Protegendo seu EV e sistema solar de surtos de energia

Os sistemas de carregamento de veículos elétricos e instalações solares fotovoltaicas enfrentam um perfil de risco de surto diferente das cargas elétricas convencionais. O fluxo de potência bidirecional, a conversão frequente de DC-AC e a densa energia eletrônica tornam esses sistemas sensíveis tanto a distúrbios externos quanto à rede interna. A proteção eficaz depende do uso coordenado e em camadas de um dispositivo de proteção contra surtos nas zonas DC e AC, não depende de um único ponto de defesa.

Por que os sistemas de EV e Solar enfrentam um risco de surto mais alto

Os sistemas solares fotovoltaicos são expostos no lado DC de uma forma que a maioria das instalações elétricas não são. Cabos longos de cordas PV atuam como antenas para sobretensões de rápido aumento, enquanto altas tensões de operação CC reduzem a margem de erro quando a tensão transitória aparece. Mesmo sem envolvimento direto com raios, surtos induzidos e relacionados à troca podem atingir níveis prejudiciais.

Os inversores ficam no centro desse risco. Eles alternam continuamente entre a entrada CC e a saída CA usando semicondutores de alta frequência. Esses dispositivos são eficientes, mas implacáveis. Os picos de tensão repetitivos aceleram o desgaste do isolamento, degradam as junções semicondutoras e reduzem a vida útil muito antes que ocorra uma falha catastrófica.

Os carregadores de EV adicionam outra camada de vulnerabilidade. Do ponto de vista da grade, um carregador de EV não é uma carga passiva. É um sistema de conversão de energia controlada com retificadores, capacitores de link DC, lógica de controle e interfaces de comunicação. Eventos de comutação de grade, falhas de utilidade ou operações de grande carga próximas podem injetar distúrbios que se propagam diretamente nesses estágios sensíveis.

Fundamentalmente, muitos eventos prejudiciais não são dramáticos. A troca de rotina, o envolvimento do banco de capacitores ou a comutação do inversor podem gerar surtos que acumulam estresse ao longo do tempo. Esse lembrete é importante porque as estratégias de proteção devem abordar transientes frequentes e moderados, não apenas extremos raros.

Estratégia de proteção contra surtos para sistemas solares fotovoltaico

A proteção contra surtos em instalações solares deve ser abordada por zonas do sistema em vez de componentes individuais. Cada zona tem um perfil de exposição diferente e requer uma função de proteção específica.

Proteção do lado CC entre cordas PV e inversor

O lado CC de um sistema fotovoltaico é continuamente energizado durante o dia e geralmente opera a centenas ou milhares de volts. Um SPD CC selecionado devidamente instalado entre o conjunto PV e o inversor fornece um caminho controlado para que a energia transitória se desvie das entradas do inversor.

Pontos-chave a serem considerados:

• Os circuitos CC têm tensão sustentada, portanto, o SPD deve ser projetado especificamente para o comportamento de DC.
  
• O comprimento do cabo e o roteamento aumentam a exposição a transientes induzidos.
  
• Proteção próxima ao inversor limita a tensão residual que atinge eletrônicos sensíveis.
  

A Dispositivo de proteção contra sur Para os circuitos de painéis solares não se trata de parar os surtos, mas de limitar a tensão a um nível que o inversor pode tolerar repetidamente.

Proteção do lado CA na saída do inversor

Depois que a energia é convertida em AC, a saída do inversor fica exposta a distúrbios de rede. Comutar eventos a montante, falhas de serviços públicos ou cargas industriais próximas podem introduzir surtos que viajam de volta para o inversor.

Um SPD AC instalado na saída do inversor ou na interface de distribuição principal serve para apertar essas sobretensões antes que elas estreitem o estágio de saída do inversor e o link DC interno. Isso é especialmente importante em sistemas ligados à rede, onde a energia flui em ambas as direções, dependendo das condições operacionais.

Por que a coordenação entre DC e AC SPDS importa

Os dispositivos do lado CC e do lado CA não funcionam de forma independente. A má coordenação pode levar a um compartilhamento desigual de energia, estresse excessivo em um dispositivo ou tensão residual elevada que atinge o inversor.

