Типи та застосування автоматичних вимикачів сонячних систем: повний посібник

Вступ

Акцент у проектуванні сучасної сонячної енергетичної системи часто робиться на виробництві енергії — ефективності панелей та коефіцієнтах перетворення інверторів. Тим не менш, економічна та експлуатаційна стійкість будь-якої сонячної установки базується на її заходах захисту. Автоматичний вимикач для безпеки сонячної системи є основою цієї архітектури безпеки, забезпечуючи спокій власникам системи.

Сонячна установка — це не просто генератор, це активна електростанція постійного струму (DC) високої напруги, яка встановлюється на дахах житлових будинків або промислових об'єктах. Вимоги до захисту зростають зі збільшенням потужності системи. Необхідність надійного захисту є скрізь, чи то захист кіл у... PV об'єднувальний блок, де зосереджена потужність, або керування кількома виходами в панелях навантаження постійного струму, де домовласники безпосередньо використовують постійний струм.

Небезпеки цієї передачі постійного струму, а саме тривале іскріння та електричні небезпеки, відрізняються від небезпек звичайних мереж змінного струму. Таким чином, вибір захисту кола – для кожного рішення, чи то розподільні коробки, чи головний розподільчий пристрій – не є легковажним вибором аксесуару; це важливий інженерний розрахунок.

Цей посібник є ретельним дослідженням типів сонячних автоматичних вимикачів, їхнього конкретного використання в топології фотоелектричної системи та математичної моделі, необхідної для їх відповідного визначення розміру.

Що таке автоматичний вимикач сонячної системи?

Автоматичний вимикач сонячної системи – це автоматичний захисний пристрій, який використовується для захисту електричних кіл від пошкодження внаслідок перевантаження або короткого замикання, спричиненого надмірним струмом. Автоматичний вимикач – це довговічний комутаційний пристрій, на відміну від простого запобіжника, який спрацьовує лише один раз і потребує заміни. Його можна перезавантажити (вручну або автоматично) для продовження нормальної роботи після усунення помилки.

Автоматичний вимикач постійного струму має два основних призначення, зокрема, у випадку фотоелектричних систем (ФЕ):

• Ізоляція та комутація: Він пропонує ручну точку відключення, яка дозволяє обслуговуючому персоналу безпечно ізолювати PV сонячна батарея, акумуляторний блок або сонячний інвертор працюватиме без небезпеки напруги під напругою. Це особливо важливо в системах, що використовують інвертори з ізоляцією трансформатора. У цих конструкціях інженерні стандарти зазвичай вимагають двополюсного автоматичного вимикача постійного струму з обмежувальною здатністю струму щонайменше в 1.25 раза перевищує струм короткого замикання (Isc) сонячної батареї. PV масиву та в 1.2 раза перевищує напругу холостого ходу (Voc) сонячної батареї PV масив.
• Захист від перевантаження по струму: Це тепловий та магнітний екран. Коли струм, що протікає через коло, перевищує номінальний струм через несправність або помилку в проводці, спрацьовує автоматичний вимикач, розриваючи коло, щоб запобігти розплавленню ізоляції дроту та катастрофічному збою обладнання.

Існує потреба розрізняти а Ізолятор постійного струму і автоматичний вимикач постійного струму. Хоча ізолятор можна використовувати для розриву кола для його підтримки, він не обов'язково забезпечує автоматичний захист від перевантаження по струму. Автоматичний вимикач забезпечує необхідну ізоляцію, як зазначено вище, та активний захист від несправностей.

Автоматичний вимикач сонячної системи проти звичайного вимикача змінного струму: чому різниця має значення

Заміна автоматичних вимикачів змінного струму (AC) на постійний струм (DC) є однією з найпоширеніших і найнебезпечніших помилок під час встановлення сонячних батарей. Для недосвідченого ока ці пристрої виглядають схожими. Для фізика чи інженера-електрика вони існують у радикально різних реальностях.

Найважливіша відмінність полягає в феномені нульового перетину.

