Typy i zastosowania wyłączników obwodu w systemach solarnych: kompletny przewodnik

Wprowadzenie

Projektując współczesny system fotowoltaiczny, często kładzie się nacisk na produkcję energii – wydajność paneli i współczynnik konwersji falowników. Niemniej jednak, ekonomiczna i operacyjna stabilność każdej instalacji fotowoltaicznej opiera się na jej zabezpieczeniach. Wyłącznik bezpieczeństwa systemu fotowoltaicznego stanowi rdzeń tej architektury bezpieczeństwa, zapewniając właścicielom systemów spokój ducha.

Instalacja solarna to nie tylko generator, to elektrownia wysokiego napięcia prądu stałego (DC) montowana na dachach budynków mieszkalnych lub w obiektach przemysłowych. Wymagania dotyczące ochrony rosną wraz z mocą systemu. Konieczność solidnej ochrony jest wszędzie, niezależnie od tego, czy chodzi o ochronę obwodów w… PV skrzynka rozdzielcza, w której koncentrowana jest moc lub sterowanie wieloma wyjściami w panelach obciążenia prądu stałego, w których właściciele domów bezpośrednio korzystają z prądu stałego.

Zagrożenia związane z przesyłem prądu stałego, a mianowicie długotrwałe wyładowania łukowe i zagrożenia elektryczne, nie są takie same, jak w przypadku standardowych sieci prądu przemiennego. Dlatego wybór zabezpieczenia obwodu – niezależnie od rozwiązania, czy to rozdzielnic, czy głównej rozdzielnicy – ​​nie jest błahym wyborem akcesoriów, lecz ważnym elementem inżynierskim.

W niniejszym przewodniku szczegółowo omówiono rodzaje wyłączników nadprądowych stosowanych w instalacjach fotowoltaicznych, ich szczególne zastosowanie w topologii systemów fotowoltaicznych oraz model matematyczny potrzebny do ich prawidłowego doboru.

Co to jest wyłącznik układu słonecznego?

Wyłącznik automatyczny instalacji fotowoltaicznej to automatyczne urządzenie zabezpieczające, które służy do ochrony obwodów elektrycznych przed uszkodzeniem spowodowanym przeciążeniem lub zwarciem spowodowanym nadmiernym natężeniem prądu. Wyłącznik automatyczny to trwałe urządzenie przełączające, w przeciwieństwie do zwykłego bezpiecznika, który działa tylko raz i wymaga wymiany. Można go ponownie uruchomić (ręcznie lub automatycznie), aby kontynuować normalną pracę po usunięciu usterki.

W przypadku fotowoltaiki (PV) wyłącznik prądu stałego ma dwa główne zastosowania:

• Izolacja i przełączanie: Oferuje ręczny punkt odłączenia, który umożliwia personelowi konserwacyjnemu bezpieczne odizolowanie PV Układy scalone, banki baterii lub falowniki słoneczne można obsługiwać bez ryzyka wystąpienia napięcia. Jest to szczególnie ważne w systemach wykorzystujących falowniki z izolacją transformatorową. W takich projektach normy inżynieryjne zazwyczaj wymagają dwubiegunowego wyłącznika prądu stałego o zdolności ograniczania prądu co najmniej 1.25-krotności prądu zwarciowego (Isc) instalacji fotowoltaicznej. PV i 1.2 razy większe od napięcia w obwodzie otwartym (Voc) ogniw słonecznych PV szyk.
• Zabezpieczenie nadprądowe: Jest to osłona termiczna i magnetyczna. Gdy prąd płynący przez obwód przekroczy wartość znamionową z powodu usterki lub błędu w okablowaniu, wyłącznik automatyczny zadziała, przerywając obwód, aby zapobiec stopieniu się izolacji przewodów i awarii urządzenia.

Istnieje potrzeba rozróżnienia pomiędzy Izolator prądu stałego oraz wyłącznik obwodu prądu stałego. Chociaż izolator może być użyty do przerwania obwodu w celu jego podtrzymania, nie zapewnia on automatycznie zabezpieczenia nadprądowego. Wyłącznik obwodu zapewnia wymaganą izolację, o której mowa powyżej, oraz aktywną ochronę przed zwarciami.

