ปกป้องระบบไฟฟ้าและพลังงานแสงอาทิตย์ของคุณจากไฟกระชาก

ระบบชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าและการติดตั้งโซลาร์เซลล์แสงอาทิตย์ต้องเผชิญกับความเสี่ยงจากไฟกระชากที่แตกต่างจากโหลดไฟฟ้าทั่วไป การไหลของพลังงานแบบสองทิศทาง การแปลง DC–AC บ่อยครั้ง และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังหนาแน่นทำให้ระบบเหล่านี้ไวต่อการรบกวนของกริดภายนอกและชั่วคราวที่สร้างขึ้นภายใน การป้องกันที่มีประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับการใช้อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากแบบเรียงซ้อนกันในโซน DC และ AC แบบเรียงตามแบบไม่พึ่งพาจุดป้องกันเพียงจุดเดียว

ทำไม EV และระบบสุริยะต้องเผชิญกับความเสี่ยงที่เพิ่มขึ้น

ระบบ PV พลังงานแสงอาทิตย์ถูกเปิดเผยที่ด้าน DC ในลักษณะที่การติดตั้งระบบไฟฟ้าส่วนใหญ่ไม่ได้ สายสตริง PV แบบยาวทำหน้าที่เป็นเสาอากาศสำหรับแรงดันไฟเกินที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ในขณะที่แรงดันไฟในการทำงานของ DC สูงจะลดระยะขอบสำหรับข้อผิดพลาดเมื่อเกิดความเค้นชั่วคราว แม้จะไม่มีการมีส่วนร่วมของสายฟ้าโดยตรง แต่คลื่นที่เหนี่ยวนำและที่เกี่ยวข้องกับการสลับก็สามารถไปถึงระดับที่สร้างความเสียหายได้

อินเวอร์เตอร์นั่งเป็นศูนย์กลางของความเสี่ยงนี้ พวกเขาสลับไปมาระหว่างอินพุต DC และเอาต์พุต AC อย่างต่อเนื่องโดยใช้เซมิคอนดักเตอร์กำลังความถี่สูง อุปกรณ์เหล่านี้มีประสิทธิภาพแต่ไม่ให้อภัย แรงดันไฟเดือยซ้ำๆ เร่งการสึกหรอของฉนวน รอยต่อเซมิคอนดักเตอร์ที่เสื่อมสภาพ และลดอายุการใช้งานลงนานก่อนที่จะเกิดความล้มเหลวอย่างร้ายแรง

ที่ชาร์จ EV เพิ่มช่องโหว่อีกชั้นหนึ่ง จากมุมมองของกริด ที่ชาร์จ EV ไม่ใช่โหลดแบบพาสซีฟ เป็นระบบแปลงกำลังควบคุมที่มีวงจรเรียงกระแส ตัวเก็บประจุลิงค์ DC ตรรกะการควบคุม และอินเทอร์เฟซการสื่อสาร เหตุการณ์การสลับกริด ข้อผิดพลาดของยูทิลิตี้ หรือการดำเนินการโหลดขนาดใหญ่ในบริเวณใกล้เคียงสามารถฉีดสิ่งรบกวนที่แพร่กระจายโดยตรงไปยังขั้นตอนที่ละเอียดอ่อนเหล่านี้

เหตุการณ์ที่สร้างความเสียหายมากมายนั้นไม่ใช่เรื่องที่น่าทึ่ง การสลับตามปกติ การมีส่วนร่วมของธนาคารตัวเก็บประจุ หรือการสับเปลี่ยนอินเวอร์เตอร์สามารถสร้างกระแสที่สะสมความเครียดได้ตลอดเวลา คำเตือนนี้มีความสำคัญเนื่องจากกลยุทธ์การป้องกันต้องจัดการกับความชั่วคราวในระดับปานกลางบ่อยครั้ง ไม่ใช่แค่สุดขั้วที่หายาก

กลยุทธ์การป้องกันไฟกระชากสำหรับระบบ PV พลังงานแสงอาทิตย์

การป้องกันไฟกระชากในการติดตั้งพลังงานแสงอาทิตย์ควรเข้าหาโดยโซนระบบมากกว่าส่วนประกอบแต่ละส่วน แต่ละโซนมีโปรไฟล์การเปิดรับแสงที่แตกต่างกันและต้องการบทบาทในการป้องกันเฉพาะ

