Ochrona pojazdu elektrycznego i słonecznego przed przepięciami

Elektryczne systemy ładowania pojazdów i instalacje fotowoltaiczne napotykają inny profil ryzyka przepięć niż konwencjonalne obciążenia elektryczne. Dwukierunkowy przepływ mocy, częsta konwersja DC-AC i gęsta elektronika energetyczna sprawiają, że systemy te są wrażliwe zarówno na zakłócenia sieci zewnętrznej, jak i wewnętrznie generowane stany nieustalone. Skuteczna ochrona zależy od skoordynowanego, warstwowego użycia urządzenia zabezpieczającego przed przepięciami w strefach prądu stałego i prądu przemiennego, a nie polegania na jednym punkcie obrony.

Dlaczego systemy elektryczne i słoneczne stoją przed większym ryzykiem przepięć

Systemy fotowoltaiczne są odsłonięte po stronie DC w sposób, w jaki większość instalacji elektrycznych nie jest. Długie kable przewodów PV działają jak anteny do szybkiego przepięć, podczas gdy wysokie napięcia robocze prądu stałego zmniejszają margines błędu, gdy pojawia się naprężenie przejściowe. Nawet bez bezpośredniego zaangażowania pioruna, indukowane i związane z przełączaniem przepięcia mogą osiągnąć szkodliwe poziomy.

Inwertery znajdują się w centrum tego ryzyka. W sposób ciągły przełączają się między wejściem DC i wyjściem AC za pomocą półprzewodników mocy o wysokiej częstotliwości. Urządzenia te są wydajne, ale bezlitosne. Powtarzające się skoki napięcia przyspieszają zużycie izolacji, obniżają złącza półprzewodników i skracają żywotność na długo przed katastrofalną awarią.

Ładowarki EV dodają kolejną warstwę luki w zabezpieczeniach. Z perspektywy sieci ładowarka EV nie jest obciążeniem pasywnym. Jest to kontrolowany system konwersji mocy z prostownikami, kondensatorami DC, logiką sterowania i interfejsami komunikacyjnymi. Zdarzenia przełączania sieci, błędy mediów lub pobliskie operacje na dużym obciążeniu mogą wstrzykiwać zakłócenia, które rozchodzą się bezpośrednio w te wrażliwe etapy.

Co najważniejsze, wiele szkodliwych wydarzeń nie jest dramatycznych. Rutynowe przełączanie, włączanie banku kondensatorów lub komutacja falownika może generować przepięcia, które z czasem gromadzą naprężenia. To przypomnienie ma znaczenie, ponieważ strategie ochrony muszą dotyczyć częstych, umiarkowanych stanów przejściowych, a nie tylko rzadkich skrajności.

Strategia ochrony przed przepięciami dla systemów fotowoltaicznych

Ochrona przed przepięciami w instalacjach słonecznych powinna być podnoszona przez strefy systemowe, a nie poszczególne elementy. Każda strefa ma inny profil narażenia i wymaga określonej roli ochronnej.

Ochrona po stronie DC między strunami PV a falownikiem

Strona DC systemu PV jest stale zasilana w ciągu dnia i często działa przy setkach lub tysiącach woltów. Odpowiednio dobrany DC DC zainstalowany pomiędzy macierzą PV a falownikiem zapewnia kontrolowaną ścieżkę dla energii przejściowej, która pozwala odejść od wejść falownika.

Kluczowe punkty do rozważenia:

• Obwody DC doświadczają stałego napięcia, więc SPD musi być zaprojektowany specjalnie do zachowania DC.
  
• Długość kabla i trasowanie zwiększają narażenie na indukowane stany nieustalone.
  
• Zabezpieczenie w pobliżu falownika ogranicza napięcie resztkowe, które dociera do wrażliwej elektroniki.
  

A Urządzenie ochrony przeciwprzepięciowej W przypadku obwodów paneli słonecznych nie chodzi o zatrzymywanie przepięć, ale o ograniczenie napięcia do poziomu, który falownik może tolerować wielokrotnie.

Ochrona po stronie AC na wyjściu falownika

Po przeliczeniu mocy na prąd przemienny wyjście falownika staje się narażone na zakłócenia pochodzące z sieci. Przełączanie zdarzeń w górę, zwarciach sieciowych lub pobliskich obciążeń przemysłowych może spowodować przepięcia, które cofają się w kierunku falownika.

AC SPD zainstalowany na wyjściu falownika lub głównym interfejsie dystrybucyjnym służy do zaciskania tych przepięć, zanim obciążą stopień wyjściowy falownika i wewnętrzne łącze DC. Jest to szczególnie ważne w systemach sieciowych, w których moc przepływa w obu kierunkach w zależności od warunków pracy.

Dlaczego koordynacja między DC i AC SPD ma znaczenie

Urządzenia po stronie DC i po stronie AC nie działają niezależnie. Słaba koordynacja może prowadzić do nierównomiernego podziału energii, nadmiernego naprężenia na jednym urządzeniu lub podwyższonego napięcia resztkowego docierającego do falownika.

