Warum benötigen Solar-PV-Systeme Überspannungsschutz?

Einleitung

Um die Effizienz der Stromerzeugung zu maximieren, werden Solar-PV-Systeme typischerweise in unberührten Bereichen wie Dächern, offenen Feldern und Bergregionen installiert, die eine große Fläche abdecken. Diese exponierte Installationsumgebung macht sie zu risikoreichen Zielen für Blitzeinschläge. Gleichzeitig verfügen Solar-DC-Systeme über hohe Spannungen (meist 1000V–1500V) und keinen natürlichen Strom-Nullübergangspunkt. Sobald ein Stromstoß getroffen wird, lässt sich der Lichtbogen nur schwer automatisch löschen, was leicht zu Geräteschäden oder sogar Bränden führen kann. Daher sind Überspannungsschutzvorrichtungen (SPDs) unerlässliche Ausrüstung, um den sicheren Betrieb von Solarkraftwerken zu gewährleisten. Dieser Artikel wird die Definition, das Arbeitsprinzip, die Installationsmethoden und den Kaufleitfaden von Überspannungsschutzsystemen näher erläutern.

1. Was ist ein Überspannungsschutz?

Eine Überspannungsschutzvorrichtung (SPD) ist eine Schutzvorrichtung, die verwendet wird, um überschreitende Überspannung und Entladungsstrom zu begrenzen. In Solar-PV-Systemen enthält sie mindestens eine nichtlineare Komponente, die parallel oder in Reihe im Stromkreis geschaltet ist, um den Einwirkungen direkter Blitzeinschläge, induzierter Überspannung und Netzbetriebsüberspannung auf Geräten zu widerstehen.

Der speziell für Photovoltaiksysteme entwickelte SPD muss die doppelten Anforderungen hoher Gleichspannung und komplexer elektromagnetischer Umgebung erfüllen. Nach den Bestimmungen der Norm IEC 61643-32:2017 der Internationalen Elektrotechnischen Kommission sollte der für Photovoltaiksysteme verwendete SPD auf Photovoltaikgeräte mit einem effektiven Wert der Wechselstromspannung von maximal 1000V und einer Gleichstromspannung von maximal 1500V anwendbar sein.

Die Kernwerte von SPDs in Solar-PV-Systemen spiegeln sich in folgenden Aspekten wider:

- Widerstand gegen Überspannungsaufprall: Reagieren Sie schnell, wenn Blitze oder Betriebsüberspannung auftreten, wodurch der Überspannungsstrom auf den Boden umgeleitet wird.

- Schutz wichtiger Geräte: Direkter Schutz von Kernanlagen wie Kombinatoren, Wechselrichtern und Solarmodulen.

- Sicherstellung eines kontinuierlichen Betriebs: Reduzierung ungeplanter Ausfallzeiten durch Blitzeinschläge und Sicherung der Stromerzeugungserlöse des Kraftwerks.

- Vermeidung von Feuer und Explosionen: Unterdrückung des Risikos von gleichstromseitigen Lichtbögen durch Überspannung und Reduzierung der Brandgefahr.

2. Was ist das Arbeitsprinzip eines Überspannungsschutzes?

Das Kernprinzip der PV-SPDs basiert auf nichtlinearen Widerstandseigenschaften, wobei Metalloxid-Varistoren (MOVs) das Kernelement der gängigen Technologie sind. Sein Arbeitsprozess lässt sich in vier Phasen unterteilen:

2.1 Normale Hochimpedanzstufe

Wenn die Systemspannung normal und unterhalb des Anfangsschwellwerts (Varistorspannung) des SPD liegt, zeigt der MOV einen extrem hohen Widerstand (Megaohm-Niveau), ähnlich einem Isolator, der nur einen sehr kleinen Leckstrom (meist <1 mA) durchlässt, was keinen Einfluss auf den normalen Betrieb des Solar-PV-Systems hat.

