Ar Jūsų saulės elektrinė saugi?

Įvadas

Mes žinome saugiklius ir „saugiklius“. Netinkamo elektrinio saugiklio naudojimas elektros grandinėje gali sukelti jo sprogimą ir (arba) greta esančių prietaisų sugadinimą. Didesnės pasekmės gali atsirasti sugadinus apsaugomą prietaisą – transformatorių, keitiklį arba elektros instaliaciją. Straipsnyje pristatysime saugiklių veikimą nuolatinės srovės elektros grandinėse bei keletą saugiklių naudojimo pavyzdžių fotovoltinėse sistemose, prijungtose prie viešojo tinklo.

Kodėl turėtume naudoti saugiklį?

Saugiklis yra tik vienas iš daugelio elektros instaliacijos įrenginių, kurie yra „aukojami“ , norint apsaugoti elektros grandinę. Saugikliai suprojektuoti taip, kad jie galėtų nutraukti elektros grandinę, jei joje atsiranda per didelė elektros srovė. Tai gali atsitikti dėl perkrovos ar bet kokio kito gedimo. Tokiu būdu, nutraukus grandinę, išvengiama tolesnių kitų grandinės elementų pažeidimų, kurie galėtų atsirasti, jei apsauginis įtaisas nebūtų įtrauktas – šiuo atveju saugiklis. Kaip jau buvo minėta, saugiklis tam tikra prasme yra aukojamas, nes jis sugadinamas ir turi būti pakeistas. Tinkamai parinktas saugiklis gali užkirsti kelią gaisrui ar likusiai žalai, kai jungiamasis kabelis netikėtai pažeidžiamas (pavyzdžiui, elektros grandinėje fotovoltinis modulis - keitiklis), jei jungiamasis kabelis susiliečia su įžeminimo gnybtu, jei atsiranda trumpasis jungimas dėl atsilaisvinusio varžto ar (ir) jei izoliaciją pažeidžia gyvūnas.

Saugiklių kategorijos

Saugikliai skirstomi pagal vardinę srovę, vardinę įtampą, vardinę atjungiamąją gebą ir taip pat pagal tai, ar jie tinkami naudoti kintamosios srovės (AC) ar nuolatinės srovės (DC) elektros grandinėse.
Vardinė (nominali) saugiklio srovė yra srovės vertė, kurią jis gali atlaikyti be pablogėjimo nurodytomis sąlygomis.
Vardinė (nominali) įtampa yra įtampos vertė, prie kurios saugiklis gali užgesinti esamą lanką, nieko neperduodamas į aplinką.
Vardinė atjungiamoji geba yra srovės vertė, kurią saugiklis gali nutraukti nurodytoje įtampoje pagal nustatytas naudojimo sąlygas.

Ar AC ir DC saugikliai yra vienodi?

Ne, jie nėra vienodi. Jų lydieji elementai, kaip svarbiausios kiekvieno saugiklio dalys, yra skirtingi. Kai lyginame AC ir DC srovių nutraukimo gebą, turėtume žinoti, kad AC sąlygomis srovės vertė per sekundę daugiau nei dešimt kartų kerta nulio vertę, todėl elektros lanko užgesinimas yra lengvesnis. DC srovės nutraukimas vyksta daug sunkiau, nes trumpasis jungimas teka tik viena kryptimi, kol pasiekiamas lanko užgesinimas. DC saugiklių lydieji elementai turi būti suprojektuoti taip, kad jie galėtų nutraukti srovę elektros grandinėje su „pakankama galia“, jei per didelė srovė teka ilgą laiką. Tai turėtų įvykti kuo trumpesniu laiku, kad būtų užgesintas tuo metu atsiradęs elektros lankas. DC saugikliai yra santykinai sudėtingi elementai, turintys daug ypatybių. Dėl to DC saugiklių kaina yra šiek tiek didesnė nei įprastų saugiklių. Kai kurie saugikliai yra pažymėti kaip AC ir taip pat su DC leistina vardine įtampa. Žemos įtampos saugikliai (saugikliai, naudojami daugiausia pramonėje, žr. standartą IEC 60269-2, Ed.3, 11/2006) turi minimaliai apibrėžtą atjungiamąją gebą 50kA AC ir 25kA DC. Saugiklių atjungiamoji geba elektros grandinėje su didesne laiko konstanta (kur naudojami dideli DC varikliai, pavyzdžiui) turėtų būti tinkamai pritaikyta – sumažinta. Žinoma, tai taip pat veikia ir atvirkščiai - tinkluose, kuriuose nesitikima didelės induktyvumo, pavyzdžiui, baterijų maitinimo šaltiniuose, galime tikėtis didesnės atjungiamosios gebos nei nominali. Saugiklio atjungiamoji geba turi būti vertinama atsižvelgiant į laiko konstantą, kuri taikoma aptariamam elektros grandinės momentui.