Uma boa coordenação garante:

• O SPD do lado CC gerencia transientes originados de array.
  
• O SPD do lado AC lida com distúrbios de grade.
  
• As tensões residuais são progressivamente reduzidas à medida que os surtos se propagam pelo sistema.
  

Função do dispositivo de proteção contra surtos tipo 2 em instalações solares

Na maioria das instalações fixas de PV, um dispositivo de proteção contra surtos tipo 2 é apropriado para locais DC e AC. Esses dispositivos são projetados para lidar com energia transitória repetitiva associada à comutação e efeitos de relâmpago indiretos sem exigir a capacidade de descarga extrema reservada para cenários de entrada de serviço.

Por que o Tipo 3 é usado apenas a jusante para eletrônicos

Os dispositivos do tipo 3 são destinados a surtos residuais de baixa energia e nunca devem ser instalados como a única medida de proteção. Nos sistemas solares, eles podem ser usados a jusante para proteger o monitoramento de eletrônicos ou interfaces de comunicação, mas apenas quando a proteção upstream já limita a energia do pico.

Estratégia de proteção contra surtos para sistemas de carregamento de veículos elétricos

Os sistemas de carregamento de EV devem ser analisados a partir de uma perspectiva de fluxo de energia, começando na conexão da rede e terminando na interface do veículo.

Grade para painel de distribuição para carregador EV

Os surtos geralmente entram no suprimento CA. Um SPD CA no painel de distribuição que alimenta o carregador EV reduz a amplitude dos transientes de entrada. Esta é a primeira camada de defesa e é especialmente importante quando os carregadores são conectados a longas corridas de alimentação ou equipamentos externos.

Sensibilidade interna da eletrônica de potência

Dentro do carregador, o AC é retificado para DC, processado por estágios de ligação DC e regulado por dispositivos de comutação de alta velocidade. Esses estágios são sensíveis à sobretensão, particularmente picos repetitivos que degradam os capacitores e os semicondutores ao longo do tempo.

Sem limitação de tensão upstream, os componentes internos são forçados a absorver o estresse que nunca foram projetados para manusear.

Exposição ao circuito de comunicação e controle

Os carregadores modernos de EV incluem interfaces de comunicação para gerenciamento de carga, cobrança e coordenação de veículos. Esses circuitos de baixa tensão são altamente suscetíveis a surtos residuais que passam por estágios de potência.

Os dispositivos do tipo 3 podem ser usados internamente ou nas interfaces do circuito de controle para limitar essas tensões residuais, mas dependem inteiramente da proteção upstream para funcionar corretamente.

Quando o tipo 2 é obrigatório

Na maioria das instalações de carregamento de EV, especialmente ambientes comerciais e de frota, Dispositivo de proteção contra surtos tipo 2 As unidades nos painéis de suprimento não são opcionais. A combinação de comutação frequente, alta utilização e tempo de atividade crítico exige uma limitação previsível de surto.

Diferenças residenciais, comerciais e de frota

Os carregadores residenciais geralmente compartilham painéis com outras cargas domésticas, aumentando a exposição aos transientes internos de comutação. As instalações comerciais enfrentam correntes de falha mais altas e interação com a rede. O carregamento da frota apresenta comutação de carga simultânea em vários carregadores, aumentando as perturbações geradas internamente. Cada contexto reforça a necessidade de proteção coordenada em nível de painel, em vez de depender apenas da eletrônica local.

Coordenação de SPDs CA e DC em sistemas híbridos

Os sistemas híbridos que combinam geração de PV, armazenamento de energia e carregamento de EV apresentam desafios de coordenação exclusivos.

SPDs CA e SPDs DC não são intercambiáveis. Os circuitos CC sustentam a tensão continuamente, enquanto os circuitos CA passam por cruzamentos zero. Dispositivos projetados para um ambiente podem falhar prematuramente ou se comportar de forma imprevisível no outro.

