Выбираем предохранитель для гелиоэнергетической установки

После тысяч смонтированных гелиоэнергетических установок можно было бы предполагать, что определение расчетных параметров предохранителей стало повседневностью и входит в стандартный репертуар производителя таких установок. На то, что это далеко не всегда так, указывают рекомендации по предохранителям изготовителей отдельных узлов. Тут производитель модуля рекомендует расчетный ток 20 A, изготовитель инвертера — 16 A, производитель установки — предохранитель на 12 A. В то время как одно расчетное напряжение предохранителя ориентируется на режим холостого хода установки в условиях стандартного испытания (STC), другое принимает за основу максимальную интенсивность излучения в Испании. Но что же является правильным? Предлагаемая статья должна предоставить каждому пользователю четкие критерии. Путем простого согласования параметров установок или узлов она позволяет, тем самым, выбрать для любого типа установки наилучший из возможных предохранителей.

Представленные здесь расчеты относятся к данным имеющегося гелиоэнергетического модуля. Чтобы пояснить предельные случаи, мы соответственно «модифицировали» некоторые параметры установки — ведь на практике они не так часто встречаются в таком виде. Была выбрана средняя установка общей мощностью 40 кВт с восемью параллельно включенными цепями. Причина этого: у маленьких установок ожидаемые токи короткого замыкания меньше, поэтому защита предохранителями становится целесообразной только при числе цепей более четырех. Данные использованного гелиоэнергетического модуля:

• напряжение при P_max — U_{MPP MOD} = 29,2 В;
• напряжение холостого хода — U_{OC MOD} = 36,4 В;
• ток MPP — I_MPP = 7,9 A;
• ток короткого замыкания — I_{SC MOD} = 8,7 A;
• температурный коэффициент U_OC — 0,36%/°С;
• температурный коэффициент I_SC — 0,065%/°С;
• максимальная температура ячейки — +70 °С.

Значения относятся к условиям стандартного испытания, исходящим из интенсивности излучения 1000 Вт/м², спектрального распределения AM (воздушной массы) 1,5 и температуры +25 °C. Напряжение и ток модуля представляют собой так называемые MPP-значения, т. е. значения «в точке максимальной нагрузки», полученные при оптимальных условиях. Сводные фактические параметры установки:

• число цепочек — N = 8;
• число модулей на цепочку — M = 22;
• напряжение панели U_{MPP MOD} × М — U_ARRAY = 642 В;
• напряжение холостого хода цепочки U_{OC MOD} × М — U_{OC ARRAY} = 800 В;
• температура в коробке присоединений — +60 °C;
• минимальная температура окружающего воздуха — –25 °C;
• интенсивность облучения — 1200 Вт/м².

Прочие данные рассчитываются в соответствующих главах.

Определение расчетного напряжения предохранителя U_N

За основу определения расчетного напряжения вставки предохранителя принимаем напряжение холостого хода цепочки. Для получения действительно максимального значения оно должно быть пересчитано на минимально возможную температуру воздуха, окружающего модуль. При этом принимается, что испытательное напряжение предохранителя U_P (а не расчетное напряжение) должно быть больше, чем максимальное напряжение холостого хода цепочки. Взгляд на спецификации желаемой вставки предохранителя дает вывод о величине испытательного напряжения. В большинстве случаев (но не всегда) испытательное напряжение предохранителя составляет 1,1-кратное расчетное напряжение.

Определение U_{P min} при –25 °С и, таким образом, с отклонением от STC (+25 °С), равным Dq = +50 °С:

U_{P min} ≥ U_{OC ARRAY} × (1+(Dq × температурный коэффициент U_{OC ARRAY}));

U_{P min} ≥ 800 В × (1+(50 × 0,0036)) = 945 В.

При величине тока MPP 7,9 A и напряжении холостого хода 945 В для защиты цепочки выбираются всережимные вставки предохранителя типа URZ 10×38 мм (рис. 1). Для этого типа предохранителя спецификации изготовителя указывают испытательное напряжение U_P = 1000 В DC и расчетное напряжение U_N = 900 В DC.

Рис. 1. Предохранители серии URZ для гелиоэнергетической установки

Определение расчетного тока предохранителя I_N

Для вставки предохранителя также действительны условия стандартного испытания (STC, они будут упоминаться здесь не только в этой форме). При температурах окружающего воздуха, не равных +25 °C, при эксплуатации с переменными нагрузками, а также при скоплении смонтированных рядом друг с другом цоколей предохранителей необходимо учитывать коэффициенты изменения характеристик. Эти коэффициенты можно найти в спецификациях вставок и цоколей предохранителей. На рис. 2 показана типичная диаграмма снижения характеристик в зависимости от температуры окружающего воздуха: например, для температуры окружающего воздуха +60 °C коэффициент К_ТН = 0,84. Коэффициент учета переменной нагрузки для всережимных предохранителей гелио­энергетических установок А₂ = 0,9. Поскольку цоколи размещаются группами по три предохранителя (снижение параметров из-за тесного скопления цоколей K_ZS = 1), дополнительный учет снижения характеристик не требуется.

