حفاظت سیستمهای فوتوولتائیک(PV) در برابر صاعقه و سرج (Surge)

زمین به عنوان یک سیاره قابل سکونت برای بشر، با یک فاجعه زیست محیطی جدیِ آلودگی هوا در مورد استفاده از سوختهای فسیلی مانند نفت و گاز مواجه شده است. علاوه بر این، پدیده‌ی گرمایش زمین نیز دلیل دیگری برای این موضوع خواهد بود. در واقع، برای غلبه بر این مشکل، تمایل به استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر و پاک مانند انرژی آبی، باد، جزر و مد و انرژی خورشیدی گسترش یافته است. در این میان، انرژی خورشیدی به دلیل پایان ناپذیری، بدون آلودگی، افزونگی و فراگیر بودن، حیاتیترین راه حل درازمدتِ بحران انرژی شناخته میشود. انرژی خورشیدی میتواند انرژی پایدار و دائمیِ مورد نیاز انسان را فراهم کند. به عبارت دیگر، می‌تواند حدود 10000 برابر بیشتر از مقدار انرژی مورد نیاز جهان برای مصرف روزانه را تأمین کند. انرژی خورشید از طریق پنلهای خورشیدی با تکنولوژیهای به خصوص جمع آوری شده و میتواند به گرما، سوخت‌های شیمیایی و الکتریسیته تبدیل شود.

از آنجا که این سیستمها برای دریافت نور خورشید در محیط باز نصب میشوند، باید با شرایط آب و هوایی مختلف سازگار بوده و کارایی خود را از دست ندهند. باید دقت داشت، این سیستمها  از طریق مسیر کابلیِ طولانی به نقطه اتصال به شبکه ساختمان متصل میشوند.

 

با نگاهی عمیق، مبرهن خواهد بود که امکان ایجاد خسارتهای جانی، آتشسوزی و انفجار، توقف سیستم و سرویسهای کاربردی و خسارات مالی میتواند از طریق صاعقه و اثرات آن بر سیستمهای فوتوولتائیک به وجود آید، که لزوم استفاده از سیستمهای حفاظتی در مقابل این پدیده طبیعی را مشخص میکند.

 

در زمان هوای طوفانی و وقوع صاعقه، سیستمهای PV در معرض برخوردهای مستقیم و اثرات غیرمستقیم صاعقه هستند. از آنجا که تخلیه جریان صاعقه، تداخلات الکتریکی را هدایت میکند، این اثر با افزایش طول کابل و یا حلقههای هادی افزایش مییابد. فراتاخت ولتاژ‌  ((Surge ایجاد شده تنها به ماژولهای سیستم فوتوولتائیک، اینورترها و یا مانیتورهای الکترونیکی آنها آسیب نمیرسانند، بلکه به تجهیزات و دستگاههای داخل ساختمان نیز آسیب میزنند. مهمتر آنکه در ساختمانهای صنعتی امکانات تولیدی ممکن است آسیب ببیند و عملیات تولید متوقف شود.

در واقع چنانچه اثرات صاعقه به صورت سرج(Surge) به سیستمهایی که دور از شبکه قدرت هستند و به عنوان سیستمهای فوتوولتائیک آنها را میشناسیم، تزریق شوند، تمام تجهیزاتی که از این سیستمها تغذیه میکنند مانند تجهیزات پزشکی، تأمین آب و … مختل خواهند شد.

انرژی آزاد شده از تخلیه جریان صاعقه یکی از متداولترین دلایل بروز آتشسوزی است. به هنگام برخورد مستقیم صاعقه به ساختمان، انرژی بسیار زیادی در هادیها جریان پیدا کرده و منجر به افزایش حرارت آنها شده که در نهایت آتشسوزی و انفجار را ممکن است به بار آورد. بنابراین حفاظت از ساختمان در برابر برخورد مستقیم صاعقه به منظور جلوگیری از آسیب به اشخاص و یا آتشسوزی بسیار حائز اهمیت است.

• به هنگام طراحی سیستم فوتوولتائیک بایستی از لزوم اجرای سیستم حفاظت صاعقه مطابق IEC62305-2، برای ساختمان و تأسیسات مورد نظر اطمینان حاصل نمود.

