لماذا تحتاج أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية إلى واقيات من التيار الكهربائي؟

مقدمة

لتعظيم كفاءة توليد الطاقة، يتم عادة تركيب أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية في المناطق غير المحصنة مثل الأسطح والأسطح المفتوحة والمناطق الجبلية، وتغطي مساحة واسعة. هذا البيئة المكشوفة تجعلها أهدافا عالية الخطورة لضربات البرق. في الوقت نفسه، تتميز أنظمة التيار المستمر الشمسي بجهد كهربائي عالي (عادة بين 1000 فولت و1500 فولت) ولا يوجد نقطة عبور طبيعية للتيار الصفري. بمجرد أن يتعرض للاندفاع الكهربائي، يصبح من الصعب إطفاء القوس الكهربائي تلقائيا، مما قد يؤدي بسهولة إلى تلف المعدات أو حتى الحرائق. لذلك، تعد أجهزة الحماية من التيار (SPDs) معدات أساسية لضمان التشغيل الآمن لمحطات الطاقة الشمسية. ستشرح هذه المقالة تعريف، ومبدأ العمل، وطرق التركيب، ودليل شراء واقيات التيار الكهربائي.

1. ما هو واقي التيار الكهربائي؟

جهاز الحماية من الاندفاع (SPD) هو جهاز حماية يستخدم للحد من الجهد الزائد العابر وتيار التصريف الاندفاعي. في أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، يحتوي على مكون غير خطي واحد على الأقل، متصل بشكل متوازي أو متسلسل في الدائرة، لمقاومة تأثير البرق المباشر، والجهد الزائد المستحث، وجهد التشغيل الزائد على المعدات.

يجب أن يلبي SPD المصمم خصيصا للأنظمة الكهروضوئية المتطلبات المزدوجة: جهد التيار المستمر العالي والبيئة الكهرومغناطيسية المعقدة. وفقا لأحكام معيار اللجنة الدولية للكهروتقنية IEC 61643-32:2017، يجب أن يكون SPD المستخدم في الأنظمة الكهروضوئية قابلا للتطبيق على الأجهزة الكهروضوئية ذات القيمة الفعالة لجهد التيار المتردد لا يتجاوز 1000 فولت، وجهد الجانب المستمر لا يتجاوز 1500 فولت.

تنعكس القيم الأساسية لوحدات SPD في أنظمة الطاقة الشمسية الشمسية في الجوانب التالية:

- مقاومة تأثير الجهد الزائد: الاستجابة بسرعة عند حدوث برق أو جهد زائد تشغيلي، مما يحول تيار التيار الزائد إلى الأرض.

- حماية المعدات الرئيسية: حماية الأصول الأساسية مثل صناديق المدمجين، والمحولات، والوحدات الشمسية.

- ضمان التشغيل المستمر: تقليل وقت التوقف غير المخطط له الناتج عن ضربات البرق وحماية إيرادات توليد الطاقة في المحطة.

- منع الحريق والانفجار: تقليل خطر الانحناء الجانبي المستمر الناتج عن جهد زائد وتقليل مخاطر الحريق.

2. ما هو مبدأ عمل واقي التيار الكهربائي؟

المبدأ الأساسي للعمل في PV SPDs يعتمد على خصائص المقاومة غير الخطية، مع وجود متغيرات أكسيد المعادن (MOVs) كمكون أساسي في التكنولوجيا السائدة. يمكن تقسيم عملية عمله إلى أربع مراحل:

2.1 المرحلة ذات المقاومة العالية العادية

عندما يكون جهد النظام عاديا وأقل من عتبة البداية (جهد الفاريستور) لجهاز SPD، يقدم MOV مقاومة عالية جدا (مستوى ميغاأوم)، مثل العازل، مما يسمح فقط بمرور تيار تسرب صغير جدا (عادة <1 مللي أمبير)، مما لا يؤثر على التشغيل الطبيعي للنظام الشمسي الكهروضوئي.