A energia de pico também se propaga de forma diferente. Nos circuitos CC, a energia pode persistir por mais tempo, aumentando o estresse térmico nos componentes. Nos sistemas AC, a energia é distribuída entre as fases e interrompida periodicamente por cruzamentos de forma de onda.

A coordenação inadequada geralmente leva a um dispositivo absorver mais energia do que o pretendido. Isso resulta em degradação prematura e falsa confiança na proteção do sistema. A limitação de tensão progressiva resolve isso, garantindo que cada estágio do SPD reduz a amplitude de surto passo a passo, em vez de forçar um único dispositivo a fazer todo o trabalho.

Em sistemas híbridos, isso significa:

• Os SPDs DC gerenciam distúrbios do lado da bateria e da bateria.
  
• Os SPDs AC gerenciam distúrbios do lado da carga e do lado da carga.
  
• Os dispositivos a jusante lidam apenas com resíduos de baixa energia.
  

Desempenho de aterramento, ligação e surto (não código, prático)

A qualidade do aterramento afeta diretamente o desempenho de qualquer dispositivo de proteção contra surtos. Um SPD não elimina a energia de surto. ele o desvia. Se o caminho de desvio tiver alta impedância, a tensão aumenta em outra parte do sistema.

A má ligação entre os gabinetes do equipamento, as estruturas de montagem e os condutores de aterramento criam um potencial desigual durante um evento de surto. Este potencial irregular stressas de isolamento e interfaces eletrônicas, mesmo quando estão presentes SPDs.

Em termos práticos:

• Conexões de aterramento curtas e retas melhoram o tempo de resposta.
  
• A ligação consistente reduz as tensões diferenciais entre os componentes do sistema.
  
• Os SPDs não podem compensar caminhos de aterramento mal projetados.
  

Concentrar-se no aterramento como parte do projeto do sistema, não como uma reflexão tardia, melhora a eficácia de cada camada protetora.

Tabela de comparação

Erros comuns de design em EV e proteção contra surtos solares

Um erro frequente é contar com um único SPD para proteger todo o sistema. Essa abordagem ignora como a energia do surto se distribui por diferentes condutores e tensões.

Outro problema é negligenciar a proteção do lado CC em sistemas fotovoltaicos. Proteger apenas a saída CA deixa o inversor exposto a transientes originados de matrizes que nunca atingem a interface da grade.

Tratar carregadores de veículos elétricos como cargas simples também é problemático. Os carregadores moldam ativamente o fluxo de energia e geram distúrbios de comutação internos que exigem limitação de tensão a montante.

Finalmente, a instalação de dispositivos tipo 3 sem proteção upstream oferece uma falsa sensação de segurança. Esses dispositivos não são projetados para lidar com a energia primária de surto e se degradarão rapidamente quando aplicados incorretamente.

Confiabilidade e considerações sobre manutenção a longo prazo

Os SPDs se degradam gradualmente. Cada evento de surto reduz ligeiramente sua capacidade de desviar energia. Essa degradação é normal e previsível, mas somente se reconhecida durante o planejamento do sistema.

Espera-se que as instalações de EV e Solar funcionem por décadas. As estratégias de proteção devem incluir intervalos de inspeção, monitoramento de status e substituição planejada com base no nível de exposição, em vez de esperar por falhas.

A proteção previsível oferece suporte para o tempo de atividade previsível. Isso importa mais no carregamento de veículos elétricos e na geração de energia solar do que em muitas outras aplicações elétricas, porque o tempo de inatividade afeta diretamente a disponibilidade de energia e o planejamento operacional.

Conclusão

Os sistemas de carregamento de veículos elétricos e instalações fotovoltaicas solares exigem estratégias coordenadas de proteção contra surtos que refletem a topologia do sistema e o comportamento operacional. O uso eficaz de um dispositivo de proteção contra surtos depende do posicionamento correto, da coordenação entre os ambientes AC e DC e expectativas realistas sobre o desempenho ao longo do tempo.

A proteção nesses sistemas não é uma prevenção absoluta. Trata-se de controlar o risco, limitar o estresse em eletrônicos sensíveis e apoiar a confiabilidade a longo prazo por meio de um projeto de sistema ponderado.

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