ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина XI, брой 1, 2019

Защита на PV инсталации от мълнии

Мълниите са често срещана причина за повреди във фотоволтаичните (PV) електрически системи. Повредите могат да възникнат от мълнии, които се намират на голямо разстояние от системата или дори между облаците. Въпреки това повечето щети, причинени от мълния, могат да бъдат предотвратени.
Ще бъдат разгледани някои от най-ефективните техники от гледна точка на разходите, които обикновено се избират въз основа на десетилетия опит. След прилагане на тези техники има много добри шансове да се избегне повреда от мълния в система за възобновяема енергия.


Соларните ферми са големи полета, покрити с проводящ материал. Ударът от мълния може да повреди или унищожи фотоволтаичните панели, инверторите и друго ключово оборудване. Следователно не е изненадващо, че мълниеносната атмосферна дейност и аномалиите, свързани със свръхнапрежение, се определят като водещи причини за престой на фотоволтаичната инсталация. Мълнията може да бъде разрушителна, дори когато не нанася пряк удар на съоръженията. Индиректните събития от мълния генерират електромагнитна сила, която предизвиква свръхнапрежение и преходни процеси в проводниците за променлив и постоянен ток, както и линиите за данни. Добрата новина е, че инвестициите в соларните ферми могат да бъдат защитени от последиците от мълния.

Характеристики на мълниите и анализ на риска
Мълнията идва от няколко различни източника, но най-разпространения е от облачните системи, свързани с бурята. Най-забележимият облак, който създава мълния, е гръмотевичният облак. Често пъти е под формата на наковалня на 12km над земята. Има два вида разряди на мълнии – в облака и извън облака, като тези вътре в облака са 80-90% от всички мълнии и гръмотевици. Те представляват разряди между участъци от облака, но ударите не достигат до земята, а остават в облака или между облаците. Останалите 20% от ударите са между облака и земята и тези мълнии са от значение за енергийните системи. От ударите от облаците до земята, 90% са отрицателни мълнии, а останалите 10% са положителни мълнии. Във всички случаи мълнията пренася заряд от една точка в друга. Това прехвърляне на заряд се измерва в кулони (C) и типичен трансфер съдържа приблизително от 1С до 5С.

Терминът мълния се използва за означаване на цялото събитие. Терминът удар се използва за обозначаване на един разряд. При типична мълния много често се появяват от 1 до 15 удара. Цялата светкавица може да отнеме до 1/3 от секундата.

Общите характеристики на мълнията са продължителност 200-300ms, време до пик 5µs, интервал между ударите 60ms, удари/мълнии 3-5, заряд на трансфер 20С, енергия 1010J. Характеристиките на първия удар са върхов ток 30kA, време до пик 5µs, заряд на трансфер 5С. Характеристиките на следващите удари са върхов ток 1-15kA, време до пик 0.3-0.6µs, заряд на трансфер 1С.

Мълнията или ударът се превръщат във вълна, само когато техният заряд се прехвърли върху електрическата система. В този момент формата на вълната частично зависи от характеристиките на удара и отчасти от импеданса на системата. Напрежението на мълнията представлява най-големият риск за изолацията на електроенергийните системи. Дори и малки токове на удара могат да генерира вълна с напрежение 1000kV, което е повече от достатъчно, за да мине през повечето изолатори или да пробие много изолации на оборудването.

Националната асоциация за противопожарна защита и Международната електротехническа комисия (IEC-62305) препоръчват на проектантите на фотоволтаични инсталации да направят преглед на риска от мълния, за да се установи базова линия за системи за мълниезащита. С други думи, проектантът или собственикът трябва да извърши анализ на разходите и ползите и да реши какъв тип мълниезащита трябва да се добави към масива от панели.

Нивото на риска може да се установи чрез сравняване на вероятността от попадане на директна мълния в соларната ферма - това, което е известно на регионално ниво (брой светкавици на квадратен километър на година) - и рисковите параметри на съоръжението. След безопасността на хората, рискът, свързан със загубата на производство на електроенергия (непрекъснатост на услугата), трябва да бъде първият проблем за решаване при определяне на необходимостта от ефективна система за защита от мълнии.