Laiko konstanta ir jos įtaka

Praktikoje apsauginiai įtaisai, tokie kaip grandinės pertraukikliai ar saugikliai, gali veikti netinkamai, jei elektros grandinės laiko konstanta yra per didelė. Kitaip tariant, apsauginis įtaisas negali užgesinti lanko. Per didelės laiko konstantos gali būti labai nepatogios apsaugos įtaisų tikslumui. Problemų taip pat gali kilti esant mažesnėms įtampoms nei nominali ir trumpųjų jungimų srovėms, kurios yra mažesnės nei nominali apsauginio įtaiso pertraukimo geba. Didėjant jungiamojo kabelio ilgiui, didėja ir elektros grandinės varža. Didėjant atstumui tarp lygiagrečių jungiamųjų kabelių (teigiamo ir neigiamo poliaus), didėja ir induktyvumas. Panašiai atsitinka ir su talpa, tačiau jos vertė nėra vienoda. Trys minėti veiksniai (varža - R, induktyvumas - L, talpa - C) lemia elektros grandinės laiko konstantą T, kuri išreiškiama milisekundėmis (ms). Turime atkreipti ypatingą dėmesį į visų elektros grandinės elementų praktinio surinkimo metodą.

Ar DC saugikliai naudingi atsinaujinančios energijos šaltiniuose?

Taip, tai yra viena iš sparčiausiai besivystančių sričių ir viena iš svarbiausių elektros energijos gamybos sričių yra neabejotinai saulės (fotovoltinė PV) energijos gamyba. Elektros energija gaminama saulės elektrinėse, kur puslaidininkinės saulės elementai tiesiogiai paverčia saulės šviesą į elektros energiją. Standartinės fotovoltinės sistemos, prijungtos prie viešojo elektros tinklo, elektros instaliacijos schema parodyta Paveikslėlyje 3. Toliau fotovoltinių sistemų elementai bus apibrėžti kaip PV (iš žodžio Photo Voltaic), pvz., PV saugikliai, PV moduliai, PV sistema ir kt.

Paveikslėlis 3

Saugiklių naudojimas PV sistemose skiriasi. Tai daugiausia priklauso nuo atskiros valstybės reglamentų ir techninės praktikos. JAV, Kanadoje ir Meksikoje jie daugiausia laikosi dokumento - reglamento pavadinimu „Fotovoltinės energijos sistemos – siūlomos praktikos“, kai projektuoja PV sistemas. Dokumentą parengė NEC (Nacionalinis elektros kodeksas). Privaloma naudoti PV saugiklius visose PV sistemose, kurios yra prijungtos prie viešojo elektros tinklo. Situacija Europoje yra gana skirtinga. Vokietijoje žmonės yra gana skeptiški dėl specialių saugiklių naudojimo PV sistemose, tačiau situacija Ispanijoje ir Italijoje yra kitokia. Po problemų, kurios atsirado praeityje (sudegęs paskirstymo skydelis – žr. paveikslėlį 4), jie nusprendė, kad saugiklių naudojimas yra privalomas.