2.2 Surge Trigger-Phase

Wenn Blitz oder Betriebsüberspannung einschlägt und die Netzspannung die Varistor-Spannungsschwelle des MOV in einem Augenblick überschreitet, entsteht ein Lawineneffekt in der Kristallstruktur im MOV——der Widerstandswert fällt stark auf einen nahezu leitfähigen Zustand (Milliohm-Niveau) ab, wodurch ein Niederimpedanz-Entladungsweg entsteht.

2.3 Energieentladung und Spannungsklemmen

Nachdem der Niederimpedanzweg gebildet wurde, wird der große Überspannungsstrom schnell an das Erdungssystem entladen. Während dieses Vorgangs klemmt das MOV die Überspannung unterhalb ihres Schutzniveaus (Up), sodass die Restspannung über dem geschützten Gerät immer niedriger ist als die Widerstandsfestigkeit der Isolierung.

2.4 Automatische Wiederherstellung und Ausfallschutz

Nachdem die Überspannung vorbei ist und die Spannung wieder in den normalen Bereich zurückkehrt, stellt sich das MOV automatisch in einen hochohmigen Zustand zurück und das System arbeitet normal. Wenn die Überspannungsenergie die Lagergrenze des SPD überschreitet und zu einer Verschlechterung führt, trennt das eingebaute thermische Auslösegerät sie vom Stromkreis und löst einen visuellen Alarmindikator aus (wie zum Beispiel das Fensterwechsel von Grün auf Rot), um die Ausdehnung von Kurzschlussfehlern zu verhindern.

Es ist erwähnenswert, dass aufgrund des Fehlens eines natürlichen Stromdurchgangspunkts in Gleichstromsystemen der Nachstrom, der nach dem Einschalten des SPD erzeugt wird, schwieriger abzuschneiden ist als in Wechselstromsystemen. Daher müssen PV-Gleichstrom-SPDs stärkere Lichtbogenlöschfähigkeiten und eine höhere Kurzschlussresistenz besitzen.

  3. Wie installiert man Überspannungsschutz zum Schutz von Solar-PV-Kraftwerken?

Die Installation von Überspannungsschutzsystemen in Solar-PV-Systemen muss den Prinzipien des "gestuften Schutzes, nahegelegenen Schutzes und zuverlässiger Erdung" folgen. In Kombination mit der Systemarchitektur (zentralisiert, String-Typ) sollten sie vernünftig auf der DC-, AC-Seite und Steuersignalseite angeordnet sein, um ein umfassendes Überspannungsschutzsystem zu bilden. Gleichzeitig ist eine strikte Einhaltung der Installationsspezifikationen erforderlich, um den Schutzeffekt durch eine unsachgemäße Installation nicht zu beeinträchtigen. Die spezifischen Installationspunkte sind wie folgt:

3.1Wahl des Installationsstandorts

Der Überspannungsschutz von Solar-PV-Systemen muss die gesamte Verbindung von "Modulen – Kombinatorboxen – Wechselrichtern – netzverbundenen Schränken" abdecken. Die wichtigsten Installationsorte sind in drei Kategorien unterteilt:

3.2 DC-Seiteninstallation: Er schützt hauptsächlich Solarmodule, Kombinatoren und die Gleichstrom-Eingangsanschlüsse von Wechselrichtern, die in zweistufige Sicherungen unterteilt sind. Die erste Ebene wird zwischen dem Solarmodul-String und der Kombinatorbox oder im Inneren der Kombinatorbox installiert, um induzierte Blitzschläge von der Modulseite zu unterdrücken; die zweite Ebene wird zwischen dem Ausgangsanschluss der Kombinatorbox und dem DC-Eingangsanschluss des Wechselrichters installiert, um die Überspannungsenergie weiter zu schwächen und die Kernkomponenten des Wechselrichters zu schützen. Gleichstrom-seitige SPDs müssen Schutz für positive und negative Pole zu Masse (/PE, -/PE) bieten, um sich an die Hochspannungs-Gleichstromumgebung anzupassen. Wenn der Abstand zwischen dem Wechselrichter und dem PV-Array weniger als 10 m beträgt und der Spannungsschutzpegel der vorderen SPD ≤ 0,8-fach der angegebenen Impulswiderstandsspannung des PV-Arrays beträgt, können einige Installationspunkte weggelassen werden.

