Tipuri și aplicații ale întrerupătoarelor de circuit pentru sisteme solare: Un ghid complet

Introducere

Accentul pus în proiectarea unui sistem contemporan de energie solară este adesea îndreptat către producția de energie - eficiența panourilor și ratele de conversie ale invertoarelor. Cu toate acestea, sustenabilitatea economică și operațională a oricărei instalații solare se bazează pe măsurile sale de protecție. Întrerupătorul de circuit pentru siguranța sistemului solar este nucleul acestei arhitecturi de siguranță, oferind liniște sufletească proprietarilor de sisteme.

O instalație solară nu este doar un generator, ci o centrală electrică de curent continuu (CC) de înaltă tensiune, aflată în funcțiune, montată pe acoperișuri rezidențiale sau pe câmpuri industriale. Cerințele de protecție cresc odată cu capacitatea sistemului. Necesitatea unei protecții puternice este omniprezentă, fie că este vorba de protejarea circuitelor dintr-un... PV cutia de combinare unde este concentrată puterea sau controlul ieșirilor multiple din panourile de sarcină de curent continuu unde proprietarii de case utilizează direct curent continuu.

Pericolele acestei transmisii de curent continuu, și anume arcurile electrice susținute și riscurile electrice, nu sunt aceleași cu cele ale rețelelor de curent alternativ normale. Prin urmare, alegerea protecției circuitului – a fiecărei soluții, fie că este vorba de cutii combinatoare sau distribuție principală – nu este o alegere accesorie frivolă; este un calcul ingineresc important.

Acest ghid este o examinare strictă a tipurilor de întrerupătoare de circuit solare, a utilizării lor particulare în topologia sistemului fotovoltaic și a modelului matematic necesar pentru dimensionarea lor corespunzătoare.

Ce este un întrerupător de circuit al sistemului solar?

Un întrerupător de circuit pentru sisteme solare este un dispozitiv automat de protecție utilizat pentru a proteja circuitele electrice împotriva deteriorării cauzate de supraîncărcare sau scurtcircuit cauzat de excesul de curent. Un întrerupător de circuit este un dispozitiv de comutare durabil, spre deosebire de o simplă siguranță, care funcționează o singură dată și trebuie înlocuită. Poate fi repornit (manual sau automat) pentru a continua funcționarea normală după atenuarea unei erori.

Un întrerupător de circuit de curent continuu are două scopuri principale în cazul particular al energiei fotovoltaice (PV):

• Izolare și comutare: Oferă un punct de deconectare manuală, care permite personalului de întreținere să izoleze în siguranță PV panouri solare, bancuri de baterii sau invertoare solare să funcționeze fără pericolul tensiunilor sub tensiune. Acest lucru este deosebit de important în sistemele care utilizează invertoare cu izolare prin transformator. În aceste modele, standardele inginerești necesită de obicei un întrerupător de curent continuu bipolar cu o capacitate de limitare a curentului de cel puțin 1.25 ori curentul de scurtcircuit (Isc) al panourilor solare. PV și de 1.2 ori tensiunea în circuit deschis (Voc) a panourilor solare PV matrice.
• Protecție la supracurent: Este un ecran termic și magnetic. Când curentul care curge prin circuit este mai mare decât curentul nominal din cauza unei defecțiuni sau a unei erori de cablare, întrerupătorul de circuit se declanșează, întrerupând circuitul pentru a se asigura că izolația firului nu se topește și că echipamentul nu se defectează grav.

Este nevoie să se facă diferența între o Izolator DC și un întrerupător de circuit de curent continuu. Deși un izolator poate fi utilizat pentru a întrerupe circuitul în vederea menținerii acestuia, acesta nu oferă neapărat protecție automată la supracurent. Un întrerupător de circuit oferă izolația necesară, așa cum s-a menționat mai sus, și protecție la defect activ.

Întrerupător de circuit pentru sistem solar vs. întrerupător normal de curent alternativ: De ce contează distincția

Înlocuirea întrerupătoarelor de curent alternativ (CA) cu cele de curent continuu (CC) este una dintre cele mai răspândite și periculoase greșeli în instalațiile solare. Dispozitivele par similare pentru ochiul neantrenat. Ele există în realități radical diferite față de un fizician sau un inginer electrician.

Cea mai importantă diferență este fenomenul de trecere prin zero.