การป้องกันด้าน DC ระหว่างสาย PV และอินเวอร์เตอร์

ด้าน DC ของระบบ PV ได้รับพลังงานอย่างต่อเนื่องในช่วงกลางวัน และมักจะทำงานที่หลายร้อยหรือหลายพันโวลต์ DC SPD ที่เลือกอย่างถูกต้องซึ่งติดตั้งระหว่างอาร์เรย์ PV และอินเวอร์เตอร์ให้เส้นทางที่ควบคุมสำหรับพลังงานชั่วคราวเพื่อเปลี่ยนเส้นทางออกจากอินพุตอินเวอร์เตอร์

ประเด็นสำคัญที่ต้องพิจารณา:

• วงจรไฟฟ้ากระแสตรงประสบกับแรงดันไฟฟ้าที่คงที่ ดังนั้น SPD จึงต้องได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับพฤติกรรมของ DC
  
• ความยาวของสายเคเบิลและการกำหนดเส้นทางเพิ่มการสัมผัสกับทรานเซียนต์ที่เหนี่ยวนำ
  
• การป้องกันใกล้กับอินเวอร์เตอร์จะจำกัดแรงดันตกค้างที่เข้าถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อน
  

ใด อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก สำหรับวงจรแผงโซลาร์เซลล์ไม่ได้เกี่ยวกับการหยุดไฟกระชาก แต่เกี่ยวกับการจำกัดแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ในระดับที่อินเวอร์เตอร์สามารถทนต่อซ้ำได้

การป้องกันด้าน AC ที่เอาต์พุตอินเวอร์เตอร์

เมื่อพลังงานถูกแปลงเป็น AC เอาต์พุตอินเวอร์เตอร์จะสัมผัสกับการรบกวนจากกริด การเปลี่ยนเหตุการณ์ต้นน้ำ ข้อบกพร่องด้านสาธารณูปโภค หรือโหลดทางอุตสาหกรรมในบริเวณใกล้เคียงสามารถทำให้เกิดไฟกระชากที่เดินทางกลับไปยังอินเวอร์เตอร์

AC SPD ที่ติดตั้งที่เอาต์พุตอินเวอร์เตอร์หรืออินเทอร์เฟซการกระจายหลักทำหน้าที่ยึดแรงดันไฟฟ้าเกินเหล่านี้ก่อนที่จะเน้นสเตจเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์และลิงก์ DC ภายใน นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในระบบที่ผูกแบบกริดซึ่งกระแสไฟจะไหลทั้งสองทิศทางขึ้นอยู่กับสภาพการทำงาน

เหตุใดการประสานงานระหว่าง DC และ AC SPDS จึงมีความสำคัญ

อุปกรณ์ด้าน DC และ AC-side ไม่ทำงานอย่างอิสระ การประสานงานที่ไม่ดีอาจนำไปสู่การแบ่งปันพลังงานที่ไม่สม่ำเสมอ ความเครียดที่มากเกินไปในอุปกรณ์เดียว หรือแรงดันตกค้างที่เพิ่มขึ้นถึงอินเวอร์เตอร์

การประสานงานที่ดีทำให้มั่นใจ:

• SPD ฝั่ง DC จัดการทรานเซียนต์ที่เกิดจากอาร์เรย์
  
• SPD ด้าน AC จัดการกับการรบกวนที่เกิดจากกริด
  
• แรงดันไฟฟ้าตกค้างจะลดลงเรื่อยๆ เมื่อไฟกระชากแพร่กระจายผ่านระบบ
  

บทบาทของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากชนิดที่ 2 ในการติดตั้งพลังงานแสงอาทิตย์

ในการติดตั้ง PV แบบตายตัวส่วนใหญ่ อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากประเภท 2 เหมาะสำหรับทั้งตำแหน่ง DC และ AC อุปกรณ์เหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับพลังงานชั่วคราวซ้ำๆ ที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนและเอฟเฟกต์ฟ้าผ่าทางอ้อม โดยไม่ต้องใช้ความสามารถในการคายประจุที่มากซึ่งสงวนไว้สำหรับสถานการณ์ทางเข้าบริการ

