Vấn đề sét và lắp đặt chống sét bảo vệ điện năng lượng mặt trời hộ gia đình

Theo Hiệp hội Công nghiệp Nhiệt điện Nam Phi (SAPVIA), quang điện (PV solar) là công nghệ phát điện phát triển nhanh nhất trên thế giới. Từ năm 2006 đến nay, công suất lắp đặt trên toàn cầu đã tăng trung bình hơn 80% mỗi năm. Những hệ thống này tiếp xúc trực tiếp và chịu đựng với tất cả các điều kiện thời tiết bình thường cũng như cực đoan nhất, và nó phải chịu như thế trong nhiều thập niên. Cáp của hệ thống PV solar thường xuyên đi vào tòa nhà và mở rộng qua các khoảng cách dài cho đến khi chúng nối đến điểm kết nối lưới điện. Việc bảo vệ nó khỏi sét là rất quan trọng nhằm bảo vệ tuổi thọ hệ thống cũng như an toàn về điện.

Hơn 35 GW quang năng được lắp đặt và vận hành trên toàn thế giới, sản xuất hơn 30 TWh năng lượng sạch mỗi năm. Cũng nên biết rằng tái tạo nói chung rẻ hơn và độ độc lập điện so với hệ thống lưới điện, các hệ thống quang năng sẽ trở thành một bộ phận không thể tách rời của việc cung cấp điện năng trong tương lai.

Sét gây ra gây ra hiện tượng nhiễu điện tại chỗ và dẫn điện. Hiệu ứng này gia tăng liên quan với sự gia tăng chiều dài dây dẫn hoặc các cuộn dây dẫn. Sự quá tải đột biến này không chỉ làm hỏng các module PV, bộ biến tần và thiết bị điện tử theo dõi mà còn các thiết bị đầu cuối được lắp đặt. Quan trọng hơn, các máy móc, thiết bị của các tòa nhà, nhà máy công nghiệp cũng có thể dễ bị hư hỏng khiến việc sản xuất có thể bị đình trệ.

Nếu quá áp bị truyền đến các hệ thống cách xa lưới điện, còn được gọi là các hệ thống PV độc lập, hoạt động của các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời như thiết bị y tế, cấp nước ... có thể bị gián đoạn.
 

Sự cần thiết của một hệ thống chống sét trên mái nhà

Năng lượng phát ra bởi sét đánh là một trong những nguyên nhân gây cháy thường xuyên nhất. Do đó, bảo vệ tính mạng con người và phòng cháy là rất quan trọng trong trường hợp sét đánh trực tiếp vào tòa nhà.

Việc lắp đặt mô-đun PV làm tăng nguy cơ sét đánh khi diện tích lắp đặt PV solar tăng lên và nhiễu xạ có thể được truyền đến tòa nhà thông qua các hệ thống này. Do đó, cần phải xác định rủi ro do sét đánh theo IEC 62305-2 (SANS 62305-2) và để đưa kết quả phân tích rủi ro này vào khi lắp đặt hệ thống PV. Với mục đích này, Toàn Minh Technologies cung cấp dịch vụ tư vấn lắp đặt hệ thống chống sét, có thể tiến hành phân tích rủi ro và thiết kế hệ thống chống sét (LPS) cho khu vực.

Các tiêu chuẩn này yêu cầu phải lắp đặt hệ thống chống sét theo cấp LPS III cho các hệ thống PV trên mái (> 10kW) và các biện pháp bảo vệ chống sét lan truyền. Theo nguyên tắc chung, các hệ thống PV trên mái nhà là riêng bie65g và không được can thiệp vào các biện pháp chống sét hiện có của công trình.
 

Sự cần thiết phải tăng bảo vệ cho các hệ thống PV

Trong trường hợp xả sét, gây sét xảy ra trên dây dẫn điện. Các thiết bị chống sét (Surge protection devices - SPDs) phải được lắp đặt phía trên các thiết bị được bảo vệ trên dòng điện xoay chiều (AC), dòng điện một chiều (DC) và data side, đã chứng minh rất hiệu quả trong việc bảo vệ các hệ thống điện từ những đỉnh điện áp huỷ hoại này. Mục 9.1 của tiêu chuẩn CLC / TS 50539-12 (Các nguyên tắc lựa chọn và SPDs liên quan đến việc lắp đặt các thiết bị quang điện) yêu cầu lắp đặt các thiết bị chống sét, trừ khi phân tích rủi ro cho thấy rằng không yêu cầu SPD. Theo IEC 60364-4-44, thiết bị chống sét cũng phải được lắp đặt cho các tòa nhà mà không có hệ thống chống sét từ bên ngoài như các tòa nhà thương mại và xí nghiệp, nhà máy công nghiệp.
 