2.2 مرحلة تحفيز الاندفاع

عندما يضرب البرق أو جهد زائد التشغيل ويتجاوز جهد الخط عتبة جهد المتفارستور في اللحظة الواحدة، يحدث تأثير انهيار جليدي في البنية البلورية داخل MOV — تنخفض قيمة المقاومة بشكل حاد إلى حالة شبه موصلة (مستوى الميلي أوم)، مكونة مسار تفريغ منخفض المقاومة.

2.3 تفريغ الطاقة وتثبيت الجهد

بعد تكوين المسار منخفض المقاومة، يتم تصريف تيار الاندفاع الهائل بسرعة إلى نظام التأريض. خلال هذه العملية، يقوم جهاز MOV بتثبيت الجهد الزائد تحت مستوى الحماية (الأعلى)، مما يضمن أن الجهد المتبقي عبر المعدات المحمية يكون دائما أقل من قوة العزل التي تتحمل الجهاز.

2.4 الاسترداد التلقائي والحماية من الأعطال

بعد مرور التيار الكهربائي وعودة الجهد إلى النطاق الطبيعي، يعود التردد التلقائي إلى حالة عالية المعاوقة، ويعمل النظام بشكل طبيعي. إذا تجاوزت طاقة التيار حد المحمل في SPD وتسببت في تدهور، يقوم جهاز القطع الحراري المدمج بفصلها عن الدائرة ويفعل مؤشر إنذار بصري (مثل تغيير النافذة من الأخضر إلى الأحمر) لمنع توسع أعطال الدائرة القصيرة.

ومن الجدير بالذكر أنه بسبب غياب نقطة عبور طبيعية للتيار الصفري في أنظمة التيار المستمر، فإن التيار التالي الناتج بعد تشغيل SPD يصبح أصعب في القطع مقارنة بأنظمة التيار المتردد. لذلك، تحتاج أجهزة SPD التيار المستمر الكهروضوئية إلى قدرات أقوى على إطفاء القوس ومستويات تحمل أعلى لقصر الدوائر الكهربائية.

  3. كيف يمكن تركيب واقيات التيار الكهربائي لحماية محطات الطاقة الشمسية الشمسية الكهروضوئية؟

يجب أن يتبع تركيب واقيات التيار في أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية مبادئ "الحماية المتدرجة، والحماية القريبة، والتأريض الموثوق". وبالاقتران مع بنية النظام (مركزية، من نوع السلسلة)، يجب ترتيبها بشكل معقول على جانب التيار المستمر، جانب التيار المتردد، وجانب إشارة التحكم لتشكيل نظام حماية شامل من التيار الكهربائي. وفي الوقت نفسه، يلزم الالتزام الصارم بمواصفات التركيب لتجنب التأثير على تأثير الحماية الناتج عن التركيب غير الصحيح. نقاط التركيب المحددة هي كما يلي:

3.1اختيار موقع التركيب

يجب أن تغطي الحماية من التيار الكهربائي لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية كامل الرابط بين "الوحدات — صناديق الدمج — العاكسات — الخزائن المتصلة بالشبكة". تنقسم مواقع التركيب الرئيسية إلى ثلاث فئات:

3.2 تركيب الجانب المستمر: يحمي بشكل رئيسي وحدات الطاقة الشمسية، وصناديق الجمع، وأطراف إدخال التيار المستمر للمحولات، مقسمة إلى حماية ذات مستويين. يتم تركيب المستوى الأول بين سلسلة الوحدة الشمسية وصندوق الدمج أو داخل صندوق المدمج لقمع موجات البرق المستحثة من جانب الوحدة؛ يتم تركيب المستوى الثاني بين طرف الإخراج لصندوق الدمج وطرف الإدخال المستمر للعاكس لإضعاف طاقة التيار الزائد وحماية المكونات الأساسية للعاكس. تحتاج وحدات SPD على جانب التيار المستمر إلى توفير حماية للأقطاب الموجبة والسالبة إلى الأرض (/PE، -/PE) للتكيف مع بيئة التيار المستمر عالي الجهد. إذا كانت المسافة بين العاكس والمصفوفة الكهروضوئية أقل من 10 أمتار، وكان مستوى حماية الجهد في SPD الأمامي ≤ 0.8 ضعف الجهد المصنف لمقاومة النبضات في مصفوفة الطاقة الكهروضوئية، يمكن حذف بعض نقاط التركيب.

