การเลือกอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากสำหรับระบบโซลาร์เซลล์ – ประเภทของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก (SPD)

การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) เป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่สำคัญและมีความสามารถในการแข่งขันทางเศรษฐกิจสูงเมื่อเทียบกับการผลิตไฟฟ้าแบบดั้งเดิม ระบบ PV ขนาดเล็กแบบกระจาย เช่น แผงโซลาร์เซลล์บนหลังคา กำลังได้รับความนิยมเพิ่มมากขึ้น ระบบ PV บนหลังคาเกี่ยวข้องกับการจ่ายไฟทั้งกระแสสลับ (AC) และกระแสตรง (DC) โดยมีแรงดันไฟฟ้าสูงถึง 1500 โวลต์ ด้านกระแสตรง โดยเฉพาะแผงโซลาร์เซลล์ อาจสัมผัสกับฟ้าผ่าโดยตรงในพื้นที่เสี่ยงสูง ทำให้แผงโซลาร์เซลล์เสียหายได้ง่าย

ระบบป้องกันฟ้าผ่าสำหรับอาคารแบ่งออกเป็นระบบป้องกันภายนอก (ระบบป้องกันฟ้าผ่า, LPS) และระบบป้องกันภายใน (มาตรการป้องกันไฟกระชาก, SPM) โดยพิจารณาจากความเสี่ยงจากฟ้าผ่า อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก (SPD) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของระบบป้องกันภายใน ทำหน้าที่ป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะที่เกิดจากฟ้าผ่าหรือการสลับวงจร SPD จะติดตั้งอยู่นอกอุปกรณ์ที่ได้รับการป้องกัน และโดยหลักแล้วจะทำงานดังนี้: เมื่อไม่มีไฟกระชากในระบบไฟฟ้า SPD จะไม่ส่งผลกระทบต่อการทำงานปกติของระบบที่ได้รับการป้องกันอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อเกิดไฟกระชาก SPD จะมีค่าความต้านทานต่ำ เบี่ยงเบนกระแสไฟกระชากผ่านตัวมันเอง และจำกัดแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ในระดับที่ปลอดภัย หลังจากไฟกระชากผ่านไปและกระแสไฟตกค้างหมดไปแล้ว SPD จะกลับสู่สถานะความต้านทานสูง

1. สถานที่ติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก (SPD)

ตำแหน่งการติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก (SPD) จะถูกกำหนดตามระดับความเสี่ยงจากฟ้าผ่า โดยอิงตามแนวคิดเขตป้องกันฟ้าผ่า (LPZ) ในมาตรฐาน IEC 62305 แรงดันไฟเกินชั่วขณะจะค่อยๆ ลดลงจนถึงระดับที่ปลอดภัย ซึ่งต้องต่ำกว่าแรงดันไฟที่อุปกรณ์ที่ได้รับการป้องกันทนได้ ดังแสดงในรูป อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากจะถูกติดตั้งที่ขอบเขตของโซนเหล่านี้ ทำให้เกิดแนวคิดการป้องกันไฟกระชากหลายระดับที่ใช้ในระบบแรงดันต่ำ สำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) นั้น เน้นที่การป้องกันไฟกระชากจากฟ้าผ่าไม่ให้เข้าสู่ด้าน AC และ DC เพื่อปกป้องส่วนประกอบที่สำคัญ เช่น อินเวอร์เตอร์

2. ชั้นเรียนทดสอบอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก (SPD)

ตามมาตรฐาน IEC 61643-11 อุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่า (SPD) แบ่งออกเป็นสามประเภทการทดสอบตามชนิดของกระแสฟ้าผ่าที่ออกแบบมาให้ทนทาน การทดสอบประเภทที่ 1 (ระบุด้วย T1) มีจุดประสงค์เพื่อจำลองกระแสฟ้าผ่าบางส่วนที่อาจไหลเข้าสู่ตัวอาคาร โดยใช้รูปคลื่น 10/350 µs ดังแสดงในรูปด้านล่าง และโดยทั่วไปจะติดตั้งที่ขอบเขตระหว่าง LPZ0 และ LPZ1 เช่น ที่แผงจ่ายไฟหลักหรือจุดต่อไฟเข้าหม้อแปลงไฟฟ้าแรงดันต่ำ อุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่าสำหรับระดับนี้มักเป็นแบบสวิตช์แรงดัน โดยมีส่วนประกอบเช่น หลอดปล่อยก๊าซหรือช่องว่างประกายไฟ (เช่น ช่องว่างแบบฮอร์นหรือช่องว่างกราไฟต์)

การทดสอบประเภท II (T2) และประเภท III (T3) ใช้พัลส์ที่มีระยะเวลาสั้นกว่า อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากประเภท II มักเป็นอุปกรณ์จำกัดแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ส่วนประกอบ เช่น ตัวต้านทานโลหะออกไซด์ (MOV) โดยจะทดสอบด้วยกระแสคายประจุที่กำหนดโดยใช้รูปคลื่นกระแส 8/20 µs (ดูรูปด้านล่าง) และมีหน้าที่ในการจำกัดแรงดันไฟกระชากที่เหลืออยู่จากอุปกรณ์ป้องกันต้นทางเพิ่มเติม การทดสอบประเภท III ใช้เครื่องกำเนิดคลื่นแบบผสมที่มีแรงดัน 1.2/50 µs และพัลส์กระแส 8/20 µs (ดูรูปด้านล่าง) เพื่อจำลองไฟกระชากที่ใกล้กับอุปกรณ์ใช้งานปลายทางมากขึ้น

3. ประเภทการเชื่อมต่อของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก (SPDs)

