Schützen Sie Ihr Elektrofahrzeug und Ihr Sonnensystem vor Stromstößen

Elektrofahrzeug-Ladesysteme und Solar-PV-Anlagen weisen ein anderes Überspannungsrisikoprofil als herkömmliche elektrische Lasten auf. Bidirektionaler Leistungsfluss, häufige DC-AC-Wandlung und dichte Leistungselektronik machen diese Systeme sowohl für externe Netzstörungen als auch für intern erzeugte Transienten empfindlich. Ein effektiver Schutz hängt von der koordinierten, geschichteten Verwendung eines Überspannungsschutzgeräts über Gleich- und Wechselstromzonen ab, ohne auf einen einzigen Verteidigungspunkt angewiesen zu sein.

Warum EV & Solarsysteme einem höheren Überspannungsrisiko ausgesetzt sind

Solar-PV-Anlagen sind auf der DC-Seite in einer Weise freigelegt, die die meisten elektrischen Installationen nicht tun. Lange PV-Strangkabel wirken als Antennen für schnell ansteigende Überspannungen, während hohe Gleichstrom-Betriebsspannungen die Fehlergrenze bei auftretender Spannungsspannung verringern. Auch ohne direkte Blitzeinbindung können induzierte und schaltbedingte Überspannungen schädliche Werte erreichen.

In diesem Risiko stehen Wechselrichter im Mittelpunkt. Sie schalten kontinuierlich zwischen Gleichstrom- und Wechselstromausgang über Hochfrequenz-Leistungshalbleiter um. Diese Geräte sind effizient, aber unversöhnlich. Wiederholte Spannungsspitzen beschleunigen den Isolationsverschleiß, verschlechtern die Halbleiterübergänge und verkürzen die Lebensdauer, lange bevor ein katastrophaler Ausfall auftritt.

EV-Ladegeräte fügen eine weitere Ebene der Schwachstelle hinzu. Aus Sicht des Netzes ist ein EV-Ladegerät keine passive Last. Es handelt sich um ein gesteuertes Stromwandlungssystem mit Gleichrichtern, Zwischenkreiskondensatoren, Steuerlogik und Kommunikationsschnittstellen. Netzschaltereignisse, Versorgungsfehler oder nahegelegene Großlastvorgänge können Störungen injizieren, die sich direkt in diese empfindlichen Stufen ausbreiten.

Entscheidend ist, dass viele schädliche Ereignisse nicht dramatisch sind. Routineschaltung, Kondensatorbank-Einbindung oder Wechselrichterkommutierung können Überspannungen erzeugen, die im Laufe der Zeit Spannungen ansammeln. Diese Erinnerung ist wichtig, da Schutzstrategien häufige, mäßige Transienten angehen müssen, nicht nur seltene Extreme.

Überspannungsschutzstrategie für Solar-PV-Anlagen

Überspannungsschutz in Solaranlagen sollte von Systemzonen und nicht von einzelnen Komponenten angefahren werden. Jede Zone hat ein anderes Expositionsprofil und erfordert eine bestimmte Schutzrolle.

DC-seitiger Schutz zwischen PV-Strings und Wechselrichter

Die DC-Seite einer PV-Anlage wird bei Tageslicht kontinuierlich angesteuert und arbeitet oft mit Hunderten oder Tausenden von Volt. Eine zwischen dem PV-Array und dem Wechselrichter installierte richtig ausgewählte DC-SPD bietet einen gesteuerten Weg, damit die transiente Energie von den Wechselrichtereingängen abweichen kann.

Wichtige Punkte zu beachten:

• Gleichstromkreise weisen eine anhaltende Spannung auf, daher muss die SPD speziell für das Gleichstromverhalten ausgelegt sein.
  
• Kabellänge und -führung erhöhen die Exposition gegenüber induzierten Transienten.
  
• Der Schutz in der Nähe des Wechselrichters begrenzt die Restspannung, die empfindliche Elektronik erreicht.
  

A Überspannungsschutzgerät Bei Solarmodulen geht es nicht darum, Stöße zu stoppen, sondern die Spannung auf ein Niveau zu begrenzen, das der Wechselrichter wiederholt tolerieren kann.

AC-seitiger Schutz am Ausgang des Wechselrichters

Sobald die Stromversorgung in Wechselstrom umgewandelt wird, wird die Ausgangsleistung des Wechselrichters netzbedingten Störungen ausgesetzt. Schaltereignisse nachgeschaltet, Versorgungsfehler oder Industrielasten in der Nähe können Überspannungen einleiten, die zum Wechselrichter zurückgehen.

Ein am Wechselrichterausgang oder an der Hauptverteilungsschnittstelle installiertes AC SPD dient zum Klemmen dieser Überspannungen, bevor sie die Endstufe des Wechselrichters und den internen Zwischenkreis belasten. Dies ist besonders wichtig bei netzgebundenen Systemen, bei denen der Strom je nach Betriebsbedingungen in beide Richtungen fließt.