• Реальність кондиціонера: Змінний струм змінює полярність на протилежну 50 або 60 разів на секунду (герц). У цьому циклі напруга знижується до нуля вольт 100 або 120 разів на секунду. Коли спрацьовує автоматичний вимикач змінного струму і між контактами виникає дуга, ця точка нульової напруги створюється природним чином і допомагає загасити дугу.
• Небезпека у Вашингтоні: Постійний струм – це безперервна напруга без перетинів нуля. Коли ви намагаєтеся розімкнути коло високовольтним постійним струмом, дуга не гасне сама. Натомість вона перетворюється на тривалий плазмовий місток, який виробляє величезне тепло (тисячі градусів Цельсія).

Коли в колі сонячної батареї постійного струму використовується типовий автоматичний вимикач змінного струму, він може не перервати дугу під час спрацьовування. Це призводить до зварювання контактів, при якому запобіжники автоматичного вимикача замикаються та не розмикають живлення, або ж до повного руйнування корпусу автоматичного вимикача, що часто призводить до пожежі.

Таким чином, сонячні автоматичні вимикачі постійного струму розроблені зі складними камерами для гасіння дуги. У них використовуються магнітні котушки для гасіння дуги, які фізично розтягують її та проштовхують у «дугогасні жолоби», де вона розділяється та швидко охолоджується. Обов'язковим заходом безпеки є використання спеціального автоматичного вимикача постійного струму, а не покладання на панель вхідного автоматичного вимикача змінного струму для навантажень постійного струму.

Основні типи автоматичних вимикачів сонячних систем

Сонячний захист прямо пропорційний щільності енергії. На ринку є автоматичні вимикачі від малих, аж до 15-амперних, для використання в житловій електропроводці, до розподільчих пристроїв на 6000 ампер для використання в комунальній інфраструктурі.

Хоча функціонально найпоширеніші типи автоматичних вимикачів можна розділити на стандартні, GFCI (захисні вимикачі на землю) та AFCI (дугове замикання), кожен з яких виконує певну захисну роль, інженери визначають основний вибір залежно від розміру системи та фізичної конструкції пристрою. Ієрархія апаратного забезпечення поділяється на три широкі структурні категорії:

Тип вимикача	Типовий номінальний струм	Рейтинг напруги	Порушення потужності	Основний сценарій застосування
DC MCB	1А - 125А	До 1000 В постійного струму	Низький до середнього (наприклад, 6 кА)	Дахи житлових будинків, PV Об'єднувальні коробки, захист струн.
DC MCCB	63А - 1600А	До 1500 В постійного струму	Високий (20 кА – 50 кА)	Комерційні масиви, центральні інвертори, головний вимикач акумуляторів.
АКБ / BESS	2000А - 6300А	До 1500 В постійного струму	Дуже високий (вакуум/повітря)	Сонячні електростанції комунального масштабу, накопичення енергії мережевого масштабу (BESS).

DC MCB (Мініатюрний автоматичний вимикач)

У випадках низького струму мініатюрний автоматичний вимикач постійного струму (MCB) здебільшого замінив старі запобіжники на 20 або 30 ампер, що використовувалися в старих паралельних панельних установках. Ці пристрої розроблені невеликими та мають модульну конструкцію, призначену для монтажу на стандартні DIN-рейки, тому вони є вибором за замовчуванням у PV Розподільні коробки та розподільчі щити для будинків.

• Інженерна сфера: MCBЗазвичай розраховані на струм 125 А та постійну напругу 1000 В.
• Механізм: Вони використовують термомагнітний механізм розчеплення двосторонньої дії. Тепловий елемент використовується для боротьби з повільними, тривалими перевантаженнями, тоді як магнітний елемент використовується для негайного розриву з'єднання у разі виникнення короткого замикання з високим струмом, щоб захистити окремі сонячні панелі або входи гібридного інвертора.

DC MCCB (Автоматичний вимикач у литому корпусі)

Як тільки сила струму перевищує діапазон для житлових приміщень, починаючи з комерційних сонячних систем та промислового (C&I) діапазону, обмеження MCB досягається. У цьому випадку автоматичний вимикач у литому корпусі (MCCB) буде необхідним стандартом. Ці пристрої набагато більші та міцніші, розміщені в міцному литому ізоляційному корпусі та призначені для болтового кріплення, щоб витримувати механічні навантаження від комутації високої потужності.

