Защита при коротком замыкании в гелиоэнергетических установках

Текущая ситуация в области стандартизации

Предохранители в гелиоэнергетических установках, помимо обычных свойств, должны отвечать специфическим критериям, соответствующим требованиям международного стандарта IEC 60269-6 (DIN EN 60269-6–VDE 0636-6), а также американского стандарта UL 2579. Оба стандарта относительно недавние, IEC был опубликован в конце 2010 г., а последняя версия UL —в 2011 г. По своим требованиям к предохранителям оба стандарта вполне сопоставимы, а наименования класса эксплуатации gPV даже идентичны [1, 2].

В отличие от предохранителей, срабатывающих только на переменном напряжении, в этих стандартах предусмотрены предохранители, которые предназначаются исключительно для применения в цепях постоянного тока гелиоэнергетических систем. Они способны отключать типичные короткие замыкания в гелиоэнергетических установках, что означает, что они прерывают аварийные токи уже при небольшом превышении своего расчетного тока. Особым требованием в этих стандартах является циклическая прочность. Предохранители, с одной стороны, должны выдерживать экстремальные перепады температур, с другой — успевать за колебаниями нагрузки в широких пределах. Это не только требует специального выполнения плавкого проводника внутри предохранителя, но и ставит соответствующие задачи перед разработчиками его конструкции. В конечном счете, постоянное изменение нагрузки, вызванное частым перемещением облаков, не должно приводить к его срабатыванию.

Впрочем, небольшое различие между обоими стандартами все же существует: международный стандарт устанавливает, что предохранитель gPV должен отключать 1,45-кратный расчетный ток в течение 1 ч (I_n ≤ 63 A) при нормальных условиях, в то время как американский стандарт UL указывает 1,35-кратный расчетный ток как референсное значение. По определению, это учитывается и стандартом IEC: в одном из примечаний к нему указывается, что предохранители в практическом применении без проблем отключают 1,35-кратный расчетный ток за время <2 ч.

По европейским нормам разработчиками предохранителей все же принимается положение о том, чтобы рассматривать 1,35-кратный расчетный ток как референсное значение минимального тока отключения.

Предохранители гелиоэнергетических установок по стандарту UL (и, вполне возможно, будущие предохранители по стандарту IEC) при равном расчетном токе оказываются несколько менее инерционными. Они срабатывают быстрее при том же аварийном токе, что необходимо учитывать при планировании проекта защиты. Рисунок иллюстрирует данное различие.

Рисунок. Диапазоны работы и отключения предохранителей gPV по данным IEC и UL

Более быстрое отключение достигается путем увеличения внутреннего сопротивления предохранителя, что, в свою очередь, приводит к повышению мощности, отдаваемой предохранителями, и к увеличению температуры их корпусов, чего, разумеется, никто не желает для своей установки. Однако и это учитывается в стандартах различными рекомендациями по построению защиты.

Это рекомендуется стандартом

Путем практического сопоставления тока срабатывания предохранителя и тока короткого замыкания модуля выбор расчетного тока фазного предохранителя оказывается, собственно говоря, весьма прост. При испытании на устойчивость модуля к обратному току изготовитель определяет максимально возможный расчетный ток, при котором модуль выдерживает без воспламенения нагрузку, соответствующую 135% этого номинального значения в течение 2 ч (DIN EN 61730-2). Если теперь в установке будет использован предохранитель с максимальным расчетным током, гарантируется его отключение при аварийном токе, равном 1,35-кратному расчетному току, за время менее 2 ч [3].

Зачастую, однако, оптимальная цель защиты может быть достигнута и при меньшем значении расчетного тока. Так, стандарт IEC 60269-6 рекомендует в приложении BB расчет на основе фактического тока короткого замыкания установки. При условии интенсивности излучения 1200 Вт/м² и температуры окружающего воздуха +45 °C при 1,4×ISC, как правило, может быть получен более низкий расчетный ток.

Если речь идет о предохранителях по стандарту UL 2579, то они выбираются в соответствии с Национальными правилами эксплуатации электротехнического оборудования (NEC) при 1,56×ISC. Тем самым здесь учитывается и более высокая интенсивность излучения, и более высокая температура окружающего воздуха (до +40 °C), а также более низкий ток длительной нагрузки предохранителей UL. Сходной может быть рекомендация в будущем стандарте IEC 60269-6.

Перед предохранителем панели, наряду с защитой линии, также ставится задача защиты гелиоэнергетического модуля от недопустимого обратного тока. Предохранитель модуля как центральный предохранитель перед входом инвертора предназначается для защиты линий гелиоэнергетической установки. Максимальный расчетный ток предохранителя панели (табл. 1) или модуля ориентируется на ток длительной нагрузки линий или кабелей гелиоэнергетической установки (DIN VDE 0100-430). В проектах стандарта IEC 62548 для обоих случаев применения предохранителя рекомендуется расчетный ток, равный от 1,25 до 2,4×I_SC [4, 5].

Расчетное напряжение предохранителя ориентировано на напряжение холостого хода цепи модуля: в пересчете на минимальную температуру (–25 °C) оно должно составлять не менее 1,2-кратного напряжения холостого хода UVO STC.

Это рекомендуется компанией SIBA

В статье SIBA «Всего четыре шага до подходящего предохранителя гелиоэнергетической установки», ввиду отсутствия рекомендации в стандарте 2009 г., представлена пространная схема расчета величины расчетного напряжения и расчетного тока предохранителей. Были включены все параметры, оказывающие влияние на расчет предохранителя, и, с небольшим изменением, эта схема была внедрена в практику [6] (табл. 2).

Определение расчетного напряжения предохранителя U_n:

U_n ≥ U_{OC ARRAY} × [1+(DJ × темп.коэфф.U_{OC ARRAY})],

где U_{OC ARRAY} — напряжение холостого хода цепи модуля.

Определение расчетного тока предохранителя I_n:

I_n ≥ I_SCmax/K_TH/A₂/K_ZS,

где I_SCmax — максимальный ток короткого замыкания модуля (с учетом повышенного излучения); K_TH — поправка на температуру окружающей среды; A₂ — поправка на циклическую нагрузку; K_ZS — поправка на секционирование.

Зачем предохранители гелиоэнергетической установке?

Правильно рассчитанный предохранитель защищает ценную гелиоэнергетическую установку. Долгие годы он следит за ее узлами, не требуя при этом никакого текущего ремонта. Возникает короткое замыкание — он срабатывает, если же, напротив, облачность не проходит, он остается наготове.

«Состарился» ли кабель или имеются повреждения модулей и возникают электрические дуги? Никаких проблем, в своей зоне защиты предохранитель обеспечивает быстрое отсоединение неисправной части установки.