Warum die Koordination zwischen DC und AC SPDs wichtig ist

DC- und AC-seitige Geräte arbeiten nicht unabhängig. Eine schlechte Koordination kann zu ungleichmäßiger Energieteilung, übermäßiger Belastung eines Geräts oder erhöhter Restspannung, die den Wechselrichter erreicht, führen.

Gute Koordination sorgt für:

• Die DC-Seite SPD verwaltet Array-bedingte Transienten.
  
• Die AC-seitige SPD behandelt netzbedingte Störungen.
  
• Restspannungen werden nach und nach durch das System ausbreiten.
  

Rolle des Überspannungsschutzgeräts Typ 2 in Solaranlagen

In den meisten Fest-PV-Anlagen ist ein Überspannungsschutzgerät Typ 2 für Gleichstrom- und Wechselstrom-Standorte geeignet. Diese Geräte sind so konzipiert, dass sie wiederkehrende transiente Energie, die mit Schalten und indirekten Blitzeffekten verbunden sind, verarbeiten können, ohne dass die extreme Entladekapazität erforderlich ist, die für Serviceeintrittsszenarien reserviert ist.

Warum Typ 3 nur nachgeschaltet für Elektronik verwendet wird

Geräte des Typs 3 sind für energiearme Reststöße bestimmt und sollten niemals als einzige Schutzmaßnahme installiert werden. In Solaranlagen können sie nachgeschaltet zum Schutz der Überwachungselektronik oder Kommunikationsschnittstellen eingesetzt werden, aber nur, wenn der vorgelagerte Schutz bereits die Überspannungsenergie einschränkt.

Überspannungsschutzstrategie für EV-Ladesysteme

Elektronische Ladesysteme sollten aus Sicht des Stromflusses analysiert werden, beginnend am Netzanschluss und am Ende der Fahrzeugschnittstelle.

Netz zum Verteiler-Panel zum EV-Ladegerät

Überspannungen treten normalerweise über die Wechselstromversorgung ein. Eine AC-SPD am Verteilerfeld, das das EV-Ladegerät speist, verringert die Amplitude ankommender Transienten. Dies ist die erste Verteidigungsschicht und besonders wichtig, wenn Ladegeräte an lange Feeder-Läufe oder Outdoor-Geräte angeschlossen sind.

Interne Leistungselektronik Empfindlichkeit

Im Inneren des Ladegeräts wird AC gleichmßig, über Zwischenkreisstufen verarbeitet und durch Hochgeschwindigkeitsschaltgeräte gesteuert. Diese Stufen sind empfindlich gegenüber Überspannungen, insbesondere wiederholten Spitzen, die Kondensatoren und Halbleiter im Laufe der Zeit abbauen.

Ohne vorgeschaltete Spannungsbegrenzung sind interne Komponenten gezwungen, Belastungen zu absorbieren, die sie nie handhaben konnten.

Belichtung der Kommunikations- und Steuerschaltung

Moderne EV-Ladegeräte umfassen Kommunikationsschnittstellen für das Lastmanagement, die Abrechnung und die Fahrzeugkoordination. Diese Niederspannungsschaltungen sind sehr anfällig für Reststöße, die durch Leistungsstufen passieren.

Geräte vom Typ 3 können intern oder an Steuerkreisschnittstellen verwendet werden, um diese Restspannungen zu begrenzen, sie sind jedoch vollständig vom vorgelagerten Schutz abhängig, um korrekt zu funktionieren.

Wenn Typ 2 obligatorisch ist

In den meisten Ladeanlagen für Elektrofahrzeuge, insbesondere in gewerblichen und Flottenumgebungen, Überspannungsschutzgerät Typ 2 Einheiten an Versorgungspaneelen sind nicht optional. Die Kombination aus häufigem Umschalten, hoher Auslastung und kritischer Verfügbarkeit erfordert vorhersehbare Überspannungsbegrenzung.

Unterschiede in Wohn-, Gewerbe- und Fuhrpark

Wohnladegeräte teilen sich oft Panels mit anderen Haushaltslasten, was zu einer Erhöhung der Exposition gegenüber internen Schalttransienten führt. Kommerzielle Installationen sind mit höheren Fehlerströmen und Netzinteraktionen konfrontiert. Fleet-Aufladung führt gleichzeitig über mehrere Ladegeräte hinweg umschalten und erhöht die intern erzeugten Störungen. Jeder Kontext verstärkt die Notwendigkeit eines koordinierten Schutzes auf Tafelebene, anstatt sich nur auf die lokale Elektronik zu verlassen.

Koordination von AC- und DC-SPDs in Hybridsystemen

Hybridsysteme, die PV-Erzeugung, Energiespeicherung und Elektrofahrzeugaufladung kombinieren, stellen einzigartige Koordinationsprobleme.

AC-SPDS und DC-SPDs sind nicht austauschbar. Gleichstromkreise halten die Spannung kontinuierlich aufrecht, während Wechselstromkreise durch Nulldurchgänge laufen. Geräte, die für eine Umgebung ausgelegt sind, können vorzeitig ausfallen oder sich unvorhersehbar in der anderen verhalten.

