain kell védeni. A megszakítók nem megfelelő elhelyezése vagy az AC és DC tartományok közötti szétválasztás hiánya a rendszer sebezhető részeit teszi kitetté. Így négy létfontosságú területen állapítjuk meg a megszakítók használatát.

PV Tömbkombináló doboz (karakterlánc-védelem)

A kombináló doboz az első védelmi pont a többszálú rendszerekben, ahol több panelfüzér kombinációját egyetlen kimenetté alakítják. Az összevonás előtt egy DC MCB minden egyes húr végére fel kell szerelni. Ez a pozicionálás különösen fontos a biztonsági intézkedésekben meghatározott meglévő irányítottság problémájának megoldásához.

Amikor az egyik füzér árnyékolt vagy hibás, a többi füzér ellentétes irányú áramot kényszeríthet bele. Ahogy említettük, a véletlen irányváltozás komoly biztonsági aggályokat okozhat, és károsíthatja a napelemeket. Bár a megszakító nem irányítja aktívan az áramot, szükséges védelmet nyújt a veszélyes visszacsatolási áramok ellen, amelyek egyébként tüzet és a modulok visszafordíthatatlan károsodását okozhatnák.

Akkumulátorblokk védelem

Az energiatároló részhez képest az akkumulátorbank és az inverter/töltő közötti csatlakozási pont a teljes rendszer legnagyobb kihívást jelentő áramvezető területe. Ez a rész teszi lehetővé az áramerősség maximális áramlását és az erős egyenáram áramlását. MCCB vagy magas értékelésű MCB megkövetelt.

Egy megszakító nemcsak azért van itt beépítve, hogy megvédje a vastag akkumulátorkábelezést a túláramok okozta hőmegfutástól, hanem ami talán még fontosabb, hogy biztonságos, fizikai leválasztási módszert kínáljon. Ez a szigetelés lehetővé teszi a karbantartó személyzet számára, hogy az akkumulátortelepen dolgozzanak anélkül, hogy életveszélyes egyenfeszültségnek lennének kitéve.

Fő inverter bemenet (DC elosztás)

Az inverter fő bemeneti védelme kritikus átjáróként működik az egyenáramú generálás és az AC átalakítás között. Ez a megszakító a kombináló doboz kimenete és az inverter bemenete között helyezkedik el, és a teljes generátoroldal fő DC kapcsolójaként szolgál. Nemcsak túláramvédelmet lát el, hanem az inverter érzékeny belső teljesítményelektronikáját is védi a külső túlfeszültségektől, és központosított leválasztási pontot biztosít a teljes DC elosztórendszer számára.

DC terheléselosztás (lakóépületek DC áramkörei)

Végül vannak bizonyos alkalmazások a fogyasztási oldalon, különösen azoknál a háztulajdonosoknál, akik közvetlenül egyenáramot használnak a hatékonyság elérése érdekében. Ennek megerősítése érdekében a szerelőknek külön elosztótáblákat kell telepíteniük (biztosítékdobozok) dedikált megszakítókkal, amelyek szigorúan eltérnek a váltakozó áramú panelektől.

Erre olyan helyzetekben van szükség, ahol az olyan készülékek, mint a LED-lámpák, a működéshez állandó egyenáramra van szükség. Mivel ezeknek az eszközöknek speciális energiakörnyezetre van szükségük, az egyenáramú megszakítókat ebben az esetben ezen érzékeny terhelések védelmére használják. Ezek biztosítják a tápellátás megfelelő ellenőrzését, és azt, hogy a világítási áramkörben fellépő bármilyen túlterhelést a lehető leghamarabb le lehessen választani anélkül, hogy az befolyásolná a fő rendszert.

Tényezők figyelembevétele a napelemes rendszer megszakítójának kiválasztásakor

A napelemes áramkör-megszakítók kiválasztása PV A rendszerek vizsgálata gyakran elhanyagolt terület a paneles vagy inverteres opciók javára. De a gondatlanság ebben az esetben költséges. Egy rosszul megválasztott megszakító gyakran meghibásodik a hőteljesítmény csökkenése miatt, ami túlmelegedési károkat és a legrosszabb esetben a rendszer tüzét okozza.