• Realitatea AC: Curentul alternativ inversează polaritatea de 50 sau 60 de ori pe secundă (Hertz). În acest ciclu, tensiunea este redusă la zero volți de 100 sau 120 de ori pe secundă. Când un întrerupător de curent alternativ se declanșează și se creează un arc electric între contacte, acest punct de zero tensiune se creează în mod natural și ajută la stingerea arcului.
• Pericolul DC: Curentul continuu este o tensiune continuă fără treceri prin zero. Când încercați să deschideți un circuit cu curent continuu de înaltă tensiune, arcul nu se stinge singur. Dimpotrivă, se transformă într-o punte de plasmă de lungă durată, care produce o căldură enormă (mii de grade Celsius).

Când se utilizează un întrerupător tipic de curent alternativ într-un circuit solar de curent continuu, este posibil să nu poată întrerupe arcul la declanșare. Acest lucru provoacă sudarea prin contact, în care siguranțele întrerupătorului se închid și nu reușesc să deschidă alimentarea sau provoacă distrugerea totală a carcasei întrerupătorului, ceea ce provoacă frecvent un incendiu electric.

Prin urmare, întrerupătoarele de circuit solare de curent continuu sunt proiectate cu camere sofisticate de stingere a arcului. Acestea utilizează bobine magnetice de stingere pentru a întinde fizic arcul și a-l împinge în „jgheaburi de arc” unde este divizat și răcit rapid. Este o măsură de siguranță obligatorie să se utilizeze un întrerupător de curent continuu dedicat, în loc să se bazeze pe un panou de întrerupătoare de circuit de intrare de curent alternativ pentru sarcinile de curent continuu.

Principalele tipuri de întrerupătoare de circuit pentru sisteme solare

Protecția solară este direct proporțională cu densitatea energiei. Piața oferă întrerupătoare de circuit de până la 15 amperi, pentru utilizare în cablajele rezidențiale, și tablouri de distribuție de până la 6000 amperi, pentru utilizare în infrastructura la scară largă.

Deși funcțional, cele mai comune tipuri de întrerupătoare de circuit pot fi împărțite în Standard, GFCI (Ground Fault - defecțiune la masă) și AFCI (Arc electric), fiecare având un rol specific de protecție, inginerii determină alegerea principală în funcție de dimensiunea sistemului și de designul fizic al dispozitivului. Ierarhia hardware este împărțită în trei mari categorii structurale:

Tipul de întrerupător	Curent nominal tipic	Voltaj	Capacitatea de rupere	Scenariul principal al aplicației
DC MCB	1A - 125A	Până la 1000 V DC	Scăzut spre mediu (de exemplu, 6kA)	Acoperișuri rezidențiale, PV Cutii combinatoare, protecție șiruri.
DC MCCB	63A - 1600A	Până la 1500 V DC	Înalt (20kA – 50kA)	Tablouri comerciale, invertoare centrale, întrerupător principal baterie.
ACB / BESS	2000A - 6300A	Până la 1500 V DC	Foarte mare (vid/aer)	Ferme solare la scară largă, stocare de energie la scară de rețea (BESS).

DC MCB (Întrerupător de circuit miniatural)

În aplicații de curent mai mic, întrerupătorul miniatural de circuit CC (MCB) a înlocuit în mare parte siguranțele mai vechi de 20 sau 30 de amperi utilizate în instalațiile mai vechi de panouri paralele. Aceste unități sunt proiectate să fie mici și au un design modular, conceput pentru a fi montate pe șine DIN standard, motiv pentru care sunt alegerea implicită în PV Cutii combinate și tablouri de distribuție rezidențiale.

• Domeniu de aplicare al ingineriei: MCBsunt de obicei evaluate la un curent de 125 A și 1000 V CC.
• Mecanism: Acestea utilizează un mecanism de declanșare termomagnetic cu două acțiuni. Elementul termic este utilizat pentru a gestiona supraîncărcările lente și de lungă durată, în timp ce elementul magnetic este utilizat pentru a întrerupe conexiunea imediat când apare un scurtcircuit de curent mare, pentru a proteja șirurile solare individuale sau intrările invertorului hibrid.

DC MCCB (Întrerupător de circuit în carcasă turnată)

Odată ce amperajul depășește intervalul rezidențial, în sistemele solare comerciale și în intervalul industrial (C&I), restricția unui MCB se realizează. În acest caz, întrerupătorul de circuit în carcasă turnată (MCCB) va fi standardul necesar. Aceste unități sunt mult mai mari și mai robuste, adăpostite într-o carcasă izolatoare turnată, puternică și sunt destinate a fi montate cu șuruburi pentru a rezista forțelor mecanice ale comutării de mare putere.