Wyłącznik obwodu układu solarnego a zwykły wyłącznik prądu przemiennego: dlaczego to rozróżnienie ma znaczenie

Wymiana wyłączników prądu przemiennego (AC) na wyłączniki prądu stałego (DC) to jeden z najpowszechniejszych i najniebezpieczniejszych błędów w instalacjach fotowoltaicznych. Dla niewprawnego oka urządzenia te wyglądają podobnie. Jednak dla fizyka czy inżyniera elektryka rzeczywistość jest zupełnie inna.

Najważniejszą różnicą jest zjawisko przejścia przez zero.

• Rzeczywistość AC: Prąd przemienny zmienia biegunowość 50 lub 60 razy na sekundę (Hz). W tym cyklu napięcie spada do zera woltów 100 lub 120 razy na sekundę. Gdy wyłącznik prądu przemiennego zostaje wyzwolony i między stykami powstaje łuk elektryczny, punkt zerowego napięcia powstaje naturalnie i pomaga w jego wygaszaniu.
• Niebezpieczeństwo DC: Prąd stały to napięcie ciągłe, bez przejść przez zero. Podczas próby otwarcia obwodu prądem stałym o wysokim napięciu łuk elektryczny nie gaśnie samoczynnie. Zamiast tego przekształca się w długotrwały mostek plazmowy, który wytwarza ogromne ciepło (tysiące stopni Celsjusza).

W przypadku zastosowania typowego wyłącznika prądu przemiennego w obwodzie prądu stałego (DC) w instalacjach solarnych, może on nie być w stanie przerwać łuku elektrycznego po zadziałaniu. Powoduje to zgrzanie styków, w wyniku którego bezpieczniki wyłącznika zamykają się i nie otwierają zasilania, lub całkowite zniszczenie obudowy wyłącznika, co często prowadzi do pożaru elektrycznego.

Dlatego wyłączniki prądu stałego zasilane energią słoneczną zostały zaprojektowane z wykorzystaniem zaawansowanych komór gaszenia łuku elektrycznego. Wykorzystują one magnetyczne cewki wydmuchowe, które fizycznie rozciągają łuk elektryczny i wpychają go do „kominów łukowych”, gdzie jest on rozdzielany i szybko schładzany. Obowiązkowym środkiem bezpieczeństwa jest stosowanie dedykowanego wyłącznika prądu stałego zamiast panelu wyłączników prądu przemiennego dla obciążeń prądu stałego.

Główne typy wyłączników obwodu układu solarnego

Ochrona przeciwsłoneczna jest wprost proporcjonalna do gęstości energii. Na rynku dostępne są wyłączniki nadprądowe tak małe, jak kompaktowe wyłączniki 15-amperowe do stosowania w instalacjach domowych, jak i duże, nawet 6000-amperowe, do stosowania w infrastrukturze użyteczności publicznej.

Chociaż funkcjonalnie najczęstsze typy wyłączników można podzielić na standardowe, GFCI (zwarciowe doziemne) i AFCI W przypadku różnych typów zwarć łukowych (Arc Fault), z których każdy ma określoną rolę ochronną, inżynierowie dokonują głównego wyboru w zależności od rozmiaru systemu i fizycznej konstrukcji urządzenia. Hierarchia sprzętowa dzieli się na trzy szerokie kategorie strukturalne:

Typ wyłącznika	Typowy prąd znamionowy	Napięcie znamionowe	Zdolność przełamywania	Główny scenariusz zastosowania
DC MCB	1A - 125A	Do 1000 V DC	Niskie do średniego (np. 6 kA)	Dachy budynków mieszkalnych, PV Skrzynki kombinacyjne, ochrona stringów.
DC MCCB	63A - 1600A	Do 1500 V DC	Wysoki (20 kA – 50 kA)	Zestawy komercyjne, falowniki centralne, główny wyłącznik akumulatora.
ACB / BESS	2000A - 6300A	Do 1500 V DC	Bardzo wysoki (próżnia/powietrze)	Farmy słoneczne na skalę przemysłową, magazynowanie energii w skali sieci (BESS).