A megszakító kiválasztása nem a szerencsejáték, hanem a specifikációknak a rendszer üzemi körülményeihez való igazítása.

Feszültségbesorolások és szabályozási szabványok

A megszakító feszültségének nagyobbnak kell lennie, mint a megszakító maximális nyitott áramköri feszültsége (Voc). PV tömbben, de a várható legalacsonyabb hőmérsékleten. Továbbá a választásnak összhangban kell lennie az inverter topológiájával és az iparági szabványokkal, beleértve az UL508i és az IEC60947-3 szabványokat.

• 600 V egyenáram (UL508i): Ez az egyfázisú invertereket használó lakossági telepítések szabványos specifikációja.
• 1000 V egyenáram (IEC60947-3): Kereskedelmi tetőtéri telepítés és háromfázisú inverteres ágak szabványa.
• 1500 V DC: A központosított inverterek és a nagyméretű napelemfarmok jelenlegi szabványa. A megnövelt feszültség minimalizálja a kábelveszteségeket, de jobb szigetelésű és ívkisülés-kezelésű megszakítókat igényel.

Póluskonfiguráció vs. húrok száma

A pólusok elrendezése egyenesen arányos a leválasztóban lévő füzérek számával. Az egyenáramú leválasztás egyik legfontosabb alapelve, hogy minden élő vezetőt egyszerre kell feszültségmentesíteni.

• 2P (kétpólusú): Egyszeres (pozitív és negatív pólusú megszakító) szabvány. Ez tipikus áginverterekkel használható, amelyekben egyetlen Maximum Power Point Tracker (MPPT) egységet használnak átalakítóként.
• 4P (négypólusú): Erre két füzér egyidejű működtetésekor, vagy nagyobb feszültségű rendszerekben (1000 V/1200 V) van szükség. Nagyfeszültségű rendszerekben a pólusokat általában sorba kötik, hogy az ívfeszültséget több érintkezési pont között osszák meg, lehetővé téve egy kis megszakító számára a terhelés biztonságos kezelését.

Környezeti tartósság és anyagbiztonság

A telepítési környezet hatása az egyik legfontosabb szempont, amely általában hiányzik a specifikációs lapokról. A napelemes leválasztók és megszakítók nem klimatizált szerverszobákban, hanem zord körülmények között működnek.

• Hőmérséklet tartomány: A robusztus egyenáramú megszakítók normál üzemi hőmérsékletének -40 °C és 60 °C között kell lennie. A megszakítókat le kell értékelni, ha a környezeti hőmérséklet meghaladja ezt a tartományt, hogy elkerüljük a nem kívánt kioldást.
• Gyúlékonysági szabványok: Mivel a fő feladat a tűzmegelőzés, a tokozat anyagának tűzállónak kell lennie. A specifikációknak szigorúan meg kell felelniük az UL 94V-0 - UL 94V-2 szabványoknak, amelyek szerint a tokozatnak önkioltónak kell lennie belső alkatrészhiba esetén.

Méretezés és számítás (Hogyan számítsuk ki az ampereket)

A Nemzeti Villamos Szabályzat (NEC) és az általános mérnöki legjobb gyakorlatok szerint a megszakítónak nem szabad folyamatosan a névleges teljesítményének 100%-án működnie.

A számítási képlet:

A megszakító minimális áramerősségének (Ibreaker) meghatározásához biztonsági tényezőket kell alkalmazni a PV a tömb rövidzárlati árama (Isc).

Egyszerűsített:

Példa:

Ha van egy sor panelje, amelyek Isc-je 10 A:

Felfelé kell kerekíteni a legközelebbi szabványos méretre, ami egy 20 A-es egyenáramú megszakító lenne.

Miért válasszon BENY Biztosíték

Egy generikus alkatrészekkel elárasztott piacon, BENY olyan gyártóként áll, amely kifejezetten az egyenáramú napvédelem összetettségére összpontosít. A különbség nem a marketingben, hanem a mérnöki alaposságban rejlik.

Több mint 30 éves iparági tapasztalattal, BENY mérnökök napelemes rendszer megszakítói amelyek áthidalják a szakadékot a költséghatékonyság és az ipari szintű ellenálló képesség között. Megoldásainkat úgy terveztük, hogy a teljes spektrumot lefedjék PV igényeket támaszt – 12 V-tól 1500 V-ig terjedő rendszerekhez –, akár 630 A-es nagy teljesítményű áramokat is támogatva minimális energiaveszteséggel.