براساس دانش علمی و فنی، نصب ماژولهای PV احتمال ریسک ضربه صاعقه را افزایش نمیدهد، اگرچه تداخلات قابل توجهای از صاعقه از طریق این سیستمها به ساختمان نفوذ میکند. بنابراین محاسبهی ریسک صاعقه مطابق با آخرین ورژن استاندارد IEC 62305-2  با در نظر گرفتن وجود تجهیزات فوتوولتائیک امری ضروری است.

به عنوان یک قاعده کلی، نصب سیستمهای فوتوولتائیک بر روی ساختمان نباید با اقدامات سیستم حفاظت صاعقه موجود، تداخلی ایجاد کند. به عبارت دیگر رعایت فاصلهی جداسازی ایمنSeparation Distance)) از اینگونه تمهیدات الزامی است.

علاوه بر آسیبهای فیزیکی صاعقه به هنگام برخورد مستقیم آن، شوکهای ولتاژ و جریان ناشی از صاعقه، هادیهای الکتریکی را تحت تأثیر قرار می‌دهند بدین ترتیب تجهیزات و دستگاههای متصل به آنها تهدید جدی را خواهند داشت. لذا حفاظت خطوط تغذیه و دیتا باید از طریق نصب ارسترهای حفاظتی SPD))، در برابر اثرات مخرب این ولتاژها و جریانهای القایی، تأمین شوند.

• در سیستمهای فوتوولتائیک بخش اینورتر، ورودی d.c. و خروجی a.c. و همچنین خطوط دیتای متصل به آن‌ها، باید با استفاده از SPDهای مناسب حفاظت شود.

استاندارد بین‌المللی IEC 62305  اصول کلی سیستم حفاظت صاعقه و IEC TR 63227 حفاظت سیستم‌های تغذیه تأسیسات فوتوولتائیک در برابر صاعقه و سرج(surge) را مشخص می‌کنند. علاوه بر این استانداردها، جهت تشخیص لزوم استفاده از ارسترهای حفاظتی،  انتخاب و کاربرد SPDها در سیستم‌های فوتوولتائیک مشخصات انواع آن‌ها و محل نصب‌شان، می توان به استانداردهای بین المللی IEC 60364-4-44،IEC 60364-7-712 ، IEC 61643-11، IEC 61643-12 ،IEC 61643-31 رجوع کرد.

• به منظور حفاظت از خطوط دیتا و سیگنال تأسیسات فوتوولتائیک می‌توان از اصول حفاظتی استانداردهای بین‌المللی IEC 61643-21 و IEC 61643-22 استفاده کرد.

سیستم حفاظت خارجی و ایجاد سایههای اصلی روی سلولهای خورشیدی

سیستم حفاظت خارجی برای ساختمان تحت حفاظت بایستی مطابق با استاندارد IEC 62305-3 طراحی و اجرا شود. در این بخش سلولهای خورشیدی نیز بایستی در زیر چتر حفاظتی واحد جذب صاعقه قرار گیرند. اما نکته مهم این است که واحد جذب باید به گونهای جانمایی شود که از ایجاد سایههای اصلی روی ژنراتور خورشیدی جلوگیری شود.

در تصویر زیر منطق رعایت فاصله از ماژول‌های PV به منظور جلوگیری از ایجاد سایه‌های اصلی مشاهده میشود. رابطه (1) فاصله جانمایی واحد جذب با پنلهای PV را مشخص می‌کند.

• حفظ فاصلهی بین ژنراتورخورشیدی و سیستم حفاظت خارجی برای جلوگیری از ایجاد سایههای بیش از حد، ضروری است.

سایههای پراکنده که از طریق منابعی چون خطوط هوایی ایجاد می‌شوند بر روی عملکرد سیستمهای  PV تأثیرگذار نخواهد بود. این درحالی است که در حالت ایجاد سایههای اصلی، یک سایه تیره روی سطح یک پنل ایجاد میشود که جریان عبوری از ماژول‌های PV را تغییر میدهد. به همین دلیل سلولهای خورشیدی و دیود بایپاس آنها نباید در معرض این سایههای اصلی قرار گیرند. این امر با رعایت فاصلهی جداسازی کافی و مناسب بدست خواهد آمد.

