4.7 Молниезащита для фотоэлектрических систем (PVS),установленных на открытом пространстве

Техническое руководство

            Установка солнечных электростанций на открытом пространстве позволяет получать на выходе гораздо большую мощность – до 100 МВт и выше. При стабильной работе (минимум 20 лет), минимизации потерь и «зеленом тарифе» это позволяет рассчитывать на окупаемость инвестиций.
     Для начала требуется оценка риска, возникающего в результате удара молнии, и принятие мер защиты, ведь PV-системы подвергаются воздействию погодных условий, таких как грозы, на протяжении десятилетий.

       4.7.1 Необходимость системы молниезащиты
     Существует связь между солнечным излучением, влажностью воздуха и частотой разрядов молнии. Регионы с высокой солнечной радиацией и влажностью воздуха более подвержены такой опасности. Потому региональная частота ударов молнии (на квадратный километр в год), расположение и размеры PV-электростанции составляют основу для расчета вероятности удара.
     Как и ранее, риск, связанный с ударом молнии, должен определяться в соответствии со стандартом ДСТУ EN 62305-2, и результаты этого анализа должны учитываться на этапе проектирования. В результате должна получиться технически и экономически оптимизированная концепция молниезащиты, которая понимается всеми участвующими сторонами и обеспечивает необходимую защиту по разумным ценам.
     Повреждение PV-систем происходит как от прямого удара молнии, так и от индуктивного или емкостного ввода импульсов напряжения, вызванных электромагнитным полем молнии. Импульсы молнии также вызывают преждевременное старение фотоэлементов, силовых полупроводников во входных и выходных цепях, в сети системы данных. Кроме того, импульсы перенапряжения, возникающие в результате коммутации на стороне переменного напряжения, также могут привести к повреждению PV-модулей, инверторов, контроллеров заряда и их систем мониторинга и связи.
     Все это приводит к увеличению затрат на замену и ремонт, т.е. к снижению доходности электростанции. Кроме того, сетевые операторы устанавливают требования к непрерывности и доступности произведенной энергии, а банки и страховые компании требуют применения молниезащиты (минимум класс LPS III) для PV-систем мощностью более 10 кВТ.
     Для обеспечения эффективной защиты требуется система с оптимально скоординированными элементами (молниеприемники, система заземления, уравнивание потенциалов молнии, устройства защиты от перенапряжений для источников питания и систем передачи данных).

       4.7.2 Молниеприемники и токоотводы
     Для предотвращения прямых ударов молнии PV-системы должны быть расположены в защищенном пространстве системы молниеприемников. Применение методов фиктивной сферы и защитного угла (рис. 4.6.2) дает возможность для определения их количества.
     Молниеприемники образуют защищенное пространство над модульными стойками, рабочими зданиями и кабелями. Из-за возможного индуктивного ввода помех следует устанавливать распределительные коробки генераторов, закрепленные на модульных стойках, или микроинверторы как можно дальше от молниеприемников и токоотводов. Высокие мачты, на которых установлены системы видеонаблюдения (CCTV), также действуют как молниеприемники. При этом сама система видеонаблюдения должна быть установлена таким образом, чтобы она находилась в защищенном пространстве мачты.
     Все токоотводы должны быть подключены к клеммам системы заземления. Выводы заземления должны быть коррозионно-стойкими (нержавеющая сталь), особенно в точке, где они выходят из почвы или бетона. Контактные клеммы из оцинкованной стали должны быть защищены соответствующими мерами, термоусадочными втулками или специальными лентами.
     Для механической фиксации стержни молниеприемников можно подключать к стойкам PV-модулей. К системе заземления они могут быть подключены через фундаменты, опорные на сваи, что облегчает последующее обслуживание.

       4.7.3 Система заземления
     Система заземления формирует основу для реализации эффективных мер защиты от молнии и импульсных перенапряжений на PV-электростанциях, для которых в стандарте ДСТУ 62305-3 рекомендуется заземление типа A. В любом случае сопротивление заземления должно быть менее 10 Ом.
     Сетка из провода диаметром 10 мм из нержавеющей стали, с размером ячеек от 20 м×20 м до 40 м×40 м, проложенная ниже линии замерзания, долговечна и доказала свою эффективность на практике. Металлические стойки могут использоваться как часть системы заземления. Стандарту ДСТУ EN 62305-3 рекомендует, чтобы металлические стойки были соединены друг с другом.
     Системы заземления PV-генераторов и рабочих зданий должны быть связаны между собой плоской полосой (30 мм×3,5 мм) или круглой проволокой (Ø 10 мм) (нержавеющая сталь, или медь, или оцинкованная сталь). Эта взаимосвязь отдельных систем заземления снижает общее сопротивление заземления. К тому же создается система уравнивания потенциалов тока молнии, что при разряде молнии значительно снижает разность напряжений на электрических соединительных линиях между массивом
PV-элементов и рабочим зданием.
     Чтобы сохранить работоспособность системы заземления в течение многих лет, необходимо учитывать влияние коррозии, влажности почвы и мороза. Потому для расчета длины заземляющего электрода следует учитывать только область ниже линии замерзания (2.5 м). Металлические монтажные системы для установки PV-модулей, со свайным или винтовым основанием, должны быть соединены друг с другом и с системой заземления (рис. 4.7.1).

     Каждая PV-матрица также должна быть соединена с заземлением таким образом, чтобы она могла переносить токи молнии (с помощью проволоки из нержавеющей стали толщиной 10 мм).