Dobra koordynacja zapewnia:

• SPD po stronie DC zarządza stanami nieustalonymi pochodzących z tablicy.
  
• SPD po stronie AC obsługuje zakłócenia pochodzące z siatki.
  
• Napięcia resztkowe są stopniowo zmniejszane, gdy przepięcia rozchodzą się w systemie.
  

Rola urządzenia zabezpieczającego przed przepięciami typu 2 w instalacjach słonecznych

W większości stałych instalacji fotowoltaicznych urządzenie zabezpieczające przed przepięciami typu 2 jest odpowiednie zarówno dla lokalizacji prądu stałego, jak i AC. Urządzenia te są zaprojektowane do obsługi powtarzającej się energii przejściowej związanej z przełączaniem i pośrednimi efektami pioruna bez konieczności wyładowania ekstremalnej pojemności rozładowania zarezerwowanej dla scenariuszy wejścia do usługi.

Dlaczego typ 3 jest używany tylko w dół do elektroniki

Urządzenia typu 3 są przeznaczone do energochłonnych przepięć i nigdy nie powinny być instalowane jako jedyny środek ochronny. W układach słonecznych mogą być używane w dół rzeki do ochrony elektroniki monitorowania lub interfejsów komunikacyjnych, ale tylko wtedy, gdy ochrona przed prądem ogranicza już energię udarową.

Strategia ochrony przed przepięciami dla systemów ładowania pojazdów elektrycznych

Systemy ładowania EV powinny być analizowane z perspektywy przepływu mocy, zaczynając od połączenia z siecią i kończąc na interfejsie pojazdu.

Panel dystrybucyjny z panelem dystrybucyjnym do ładowarki EV

Przepięcia zazwyczaj przechodzą przez zasilanie AC. AC SPD na panelu rozdzielczym zasilającym ładowarkę EV zmniejsza amplitudę przychodzących stanów nieustalonych. Jest to pierwsza warstwa obrony i jest szczególnie ważna, gdy ładowarki są podłączone do długich biegów podajników lub sprzętu zewnętrznego.

Czułość wewnętrzna elektroniki mocy

Wewnątrz ładowarki AC jest wyprostowany do DC, przetwarzany przez stopnie DC i regulowany przez szybkie urządzenia przełączające. Te stopnie są wrażliwe na przepięcie, szczególnie powtarzające się skoki, które z czasem degradują kondensatory i półprzewodniki.

Bez ograniczeń napięcia w górę, elementy wewnętrzne są zmuszone do pochłaniania naprężeń, do których nigdy nie zostały zaprojektowane.

Ekspozycja obwodu komunikacyjnego i sterującego

Nowoczesne ładowarki EV zawierają interfejsy komunikacyjne do zarządzania obciążeniem, rozliczania i koordynacji pojazdów. Te obwody niskiego napięcia są bardzo podatne na przepięcia resztkowe, które przechodzą przez stopnie mocy.

Urządzenia typu 3 mogą być używane wewnętrznie lub na interfejsach obwodu sterującego w celu ograniczenia tych napięć resztkowych, ale w celu prawidłowego działania są one całkowicie zależne od ochrony przed poprzedzającym strumieniem.

Gdy typ 2 jest obowiązkowy

W większości instalacji ładowania pojazdów elektrycznych, zwłaszcza komercyjnych i flotowych, Urządzenie zabezpieczające przed przepięciami typu 2 Jednostki na panelach zasilających nie są opcjonalne. Połączenie częstego przełączania, wysokiego wykorzystania i krytycznego czasu przestoju wymaga przewidywalnego ograniczenia przepięć.

Różnice mieszkalne, komercyjne i flotowe

Ładowarki mieszkalne często dzielą panele z innymi obciążeniami gospodarstw domowych, zwiększając narażenie na przejściowe przełączanie wewnętrzne. Instalacje komercyjne napotykają wyższe prądy zwarciowe i interakcję z siecią. Ładowanie floty wprowadza jednoczesne przełączanie obciążenia w wielu ładowarkach, zwiększając wewnętrzne zakłócenia. Każdy kontekst wzmacnia potrzebę skoordynowanej ochrony na poziomie panelu, a nie polegania na samej lokalnej elektronice.

Koordynacja AC i DC SPD w systemach hybrydowych

Systemy hybrydowe łączące wytwarzanie PV, magazynowanie energii i ładowanie elektryczne stanowią wyjątkowe wyzwania koordynacyjne.

AC SPD i DC SPD nie są wymienne. Obwody DC podtrzymują napięcie w sposób ciągły, podczas gdy obwody AC przechodzą przez przejścia przez zero. Urządzenia zaprojektowane dla jednego środowiska mogą przedwcześnie zawieść lub zachowywać się nieprzewidywalnie w drugim.