3.3 تركيب جانب التيار المتردد: يحمي بشكل رئيسي المحولات، والخزائن المتصلة بالشبكة، والمعدات الجانبية على الشبكة، المثبتة في طرف خرج التيار المتردد للعاكس وداخل الخزانة المتصلة بالشبكة. يستخدم لقمع الارتفاعات الناتجة عن تقلبات الشبكة وموجات البرق التي تغزو من جانب الشبكة، مع وضع الحماية في الغالب L-N/L-PE. يجب استخدامه مع قواطع الدائرة للتكيف مع معايير نظام التيار المتردد. إذا كانت المسافة بين خزانة توزيع الطاقة الرئيسية وSPD في العاكس أقل من 10 أمتار، فلا حاجة لإعادة التركيب.

3.4 تركيب جانب إشارة التحكم: يتم تركيبه في واجهة الإشارة لأنظمة المراقبة ومعدات جمع البيانات، حيث يتم اختيار SPD مخصص لمنع الارتفاعات الكهربائية من الغزو عبر خطوط الإشارة، وإتلاف معدات التحكم، وضمان مراقبة النظام ونقل البيانات بشكل طبيعي.

3.5متطلبات مواصفات التركيب

1. طريقة التركيب: تعطى الأولوية لتركيب سكة DIN بقطر 35 مم، مع الالتزام بمعيار EN 60715. يتطلب التشغيل بإيقاف التشغيل أثناء التركيب لتجنب مخاطر السلامة الناتجة عن العمل الحي.
2. متطلبات الأسلاك: يجب توصيل SPD بالتوازي مع خط الكهرباء في مقدمة المعدات المحمية. يجب ألا يتجاوز طول موصل سلك الطور/المحايد 1 متر، ولا يجب أن يتجاوز طول سلك التأريض 0.5 متر. يجب حجز شعاع في زاوية الموصل لتجنب الانحناء بزاوية قائمة؛ يجب اختيار الموصل بمساحة مقطع عرضية مناسبة، مع حد أدنى لا يقل عن 1.5 مم² سلك أحادي السلسلة، وأقصى 35 مم² متعدد الخيوط لضمان الأداء الموصل.
3. متطلبات التأريض: يجب أن يكون التأريض موثوقا، بمقاومة تأريض أقل من 4 أوم. يتم توصيل SPD بشريط الربط المتساوي للحماية من البرق في نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية لضمان إدخال تيار التيار السريع بسرعة إلى الأرض؛ إذا لم يحقق نظام الحماية من البرق (LPS) وإطار وحدة الطاقة الشمسية مسافة التباعد الآمنة، يجب استخدام كابلات محمية، ويجب أن يكون طرفي طبقة الحماية مؤرضين وقادرين على حمل جزء من تيار البرق.
4. الحماية الداعمة: يجب تركيب قاطع دائرة صغير أو صمام حماية من البرق في مقدمة SPD لمنع الأعطال الناتجة عن حوادث غير صاعقة؛ يجب ألا تتجاوز المسافة بين SPD والمعدات المحمية 5 أمتار لضمان تأثير الحماية.