       4.7.4 Система уравнивания потенциалов
     Соединение всех металлических систем для выравнивания потенциалов тока молнии дает возможность переносить ими молниевые токи. Если модули, кабели и здания расположены в защищенном пространстве системы внешней молниезащиты, можно ожидать, что прямые токи молнии не будут вводиться в линии. Если соединение с оператором распределительной сети (DNO) установлено на уровне низкого напряжения, эта точка подключается к основной шине заземления (MEB) через разрядники тока
молнии типа 1, поскольку присутствуют частичные токи молнии. То же самое относится к входящим телекоммуникационным кабелям, для которых должны быть установлены разрядники типа 1.

       4.7.5 Установка УЗИП
     В случае удара молнии во внешнюю систему молниезащиты, на всех электрических проводниках индуцируются импульсы высокого напряжения, а частичные токи молнии поступают во всевозможные кабели (постоянного напряжения, переменного напряжения, кабели данных). Величина частичных токов молнии зависит, например, от типа системы заземления, удельного сопротивления грунта на месте и типа кабелей.
     В случае электростанций с центральным инвертором, кабели постоянного напряжения направляются в здание, где стоит инвертор (рис. 4.7.2).

     Частичный ток молнии через кабель постоянного напряжения может проникнуть в инвертор. Потому на стороне постоянного напряжения требуется установка УЗИП типа 1 с минимальным разрядным током Itotal 10 кА (10/350 мкс). Также этот тип УЗИП применим и в отношении возможных обратных токов.
     Дело в том, что в PV-системах с центральными инверторами от обратных токов защищают предохранители. Максимальный доступный ток зависит от фактического солнечного излучения. В некоторых рабочих состояниях плавкие предохранители срабатывают через несколько минут (рис. 4.7.3).

     Поэтому устройства защиты от перенапряжений, установленные в распределительных коробках генератора, должны быть рассчитаны на возможный общий ток, состоящий из рабочего тока и обратного тока, и обеспечить автоматическое отключение без возникновения дуги в случае возможной перегрузки. В остальном выбор и особенности применения УЗИП такие, как для PV-систем с установкой на крыше здания (разделы 4.6.4 – 4.6.7).

       4.7.6 PV-электростанции с децентрализованными микроинверторами
     На распределение тока молнии оказывают влияние вид и количество силовых кабелей (центральный инвертор или децентрализованные микроинверторы). В PV-электростанции с децентрализованными микроинверторами большинство силовых кабелей устанавливаются на стороне переменного напряжения, а сами инверторы устанавливаются в поле, под модульнымистойками соответствующих солнечных генераторов. Из-за близости к модулю преобразователь выполняет еще и функции распределительных коробок. В этом случае силовые кабели используются в качестве эквипотенциального соединительного проводника между локальным потенциалом земли массива PV, пораженным молнией, и удаленной эквипотенциальной поверхностью подающего трансформатора. Единственное отличие от установок с центральными инверторами заключается в том, что в случае PV-систем со микроинверторами, частичные токи молнии поступают в линии переменного тока. Поэтому там устанавливаются разрядники типа 1 возле самих микроинверторов, и на стороне низкого напряжения подающего трансформатора.
     Для стороны постоянного напряжения достаточно УЗИП типа 2. Если заземляющая система, преобразователи и связанные с ними PV-матрицы образуют локальную эквипотенциальную сеть, не стоит ожидать, что молниевые токи проникнут на сторону постоянного напряжения. Кабели переменного напряжения от этих наружных инверторов соединяются в монтажных коробках. Если там установлены разрядники типа 1, они защищают все выходы преобразователя до расстояния 10 м. Далее полевые кабели переменного напряжения направляются в здание, где мощный комбинированный разрядник типа 1 и типа 2 защищает электрооборудование на точке подключения к сети.

       4.7.7 УЗИП для информационных и технологических систем
     Данные в полевых условиях, а также данные, полученные от дистанционного обслуживания оператором станции, измерения и контроль мощности от PV-сетки, собираются в операционном здании. Чтобы обслуживающий персонал смог конкретно определить причины сбоя с помощью дистанционной диагностики и устранить их на месте, необходимо обеспечить надежную передачу данных в любое время. Система контроля, блок сбора данных о погоде, система защиты от краж и внешняя система связи основаны на различных физических интерфейсах.
     В случае электростанций с центральными инверторами в поле устанавливаются распределительные коробки с дополнительными измерительными датчиками. В случае электростанций с микроинверторами их интегрированная система контроля берет на себя эту задачу. В обоих случаях измеренные значения из поля передаются через интерфейсы данных. Линии данных из служебной комнаты устанавливаются вместе с силовыми кабелями. Из-за коротких длин линий систем полевых шин кабели данных индивидуально направляются поперек к модулям. В случае прямого удара молнии эти поперечные соединения также несут частичные токи молнии, которые могут повредить входные цепи и вызвать переключение на силовые кабели. Большие индукционные петли формируются за счет взаимодействия силовых кабелей, рядов металлических модулей и линий данных (рис. 4.7.4).

     Это идеальная среда для переходных процессов, вызванных разрядами молний, которые могут проникнуть в эти линии. Такие пики напряжения способны превышать прочность изоляции/диэлектрическую прочность систем, что приводит к повреждению оборудования. Следовательно, УЗИП должны быть установлены в этих распределительных коробках контрольных генераторов или децентрализованных микроинверторах для защиты передачи данных. Кабельные экраны должны быть подключены ко всем точкам подключения заземления. Если требуется предотвратить блуждающие токи, применяют косвенное заземление.
     Постоянная защита от молнии и перенапряжения для всех систем позволяет значительно увеличить коэффициент производительности PV-электростанций, поскольку сокращается время технического обслуживания и затраты на ремонт и запасные части.