3.3 AC-seitige Installation: Sie schützt hauptsächlich Wechselrichter, netzverbundene Schränke und netzseitige Geräte, die am AC-Ausgangsanschluss des Wechselrichters und im Netzanschluss installiert sind. Er wird verwendet, um Überspannungen zu unterdrücken, die durch Gitterschwankungen und Blitzwellen von der Gitterseite einfallen, wobei der Schutzmodus überwiegend L-N/L-PE ist. Es muss mit Leistungsschaltern verwendet werden, um sich an die Wechselstromstandards anzupassen. Wenn der Abstand zwischen dem Hauptstromverteilungsschrank und dem SPD im Wechselrichter weniger als 10 m beträgt, ist eine wiederholte Installation nicht erforderlich.

3.4 Steuerungssignal-seitige Installation: An der Signalschnittstelle von Überwachungssystemen und Datenerfassungsgeräten installiert, wird ein dediziertes Signal-SPD ausgewählt, um Überspannungen durch Signalleitungen zu verhindern, Steuergeräte zu beschädigen und eine normale Systemüberwachung sowie Datenübertragung sicherzustellen.

3.5 Installationsspezifikationsanforderungen

1. Installationsmethode: Priorität gilt der Installation von 35-mm-DIN-Schienen, die dem Standard EN 60715 entspricht. Während der Installation ist ein Ausschaltbetrieb erforderlich, um Sicherheitsrisiken durch laufende Arbeiten zu vermeiden.
2. Verkabelungsanforderungen: Der SPD sollte parallel zur Stromleitung am vorderen Ende der geschützten Anlage angeschlossen sein. Die Länge des Phasen-/Neutralleiterleiters darf 1 m nicht überschreiten, und die Länge des Erdungsdrahts darf 0,5 m nicht überschreiten. Ein Radiant sollte an der Ecke des Leiters reserviert werden, um rechtwinkligen Biegen zu vermeiden; Der Verbindungsleiter sollte mit einer geeigneten Querschnittsfläche ausgewählt werden, mit mindestens 1,5 mm² einadrigem Draht und maximal 35 mm² mehrsträngigem Draht, um eine leitfähige Leistung zu gewährleisten.
3. Erdungsanforderungen: Die Erdung muss zuverlässig sein, mit einem Erdungswiderstand von weniger als 4 Ω. Der SPD ist mit dem Gleichpotential-Blitzschutzstreifen des Solar-PV-Systems verbunden, um sicherzustellen, dass Überspannungsstrom schnell in den Boden eingeleitet werden kann; wenn das LPS (Lightning Protection System) und der PV-Modulrahmen nicht den sicheren Abstand einhalten, sollten abgeschirmte Kabel verwendet werden, und beide Enden der Abschirmungsschicht sollten geerdet sein und einen Teil des Blitzstroms führen können.
4. Unterstützender Schutz: Am vorderen Ende des SPD sollte ein kleiner Leistungsschalter oder eine Blitzsicherung installiert werden, um Störungen durch nicht-blitzbedingte Unfälle zu verhindern; der Abstand zwischen dem SPD und der geschützten Ausrüstung darf 5 m nicht überschreiten, um den Schutzeffekt zu gewährleisten.