Định tuyến cáp của hệ thống PV

Dây dẫn phải được định tuyến theo cách mà tránh được các vòng dây dẫn lớn. Điều này phải được quan sát khi kết hợp các mạch DC để tạo thành một chuỗi và khi kết nối một số dây. Hơn nữa, dữ liệu hoặc đường cảm biến không được truyền qua nhiều dây và tạo thành các dây dẫn lớn với các đường dây. Điều này cũng phải được quan sát khi kết nối Biến tần với kết nối lưới. Vì lý do này, nguồn điện (DC và AC) và đường dữ liệu phải được định tuyến cùng với các dây dẫn liên kết đẳng thế dọc theo toàn bộ tuyến của chúng.
 

Nối đất của các hệ thống PV

Các mô đun PV thường được cố định trên các hệ thống gắn kim loại. Các thành phần PV hoạt động ở phía DC có lớp cách điện kép hoặc gia cường (tương đương với lớp cách điện bảo vệ trước đó) theo yêu cầu của tiêu chuẩn IEC 60364-4-41. Sự kết hợp của nhiều công nghệ trên mô-đun và phía biến tần, có hoặc không có sự cô lập bằng điện, dẫn đến các yêu cầu nối đất khác nhau. Hơn nữa, hệ thống giám sát cách điện tích hợp trong các máy biến đổi chỉ có hiệu quả vĩnh viễn nếu hệ thống gắn kết được nối với đất. Cấu trúc của kim loại có chức năng nối đất nếu hệ thống PV nằm trong khối lượng bảo vệ của hệ thống kết cuối không khí và duy trì khoảng cách cách ly.

Các hướng dẫn quốc tế đòi hỏi phải có dây dẫn bằng đồng, với mặt cắt ít nhất là 6 mm² hoặc tương đương, được sử dụng để nối đất có chức năng. Các thanh ray gắn kết cũng phải được liên kết vĩnh viễn bằng các dây dẫn của mặt cắt ngang này. Nếu hệ thống gắn kết được kết nối trực tiếp với hệ thống chống sét bên ngoài, do không thể duy trì được khoảng cách cách ly, các dây dẫn này trở thành một phần của hệ thống liên kết sét đẳng thế. Do đó, các yếu tố này phải có khả năng mang dòng sét. Yêu cầu tối thiểu đối với hệ thống chống sét được thiết kế cho lớp LPS III là dây dẫn đồng có mặt cắt ngang 16 mm² hoặc tương đương. Cũng trong trường hợp này, các thanh nối phải được liên kết vĩnh viễn bằng các dây dẫn của mặt cắt ngang này. Các dây nối đất liền / dây sét phải được bố trí song song và càng gần càng tốt với cáp hoặc dây DC và AC.

Kẹp đất uốn có thể được cố định trên tất cả các hệ thống gắn kết thông thường. Ví dụ: các dây dẫn bằng đồng có mặt cắt ngang 6 hoặc 16 mm² và các dây trần tròn có đường kính từ 8 đến 10 mm, tới khung lắp đặt sao cho có thể mang dòng điện sét. Miếng đệm tiếp xúc bằng thép không gỉ (V4A) đảm bảo chống ăn mòn cho hệ thống treo nhôm.
 

Khoảng cách cách ly theo IEC 62305-3 (EN 62305-3)

Cần phải duy trì một khoảng cách nhất định giữa hệ thống chống sét và hệ thống PV. Nó xác định khoảng cách cần thiết để tránh việc phóng điện không kiểm soát được với các bộ phận kim loại lân cận do sét đánh vào hệ thống chống sét bên ngoài. Trong trường hợp xấu nhất, việc chớp lóe không kiểm soát được có thể gây cháy hệ thống PV. Việc tính toán khoảng cách tách biệt có thể được Toàn Minh Technologies dễ dàng và nhanh chóng tính toán.
 

Bóng râm trên tấm pin mặt trời

Khoảng cách giữa bộ phát điện mặt trời và hệ thống chống sét bên ngoài là điều tối cần thiết để ngăn chặn bóng quá mức. Bóng mờ khuếch tán do, ví dụ, các đường dây trên không, không ảnh hưởng đáng kể đến hệ thống PV và năng suất của chúng. Tuy nhiên, trong trường hợp bóng râm, một bóng tối xuất hiện rõ ràng lên bề mặt sau một vật, sẽ thay đổi dòng chảy qua mô đun PV. Vì lý do này, các bóng đèn năng lượng mặt trời và các điốt đường vòng đi kèm không nên bị ảnh hưởng bởi bóng râm như vậy. Điều này có thể đạt được bằng cách duy trì một khoảng cách đủ. Ví dụ, nếu thanh chống lại không có đường kính 10 mm làm mờ một mô-đun, hiệu ứng bóng nến sẽ giảm dần khi khoảng cách từ mô-đun tăng lên. Sau 1,08 m, chỉ có một bóng mờ bị khuếch tán trên mô đun (Hình 1).
 