Auch die Überspannungsenergie breitet sich unterschiedlich aus. In Gleichstromkreisen kann die Energie länger bestehen bleiben und die thermische Belastung der Komponenten erhöhen. In AC-Systemen wird die Energie über Phasen verteilt und durch Wellenform-Nulldurchgänge periodisch unterbrochen.

Eine unsachgemäße Koordination führt häufig dazu, dass ein Gerät mehr Energie aufnimmt als beabsichtigt. Dies führt zu vorzeitiger Verschlechterung und falschem Vertrauen in den Systemschutz. Die progressive Spannungsbegrenzung behebt dies, indem sichergestellt wird, dass jede SPD-Stufe die Überspannungsamplitude Schritt für Schritt verringert, anstatt ein einzelnes Gerät zu zwingen, die gesamte Arbeit zu erledigen.

In Hybridsystemen bedeutet dies:

• DC-SPDs verwalten Störungen auf Array- und Batterieseite.
  
• AC-SPDs verwalten Netz- und lastseitige Störungen.
  
• Nachgeschaltete Geräte verarbeiten nur energiearme Residuen.
  

Erdung, Bonding und Überspannungsleistung (nicht code, praktisch)

Die Erdungsqualität wirkt sich direkt auf die Leistung eines Überspannungsschutzgeräts aus. Eine SPD eliminiert keine Überspannungsenergie. es leitet es um. Wenn der Umleitungspfad eine hohe Impedanz aufweist, steigt die Spannung an anderer Stelle im System an.

Schlechte Bindung zwischen Gerätegehäusen, Montagestrukturen und Erdungsleitern erzeugt bei einem Überspannungsereignis ein ungleichmäßiges Potenzial. Diese ungleichmäßigen Belastungen belasten Isolations- und elektronische Schnittstellen auch bei Vorhandensein von SPDs.

In praktischer Hinsicht:

• Kurze, gerade Erdungsverbindungen verbessern die Reaktionszeit.
  
• Durch konsistente Bondings werden Differenzspannungen zwischen Systemkomponenten reduziert.
  
• SPDs können schlecht gestaltete Erdungswege nicht ausgleichen.
  

Die Konzentration auf das Erden als Teil des Systemdesigns und nicht als Nachfolger verbessert die Wirksamkeit jeder Schutzschicht.

Vergleichstabelle

Häufige Konstruktionsfehler im EV- und Solar-Überspannungsschutz

Ein häufiger Fehler ist das Verlassen auf eine einzelne SPD, um ein ganzes System zu schützen. Dieser Ansatz ignoriert, wie sich die Überspannungsenergie über verschiedene Leiter und Spannungen verteilt.

Ein weiteres Problem ist die Vernachlässigung des DC-seitigen Schutzes in PV-Systemen. Durch das Schutz nur der AC-Ausgangsleistung wird der Wechselrichter array-entworfenen Transienten ausgesetzt, die niemals die Netzschnittstelle erreichen.

Problematisch ist auch die Behandlung von EV-Ladegeräten wie einfache Lasten. Ladegeräte formen den Stromfluss aktiv und erzeugen interne Schaltstörungen, die eine vorgelagerte Spannungsbegrenzung erfordern.

Schließlich gibt die Installation von Typ-3-Geräten ohne Upstream-Schutz ein falsches Gefühl der Sicherheit. Diese Geräte sind nicht für den Umgang mit primärer Stoßenergie ausgelegt und verschlechtern sich bei falscher Anwendung schnell.

Langfristige Überlegungen zur Zuverlässigkeit und Wartung

SPDs verschlechtern sich allmählich. Jedes Überspannungsereignis verringert leicht die Fähigkeit, Energie abzuleiten. Diese Verschlechterung ist normal und vorhersehbar, jedoch nur, wenn sie während der Systemplanung bestätigt wird.

Elektro- und Solaranlagen werden voraussichtlich über Jahrzehnte in Betrieb genommen. Schutzstrategien sollten Inspektionsintervalle, Statusüberwachung und geplanten Austausch basierend auf dem Expositionsniveau umfassen, anstatt auf einen Fehler zu warten.

Vorhersehbarer Schutz unterstützt vorhersehbare Verfügbarkeit. Dies ist bei der Elektrofahrzeugaufladung und -solarstellung wichtiger als bei vielen anderen elektrischen Anwendungen, da Ausfallzeiten die Energieverfügbarkeit und die Betriebsplanung direkt beeinträchtigen.

Abschluss

Elektronische Ladesysteme und Solar-PV-Anlagen erfordern abgestimmte Überspannungsschutzstrategien, die deren Systemtopologie und Betriebsverhalten widerspiegeln. Die effektive Verwendung eines Überspannungsschutzgeräts hängt von der korrekten Platzierung, der Koordination zwischen Wechselstrom- und DC-Umgebungen und realistischen Erwartungen an die Leistung im Laufe der Zeit ab.

Bei diesen Systemen geht es nicht um absolute Prävention. Es geht darum, die Risiken zu kontrollieren, die Belastung der empfindlichen Elektronik zu begrenzen und die langfristige Zuverlässigkeit durch durchdachtes Systemdesign zu unterstützen.

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