เหตุใด Type 3 จึงใช้เฉพาะดาวน์สตรีมสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

อุปกรณ์ประเภท 3 มีไว้สำหรับไฟกระชากที่พลังงานต่ำและไม่ควรติดตั้งเป็นมาตรการป้องกันเพียงอย่างเดียว ในระบบสุริยะ อาจใช้ปลายน้ำเพื่อป้องกันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หรืออินเทอร์เฟซการสื่อสาร แต่เมื่อป้องกันต้นน้ำจำกัดพลังงานแล้วเท่านั้น

กลยุทธ์การป้องกันไฟกระชากสำหรับระบบชาร์จ EV

ระบบการชาร์จ EV ควรได้รับการวิเคราะห์จากมุมมองของกระแสไฟ โดยเริ่มจากการเชื่อมต่อกริดและสิ้นสุดที่ส่วนต่อประสานของรถ

กริดไปยังแผงกระจายไปยังเครื่องชาร์จ EV

ไฟกระชากมักจะเข้าสู่แหล่งจ่ายไฟ AC AC SPD ที่แผงกระจายที่ป้อนเครื่องชาร์จ EV จะลดแอมพลิจูดของสัญญาณชั่วคราวที่เข้ามา นี่เป็นชั้นแรกของการป้องกันและมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อเครื่องชาร์จเชื่อมต่อกับการวิ่งแบบยาวหรืออุปกรณ์กลางแจ้ง

ความไวของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ภายใน

ภายในเครื่องชาร์จ AC จะปรับเป็น DC ประมวลผลผ่านขั้นตอนลิงก์ DC และควบคุมโดยอุปกรณ์สวิตชิ่งความเร็วสูง ระยะเหล่านี้มีความไวต่อแรงดันไฟเกิน โดยเฉพาะอย่างยิ่งการแหลมซ้ำๆ ที่ลดระดับตัวเก็บประจุและเซมิคอนดักเตอร์เมื่อเวลาผ่านไป

หากไม่มีข้อจำกัดด้านแรงดันไฟฟ้าต้นน้ำ ส่วนประกอบภายในจะถูกบังคับให้ดูดซับความเค้นที่ไม่เคยออกแบบมาให้จัดการ

การสื่อสารและการควบคุมการสัมผัสวงจร

เครื่องชาร์จ EV ที่ทันสมัยประกอบด้วยอินเทอร์เฟซการสื่อสารสำหรับการจัดการโหลด การเรียกเก็บเงิน และการประสานงานของยานพาหนะ วงจรไฟฟ้าแรงต่ำเหล่านี้มีความอ่อนไหวสูงต่อไฟกระชากที่เหลือซึ่งผ่านขั้นตอนพลังงาน

อุปกรณ์ประเภท 3 อาจใช้ภายในหรือที่ส่วนต่อประสานวงจรควบคุมเพื่อจำกัดแรงดันไฟฟ้าที่เหลือเหล่านี้ แต่ขึ้นอยู่กับการป้องกันต้นน้ำทั้งหมดเพื่อให้ทำงานได้อย่างถูกต้อง

เมื่อประเภทที่ 2 เป็นข้อบังคับ

ในการติดตั้งการชาร์จ EV ส่วนใหญ่ โดยเฉพาะสภาพแวดล้อมเชิงพาณิชย์และฟลีท อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากชนิดที่ 2 หน่วยที่แผงจ่ายไฟไม่ใช่ทางเลือก การรวมกันของการเปลี่ยนบ่อยครั้ง การใช้ประโยชน์สูง และความต้องการเวลาทำงานที่สำคัญของความต้องการไฟกระชากที่คาดการณ์ได้