Energia przepięcia również rozchodzi się w różny sposób. W obwodach DC energia może utrzymywać się dłużej, zwiększając obciążenie termiczne komponentów. W systemach AC energia jest rozłożona na fazy i okresowo przerywana przez przejścia przez zero przebiegu.

Niewłaściwa koordynacja często prowadzi do tego, że jedno urządzenie pochłania więcej energii niż zamierzano. Powoduje to przedwczesną degradację i fałszywe zaufanie do ochrony systemu. Progresywne ograniczenie napięcia rozwiązuje to, zapewniając krok po kroku, aby każdy stopień SPD zmniejszał amplitudę przepięć, zamiast zmuszać pojedyncze urządzenie do wykonania całej pracy.

W systemach hybrydowych oznacza to:

• DC SPD zarządzają zakłóceniami macierzy i po stronie baterii.
  
• AC SPD zarządzają zakłóceniami sieci i po stronie obciążenia.
  
• Urządzenia downstream obsługują tylko pozostałości o niskiej energii.
  

Uziemienie, wiązanie i wydajność przepięć (niekodowane, praktyczne)

Jakość uziemienia bezpośrednio wpływa na to, jak dobrze działa każde urządzenie zabezpieczające przed przepięciami. SPD nie eliminuje energii przepięciowej. to odwraca. Jeśli ścieżka dywersji ma wysoką impedancję, napięcie wzrasta w innym miejscu systemu.

Słabe wiązanie między obudową urządzenia, konstrukcjami montażowymi i przewodami uziemiającymi stwarza nierówny potencjał podczas przepięcia. To nierówne potencjalne naprężenia naprężenia i interfejsy elektroniczne, nawet gdy obecne są SPD.

W praktyce:

• Krótkie, proste połączenia uziemiające poprawiają czas reakcji.
  
• Spójne wiązanie zmniejsza napięcia różnicowe między elementami systemu.
  
• SPD nie mogą zrekompensować źle zaprojektowanych ścieżek uziemienia.
  

Skupienie się na uziemieniu w ramach projektowania systemu, a nie na refleksji, poprawia skuteczność każdej warstwy ochronnej.

Tabela porównawcza

Częste błędy projektowe w ochronie przed przepięciami elektrycznymi i słonecznymi

Jednym z częstych błędów jest poleganie na jednym SPD w celu ochrony całego systemu. Takie podejście ignoruje sposób, w jaki energia przepięciowa rozkłada się na różne przewodniki i napięcia.

Inną kwestią jest zaniedbanie ochrony po stronie DC w systemach PV. Ochrona tylko wyjścia AC pozostawia falownik narażony na stany nieustalone pochodzące z tablicy, które nigdy nie docierają do interfejsu sieciowego.

Problematyczne jest również traktowanie ładowarek EV jak prostych ładunków. Ładowarki aktywnie kształtują przepływ mocy i generują wewnętrzne zakłócenia przełączania, które wymagają ograniczenia napięcia przed prądem.

Wreszcie, instalacja urządzeń typu 3 bez ochrony przed upstream daje fałszywe poczucie bezpieczeństwa. Urządzenia te nie są przeznaczone do obsługi pierwotnej energii udarowej i szybko ulegają degradacji po niewłaściwym zastosowaniu.

Długoterminowa niezawodność i względy konserwacyjne

SPD ulegają stopniowej degradacji. Każde zdarzenie przepięcia nieznacznie zmniejsza ich zdolność do odwracania energii. Ta degradacja jest normalna i przewidywalna, ale tylko jeśli zostanie potwierdzona podczas planowania systemu.

Instalacje elektryczne i słoneczne mają działać przez dziesięciolecia. Strategie ochrony powinny obejmować interwały kontroli, monitorowanie stanu i planowaną wymianę w oparciu o poziom narażenia, a nie czekanie na awarię.

Przewidywalna ochrona obsługuje przewidywalny czas pracy. Ma to większe znaczenie w przypadku ładowania pojazdów elektrycznych i wytwarzania energii słonecznej niż w wielu innych zastosowaniach elektrycznych, ponieważ przestoje bezpośrednio wpływają na dostępność energii i planowanie operacyjne.

Wniosek

Systemy ładowania pojazdów elektrycznych i instalacje fotowoltaiczne wymagają skoordynowanych strategii ochrony przed przepięciami, które odzwierciedlają topologię ich systemu i zachowanie operacyjne. Efektywne wykorzystanie urządzenia zabezpieczającego przed przepięciami zależy od prawidłowego umieszczenia, koordynacji między środowiskami AC i DC oraz realistycznych oczekiwań dotyczących wydajności w czasie.

Ochrona w tych systemach nie polega na absolutnej prewencji. Chodzi o kontrolowanie ryzyka, ograniczenie nacisku na wrażliwą elektronikę i wspieranie długoterminowej niezawodności poprzez przemyślane projektowanie systemu.

Najczęściej zadawane pytania