Paveikslėlis 4

Prieš tęsiant PV sistemų trumpojo jungimo apsaugos aprašymą, trumpai panagrinėsime saulės instaliacijos komponentų funkciją. Norint gaminti elektros įtampą (energiją) iš saulės energijos, naudojame puslaidininkinius (monokristalinius arba polikristalinius) silicio saulės elementus, kurie generuoja elektros įtampą, jei jie yra veikiami saulės šviesos. 12,5 x 12,5 cm dydžio saulės elementai generuoja apie 0,6V įtampą ir iki 3,5A elektros srovę. Norint pasiekti didesnę įtampą, saulės elementus reikia sujungti nuosekliai. Tokie sujungti saulės elementai vadinami „PV moduliais“

Jie jau yra surinkti PV modulių gamintojo, kur keli moduliai yra sujungti ir pasiekia nuo 1,5 iki 2,5 m² paviršių. Toks modulis generuoja nuo 30V iki 60V DC įtampą. Vieno modulio pasiekta įtampa yra apie 30V DC. Ši įtampa yra pastovi ir keičiasi tik tada, kai saulės šviesa nepasiekia PV modulio. Modulis taip pat generuoja išėjimo srovę, kurios vertės yra nuo 4A iki 7A, priklausomai nuo PV modulio tipo. Norint pasiekti didesnes sroves, PV modulius reikia sujungti lygiagrečiai – gauname „stringus“ ir pasiektos išėjimo srovės yra nuo 25A iki 35A. Ši srovė tada sujungiama su „DC/AC keitikliu“. Tai yra elektroninis įtaisas, kuris konvertuoja DC sroves (įtampą) į AC srovę (įtampą). AC srovė/įtampa perduodama į viešąjį elektros energetikos tinklą per likusius elementus – galvaninį izoliuotą transformatorių, elektros matavimo sistemą ir pagrindinį automatinį išjungiklį. Paveikslėlyje Paveikslėlis 3 parodyta, kad daugiau modulių yra sujungti nuosekliai. TELEGRON, ETI partneris Ispanijoje, instaliuoja pagal šią schemą. PV paskirstymo dėžės pavyzdys pateiktas paveikslėlyje Paveikslėlis 8.

TELEGRON naudoja du apsaugos lygius PV sistemose:

Pirmasis apsaugos lygis – kai specialūs saugikliai DC trumpųjų jungimų atjungimui montuojami šalia PV panelių (toliau CH10 gPV), įdėtų į cilindrinį išjungiklį tipo PCF DC, žr. paveikslėlį Paveikslėlis 9.

ETI d.d. Izlake yra išskirtinis PV sistemų paskirstymo dėžių gamintojo TELEGRON tiekėjas iš Ispanijos (žr. paskirstymo dėžę paveikslėlyje Paveikslėlis 8). Šie cilindriniai išjungikliai yra išbandyti esant nominaliai 1000V DC įtampai. Pirmasis lygis leidžia fizinį ir elektrinį kiekvienos panelės atskyrimą. Svarbu pabrėžti, kad išjungiklis yra įdėtas tiek į teigiamą, tiek į neigiamą polių. TELEGRON praktikoje, parodytoje paveikslėlyje Paveikslėlis 9, septyni moduliai yra sujungti į stringą. Jų trumpojo jungimo apsaugai būtina turėti 14 PCF DC išjungiklių, kuriuose yra tinkami CH 10 DC saugikliai su gPV charakteristika.

Antrasis apsaugos lygis paprastai yra šalia įtampos keitiklio įėjimo ir yra sujungtas su cilindriniais išjungikliais iš pirmojo lygio. Saugikliai, paprastai NV DC su nominalia DC įtampa 750V ar didesne, yra įdėti šalia NH atjungiklio, kuris leidžia saugiai ir greitai atskirti keitiklį ir visą vienkryptę dalį su PV panelėmis. Šiame lygyje naudojami NV DC saugikliai su DC įtampa nuo 750V iki 1100V DC. Jie taip pat yra ETI d.d. gamybos asortimente. Pateiktas pavyzdys, žinoma, nėra vienintelis galimas variantas.

Šaltiniai:

• NEC „Photovoltaic Power Systems – Suggested practices“
• Vidiniai ETI pranešimai ir žinios
• Vidiniai TELERGON šaltiniai
• Code Corner – Photovoltaic Systems Assistance Center, Sandia National Laboratories