Рис. 2. Зависимость коэффициента Kth от температуры окружающего воздуха

На основе тока MPP и понижающих коэффициентов рассчитаем минимальный расчетный ток предохранителя I_{N min}:

I_{N min} = I_MPP/K_TH/A₂/K_ZS;

I_{N min} = 7,9 А/0,84/0,9/1 = 10,5 А.

Выбран I_N = 12 А (как первый шаг итерации).

Из ряда возможных расчетных токов для типа предохранителей выбирается следующий по величине за 10,5 A расчетный ток 12 A. При необходимости следует проверить, удовлетворяет ли этот расчетный ток условиям линейной защиты кабеля цепочки (как правило, линии выбираются скорее с запасом, и такая проверка не требуется).

Испытание и шаги итерации

На следующем шаге выбранный расчетный ток предохранителя должен быть снова снижен с учетом снижения характеристик (I_{N RED}), после чего результат должен быть выше тока короткого замыкания модуля I_{SC MOD}: в конце концов, предохранители исправных цепочек не должны срабатывать при коротком замыкании в дефектной цепочке.

I_{N RED} = I_N × K_TN × A₂ × K_ZS = 12 А × 0,84 × 0,9 × 1 = 9,1 А.

Расчет I_SC при +70 °С (т. е. при отклонении от STC — Dq = +45 °C):

I_SC = I_{SC MOD} × (1+(Dq × температурный коэффициент I_{SC STRING}));

I_SC = I_{SC MOD} × (1+(45 × 0,00065));

I_SC = 9 А.

Учет максимальной воспринимаемой интенсивности облучения I_SC при 1200 Вт/м²:

I_SC = 9 × 1,2 = 10,8 А.

Требование I_{N RED} > I_SC (9,1 > 10,8 А) не выполнено, необходим следующий шаг итерации. Выбор следующего по величине расчетного тока в данном случае — 16 А.

I_{N RED} = I_N × K_TN × A₂ ×K_ZS = 16 А × 0,84 ×0,9 × 1 = 12,1 А.

Расчет I_SC при +70 °С (т. е. при отклонении от STC — Dq = +45 °C) показан выше.

Требование I_{N RED} > I_SC (12,1 > 10,8 А) выполнено. Выбор следующего по величине расчетного тока — 16 А.

Факультативно: определение времени срабатывания предохранителя

Последним шагом проверяем, действительно ли сработает выбранная вставка предохранителя в случае короткого замыкания, и если сработает, то за какое время. Для этого ток короткого замыкания цепочки модулей наносится на времятоковую диаграмму предохранителя (рис. 3) в виде значения STC и в виде реального максимального значения. Суммарный ток короткого замыкания цепочки I_{SC STRING} = I_{SC MOD} × (N–1) — I_{SC STRING} = 60,9 А. Время плавления t_s предохранителя 16 А при I_{SC STRING} (рис. 3) — 1,5 с.

Рис. 3. Времятоковая характеристика выбранного предохранителя гелиоэнергетической установки

Расчет I_{SC STRING} при +70 °С (т. е. при отклонении от STC — Dq = +45 °C):

I_{SC STRING}‘ = I_{SC STRING}» × (1+(Dq × температурный коэффициент I_{SC STRING}));

I_{SC STRING}‘ = I_{SC STRING}» × (1+(45 × 0,00065)) = 62,7 А.

Учет максимальной воспринимаемой интенсивности облучения I_{SC STRING} при 1200 Вт/м²:

I_{SC STRING} = 62,7 × 1,2 = 75,2 А.

Время плавления t_s предохранителя 16 А при I_{SC STRING} (рис. 3) — 1,5 с.

Результат — всего четыре шага для точного определения и надежные эмпирические формулы. Все режимные вставки предохранителей размером 10×38 мм на 900 B DC с расчетным током 16 A выдерживают, с одной стороны, ток длительной нагрузки 7,9 A и отключают ток короткого замыкания цепочки 75,2 A примерно за 0,4 с. Расчетные токи предохранителей >16 A возможны, но требуют нового расчета по приведенной выше схеме.

На первый взгляд, расчет наиболее подходящей вставки предохранителя кажется очень трудоемким, но, в целом, вся необходимая информация собирается всего за четыре шага. Кроме того, проделанные однажды расчеты для одного типа установок или для одного региона позволяют получить коэффициенты, облегчающие последующую повседневную работу.

Так, расчетное напряжение с учетом минимальной температуры –25 °C и соответствующего температурного коэффициента может определяться следующим образом:

U_N или U_{P SICHERUNG} ≥ U_{OC ARRAY} × 1,2.

При определении расчетного тока может быть принята температура в коробке присоединений +60 °C и типичный для гелиоэнергетических установок коэффициент, учитывающий переменную нагрузку, равный 0,9, а также максимальная интенсивность облучения 1200 Вт/м²:

U_{N SICHERUNG} ≥ U_{SC MOD} × 1,4.

Компания SIBA постоянно расширяет свою программу производства, специализирующуюся на гелиоэнергетике (таблица). Так, мы работаем над повышением напряжения при сохранении или даже уменьшении размеров. Возможны также индивидуальные разработки под особые требования.

Примечание: *25 A = 1000