• Domeniu de aplicare al ingineriei: MCCBSunt utilizate pentru a efectua ridicări grele, iar valorile nominale sunt de obicei între 63A și 1600A și au capacități de rupere mari (de exemplu, 20kA până la 50kA).
• Beneficiu: Spre deosebire de setările fixe ale unui MCB, mulți MCCBau setări de declanșare reglabile. Acest lucru permite inginerilor să ajusteze curba de protecție pentru a se potrivi caracteristicilor de sarcină ale instalațiilor mari PV tablouri de panouri sau bancuri de baterii, care reprezintă principalul punct de deconectare al invertoarelor centrale.

ACB și BESS Întrerupătoare (înaltă tensiune/industriale)

Întrerupătoarele de circuit în aer (ACB) sunt utilizate la apogeul utilităților, care acoperă centralele electrice la scară largă și sistemele de stocare a energiei din baterii (BESS), pentru a controla capătul superior al spectrului de curent continuu. Acestea nu sunt doar întrerupătoare, ci sisteme complicate de stingere a arcului electric cu aer comprimat sau tehnologii de vid.

BESS Specializare: Întrerupătoarele standard de curent alternativ nu sunt întotdeauna adecvate în contextul depozitării. Întrerupătoarele de curent continuu de mare viteză sunt necesare pentru a depăși curenții uriași de scurtcircuit pe care îi pot furniza rack-urile de baterii litiu-ion. Aceste unități trebuie să răspundă în milisecunde pentru a evita o fugă termică dezastruoasă.

Domeniu de aplicare al ingineriei: Capabil să gestioneze mii de amperi (2000A – 6300A).

Aplicații: Unde se instalează întrerupătorul de circuit al sistemului solar în PV Systems

Un solar PV Sistemul trebuie protejat în diferite puncte ale logicii fluxului de energie. Amplasarea necorespunzătoare a întrerupătoarelor sau lipsa separării dintre domeniile AC și DC expune părțile vulnerabile ale sistemului. Prin urmare, stabilim utilizarea întrerupătoarelor de circuit în patru domenii vitale.

PV Array Combiner Box (Protecție șir)

Cutia de combinare este primul punct de apărare în sistemele cu mai multe șiruri, unde o combinație de mai multe șiruri de panouri este formată într-o singură ieșire. Înainte de consolidare, un DC MCB ar trebui montate la capătul fiecărui șir. Această poziționare este esențială în special pentru a rezolva problema direcționalității existente, așa cum este menționată în măsurile de siguranță.

Când unul dintre șiruri este umbrit sau are o defecțiune, celelalte șiruri pot forța curentul în acesta în direcția opusă. Așa cum s-a menționat, schimbarea accidentală a direcției ar cauza probleme serioase de siguranță și ar deteriora celulele solare. Deși un întrerupător nu direcționează activ curentul, acesta reprezintă o protecție necesară împotriva acestor curenți de feedback periculoși, care altfel ar provoca incendii și daune ireversibile modulelor.

Protecție bancă de baterii

Trecând la secțiunea de stocare a energiei, interfața dintre banca de baterii și invertor/încărcător este cea mai dificilă zonă de transport al curentului din întregul sistem. Această secțiune permite fluxul maxim de amperaj și un curent continuu puternic. MCCB sau cu rating ridicat MCB este necesară.

Un întrerupător este inclus aici, nu doar pentru a proteja cablajul gros al bateriei împotriva fluctuațiilor termice cauzate de supracurenți, ci și, poate mai important, pentru a oferi o metodă sigură și fizică de deconectare. Această izolare permite personalului de întreținere să lucreze la bancul de baterii fără expunerea fatală la tensiune continuă.

Intrare principală a invertorului (distribuție CC)

Protecția de intrare a invertorului principal joacă rolul de poartă de acces critică între generarea de curent continuu și conversia de curent alternativ. Acest întrerupător este plasat între ieșirea cutiei combinatorului și intrarea invertorului și servește ca întrerupător principal de curent continuu pentru întreaga parte de generare. Nu numai că asigură protecția la supracurent, dar protejează electronica de putere internă sensibilă a invertorului împotriva supratensiunilor externe și oferă un punct centralizat de izolare pentru întregul sistem de distribuție de curent continuu.

Distribuția sarcinii în curent continuu (circuite rezidențiale în curent continuu)

În cele din urmă, există anumite aplicații pe partea de consum, în special pentru proprietarii de case care utilizează curent continuu direct pentru a obține eficiență. Pentru a consolida acest aspect, instalatorii sunt obligați să instaleze tablouri de distribuție separate (cutii de siguranțe) cu întrerupătoare dedicate, care sunt strict diferite de panoul de curent alternativ.