DC MCB (Wyłącznik nadprądowy)

W zastosowaniach o niższym natężeniu prądu stosuje się wyłącznik nadprądowy DC (MCB) w większości zastąpił starsze bezpieczniki 20- lub 30-amperowe stosowane w starszych instalacjach paneli równoległych. Urządzenia te są zaprojektowane jako małe i mają modułową konstrukcję, przeznaczoną do montażu na standardowych szynach DIN, dlatego są domyślnym wyborem w… PV Skrzynki rozdzielcze i tablice rozdzielcze do zastosowań domowych.

• Zakres inżynierii: MCBPrąd znamionowy wynosi zazwyczaj 125 A, a prąd stały 1000 V.
• Mechanizm: Wykorzystują one dwustopniowy mechanizm wyzwalania termiczno-magnetycznego. Element termiczny służy do radzenia sobie z wolnymi, długotrwałymi przeciążeniami, natomiast element magnetyczny służy do natychmiastowego odcięcia połączenia w przypadku zwarcia o wysokim natężeniu prądu, chroniąc w ten sposób poszczególne ciągi ogniw fotowoltaicznych lub wejścia falowników hybrydowych.

DC MCCB (Wyłącznik automatyczny w obudowie formowanej)

Gdy natężenie prądu przekroczy zakres dla systemów solarnych komercyjnych i przemysłowych (C&I), ograniczenie MCB został osiągnięty. W tym przypadku wyłącznik automatyczny w obudowie formowanej (MCCB) będzie wymaganym standardem. Te urządzenia są znacznie większe i solidniejsze, umieszczone w mocnej, formowanej obudowie izolacyjnej i przeznaczone do montażu na śrubach, aby wytrzymać siły mechaniczne występujące podczas przełączania dużej mocy.

• Zakres inżynierii: MCCBUżywane są do podnoszenia dużych ciężarów, a ich parametry znamionowe mieszczą się zwykle w przedziale od 63 A do 1600 A i charakteryzują się dużą zdolnością wyłączania (np. od 20 kA do 50 kA).
• Korzyści: W przeciwieństwie do stałych ustawień MCB, wiele MCCBs mają regulowane ustawienia wyzwalania. Pozwala to inżynierom dostosować krzywą ochrony do charakterystyki obciążenia dużych PV tablice lub banki akumulatorów, które stanowią główne rozłączenie centralnych falowników.

ACB i BESS Wyłączniki (wysokiego napięcia/przemysłowe)

Wyłączniki powietrzne (ACB) są stosowane w najwyższych punktach sieci elektroenergetycznych, co obejmuje duże elektrownie i systemy magazynowania energii akumulatorowej (BESS), aby kontrolować górny zakres spektrum prądu stałego. To nie tylko przełączniki, ale skomplikowane systemy gaszenia łuku elektrycznego wykorzystujące sprężone powietrze lub technologię próżniową.

BESS Specjalizacja: Standardowe wyłączniki ACB nie zawsze są wystarczające w kontekście magazynowania energii. Szybkie wyłączniki prądu stałego są niezbędne do pokonania ogromnych prądów zwarciowych, jakie mogą generować stojaki na akumulatory litowo-jonowe. Urządzenia te muszą reagować w ciągu milisekund, aby uniknąć katastrofalnego wzrostu temperatury.

Zakres inżynierii: Możliwość obsługi tysięcy amperów (2000A – 6300A).

Zastosowania: Gdzie zainstalować wyłącznik obwodu instalacji solarnej PV systemy

Słoneczna PV System wymaga zabezpieczenia w różnych punktach logiki przepływu energii. Niewłaściwe rozmieszczenie wyłączników lub brak separacji między obwodami prądu przemiennego i stałego naraża wrażliwe części systemu. W związku z tym zalecamy stosowanie wyłączników w czterech kluczowych obszarach.

PV Skrzynka łącząca tablice (ochrona ciągów)

Skrzynka łączna to pierwszy punkt obrony w systemach wielostrunowych, gdzie kombinacja wielu ciągów paneli jest formowana w jedno wyjście. Przed konsolidacją, MCB powinien być zamontowany na końcu każdego sznurka. To umiejscowienie jest szczególnie istotne, aby rozwiązać problem istniejącej kierunkowości, o którym mowa w przepisach bezpieczeństwa.