 

اولین هدف سیستم حفاظت صاعقه جلوگیری از آسیب به اشخاص و اموال، ناشی از ضربه صاعقه است. با این هدف، بسیار حائز اهمیت است که سیستم PV تداخلی با سیستم حفاظت خارجی صاعقه نداشته باشد. علاوه بر این، سیستم PV، خود نیز باید از برخورد مستقیم صاعقه در امان باشد. این بدین معناست که سیستم فوتوولتائیک باید در حجم حفاظت شده از سیستم حفاظت خارجی صاعقه نصب شده باشد. این حجم حفاظت شده از طریق سیستم پایانه هوایی (برای مثال میلههای برقگیر) ایجاد میشود که از برخورد مستقیم صاعقه به ماژولها و کابلهای PV جلوگیری میکند. روش زاویه حفاظتی یا گوی غلتان طبق IEC 62305-3 برای تعیین حجم حفاظت استفاده میشوند. فاصلهی جداسازی ایمن باید بین تمام بخشهای هادی از سیستم فوتوولتائیک و سیستم حفاظت صاعقه بدست آید، همچنین در این راستا بایستی از ایجاد سایههای اصلی جلوگیری کرد.

برای مزارع فوتوولتائیک، چون این سازهها در فضای وسیع، مسطح و محیط بیرونی نصب میشوند، ریسک برخورد مستقیم صاعقه را دارند. در این حالت سیستم حفاظت صاعقه خارجی برای جلوگیری از ضربههای صاعقه پیشنهاد میشود.

برای تأسیسات PV بزرگتر از 10 kW اجرای سیستم حفاظت خارجی ضروری است. همچنین اقدامات اضافه برای حفاظت از surge نیز مورد نیاز است. بنابراین ژنراتور PV باید ترجیحاً توسط یک پایانه هوایی مجزا حفاظت شود.

 

سیستم حفاظت داخلی و همپتانسیلسازی

هدف از حفاظت داخلی صاعقه، جلوگیری از ایجاد جرقههای خطرناک در داخل سازه است. جرقههای خطرناکی که ممکن است بین سیستم حفاظت خارجی صاعقه و سایر اجزاء چون موارد زیر رخ دهد:

•   تأسیسات فلزی
• منبع تغذیه سیستم فوتوولتائیک
• سیستمهای الکتریکی و الکترونیکی داخل ساختمان تحت حفاظت
• بخشهای خارجی هادی، کابلها و خطوط وارد شده به ساختمان

 

از جرقههای خطرناک میتوان با موارد زیر جلوگیری کرد:

•  رعایت فاصله جداسازی سیستم حفاظت خارجی از بخشهای فلزی و تجهیزات الکتریکی 
•  اجرای همپتانسیلسازی بخشهای فلزی و تجهیزات الکتریکی با سیستم حفاظت صاعقه

همپتانسیلسازی بخش جدایی ناپذیر سیستم حفاظت صاعقه است و بایستی برای تمام سیستمهای هادی و خطوط ورودی به ساختمان که ممکن است جریان صاعقه از آنها عبور کند، اجرا شود. با اتصال مستقیم تمام هادیها و اتصال غیرمستقیم تمامی سیستمهای فعال از طریق ارسترهای حفاظتی، به شبکه زمین این موضوع برآورد میشود. سیستم همپتانسیلسازی باید تا حد امکان نزدیک به نقطه ورودی به ساختمان نصب شود تا از ورود بخشی از جریان صاعقه به ساختمان جلوگیری شود.

مفهوم مناطق حفاظتی صاعقه

برای تجهیزات بسیارحساس در داخل ساختمان، مانند مراکز کامپیوتری و یا سیستمهای مخابراتی، کاربرد مفهوم مناطق حفاظتی در استاندارد IEC 62305-4 مورد نیاز است. در این موارد اقدامات حفاظتی در برابر سرج و اضافه ولتاژها باید برای سیستم تغذیه فوتوولتائیک انجام شوند.  لذا لزوم شناخت این مفهوم روشن است.