• Інженерна сфера: MCCBвикористовуються для виконання важких робіт, а їх номінальні струми зазвичай становлять від 63 А до 1600 А та мають високу вимикальну здатність (наприклад, від 20 кА до 50 кА).
• Перевага: На відміну від фіксованих налаштувань MCB, багато хто MCCBмають регульовані налаштування спрацьовування. Це дозволяє інженерам налаштувати криву захисту відповідно до характеристик навантаження великих PV масиви або акумуляторні батареї, що є основною проблемою центральних інверторів.

АКБ та BESS Вимикачі (високовольтні/промислові)

Повітряні автоматичні вимикачі (ACB) використовуються в зеніті комунальних послуг, що охоплює великі електростанції та системи акумуляторного накопичення енергії (BESS), для контролю верхньої межі спектру постійного струму. Це не просто перемикачі, а складні системи дугогасіння з використанням технологій стисненого повітря або вакууму.

BESS Спеціалізація: Стандартні автоматичні вимикачі не завжди достатні в контексті зберігання енергії. Швидкісні автоматичні вимикачі постійного струму необхідні для подолання величезних струмів короткого замикання, які можуть видавати стійки літій-іонних акумуляторів. Ці пристрої повинні реагувати за мілісекунди, щоб уникнути катастрофічного теплового розгону.

Інженерна сфера: Здатний витримувати тисячі ампер (2000 А – 6300 А).

Застосування: Де встановити автоматичний вимикач сонячної системи в PV Системи

Сонячний PV Систему потрібно захищати на різних етапах логіки потоку енергії. Неправильне розміщення автоматичних вимикачів або відсутність розділення між доменами змінного та постійного струму оголює вразливі частини системи. Таким чином, ми встановлюємо використання автоматичних вимикачів у чотирьох життєво важливих областях.

PV Об'єднувач масивів (захист струн)

Об'єднувальний блок є першою точкою захисту в багатострункових системах, де комбінація кількох стрінгів панелей формується в один вихід. Перед об'єднанням, DC MCB слід встановлювати на кінці кожної струни. Таке розташування є важливим, зокрема, для вирішення проблеми існуючої спрямованості, як зазначено в заходах безпеки.

Коли одна з гілок затінена або має несправність, інші гілки можуть пропускати через неї струм у протилежному напрямку. Як уже згадувалося, випадкова зміна напрямку може спричинити серйозні проблеми з безпекою та пошкодити сонячні елементи. Хоча автоматичний вимикач активно не керує струмом, він є необхідним захистом від цих небезпечних струмів зворотного зв'язку, які в іншому випадку можуть спричинити пожежу та незворотне пошкодження модулів.

Захист акумуляторної батареї

Щодо секції накопичення енергії, то інтерфейс між акумуляторною батареєю та інвертором/зарядним пристроєм є найскладнішою зоною струмопередачі всієї системи. Ця секція забезпечує максимальний потік сили струму та потужний постійний струм. MCCB або високий рейтинг MCB не потрібно.

Тут передбачено автоматичний вимикач не лише для захисту товстокабельних акумуляторних батарей від теплового виходу, спричиненого перевантаженнями по струму, але й, що, можливо, ще важливіше, для забезпечення безпечного фізичного методу відключення. Така ізоляція дозволяє обслуговуючому персоналу працювати з акумуляторним блоком без смертельного впливу постійної напруги під напругою.

Головний вхід інвертора (розподіл постійного струму)

Захист головного входу інвертора відіграє роль критичного шлюзу між генерацією постійного струму та перетворенням змінного струму. Цей автоматичний вимикач розміщено між виходом блоку об'єднувача та входом інвертора і служить головним вимикачем постійного струму всієї сторони генерації. Він не лише виконує захист від перевантаження по струму, але й захищає чутливу внутрішню силову електроніку інвертора від зовнішніх перенапруг та забезпечує централізовану точку ізоляції для всієї системи розподілу постійного струму.

Розподіл навантаження постійного струму (жильні кола постійного струму)

Зрештою, існують певні застосування з боку споживання, особливо для домовласників, які використовують постійний струм безпосередньо для досягнення ефективності. Щоб посилити це, монтажники повинні встановлювати окремі розподільні щити (блоки запобіжників) зі спеціальними автоматичними вимикачами, які суттєво відрізняються від панелі змінного струму.