Целта на защитата от мълнии не е да спре удара от мълния, а да контролира пътя на мълнията, след като удари.

Щети, причинявани от мълния
Повечето електрически и електронни повреди във фотоволтаичните инсталации в островен режим и включени в електрическата мрежа не се дължат на пряк удар от мълния. Всъщност директните удари са рядкост. Повечето повреди се получават от близки удари, обикновено в рамките на няколкостотин метра. Ако не са защитени сградата и окабеляването на PV масива, близък удар може да предизвика хиляди волта върху тях. При удар в земята, той може също да се разпространи и да се придвижи чрез заземени проводници, като тръби и подземни кабели. Противно на общоприетото схващане, самите панели не са най-голямата жертва, а инверторите и контролерите. Рамките и стойките на панелите обикновено са заземени и често отвеждат мълнията директно към земята, запазвайки панелите. Освен това батериите на повечето островни фотоволтаични системи действат като сравнително добър предпазител при пренапрежение, ако имат добри връзки и добра основа, но може да се повреди контролера. Ако батерията не е заземена, щетите могат да бъдат много по-тежки.

Фотоволтаичната инсталация може да бъде засегната директно и това въздействие може да доведе до експлозия, изгаряне или пълно унищожаване. Алтернативно, щетите могат да бъдат индиректни, когато токът от въздействието на мълнията преминава през или близо до нея. Понякога токът може да влезе в сграда, да се прехвърли чрез проводниците или водопроводните системи и да повреди всичко по пътя си. По същия начин в градските райони мълнията може да удари стълб или дърво.

Много е важно да се отбележи, че светкавицата не трябва да удря директно, за да причини щети. Всъщност, поради електромагнитния импулс, свързан с големите удари, статичните и електрическите полета, които се появяват, причиняват по-голямата част от щетите в незащитеното електрическо и електронно оборудване. При близък удар, окабеляването в сградата или фотоволтаичната система действа като антена, а ако те не са защитени и/или не са заземени, могат да захранят с хиляди волта обратно инвертора и друго оборудване.

Заземяване
Заземяването е най-фундаменталната техника за защита срещу повреди от мълнии. Не може да се спре мълния, но може да и се даде директен път, който заобикаля ценно оборудване и безопасно отвежда мълнията в земята. Електрическата пътека към земята непрекъснато освобождава статичното електричество, което се натрупва в надземна структура. Често на първо място това предотвратява привличането на мълния.

Защитите от свръхнапрежение са предназначени за защита на електронно оборудване чрез абсорбиране на електрически вълни. Катодните отводители от друга страна не абсорбират и не спират мълнията, а я пренасочват към земята. Ограничават напрежението, произведено от мълнията, и предпазват само оборудването, електрически свързано паралелно с тях. Тези устройства обаче не са заместител на доброто заземяване. Те функционират само във връзка с ефективно заземяване, което е важна част от инфраструктурата за окабеляване.

Първата стъпка при заземяването е да се изгради път за разреждане на мълнията в земята чрез свързване на всички метални структурни компоненти и корпуси, като рамки на PV модули, монтажни стойки и др. Трябва да се обърне специално внимание на закрепването на медния проводник към алуминиевите структурни елементи. Добре е да се използват съединители, обозначени с „AL/CU“, и крепежни елементи от неръждаема стомана, които намаляват възможността за корозия. Заземителните проводници на постояннотоковите и променливотоковите вериги се свързват също към тази система за заземяване.

Заземяващи пръти и мълниеотводи
Най-слабият аспект на много заземителни инсталации е връзката със самата земя. Необходимо е да се забие в земята прът от проводящ, некорозивен метал (обикновено мед) и по-голяма част от повърхността му да има контакт с проводяща (т.е. влажна) почва. По този начин, когато статичното електричество или вълната се спуснат надолу по линията, мълнията може да се отведе в земята с минимално съпротивление. На сухо място, трябва да се използва всяка възможност за инсталиране на допълнителни пръти, проводник под земята и др.