 

الزامات استفاده از ارسترهای حفاظتی (SPD)

اضافه ولتاژها میتوانند سیستمهای فوتوولتائیک را تحت تاثیر قراردهند و باعث تخریب و یا اختلال در عملکرد آنها شوند. بنابراین، این‌گونه تأسیسات باید در صورت وجود خطر اضافه ولتاژ و سرج محافظت شوند. حساسترین قسمتهای این تجهیزات یعنی اینورتر و تجهیزات کنترل/مانیتورینگ، ژنراتور و سیمکشیهای مربوط به نصب، باید در مرحله اول مورد حفاظت قرار گیرند.

 

اضافه ولتاژ و جریانها از راههای مختلفی ممکن است بر روی تأسیسات PV اعمال شوند:

– برخورد مستقیم صاعقه به ساختمان یا سیستم حفاظت خارجی صاعقه

– برخورد صاعقه به نزدیک ساختمان و یا تأسیسات فوتوولتائیک

– برخورد مستقیم و یا عبور جریان القایی از شبکه الکتریکی

– و یا اضافه ولتاژهای ناشی از عملیات سوئیچینگ در شبکه توزیع

مطابق  با استاندارد IEC 61643-12 و IEC 62305 محل نصب ارسترهای حفاظتی برای حفاظت از تأسیسات فوتوولتائیک به چندین عامل وابسته است که مهمترین آنها در اینجا آورده شده است:

چگالی برخورد صاعقه در محل نصب تأسیساتPV

وجود خطوط هوایی

مشخصههای سیستم توزیع فشارضعیف و تجهیز تحت حفاظت

نیاز و یا عدم نیاز سیستم حفاظت خارجی صاعقه برای تأسیسات PV در برابر برخورد مستقیم صاعقه

چنانچه تمهیدات حفاظتی در برابر برخورد مستقیم الزامی باشد، انتخاب ارسترحفاظتی به عوامل زیر بستگی دارد:

– کلاس حفاظتی تعیین شده

– رعایت و یا عدم رعایت فاصله جداسازی ایمن بین سیستم حفاظت خارجی و تأسیسات PV

  تمام SPDهایی که روی یک خط نصب می شوند باید مطابق با استاندارد IEC 61643-12 با هم هماهنگی انرژی داشته باشند.

با توجه به اینکه سیستم حفاظت خارجی اجرا شده است یا خیر و آیا فاصله جداسازی مناسب رعایت شده است یا نه، ارسترهای حفاظتی سیستم تغذیه PV، مطابق با شکل3 و جدول 1 می توانند انتخاب شوند.

 

مثال هایی برای نصب SPD در حالت های مختلف در تصاویر 4 تا 6 نشان داده شده است.

توجه: حفاظت ژنراتور فوتوولتائیک با توجه به نحوه کابلکشی، ترتیب مسیریابی پنلها و طول کابل با توجه به هزینههای حفاظتی و تلفات احتمالی ممکن است نیازمند ملاحظات خاصی باشد.

مشخصات ارسترهای حفاظتی در تأسیسات فوتوولتائیک

ارسترهای حفاظتی که به سیستم تغذیه فشارضعیف(بخش a.c. ) متصل میشوند باید مطابق با استاندارد IEC 61643-11 و آنهایی که به بخش d.c سیستم فوتوولتائیک نصب میشوند، بایستی مطابق با استاندارد IEC 61643-31 باشند. همچنین در صورت نیاز به استفاده از ارسترهای حفاظتی برای اتصال به خطوط مخابراتی و سیگنالینگ باید استاندارد EN 61643-21 را مدنظر قرار داد.

برای بخش d.c. از تأسیسات فوتوولتائیک، از آنالیز و تحلیل ریسک مطابق با  IEC 62305-2 و یا Annex C  از استاندارد CENELEC CLC/TS 50539-12، جهت ارزیابی نیاز به نصب ارسترهای حفاظتی استفاده میشود.

برای بخش a.c. از تأسیسات PV تبعیت از استانداردهای IEC 61643-12،  IEC 60364-4-44 و IEC 62305 الزامی است.