4..دليل شراء واقي التيار

يجب النظر بشكل شامل في شراء وحدات SPD مخصصة لأنظمة الطاقة الشمسية الشمسية الكهروضوئية مع معايير النظام، وبيئة الخدمة، ومتطلبات الحماية، وعوامل أخرى. الجوهر هو ضمان التكيف والموثوقية والسلامة، وتجنب فشل الحماية الناتج عن الاختيار غير الصحيح. نقاط الشراء المحددة هي كما يلي:

4.1 توضيح معايير النظام لضمان القدرة على التكيف

مطابقة معاملات الجهد: وفقا لجهد العمل لجانب التيار المستمر والتيار المتردد في نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية، اختر SPD مع جهد العمل المستمر المقابل (Uc). يجب تكييف SPD في الجانب المستمر مع أقصى جهد للدائرة المفتوحة للنظام (مثل أنظمة 1000 فولت، 1500 فولت)، ويجب تكييف جانب التيار المتردد مع جهد تردد طاقة 380 فولت. يجب أن تحتفظ قيمة الوحدة السريرية بهامش أمان كاف لتجنب التقدم في العمر المتسارع بسبب الكهرباء طويلة الأمد. على سبيل المثال، يمكن أن يكون جهد التيار المستمر العامل المستمر لنظام SPD من جهة التيار المستمر لنظام الطاقة الشمسية بجهد 1000 فولت 500 فولت لضمان التكيف مع ظروف عمل النظام.

4.2 اختيار القدرة على الحمل الحالي: وبالاقتران مع مستوى الحماية من البرق في المنطقة التي تقع فيها محطة الطاقة الشمسية الشمسية وعدد الموصلات المنخفضة، يتم اختيار SPD ذو القدرة المناسبة على حمل التيار. بالنسبة للمناطق التي تتمتع بمستوى حماية عالي من البرق وعدد أكبر من الموصلات السفلية، يجب اختيار المنتجات ذات القدرة القوية على حمل التيار. بالنسبة لمحطات SPD التي تحد جهد الجهد على جانب التيار المستمر (DC)، يمكن اختيار تيار النبضة (Iimp) وتيار التفريغ الاسمي (In) بالرجوع إلى المعايير ذات الصلة. على سبيل المثال، عندما يكون مستوى الحماية من البرق من الفئة الأولى وعدد الموصلات الهابطة أقل من 4، يمكن اختيار مزيج من SPD اختبار الفئة I (IIP ≥ 5kA) وSPD اختبار الفئة II (في ≥ 8.5kA)، أو يمكن استخدام SPD اختبار الفئة الأولى (LIMP ≥ 8.5kA) فقط.

4.3 تكييف وضع الحماية: الجانب المستمر يعتمد وضع الحماية ثنائي القطب /-/PE، وجانب التيار المتردد يعتمد وضع الحماية L-N/L-PE، وجانب إشارة التحكم يعتمد على وضع حماية الإشارة المخصص لضمان حماية كاملة بدون طرق مسدودة.

4.4 نصائح لتجنب الوقوع في الأخطاء

- لا تخلط مشققات التيار المتردد SPD: استخدام SPDs بجهد 220V في أنظمة 1000 فولت تيار مستمر قد يؤدي إلى فشل أو انفجار.

- انتبه لمطابقة الصمامات: يجب أن يكون التيار المصنف للصمام الاحتياطي أكبر من الحد الأقصى الممكن للتيار في فرع SPD، وإلا فلن يلعب دور الحماية من الدائرة القصيرة.

- يطلب وجود فاصل إذا كانت المسافة بين المراحل غير كافية: إذا لم تستطع المسافة بين مستويين من SPDs تلبية متطلب 10 أمتار، يجب توصيل ملف فصل على التوالي لتحقيق تنسيق الطاقة.

باختصار، تعد واقيات التيار الكهربائي معدات داعمة رئيسية لتشغيل أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية بأمان واستقرار. فهم تعريفها ومبدأ عملها بشكل صحيح، وتوحيد التركيب والشراء العلمي يمكن أن يبني نظام حماية متكامل من الارتفاعات، ومقاومة مخاطر الاندفاع بفعالية، وتطيل عمر خدمة معدات الطاقة الشمسية، وضمان الإيرادات المستقرة طويلة الأمد لمحطات الطاقة الشمسية الشمسية.