Це необхідно в ситуаціях, коли такі прилади, як світлодіодні лампи, залежать від постійної наявності постійного струму для роботи. Оскільки ці пристрої потребують певного середовища живлення, автоматичні вимикачі постійного струму в цьому випадку використовуються для захисту цих чутливих навантажень. Вони забезпечують належний контроль живлення та якомога швидше ізолюють будь-яке перевантаження в колі освітлення, не впливаючи на основну систему.

Розгляд факторів під час вибору автоматичного вимикача сонячної системи

Вибір автоматичних вимикачів у сонячній енергетиці PV Системи живлення – це галузь дослідження, якою часто нехтують на користь панельних або інверторних варіантів. Але недбалість у цьому випадку дорого коштує. Неправильно вибраний автоматичний вимикач часто виходить з ладу через теплове зниження номінальних характеристик, що призводить до перегріву та, в гіршому випадку, пожежі системи.

Вибір автоматичного вимикача — це не гра випадку, а питання узгодження специфікацій з умовами роботи системи.

Номінальні напруги та нормативні стандарти

Номінальна напруга автоматичного вимикача повинна бути більшою за максимальну напругу холостого ходу (Voc) PV масив, але за найнижчої очікуваної температури. Крім того, вибір має відповідати топології інвертора та галузевим стандартам, включаючи UL508i та IEC60947-3.

• 600 В постійного струму (UL508i): Це стандартна специфікація житлових установок, що використовують однофазні інвертори.
• 1000 В постійного струму (IEC60947-3): Комерційне встановлення на даху та стандартний трифазний стрінговий інвертор.
• 1500 В постійного струму: Сучасний стандарт централізованих інверторів та великомасштабних сонячних електростанцій. Підвищена напруга мінімізує втрати в кабелі, але вимагає автоматичних вимикачів з кращою ізоляцією та захистом від дуги.

Конфігурація полюсів проти кількості струн

Конфігурація полюсів прямо пропорційна кількості гілок у ізоляторі. Один з найважливіших принципів ізоляції постійного струму полягає в тому, що всі провідники під напругою повинні бути знеструмлені одночасно.

• 2P (двополюсний): Однострунковий (з розділенням як позитивного, так і негативного полюсів) стандарт. Його можна використовувати з типовими струнними інверторами, в яких як перетворювач використовується один пристрій відстеження точки максимальної потужності (MPPT).
• 4P (чотириполюсний): Це необхідно під час одночасної роботи двох гілок або в системах вищої напруги (1000 В/1200 В). У високовольтних системах полюси зазвичай з'єднуються послідовно, щоб розділити напругу дуги між кількома точками контакту, що дозволяє невеликому автоматичному вимикачу безпечно обробляти навантаження.

Екологічна довговічність та безпека матеріалів

Вплив умов монтажу є одним з найважливіших аспектів, які зазвичай відсутні в технічних характеристиках. Сонячні ізолятори та автоматичні вимикачі працюють не в кліматично контрольованих серверних кімнатах, а в суворих умовах.

• Температурний діапазон: Нормальна робоча температура надійних автоматичних вимикачів постійного струму повинна бути в межах від -40°C до 60°C. Номінальні характеристики автоматичних вимикачів слід знижувати, коли температура навколишнього середовища перевищує цей діапазон, щоб уникнути випадкового спрацьовування.
• Стандарти горючості: Оскільки головним завданням є запобігання пожежі, матеріал корпусу повинен бути вогнестійким. Специфікації повинні суворо відповідати стандартам UL 94V-0 - UL 94V-2, згідно з якими корпус повинен бути самозатухаючим у разі виходу з ладу внутрішніх компонентів.

Визначення розмірів та розрахунок (як розрахувати силу струму)

Згідно з Національним електротехнічним кодексом (NEC) та загальними передовими інженерними практиками, автоматичний вимикач не повинен безперервно працювати на 100% від свого номінального струму.

Формула розрахунку:

Щоб визначити мінімальний номінальний струм для вашого автоматичного вимикача (Ibreaker), необхідно застосувати коефіцієнти безпеки до PV Струм короткого замикання (Isc) масиву.

Спрощена:

приклад:

Якщо у вас є ланцюг панелей з Isc 10A:

Вам слід округлити до найближчого стандартного розміру, яким буде автоматичний вимикач постійного струму 20 А.