انتخاب ارسترهای حفاظتی جهت نصب در سمت a.c. تأسیسات PV

انتخاب بر اساس جریان تخلیه نامی I_n و جریان ضربه I_imp

 برای نصب ارسترهای حفاظتی در تابلو توزیع اصلی به استاندارد IEC 60364-5-53 رجوع شود.

اگر ارسترType2 در نزدیکی اینورتر مورد نیاز است، حداقل جریان تخلیه نامی برای هر مد حفاظت 5kA (8/20) باید باشد. مقادیر بالاتر ممکن است باعث افزایش طول عمر تجهیز شوند.

اگر ارسترهای Type1 در نزدیکی اینورتر مورد نیاز است، حداقل جریان ضربه برای هر مد حفاظت 12.5 kA (10/350) باید باشد.

ممکن است مقادیر مختلف از I_imp در تابلو توزیع اصلی طبق استاندارد IEC 62305 مورد نیاز باشد. در استاندارد IEC 61643-12 مقادیر این پارامتر طبق لول حفاظت و تعداد هادی ها معرفی شده است.

 

انتخاب ارسترهای حفاظتی بر اساس سطح ولتاژحفاظتی U_p و ایمنی سیستم

برای معرفی مقدار سطح ولتاژ حفاظتی نیاز است که سطح ایمنی تجهیز را داشته باشیم.

برای خطوط تغذیه و ترمینال تجهیزات بر اساس IEC 61000-4-5، IEC 60364-4-44 و IEC 60664-1 و برای خطوط مخابراتی و ترمینال تجهیزات مطابق IEC 61000-4-5، ITU-T K.20 و ITU-T K.21 اقدام می‌کنیم.

برای اطمینان از حفاظت موثر تجهیز، مقادیر U_p باید پایین تر از مقدار سطح تحمل تجهیز تحت حفاظت باشد.

نصب ارسترحفاظتی در سمت a.c. از تأسیسات فوتوولتائیک

توصیه می شود، تا حد امکان، ارسترحفاظتی در مبدا، برای مثال نقطه اتصال تاسیسات PV به شبکه، نصب شود.

اگر طول سیم کشی بین SPD و اینورتر بیشتر از 10متر باشد، لازم است که حفاظت اینورتر با نصب ارستر مکمل در نزدیک آن صورت گیرد.

 

انتخاب ارسترهای حفاظتی جهت نصب در سمت d.c. تاسیسات PV

انتخاب SPD بر اساس جریان تخلیه نامی I_n و جریان ضربه I_imp

 اگر ارستر Type2 نیاز باشد، حداقل جریان تخلیه نامی برای هر مد حفاظت 5 kA (8/20)، الزامی است.

مقادیر مختلف I_n (بالاتر یا پایین تر) بر اساس مطالعات فنی انجام خواهد شد.

اگر ارسترحفاظتی Type1 مورد نیاز باشد و هیچ دیتای فنی در دسترس نباشد، حداقل جریان ضربه برای هر مد از حفاظت12.5 kA (10/350) باید باشد.

 

انتخاب U_cpv از ارسترهای d.c. تأسیسات PV

حداکثر ولتاژ عملکرد دائمی ارستر حفاظتی باید بالاتر و یا برابر حداکثر ولتاژ مدارباز از ژنراتور، چه در دمای مطلوب و یا در زمان تابش نورخورشید، باشد.

 

نصب ارسترحفاظتی در سمت d.c. تأسیسات فوتوولتائیک

توصیه میشود ارسترحفاظتی، تا حد امکان نزدیک به اینورتر نصب شود. چنانچه فاصله سیمکشی این SPD و ژنراتور PV بیش از 10متر باشد، نیاز است که ارستر مکمل در نزدیک ژنراتور نصب شود.

اگر فاصله سیمکشی بیش از 10متر باشد و سطح ولتاژ حفاظتی کمتر از 0.5*uw   ( U_w ژنراتور)، میتوان تنها از یک مجموعه SPD در مقابل اینورتر استفاده کرد.

توجه: برای ژنراتورهای رایج فوتوولتائیک، سطح تحمل ژنراتور، بالاتر از سطح تحمل اینورتر است.