Gdy jeden z stringów jest zacieniony lub ma awarię, pozostałe stringi mogą wymusić przepływ prądu w przeciwnym kierunku. Jak wspomniano, przypadkowa zmiana kierunku mogłaby spowodować poważne zagrożenie bezpieczeństwa i uszkodzenie ogniw słonecznych. Chociaż wyłącznik nie steruje aktywnie prądem, jest on niezbędnym zabezpieczeniem przed niebezpiecznymi prądami zwrotnymi, które w przeciwnym razie mogłyby spowodować pożar i nieodwracalne uszkodzenie modułów.

Ochrona banku baterii

Przechodząc do sekcji magazynowania energii, interfejs między baterią akumulatorów a falownikiem/ładowarką to obszar o największym obciążeniu prądowym w całym systemie. Ta sekcja umożliwia maksymalny przepływ prądu i silny prąd stały. MCCB lub o wysokiej ocenie MCB jest wymagane.

W tym przypadku zastosowano wyłącznik, który nie tylko chroni okablowanie akumulatora o dużym przekroju przed przepięciami termicznymi spowodowanymi przetężeniami, ale także, co być może ważniejsze, zapewnia bezpieczną, fizyczną metodę odłączania. Ta izolacja umożliwia personelowi konserwacyjnemu pracę przy banku akumulatorów bez śmiertelnego narażenia na działanie napięcia stałego.

Główne wejście falownika (dystrybucja prądu stałego)

Zabezpieczenie wejścia głównego falownika pełni rolę krytycznego punktu przełączania między generacją prądu stałego a konwersją prądu przemiennego. Ten wyłącznik jest umieszczony pomiędzy wyjściem skrzynki rozdzielczej a wejściem falownika i pełni funkcję głównego rozłącznika prądu stałego dla całego systemu wytwarzania. Nie tylko zapewnia on ochronę nadprądową, ale także chroni wrażliwe wewnętrzne układy elektroniczne falownika przed przepięciami zewnętrznymi i stanowi scentralizowany punkt izolacji dla całego systemu dystrybucji prądu stałego.

Rozkład obciążenia DC (obwody prądu stałego w budynkach mieszkalnych)

Wreszcie, istnieją pewne zastosowania po stronie zużycia, zwłaszcza dla właścicieli domów, którzy wykorzystują prąd stały bezpośrednio w celu osiągnięcia efektywności. Aby to wzmocnić, instalatorzy są zobowiązani do instalowania oddzielnych rozdzielnic (skrzynki bezpieczników) z dedykowanymi wyłącznikami, które znacząco różnią się od wyłączników prądu przemiennego.

Jest to konieczne w sytuacjach, w których urządzenia, takie jak lampy LED, są uzależnione od stałej dostępności prądu stałego. Ponieważ urządzenia te wymagają określonego środowiska zasilania, w tym przypadku wyłączniki obwodu prądu stałego służą do ochrony tych wrażliwych odbiorników. Gwarantują one odpowiednią kontrolę zasilania i jak najszybsze odłączenie przeciążeń w obwodzie oświetleniowym, bez wpływu na system główny.

Uwzględnienie czynników przy wyborze wyłącznika układu słonecznego

Wybór wyłączników w instalacjach solarnych PV Systemy to dziedzina nauki często pomijana na rzecz paneli lub falowników. Jednak niedbalstwo w tym przypadku jest kosztowne. Źle dobrany wyłącznik często ulega awarii z powodu obniżenia parametrów znamionowych, powodując uszkodzenia spowodowane przegrzaniem, a w najgorszym przypadku pożar systemu.

Wybór wyłącznika nie jest kwestią przypadku, ale dostosowania specyfikacji do warunków pracy systemu.

Wartości napięcia i normy regulacyjne

Napięcie znamionowe wyłącznika powinno być większe niż maksymalne napięcie obwodu otwartego (Voc) PV matrycy, ale przy najniższej przewidywanej temperaturze. Co więcej, wybór musi być zgodny z topologią falownika i normami branżowymi, w tym UL508i i IEC60947-3.