4.. Kaufanleitung für Überspannungsschutz

Der Kauf von SPDs, die für Solar-PV-Systeme ausgelegt sind, sollte umfassend in Kombination mit Systemparametern, Betriebsumgebung, Schutzanforderungen und anderen Faktoren berücksichtigt werden. Der Kern ist es, Anpassungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit sicherzustellen und Schutzversagen durch falsche Auswahl zu vermeiden. Die spezifischen Kaufpunkte sind wie folgt:

4.1 Klarstellung der Systemparameter zur Gewährleistung der Anpassungsfähigkeit

Spannungsparameteranpassung: Gemäß der Arbeitsspannung der DC- und AC-Seite des Solar-PV-Systems wählen Sie den SPD mit der entsprechenden kontinuierlichen Betriebsspannung (Uc). Der Gleichstrom-SPD sollte an die maximale offene Spannung des Systems angepasst werden (z. B. 1000V, 1500V-Systeme), und die Wechselstromseite sollte auf eine 380V-Leistungsspannung angepasst werden. Der Uc-Wert sollte eine ausreichende Sicherheitsmarge reservieren, um eine beschleunigte Alterung durch langfristige Elektrifizierung zu vermeiden. Zum Beispiel kann die kontinuierliche Betriebs-DC-Spannung des DC-seitigen SPDs für ein 1000V-Solar-PV-System 500V betragen, um eine Anpassung an die Betriebsbedingungen des Systems sicherzustellen.

4.2 Auswahl der Stromtragfähigkeit: In Kombination mit dem Blitzschutzniveau des Bereichs, in dem sich das Solar-PV-Kraftwerk befindet, und der Anzahl der Abwärtsleiter wählen Sie den SPD mit der entsprechenden Stromtragkapazität. Für Bereiche mit hohem Blitzschutz und mehr Abwärtsleitern sollten Produkte mit hoher Stromtragfähigkeit ausgewählt werden. Für spannungsbegrenzende SPDs auf der Gleichstromseite können der Impulsstrom (Iimp) und der Nominalentladestrom (In) unter Bezugnahme auf relevante Normen ausgewählt werden. Wenn zum Beispiel der Blitzschutzwert Klasse I ist und die Anzahl der Abwärtsleiter weniger als 4 beträgt, kann eine Kombination aus Klasse-I-Test-SPD (Iimp ≥ 5kA) und Klasse-II-Test-SPD (In ≥ 8,5kA) gewählt werden, oder nur Klasse-I-Test-SPD (Iimp ≥ 8,5kA) kann verwendet werden.

4.3 Anpassung des Schutzmodus: Die DC-Seite verwendet den /-/PE-Bipolarschutzmodus, die AC-Seite den L-N/L-PE-Schutzmodus, und die Steuersignalseite einen speziellen Signalschutzmodus, um einen vollständigen Linkschutz ohne Sackgassen zu gewährleisten.

4.4 Tipps zur Fallgrubenvermeidung

- Wechselstrom-SPDs nicht mischen: Die Verwendung von 220V-AC-SPDs in 1000V-DC-Systemen kann zu einem Ausfall oder einer Explosion führen.

- Achten Sie auf die Sicherungsanpassung: Der Nennstrom der Notsicherung sollte größer sein als der maximal mögliche Strom im SPD-Zweig, andernfalls kann sie keinen Kurzschlussschutz übernehmen.

- Ein Entkoppler ist erforderlich, wenn der Abstand zwischen den Stufen unzureichend ist: Wenn der Abstand zwischen zwei Ebenen von SPDs die 10-m-Anforderung nicht erfüllt, muss ein Entkopplungsinduktor in Reihe geschaltet werden, um eine Energiekoordination zu erreichen.

Zusammenfassend sind Überspannungsschutzgeräte eine entscheidende unterstützende Ausrüstung für den sicheren und stabilen Betrieb von Solar-PV-Systemen. Ein korrektes Verständnis ihrer Definition und Arbeitsprinzipien, die Standardisierung der Installation und wissenschaftlicher Einkauf können ein umfassendes Überspannungsschutzsystem entstehen, Überspannungsgefahren effektiv widerstehen, die Lebensdauer von PV-Geräten verlängern und langfristig stabile Einnahmen von Solar-PV-Kraftwerken sicherstellen.