ความแตกต่างของที่อยู่อาศัย เชิงพาณิชย์ และกองเรือ

เครื่องชาร์จสำหรับที่อยู่อาศัยมักจะใช้แผงร่วมกับสิ่งของอื่นๆ ในครัวเรือน ทำให้การเปิดสวิตช์ชั่วคราวภายในเพิ่มขึ้น การติดตั้งเชิงพาณิชย์ต้องเผชิญกับกระแสไฟผิดปกติและการโต้ตอบของกริดที่สูงขึ้น การชาร์จแบบฟลีตจะแนะนำการสลับโหลดพร้อมกันผ่านเครื่องชาร์จหลายเครื่อง ช่วยเพิ่มการรบกวนที่เกิดขึ้นภายใน แต่ละบริบทตอกย้ำความจำเป็นในการประสานงานระดับแผงควบคุม มากกว่าการพึ่งพาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในท้องถิ่นเพียงอย่างเดียว

การประสานงาน AC และ DC SPDs ในระบบไฮบริด

ระบบไฮบริดที่รวมการสร้าง PV การจัดเก็บพลังงาน และการชาร์จ EV ทำให้เกิดความท้าทายในการประสานงานที่ไม่เหมือนใคร

AC SPD และ DC SPDs ไม่สามารถใช้แทนกันได้ วงจรไฟฟ้ากระแสตรงจะรักษาแรงดันไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง ในขณะที่วงจรไฟฟ้ากระแสสลับผ่านจุดตัดเป็นศูนย์ อุปกรณ์ที่ออกแบบมาสำหรับสภาพแวดล้อมหนึ่งอาจล้มเหลวก่อนเวลาอันควรหรือทำงานอย่างคาดไม่ถึงในอีกสภาพแวดล้อมหนึ่ง

พลังงานไฟกระชากยังแพร่กระจายต่างกัน ในวงจร DC พลังงานสามารถคงอยู่ได้นานขึ้น เพิ่มความเค้นจากความร้อนบนส่วนประกอบต่างๆ ในระบบ AC พลังงานจะถูกกระจายไปตามเฟสและถูกขัดจังหวะเป็นระยะโดยการข้ามเป็นศูนย์ของรูปคลื่น

การประสานงานที่ไม่เหมาะสมมักจะนำไปสู่อุปกรณ์หนึ่งที่ดูดซับพลังงานมากกว่าที่ตั้งใจไว้ ส่งผลให้มีการเสื่อมสภาพก่อนวัยอันควรและความมั่นใจที่ผิดพลาดในการป้องกันระบบ ข้อจำกัดของแรงดันไฟฟ้าแบบก้าวหน้าจะจัดการกับสิ่งนี้โดยทำให้แน่ใจว่าแต่ละขั้นตอน SPD จะลดแอมพลิจูดของไฟกระชากทีละขั้นตอน แทนที่จะบังคับให้อุปกรณ์เดียวทำงานทั้งหมด

ในระบบไฮบริดหมายความว่า:

• DC SPDs จัดการอาร์เรย์และการรบกวนด้านแบตเตอรี่
  
• AC SPD จัดการการรบกวนของกริดและการโหลดด้านโหลด
  
• อุปกรณ์ดาวน์สตรีมจะจัดการเฉพาะส่วนที่เหลือที่มีพลังงานต่ำเท่านั้น
  

ประสิทธิภาพการต่อสายดิน การยึดเกาะ และไฟกระชาก (ไม่ใช่โค้ด ใช้งานได้จริง)

คุณภาพการต่อสายดินส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก SPD ไม่ได้กำจัดพลังงานไฟกระชาก มันเบี่ยงเบนความสนใจ หากเส้นทางการเบี่ยงเบนมีอิมพีแดนซ์สูง แรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นที่อื่นในระบบ

การยึดติดที่ไม่ดีระหว่างโครงอุปกรณ์ โครงสร้างการติดตั้ง และตัวนำดินทำให้เกิดศักยภาพที่ไม่สม่ำเสมอระหว่างเหตุการณ์ไฟกระชาก ฉนวนกันความร้อนที่อาจเกิดขึ้นที่ไม่สม่ำเสมอและอินเทอร์เฟซอิเล็กทรอนิกส์ แม้ว่าจะมีอยู่ก็ตาม SPD

ในทางปฏิบัติ:

• การเชื่อมต่อสายดินที่สั้นและตรงช่วยเพิ่มเวลาตอบสนอง
  
• การยึดติดที่สม่ำเสมอจะช่วยลดแรงดันไฟที่แตกต่างกันระหว่างส่วนประกอบของระบบ
  
• SPD ไม่สามารถชดเชยเส้นทางการลงกราวด์ที่ออกแบบมาไม่ดีได้
  

มุ่งเน้นไปที่การต่อสายดินซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบระบบ ไม่ใช่ในภายหลัง ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของทุกชั้นป้องกัน

ตารางเปรียบเทียบ

ข้อผิดพลาดทั่วไปในการออกแบบ EV และ Solar Surge Protection

ข้อผิดพลาดบ่อยครั้งคือการพึ่งพา SPD เดียวเพื่อปกป้องระบบทั้งหมด วิธีการนี้ไม่สนใจว่าพลังงานไฟกระชากจะกระจายตัวไปยังตัวนำและแรงดันไฟฟ้าต่างๆ อย่างไร

ปัญหาอีกประการหนึ่งคือการละเลยการป้องกันด้าน DC ในระบบ PV การปกป้องเฉพาะเอาต์พุต AC เท่านั้นที่จะทำให้อินเวอร์เตอร์สัมผัสกับทรานเซียนต์ที่เกิดจากอาร์เรย์ซึ่งไม่เคยไปถึงอินเทอร์เฟซกริด

การปฏิบัติต่อเครื่องชาร์จ EV เช่น โหลดธรรมดาก็เป็นปัญหาเช่นกัน เครื่องชาร์จสร้างกระแสไฟอย่างแข็งขันและสร้างการรบกวนการสลับภายในที่ต้องมีข้อจำกัดด้านแรงดันไฟฟ้าต้นน้ำ

สุดท้าย การติดตั้งอุปกรณ์ประเภท 3 โดยไม่มีการป้องกันต้นน้ำให้ความรู้สึกปลอดภัยที่ผิดพลาด อุปกรณ์เหล่านี้ไม่ได้ออกแบบมาเพื่อรองรับพลังงานไฟกระชากหลัก และจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อใช้ในทางที่ผิด

ข้อควรพิจารณาด้านความน่าเชื่อถือและการบำรุงรักษาในระยะยาว

SPDS ค่อยๆ ลดลง เหตุการณ์ไฟกระชากแต่ละครั้งจะลดความสามารถในการเปลี่ยนพลังงานเล็กน้อย การเสื่อมสภาพนี้เป็นเรื่องปกติและคาดเดาได้ แต่ถ้ารับทราบในระหว่างการวางแผนระบบ

การติดตั้ง EV และพลังงานแสงอาทิตย์คาดว่าจะใช้งานได้นานหลายทศวรรษ กลยุทธ์การป้องกันควรรวมถึงช่วงการตรวจสอบ การตรวจสอบสถานะ และการเปลี่ยนตามแผนตามระดับการรับสัมผัส แทนที่จะรอความล้มเหลว

การป้องกันที่คาดเดาได้รองรับเวลาทำงานที่คาดเดาได้ สิ่งนี้สำคัญในการชาร์จ EV และการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์มากกว่าในการใช้งานไฟฟ้าอื่น ๆ เนื่องจากการหยุดทำงานส่งผลกระทบโดยตรงต่อความพร้อมของพลังงานและการวางแผนการปฏิบัติงาน

บทสรุป

ระบบชาร์จ EV และการติดตั้ง Solar PV ต้องการกลยุทธ์การป้องกันไฟกระชากที่ประสานกันซึ่งสะท้อนถึงโทโพโลยีของระบบและพฤติกรรมการทำงาน การใช้อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากอย่างมีประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับการจัดวางที่ถูกต้อง การประสานงานระหว่างสภาพแวดล้อม AC และ DC และความคาดหวังที่สมจริงเกี่ยวกับประสิทธิภาพเมื่อเวลาผ่านไป

การป้องกันในระบบเหล่านี้ไม่ได้เกี่ยวกับการป้องกันแบบเด็ดขาด มันเกี่ยวกับการควบคุมความเสี่ยง การจำกัดความเครียดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อน และสนับสนุนความน่าเชื่อถือในระยะยาวผ่านการออกแบบระบบที่รอบคอบ

คำถามที่พบบ่อย