مسیریابی و شیلد کابلها و خطوط

میدان مغناطیسی تولید شده ناشی از برخورد مستقیم صاعقه به ساختمان و یا در مجاورت آن را تنها با اجرای شیلد فضایی میتوان کاهش داد. به عبارت دیگر، ولتاژها و جریانهای القایی در سیستم‌های الکتریکی و الکترونیکی با اجرای شیلدینگ و مسیریابی خطوط و یا ترکیبی از آنها میتواند کاهش پیدا کند. بدین ترتیب در شرایط مشابه از هزینه استفاده از ارسترهای حفاظتی کاسته خواهد شد. استاندارد IEC 62305-4 جزئیات نحوهی طراحی، قوانین نصب و محاسبات میدانهای مغناطیسی و ولتاژ و جریانهای القایی را ارائه میدهد.

زمانیکه خطوط رفت و برگشت در سیستمهای فوتوولتائیک بصورت مجزا مسیردهی میشود، توصیه میشود همیشه آنها را به صورت موازی و تا حد امکان نزدیک به هم هدایت کنید.

در عمل، شیلد حفاظتی کامل برای منابع تغذیه سیستمهای فوتوولتائیک قابل اجرا نخواهد بو، چراکه ماژولهای سیستم PV در بیرون حفاظ جانمایی میشوند. این موضوع تا حد زیادی به محافظ خطوط و مسیریابی مناسب آنها (مسیردهی هادیهای مجزا بصورت موازی و نزدیک به هم) اشاره دارد.

کابلها باید به گونهای مسیردهی شوند که از ایجاد حلقههای بزرگ هادیها جلوگیری شود. این امر در استفاده از تعداد مسیرها برای مدارهای d.c.، اتصال اینورتر با شبکه، خطوط دیتا و سنسورها بایستی رعایت شود. به همین علت خطوط تغذیه (a.c. و d.c.) و خطوط دیتا ( مانند سنسورتابشی و سنسورنظارت بر عملکرد) باید از طریق هادیهای مناسب، در کل طول مسیرشان، بمنظور همپتانسیلسازی، همبند شوند.

شکل 7: کاهش اثرات القایی با اجرای شیلدینگ و مسیریابی خط

زمین عملیاتی/ هم‌پتانسیل‌سازی تأسیسات فوتوولتائیک

ماژولهای سیستمهای فوتوولتائیک معمولاً بر روی سیستمهای پایه فلزی نصب میشوند. ترکیب تکنولوژیهای مختلف روی ماژول و بخش اینورتر سیستم، وجود یا عدم وجود عایق گالوانیکی، باعث میشوند تا الزامات سیستم ارتینگ متفاوتی را داشته باشیم. علاوه بر این، سیستم نظارت عایقی یکپارچه در اینورتر تنها در صورتی به طور دائمی موثر خواهد بود که این سیستم به شبکه زمین متصل باشد.

وقتی‌که ژنراتور PV در مکان بیرونی نصب نشده باشد و سیستم حفاظت خارجی اجرا نشده و تمهیدی هم برای آن دیده نشده باشد، پیشنهاد میشود که زیرساخت فلزی به ارت عملیاتی متصل شود. سطح مقطع هادی باید کمتر از 6 میلیمترمربع ازهادی مسی و یا معادل آن باشد. همچنین توصیه می‌شود تمام ماژولهای ریل رکها نیز به هم‌دیگر متصل شوند.

چنانچه سیستم در محدوده حفاظت واحد جذب، با رعایت فاصلهی جداسازی ایمن، نصب شده باشد، سیستم ارت عملیاتی برای زیرساخت فلزی تأمین میشود. همچنین تمام ماژولهای ریل رکها باید بهم متصل شوند.

اگر سیستم در محدوده حفاظت واحد جذب، بدون رعایت فاصلهی جداسازی ایمن، نصب شده باشد، تمام زیرساختهای فلزی باید به سیستم حفاظت خارجی و سیستم ارت اصلی ساختمان متصل شوند. سطح مقطع هادی اتصال نباید کمتر از 16میلیمترمربع از هادی مسی و یا 25 میلیمترمربع هادی آلومینیومی باشد.

ارت عملیاتی/ هادی همپتانسیلسازی موازی و در نزدیکترین فاصله با خطوط a.c. و d.c. اجرا میشود.