„Мълниезащитните пръти“ са устройства за статично разреждане, които се разполагат над соларни електрически масиви и се свързват към земята. Те са предназначени да предотвратят натрупването на статичен заряд и евентуална йонизация на околната атмосфера. Мълниеотводите могат да помогнат за предотвратяване на удар и могат да осигурят път за много голям ток към земята. Съвременните устройства са с форма на острие, често с множество точки. Мълниезащитните пръти обикновено се използват само на места, които изпитват екстремни електрически бури.

Окабеляване и техника „усукана двойка“
При изграждане на окабеляване, едната страна на постояннотоковата захранваща система трябва да бъде свързана към земята. Променливата част на такава система също трябва да бъде заземена по конвенционалния начин. От съществено значение е минусовият и неутралният проводници да бъдат свързани към земята само в една точка в съответните им системи, и двете до една и съща точка в заземителната система. Това се прави на централния панел за управление.

Мрежовото окабеляване трябва да използва минимални дължини на проводника, закрепени в металната рамка. Положителните и отрицателните проводници трябва да бъдат с еднаква дължина и да се изпълняват заедно, когато е възможно. Това ще сведе до минимум индукцията от пренапрежение между тях. Металната тръба (заземена) също добавя слой на защита. Проводник от 30m или повече е като антена - той ще получи вълни дори от светкавиците в облаците. Подобни вълни все още могат да възникнат, дори ако проводниците са под земята.

Една проста стратегия за намаляване на чувствителността към удари е техниката „усукана двойка“, която помага да се изравнят и да се отстранят всички предизвикани напрежения между два или повече проводника.

За всички комуникационни или контролни кабели е необходимо да се използва кабел с усукана двойка или екраниран кабел с усукана двойка, който има метално фолио, обкръжаващо усуканите проводници. Екрана на кабела трябва да се заземи само на единия край, за да елиминира възможността за създаване на земна верига в окабеляването.

Допълнителна защита от мълнии
Ударът от мълния може да причини вълна в системата за захранване по два начина. Първият е чрез пряк удар на фазата, а вторият е с близък удар в земята, което води до индуциране на вълна в системата. Във втория случай вълната, предизвикана от мълнията, е с много по-ниска амплитуда. Защитата от пренапрежение предпазва захранващите системи от пряка и непряка вълна чрез отклоняване на заряда и енергията към земята. Тъй като катодният отводител има съпротивление дори в проводящо състояние, той не намалява амплитудата на вълната до нула. Вместо това я намалява до ниво, което по принцип не трябва да повреди оборудването. В някои случаи вълната се движи надолу по системата, след като е прихваната, и все още може да нанесе щети. Това е особено вярно в случая, когато вълната дойде в отворена верига и се удвои поради отражения. Ако съпротивлението на земята е твърде високо, ударът може да разруши изолацията между фазите и да причини повреда.

В повечето случаи амплитудата на вълната се намалява до безопасни нива на изолация. Макар и рядко, все пак мълнията може да повреди катодния отводител. Едната възможност е тока от мълнията да премине границата на провеждане на варисторните възли, които са част от основния проводящ механизъм. Другата е пренасянето на заряд, който може да доведе до нагряване на варисторния материал извън неговия капацитет. Катодните отводители трябва да бъдат инсталирани в двата края на всяко продължително прокарване на проводник, което е свързано към всяка част от системата, включително променливотоковите линии от инвертора.

Мълнията може да причини опустошителни повреди на слънчевите панели и защитата трябва да се има предвид по време на етапите на проектиране. Ударите от мълния, независимо дали са преки или косвени, могат да доведат до прекъсване и разходи за идентифициране и замяна на повредените части. Директните удари, макар и рядко, могат да разрушат (разтопят) панели, инвертори и др. Косвените удари, които са по-вероятни, биха предизвикали високи напрежения в системата, които разрушават проводниците, фотоволтаичните панели и компонентите, както и предизвикват опасни искри, които могат да възпламенят запалимия материал.