Acest lucru este necesar în situațiile în care aparatele precum lămpile LED depind de disponibilitatea constantă a curentului continuu pentru a funcționa. Deoarece aceste dispozitive necesită un mediu de alimentare specific, întrerupătoarele de curent continuu sunt utilizate în acest caz pentru a proteja aceste sarcini sensibile. Acestea asigură că alimentarea este menținută sub control corespunzător și că orice supraîncărcare într-un circuit de iluminat este izolată cât mai curând posibil, fără a afecta sistemul principal.

Luarea în considerare a factorilor la alegerea unui întrerupător de circuit al sistemului solar

Alegerea întrerupătoarelor de circuit în sistemele solare PV Sistemele electrice reprezintă un domeniu de studiu adesea neglijat în favoarea opțiunilor de panouri sau invertoare. Însă, în acest caz, neglijența este costisitoare. Un întrerupător ales prost va defecta adesea din cauza deprecierii termice, provocând daune prin supraîncălzire și, în cel mai rău caz, un incendiu al sistemului.

Alegerea unui întrerupător nu este un joc de noroc, ci unul de aliniere a specificațiilor la condițiile de funcționare ale sistemului.

Tensiuni nominale și standarde de reglementare

Tensiunea nominală a întrerupătorului trebuie să fie mai mare decât tensiunea maximă în circuit deschis (Voc) a PV matrice, dar la cea mai scăzută temperatură anticipată. Mai mult, alegerea trebuie să fie în conformitate cu topologia invertorului și cu standardele industriale, inclusiv UL508i și IEC60947-3.

• 600 V CC (UL508i): Aceasta este specificația standard a instalațiilor rezidențiale care utilizează invertoare monofazate.
• 1000 V CC (IEC60947-3): Instalare comercială pe acoperiș și invertor trifazat standard.
• 1500 V DC: Standardul actual al invertoarelor centralizate și al fermelor solare utilitare la scară largă. Creșterea tensiunii minimizează pierderile pe cablu, dar necesită întrerupătoare cu o izolație și o gestionare a arcului mai bune.

Configurația polilor vs. numărul de șiruri de caractere

Configurația polilor este direct proporțională cu numărul de șiruri din izolator. Unul dintre cele mai importante principii ale izolării de curent continuu este acela că toți conductorii activi trebuie să fie scoși de sub tensiune în același timp.

• 2P (Bipolar): Standard cu un singur șir (care întrerupe atât pozitivul, cât și negativul). Acesta poate fi utilizat cu invertoare de șir tipice în care se utilizează un dispozitiv de urmărire a punctului de putere maximă (MPPT) ca și convertor.
• 4P (Patru Poli): Acest lucru este necesar atunci când se operează două șiruri de curent simultan sau în sisteme de înaltă tensiune (1000 V/1200 V). În sistemele de înaltă tensiune, polii sunt de obicei conectați în serie pentru a împărți tensiunea arcului între mai multe puncte de contact, permițând unui întrerupător mic să gestioneze sarcina în siguranță.

Durabilitate ecologică și siguranță a materialelor

Efectul mediului de instalare este unul dintre cele mai importante aspecte care lipsesc de obicei din fișele tehnice. Izolatoarele și întrerupătoarele solare nu funcționează în camere de servere cu climatizare controlată, ci în condiții dure.

• Interval de temperatură: Temperatura normală de funcționare a întrerupătoarelor robuste de curent continuu trebuie să fie între -40 °C și 60 °C. Întrerupătoarele trebuie reduse atunci când temperaturile ambiante depășesc acest interval pentru a evita declanșările intempestive.
• Standarde de inflamabilitate: Întrucât sarcina principală este prevenirea incendiilor, materialul carcasei trebuie să fie rezistent la foc. Specificațiile trebuie să fie în strictă conformitate cu standardele UL 94V-0 până la UL 94V-2, prin care cutia carcasei trebuie să fie autostingătoare în cazul defectării componentelor interne.

Dimensionare și calcul (Cum se calculează amperii)

Conform Codului Electric Național (NEC) și celor mai bune practici inginerești generale, un întrerupător nu ar trebui să funcționeze continuu la 100% din puterea sa nominală.

Formula de calcul:

Pentru a determina curentul minim nominal al întrerupătorului (întrerupător I), trebuie să aplicați factori de siguranță PV curentul de scurtcircuit (Isc) al matricei.

simplificat:

Exemplu:

Dacă aveți un șir de panouri cu un Isc de 10A:

Ar trebui să rotunjiți la cea mai apropiată dimensiune standard, care ar fi un întrerupător de curent continuu de 20A.