• 600 V prądu stałego (UL508i): Jest to standardowa specyfikacja instalacji domowych wykorzystujących falowniki jednofazowe.
• 1000 V prądu stałego (IEC60947-3): Standardowo stosuje się instalacje na dachach budynków komercyjnych oraz trójfazowe falowniki szeregowe.
• 1500 V prądu stałego: Obecny standard w zakresie scentralizowanych inwerterów i dużych farm słonecznych. Podwyższone napięcie minimalizuje straty na kablach, ale wymaga wyłączników o lepszej izolacji i odporności na łuk elektryczny.

Konfiguracja słupów a liczba ciągów

Konfiguracja biegunów jest wprost proporcjonalna do liczby stringów w izolatorze. Jedną z najważniejszych zasad izolacji prądu stałego jest to, że wszystkie przewody pod napięciem muszą być odłączone od napięcia w tym samym czasie.

• 2P (dwubiegunowy): Standard jedno-stringowy (z przebiciem zarówno dodatnim, jak i ujemnym). Można go stosować z typowymi falownikami szeregowymi, w których jeden Tracker Punktu Mocy Maksymalnej (MPPT) pełni rolę konwertera.
• 4P (czterobiegunowy): Jest to konieczne w przypadku jednoczesnej obsługi dwóch ciągów lub w systemach o wyższym napięciu (1000 V/1200 V). W systemach wysokiego napięcia słupy są zazwyczaj łączone szeregowo, aby podzielić napięcie łuku elektrycznego między kilka punktów styku, umożliwiając bezpieczne zasilanie obciążenia przez mały wyłącznik.

Trwałość środowiskowa i bezpieczeństwo materiałów

Wpływ środowiska instalacji to jeden z najważniejszych aspektów, który zazwyczaj nie jest uwzględniany w specyfikacjach. Izolatory i wyłączniki solarne nie działają w klimatyzowanych serwerowniach, ale w trudnych warunkach.

• Zakres temperatury: Normalna temperatura pracy solidnych wyłączników prądu stałego powinna mieścić się w przedziale od -40°C do 60°C. Aby uniknąć przypadkowego wyłączenia, gdy temperatura otoczenia jest wyższa od tego zakresu, należy obniżyć parametry wyłączników.
• Normy palności: Ponieważ głównym zadaniem jest zapobieganie pożarom, materiał obudowy powinien być ognioodporny. Specyfikacja musi być ściśle zgodna z normami UL 94V-0 do UL 94V-2, zgodnie z którymi obudowa musi być samogasnąca w przypadku awarii podzespołów wewnętrznych.

Rozmiarowanie i obliczenia (Jak obliczyć natężenie prądu)

Zgodnie z Krajowym Kodeksem Elektrycznym (NEC) oraz ogólnymi najlepszymi praktykami inżynierskimi wyłącznik nie powinien pracować nieprzerwanie z mocą 100% swojej wartości znamionowej.

Wzór obliczeniowy:

Aby określić minimalny prąd znamionowy wyłącznika (Ibreaker), należy zastosować współczynniki bezpieczeństwa do PV Prąd zwarciowy tablicy (Isc).

Uproszczony:

Przykład:

Jeśli masz szereg paneli o Isc równym 10A:

Należy zaokrąglić wynik do najbliższego standardowego rozmiaru, którym będzie wyłącznik prądu stałego 20 A.

Po co wybierać BENY Wyłącznik obwodu

Na rynku zalewanym generycznymi komponentami, BENY Firma jest producentem specjalizującym się w złożoności ochrony przeciwsłonecznej DC. Różnica tkwi nie w marketingu, ale w precyzji inżynieryjnej.

Dzięki ponad 30-letniemu doświadczeniu w branży BENY inżynierów wyłączniki instalacji słonecznej, które łączą opłacalność z odpornością na poziomie przemysłowym. Nasze rozwiązania są zaprojektowane tak, aby sprostać pełnemu spektrum PV zapotrzebowania — od systemów 12 V do 1500 V — obsługujących prądy o dużym natężeniu do 630 A przy minimalnej stracie energii.