Чому вибрати BENY Автоматичний вимикач

На ринку, переповненому генеричними компонентами, BENY є виробником, що спеціалізується саме на складнощах сонячного захисту постійного струму. Різниця полягає не в маркетингу, а в інженерній точності.

Маючи понад 30 років досвіду роботи в галузі, BENY інженери автоматичні вимикачі сонячної системи які усувають розрив між економічною ефективністю та стійкістю промислового рівня. Наші рішення розроблені для обробки всього спектру PV вимоги — від систем від 12 В до 1500 В — підтримуючи потужні струми до 630 А з мінімальними втратами енергії.

Безпека є невід'ємною частиною нашої філософії «Створено для довговічності». Кожен автоматичний вимикач оснащений вдосконаленими бар'єрами для придушення дуги та відключаючою здатністю 6 кА для миттєвої нейтралізації замикань. Ми вирішуємо практичні проблеми встановлення за допомогою неполяризованої конструкції, яка виключає помилки підключення, та міцних корпусів IP65, протестованих на роботу в екстремальних кліматичних умовах від -40°C до 85°C.

Підкріплені 5-річною гарантією та цілодобовою глобальною підтримкою, вибираючи BENY означає захист вашої інфраструктури за допомогою партнера, який прагне безкомпромісної безпеки та довговічності.

Висновок

Фотоелектричні інвестиції мають безшумний захист – сонячний автоматичний вимикач. У той час як панелі створюють цінність, автоматичні вимикачі її підтримують. Перехід до складніших високовольтних комерційних масивів, на відміну від простих житлових систем, вимагає зміни нашого ставлення до вибору компонентів.

Нам слід перестати розглядати автоматичні вимикачі як товар і розглядати їх як важливі засоби безпеки. Щоб краще зрозуміти це, прочитайте Основа електричної безпеки: автоматичні вимикачі постійного струму та їх значенняМонтажники можуть переконатися в надійності систем, враховуючи унікальну фізику дуг постійного струму, підбираючи автоматичні вимикачі відповідно до їхніх сфер застосування, таких як об'єднувальні коробки для акумуляторних батарей, а також дотримуючись суворих екологічних стандартів та номінальних ампер.

Автоматичні вимикачі – це надійний захист, необхідний багатьом системам. За умови дотримання правильних інструкцій з підключення, заходів безпеки та технічного обслуговування, вони гарантують тривалий термін служби фотоелектричної панелі.

Для тих, хто бажає мати надійні, сертифіковані та спроектовані рішення для захисту від постійного струму, BENY пропонує обладнання, необхідне для безпечного та ефективного будівництва сонячних систем майбутнього.

Питання та відповіді

З: Який тип автоматичного вимикача використовується для сонячних панелей?

A: Для захисту сонячних панелей необхідно використовувати спеціалізований автоматичний вимикач, зазвичай це автоматичний вимикач постійного струму. Не використовуйте стандартні побутові автоматичні вимикачі змінного струму. Постійний струм створює безперервні дуги, які важче загасити, ніж змінний струм. Сонячні вимикачі (такі як автоматичні вимикачі постійного струму) MCBи або MCCBs) мати спеціальні дугогасильні камери та магнітні механізми, призначені для безпечного переривання цих високовольтних дуг постійного струму та запобігання пожежі.

З: Чи потрібен мені автоматичний вимикач між сонячною панеллю та інвертором?

A: Так. Між сонячною панеллю потрібен автоматичний вимикач (або ізолятор постійного струму). PV масив та інвертор.. Він виконує дві життєво важливі ролі: захищає вхід інвертора від електричних перенапруг або коротких замикань, а також забезпечує безпечну точку фізичного відключення для обслуговуючого персоналу, щоб обслуговувати систему, не торкаючись проводів під напругою.

З: Де встановити автоматичний вимикач у сонячній системі?

A: Вимикачі слід встановлювати у трьох критичних зонах захисту:

• Розподільна панель постійного струму: Для захисту навантажень постійного струму, таких як світлодіодні лампи або насоси.
• PV Коробка комбайна: Для захисту окремих сонячних ланцюгів від зворотного струму.
• Батарея: Між акумулятором та інвертором (зазвичай це найбільший автоматичний вимикач).