A biztonság alapvető fontosságú a „Built to Endure” filozófiánk szempontjából. Minden megszakító fejlett ívszűrő gátakkal és 6 kA-es megszakítóképességgel rendelkezik a hibák azonnali semlegesítéséhez. A gyakorlati telepítési kihívásokat nem polarizált kialakítással oldjuk meg, amely kiküszöböli a kábelezési hibákat, valamint robusztus, IP65-ös védettségű, -40°C és 85°C közötti szélsőséges éghajlati viszonyok között tesztelt burkolatokkal.

5 év garanciával és 24 órás globális támogatással, a kiválasztott termékek kiválasztásával BENY azt jelenti, hogy infrastruktúráját egy olyan partnerrel biztosítjuk, amely elkötelezett a kompromisszumok nélküli biztonság és hosszú élettartam iránt.

Összegzés

A fotovoltaikus beruházásnak van egy csendes védelme, a napelemes megszakító. Míg a panelek értéket teremtenek, a megszakítók fenntartják azt. Az egyszerű lakossági rendszerekkel szemben a bonyolultabb nagyfeszültségű kereskedelmi napelemsorokra való áttérés megköveteli az alkatrészválasztással kapcsolatos hozzáállásunk megváltoztatását.

A megszakítókat többé nem árucikknek kell tekintenünk, hanem fontos biztonsági eszközöknek. Ennek jobb megértéséhez olvassa el a következő cikket: Az elektromos biztonság gerince: egyenáramú megszakítók és fontosságukA telepítők az egyenáramú ívek egyedi fizikájának figyelembevételével, a megszakítók alkalmazási területükhöz való hozzárendelésével, például az akkumulátortelepekhez való elosztódobozokkal, valamint a szigorú környezetvédelmi szabványok és áramerősség-besorolások figyelembevételével biztosíthatják a rendszerek megbízhatóságát.

A megszakítók jelentik a sok rendszer számára szükséges nagy profilú védelmet. Ha betartják a megfelelő bekötési utasításokat, biztonsági intézkedéseket és karbantartást, biztosítják a fotovoltaikus panelek hosszú távú minőségét.

Azoknak, akik erős, tanúsított és tervezett egyenáramú védelmi megoldásokat szeretnének, BENY kínálja azokat a hardvereket, amelyekre szükségük van a holnap napelemes rendszereinek biztonságos és hatékony kiépítéséhez.

FAQS

K: Milyen típusú megszakítót használnak a napelemekhez?

A: A napelemek védelméhez speciális megszakítót kell használni, jellemzően egyenáramú áramkör-megszakítót. Ne használjon szabványos háztartási váltóáramú megszakítókat. Az egyenáram folyamatos íveket hoz létre, amelyeket nehezebb eloltani, mint a váltóáramot. A napelemes megszakítók (mint például az egyenáramú MCBs vagy MCCBs) speciális ívcsúszdákkal és mágneses mechanizmusokkal rendelkeznek, amelyek célja, hogy biztonságosan megszakítsák ezeket a nagyfeszültségű egyenáramú íveket és megakadályozzák a tüzet.

K: Szükségem van egy megszakítóra a napelem és az inverter között?

A: Igen. Napelemes áramkör-megszakítóra (vagy DC-leválasztóra) van szükség a PV tömb és az inverter... Két létfontosságú szerepet tölt be: védi az inverter bemenetét az elektromos túlfeszültségektől vagy rövidzárlatoktól, és biztonságos fizikai leválasztási pontot biztosít a karbantartó személyzet számára, hogy élő vezetékek kezelése nélkül szervizelhessék a rendszert.

K: Hová kell elhelyezni a megszakítót egy napelemes rendszerben?

A: A megszakítókat három kritikus védelmi zónába kell telepíteni:

• Egyenáramú elosztótábla: Egyenáramú terhelések, például LED-lámpák vagy szivattyúk védelmére.
• PV Kombinátor doboz: Az egyes napelemes füzérek védelme a fordított árammal szemben.
• Akkumulátor: Az akkumulátor és az inverter között (ez általában a legnagyobb megszakító).