Thiết bị chống sét đặc biệt (SPD) cho phần DC của hệ thống quang điện

Các đặc tính U / I của các nguồn, dòng quang điện rất khác với các nguồn DC thông thường: Chúng có đặc tính phi tuyến tính và gây ra sự tồn tại lâu dài của các cung được đốt. Tính chất độc đáo của các nguồn PV hiện tại không chỉ đòi hỏi các thiết bị chuyển mạch PV lớn hơn và cầu chì PV, mà còn là thiết bị ngắt kết nối cho thiết bị bảo vệ chống sét, phù hợp với tính chất độc đáo này và có thể đối phó với dòng PV.
 

Lựa chọn các SPDs theo cấp điện áp bảo vệ điện áp đỉnh (Up)

Điện áp hoạt động ở phần DC của hệ thống PV khác với hệ thống thông thường. Hiện nay có thể đạt đến 1500 VDC. Do đó, điện môi của thiết bị đầu cuối cũng khác. Để đảm bảo rằng hệ thống PV được bảo vệ chắc chắn, mức độ bảo vệ điện áp Up của SPD phải thấp hơn độ bền điện môi của hệ thống PV mà nó phải bảo vệ. Tiêu chuẩn CLC / TS 50539-12 yêu cầu Up ít hơn 20% so với độ điện môi của hệ thống PV. Các loại SPD loại 1 hoặc 2 phải được điều phối năng lượng với đầu vào của thiết bị đầu cuối. Nếu SPD đã được tích hợp trong thiết bị đầu cuối, nhà sản xuất phải đảm bảo sự phối hợp giữa SPD loại 2 và mạch đầu vào của thiết bị đầu cuối.
 

Ví dụ ứng dụng 1: Xây dựng không có hệ thống chống sét bên ngoài

Trong một tòa nhà không có hệ thống chống sét từ bên ngoài, các đợt tăng áp nguy hiểm tấn công vào hệ thống PV do liên kết quy nạp bởi sét đánh gần hoặc đi từ hệ thống cấp điện thông qua lối vào thiết bị được lắp đặt của người tiêu dùng. Các SPD loại 2  (Type 2 SPD) phải được lắp đặt tại tất cả các địa điểm sau:

- Mặt DC của các mô-đun và Biến tần;

- Đầu ra AC của Biến tần;

- Tủ phân phối điện áp thấp chính;

- Giao diện truyền thông có dây;

Mỗi đầu vào DC (MPP) của Biến tần phải được bảo vệ bởi thiết bị chống sét loại 2. Các tiêu chuẩn châu Âu yêu cầu phải lắp đặt thêm DC 2 ngăn ở phía mô đun nếu khoảng cách giữa đầu vào biến tần và máy phát điện PV vượt quá 10 m.

Đầu ra AC của Biến tần được bảo vệ đầy đủ nếu khoảng cách giữa các biến tần PV và vị trí lắp đặt thiết bị chống sét loại 2 tại điểm nối lưới (cấp điện áp thấp) nhỏ hơn 10 m. Trong trường hợp có độ dài dậy dẫn lớn hơn, phải lắp thêm thiết bị bảo vệ chống sét loại 2 phía trên đầu vào AC của Biến tần.

Hơn nữa, thiết bị bảo vệ chống sét loại 2 phải được lắp đặt ở hạ nguồn của đồng hồ cấp nguồn cấp điện áp thấp.

Nếu máy biến thế được kết nối với dữ liệu và đường dây cảm biến để theo dõi năng suất, cần phải có các thiết bị chống sét phù hợp.
 

Ví dụ ứng dụng 2: Xây dựng với hệ thống chống sét bên ngoài và khoảng cách tách (Hình 2)

Trong trường hợp này, mục tiêu bảo vệ ban đầu là để tránh thiệt hại cho người và tài sản (gây cháy) do sét đánh. Ở đây điều quan trọng là hệ thống PV không can thiệp vào hệ thống chống sét bên ngoài. Hơn nữa, hệ thống PV tự nó phải được bảo vệ khỏi sét trực tiếp. Điều này có nghĩa là nó phải được lắp đặt bên trong khối bảo vệ của hệ thống chống sét bên ngoài. Nó được lắp đặt bởi các hệ thống kết cuối không khí, chẳng hạn như thanh dừng không khí, ngăn chặn sét trực tiếp vào các mô-đun PV và cáp dẫn. Phương pháp góc bảo vệ hoặc phương pháp cầu lượn có thể được sử dụng để xác định thể tích bảo vệ này.