De ce să alegi BENY Întrerupător de circuit

Într-o piață inundată de componente generice, BENY se prezintă ca un producător axat în mod specific pe complexitățile protecției solare în curent continuu. Distincția nu constă în marketing, ci în rigoarea inginerească.

Cu peste 30 ani de experiență în industrie, BENY ingineri întrerupătoarele sistemului solar care elimină decalajul dintre eficiența costurilor și reziliența la nivel industrial. Soluțiile noastre sunt concepute pentru a gestiona întregul spectru de PV cerințe - de la sisteme de 12V la 1500V - suportând curenți de înaltă tensiune de până la 630A cu pierderi minime de energie.

Siguranța este intrinsecă filosofiei noastre „Construit pentru a rezista”. Fiecare întrerupător dispune de bariere avansate de suprimare a arcului electric și o capacitate de rupere de 6kA pentru a neutraliza instantaneu defectele. Rezolvăm provocările practice de instalare cu un design nepolarizat care elimină erorile de cablare și carcase robuste IP65 testate pentru a funcționa în climate extreme, de la -40°C la 85°C.

Beneficiind de o garanție de 5 ani și asistență globală 24/7, selectând BENY înseamnă să vă securizați infrastructura cu un partener dedicat siguranței și longevității fără compromisuri.

Concluzie

Investiția în panouri fotovoltaice are un protector silențios, întrerupătorul de circuit solar. În timp ce panourile creează valoare, întrerupătoarele o mențin. Trecerea la panouri comerciale de înaltă tensiune mai complicate, spre deosebire de sistemele rezidențiale simple, necesită o schimbare a atitudinii noastre față de selecția componentelor.

Ar trebui să nu mai considerăm întrerupătoarele drept mărfuri și să le considerăm active importante de siguranță. Pentru a înțelege mai bine acest lucru, citiți Coloana vertebrală a siguranței electrice: întrerupătoarele de curent continuu și importanța lorInstalatorii se pot asigura că sistemele sunt fiabile luând în considerare fizica unică a arcurilor de curent continuu, mapând întrerupătoarele la domeniile lor de aplicare respective, cum ar fi cutiile de combinare la bancurile de baterii, și luând în considerare standardele stricte de mediu și amperajele.

Întrerupătoarele de circuit sunt ecranul de profil înalt de care au nevoie multe sisteme. Atunci când sunt respectate instrucțiunile corecte de cablare, măsurile de siguranță și întreținere, acestea asigură o durată lungă de viață a panoului fotovoltaic.

Pentru persoanele care doresc soluții de protecție DC puternice, certificate și proiectate, BENY oferă hardware-ul de care au nevoie pentru a construi sistemele solare de mâine - în siguranță și eficient.

FAQS

Î: Ce tip de întrerupător de circuit se folosește pentru panourile solare?

A: Trebuie să utilizați un întrerupător specializat pentru protecția panourilor solare, de obicei un întrerupător de circuit de curent continuu. Nu utilizați întrerupătoare standard de curent alternativ pentru uz casnic. Electricitatea de curent continuu creează arcuri continue care sunt mai greu de stins decât cea de curent alternativ. Întrerupătoarele solare (cum ar fi curentul continuu) MCBs sau MCCBs) au jgheaburi pentru arc și mecanisme magnetice specifice concepute pentru a întrerupe în siguranță aceste arcuri electrice de curent continuu de înaltă tensiune și pentru a preveni incendiul.

Î: Am nevoie de un întrerupător între panoul solar și invertor?

A: Da. Este necesar un întrerupător de circuit pentru panouri solare (sau un izolator de curent continuu) între PV matricea și invertorul. Acesta îndeplinește două roluri vitale: protejează intrarea invertorului de supratensiuni electrice sau scurtcircuite și oferă un punct de deconectare fizică sigur pentru ca personalul de întreținere să poată repara sistemul fără a manipula cabluri sub tensiune.

Î: Unde se montează un întrerupător într-un sistem solar?

A: Întrerupătoarele trebuie instalate în trei zone critice de protecție:

• Tablă de distribuție CC: Pentru a proteja sarcinile de curent continuu, cum ar fi lămpile LED sau pompele.
• PV Cutie combinatoare: Pentru a proteja șirurile solare individuale de curentul invers.
• Bateria bateriei: Între baterie și invertor (acesta este de obicei cel mai mare întrerupător).