การป้องกันแรงดันเกินชั่วขณะมีสองโหมดหลัก โหมดแรกคือการป้องกันแบบคอมมอนโหมด (CT1) ซึ่งออกแบบมาเพื่อป้องกันไฟกระชากระหว่างตัวนำไฟฟ้าและสายดินป้องกัน (PE) ตัวอย่างเช่น ฟ้าผ่าสามารถทำให้เกิดแรงดันสูงเมื่อเทียบกับพื้นดินในระบบ การป้องกันแบบคอมมอนโหมดช่วยลดผลกระทบจากสิ่งรบกวนภายนอกดังกล่าว เช่น ฟ้าผ่า ดังแสดงในภาพด้านล่าง

อย่างที่สองคือการป้องกันแบบดิฟเฟอเรนเชียลโหมด (CT2) ซึ่งป้องกันไฟกระชากระหว่างตัวนำสาย (L) และตัวนำสายกลาง (N) การป้องกันประเภทนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการรับมือกับความผิดปกติภายใน เช่น สัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าหรือการแทรกแซงที่เกิดขึ้นภายในระบบเอง ดังแสดงในแผนภาพด้านล่าง

ด้วยการนำโหมดการป้องกันอย่างใดอย่างหนึ่งหรือทั้งสองอย่างนี้มาใช้ ระบบไฟฟ้าจะได้รับการปกป้องจากแหล่งกำเนิดไฟกระชากได้ดียิ่งขึ้น ซึ่งจะช่วยยืดอายุการใช้งานและเพิ่มความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อในที่สุด

สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือ การเลือกโหมดการป้องกัน SPD ควรสอดคล้องกับระบบสายดินที่มีอยู่ สำหรับระบบ TN สามารถใช้โหมดการป้องกัน CT1 และ CT2 ได้ทั้งคู่ อย่างไรก็ตาม ในระบบ TT CT1 สามารถใช้ได้เฉพาะหลังจาก RCD เท่านั้น ในระบบ IT โดยเฉพาะอย่างยิ่งระบบที่ไม่มีตัวนำกลาง การป้องกัน CT2 จะไม่สามารถใช้งานได้ นี่เป็นข้อพิจารณาที่สำคัญในระบบจำหน่ายไฟฟ้ากระแสตรงที่ใช้การกำหนดค่าสายดินแบบ IT รายละเอียดเพิ่มเติมสามารถดูได้ในตารางด้านล่าง

4. พารามิเตอร์สำคัญของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก (SPD)

ตามมาตรฐานสากล IEC 61643-11 คุณลักษณะและการทดสอบของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก (SPD) ที่เชื่อมต่อกับระบบจ่ายไฟฟ้าแรงดันต่ำได้ถูกกำหนดไว้ดังแสดงในรูปที่ 7

(1) ระดับการป้องกันแรงดันไฟฟ้า (ขึ้น)

สิ่งสำคัญที่สุดในการเลือกอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก (SPD) คือระดับการป้องกันแรงดันไฟฟ้า (Up) ซึ่งบ่งบอกถึงประสิทธิภาพของ SPD ในการจำกัดแรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้วต่อ ค่านี้ควรสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าหนีบสูงสุด ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน SPD เท่ากับกระแสไฟฟ้าคายประจุที่กำหนด (In) ระดับการป้องกันแรงดันไฟฟ้าที่เลือกต้องต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าทนต่อแรงกระตุ้น (Uw) ของโหลด ในกรณีที่เกิดฟ้าผ่า แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วต่อของ SPD โดยทั่วไปจะถูกรักษาให้ต่ำกว่า Up สำหรับระบบ PV DC โหลดมักหมายถึงโมดูล PV และอินเวอร์เตอร์

(2) แรงดันไฟฟ้าใช้งานต่อเนื่องสูงสุด (Uc)

Uc คือแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงสูงสุดที่สามารถจ่ายให้กับโหมดป้องกัน SPD ได้อย่างต่อเนื่อง โดยค่านี้จะถูกเลือกตามแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดและโครงสร้างการต่อลงดินของระบบ และทำหน้าที่เป็นเกณฑ์การทำงานของ SPD สำหรับด้านกระแสตรงของระบบ PV ค่า Uc ควรมากกว่าหรือเท่ากับ Uoc Max ของแผง PV โดย Uoc Max หมายถึงแรงดันไฟฟ้าวงเปิดสูงสุดระหว่างขั้วต่อที่มีกระแสไฟฟ้าและระหว่างขั้วต่อที่มีกระแสไฟฟ้ากับกราวด์ ณ จุดที่กำหนดของแผง PV

(3) กระแสปล่อยประจุที่กำหนด (In)

นี่คือค่าสูงสุดของกระแสไฟฟ้ารูปคลื่น 8/20 μs ที่ไหลผ่าน SPD ซึ่งใช้สำหรับการทดสอบประเภท II และสำหรับการทดสอบการปรับสภาพเบื้องต้นในประเภท I และ ประเภท IIมาตรฐาน IEC กำหนดให้ SPD ต้องสามารถทนต่อการปล่อยประจุอย่างน้อย 19 ครั้งของกระแสรูปคลื่น 8/20 μs ยิ่งค่า In สูง อายุการใช้งานของ SPD ก็จะยิ่งยาวนานขึ้น แต่ต้นทุนก็จะสูงขึ้นด้วย

(4) กระแสอิมพัลส์ (Iimp)

กระแสไฟฟ้านี้ถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์สามตัว ได้แก่ กระแสสูงสุด (Ipeak), ประจุ (Q) และพลังงานจำเพาะ (W/R) และใช้ใน... ประเภทที่ 1 การทดสอบ รูปแบบคลื่นโดยทั่วไปคือ 10/350 μs