Bezpieczeństwo jest nieodłączną częścią naszej filozofii „Built to Endure”. Każdy wyłącznik wyposażony jest w zaawansowane bariery przeciwłukowe i zdolność wyłączania 6 kA, co pozwala na natychmiastowe neutralizowanie zwarć. Rozwiązujemy praktyczne problemy instalacyjne dzięki konstrukcji bez polaryzacji, która eliminuje błędy w okablowaniu, oraz solidnym obudowom o stopniu ochrony IP65, przetestowanym pod kątem pracy w ekstremalnych warunkach klimatycznych, od -40°C do 85°C.

Wybierając opcję z 5-letnią gwarancją i całodobowym wsparciem na całym świecie BENY oznacza zabezpieczenie swojej infrastruktury przy współpracy z partnerem, który stawia na bezkompromisowe bezpieczeństwo i trwałość.

Wniosek

Inwestycja w fotowoltaikę posiada cichy wyłącznik nadprądowy. Podczas gdy panele generują wartość, wyłączniki ją utrzymują. Przejście na bardziej skomplikowane komercyjne układy wysokiego napięcia, w przeciwieństwie do prostych systemów domowych, wymaga zmiany naszego podejścia do doboru komponentów.

Powinniśmy przestać traktować wyłączniki jako towary, a zacząć traktować je jako ważne środki bezpieczeństwa. Aby lepiej to zrozumieć, przeczytaj: Podstawa bezpieczeństwa elektrycznego: wyłączniki prądu stałego i ich znaczenieInstalatorzy mogą mieć pewność niezawodności systemów, uwzględniając specyficzne prawa fizyki łuków prądu stałego, dostosowując wyłączniki do odpowiednich obszarów zastosowania, takich jak skrzynki rozdzielcze i banki akumulatorów, a także biorąc pod uwagę rygorystyczne normy środowiskowe i znamionowe natężenie prądu.

Wyłączniki to wysokiej jakości osłony, których potrzebuje wiele systemów. Przy zachowaniu prawidłowych instrukcji okablowania, środków bezpieczeństwa i konserwacji, zapewniają one długą żywotność paneli fotowoltaicznych.

Dla osób, które chcą mieć solidne, certyfikowane i zaprojektowane rozwiązania ochrony prądu stałego, BENY oferuje sprzęt niezbędny do budowy systemów solarnych przyszłości – bezpiecznie i wydajnie.

FAQS

P: Jakiego typu wyłączniki są stosowane w panelach słonecznych?

A: Do ochrony paneli słonecznych należy użyć specjalistycznego wyłącznika, zazwyczaj wyłącznika obwodu prądu stałego. Nie należy używać standardowych domowych wyłączników prądu przemiennego. Prąd stały wytwarza ciągłe łuki elektryczne, które są trudniejsze do ugaszenia niż prąd przemienny. Wyłączniki solarne (takie jak wyłącznik obwodu prądu stałego) MCBS lub MCCBs) posiadają specjalne komory łukowe i mechanizmy magnetyczne zaprojektowane w celu bezpiecznego przerywania łuków prądu stałego wysokiego napięcia i zapobiegania pożarom.

P: Czy potrzebuję wyłącznika między panelem słonecznym a falownikiem?

A: Tak. Pomiędzy panelem słonecznym wymagany jest wyłącznik obwodu (lub izolator prądu stałego). PV tablica i falownik. Pełni on dwie ważne funkcje: chroni wejście falownika przed przepięciami i zwarciami oraz stanowi bezpieczny punkt odłączenia fizycznego, umożliwiający personelowi konserwacyjnemu serwisowanie systemu bez konieczności dotykania przewodów pod napięciem.

P: Gdzie umieścić wyłącznik w systemie solarnym?

A: Wyłączniki powinny być instalowane w trzech krytycznych strefach ochrony:

• Tablica rozdzielcza prądu stałego: Do ochrony obciążeń prądu stałego, np. oświetlenia LED lub pomp.
• PV Skrzynka łączna: Aby zabezpieczyć poszczególne ciągi paneli słonecznych przed prądem wstecznym.
• Bank baterii: Pomiędzy akumulatorem a falownikiem (jest to zwykle największy wyłącznik).