การเลือกและการออกแบบอุปกรณ์ความปลอดภัยในระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์

โดยทั่วไปสถานีไฟฟ้าจะติดตั้งอยู่ในถิ่นทุรกันดารหรือบนหลังคา และส่วนประกอบต่างๆ จะต้องติดตั้งในที่โล่ง สภาพแวดล้อมทางธรรมชาตินั้นรุนแรง และภัยพิบัติทางธรรมชาติและที่มนุษย์สร้างขึ้นเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ภัยธรรมชาติ เช่น พายุไต้ฝุ่น พายุหิมะ ทรายและฝุ่น จะทำให้อุปกรณ์เสียหาย ความปลอดภัยของโรงไฟฟ้าเป็นสิ่งสำคัญมาก ไม่ว่าจะเป็นโรงไฟฟ้าขนาดเล็กแบบกระจายศูนย์หรือโรงไฟฟ้าภาคพื้นดินขนาดใหญ่แบบรวมศูนย์ ก็มีความเสี่ยงอยู่บ้าง ดังนั้นอุปกรณ์จึงต้องติดตั้งอุปกรณ์ความปลอดภัยพิเศษ เช่น ฟิวส์ และอุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่า ,ปกป้องความปลอดภัยของโรงไฟฟ้าอยู่เสมอ

1. ฟิวส์
ฟิวส์ CHYT เป็นตัวป้องกันกระแสไฟที่ทำขึ้นตามหลักการทำลายวงจรโดยการหลอมละลายด้วยความร้อนที่เกิดขึ้นเองหลังจากกระแสไฟฟ้าเกินค่าที่กำหนดในช่วงระยะเวลาหนึ่ง ฟิวส์มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบจำหน่ายไฟฟ้าแรงดันต่ำ ระบบควบคุม และอุปกรณ์ไฟฟ้า ฟิวส์เป็นหนึ่งในอุปกรณ์ป้องกันที่ใช้บ่อยที่สุดในฐานะการป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรและกระแสเกิน ฟิวส์ของโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบ่งออกเป็นฟิวส์ DC และฟิวส์ AC
ด้าน DC ของโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์เชื่อมต่อสายหลายสายแบบขนานกับบัสบาร์ DC ของกล่องรวม DC (รูปแบบรวมศูนย์) หรืออินเวอร์เตอร์สตริง (รูปแบบอินเวอร์เตอร์สตริง) ตามการกำหนดค่าของโครงการ เมื่อสายไฟฟ้าโซลาร์เซลล์หลายสายเชื่อมต่อแบบขนาน หากเกิดข้อผิดพลาดในการลัดวงจรในสายบางสาย สายอื่นๆ บนบัสดีซีและโครงข่ายจะจ่ายกระแสไฟฟ้าลัดวงจรไปยังจุดที่ลัดวงจร หากขาดมาตรการป้องกันที่เกี่ยวข้อง จะนำไปสู่การเผาอุปกรณ์ เช่น สายเคเบิลที่เชื่อมต่ออยู่ ขณะเดียวกันอาจทำให้เกิดการไหม้สิ่งที่แนบมาใกล้อุปกรณ์ได้ ปัจจุบัน มีอุบัติเหตุไฟไหม้แผงเซลล์แสงอาทิตย์บนหลังคาคล้ายกันหลายครั้งในประเทศจีน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันในวงจรคู่ขนานของแต่ละสายเพื่อเพิ่มความปลอดภัยของโรงไฟฟ้าไฟฟ้าโซลาร์เซลล์

ปัจจุบันฟิวส์กระแสตรงถูกนำมาใช้ในกล่องรวมและอินเวอร์เตอร์เพื่อป้องกันกระแสไฟเกิน ผู้ผลิตอินเวอร์เตอร์กระแสหลักยังถือว่าฟิวส์เป็นส่วนประกอบพื้นฐานของการป้องกัน DC ในเวลาเดียวกัน ผู้ผลิตฟิวส์ เช่น Bussman และ Littelfuse ได้เปิดตัวฟิวส์ DC เฉพาะสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ด้วยเช่นกัน
ด้วยความต้องการฟิวส์ DC ที่เพิ่มขึ้นในอุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์ วิธีการเลือกฟิวส์ DC อย่างถูกต้องเพื่อการป้องกันที่มีประสิทธิภาพจึงเป็นปัญหาที่ทั้งผู้ใช้และผู้ผลิตควรให้ความสำคัญอย่างใกล้ชิด เมื่อเลือกฟิวส์ DC คุณไม่สามารถคัดลอกฟิวส์ AC เพียงอย่างเดียวได้ ข้อมูลจำเพาะทางไฟฟ้าและขนาดโครงสร้าง เนื่องจากมีข้อกำหนดทางเทคนิคและแนวคิดการออกแบบที่แตกต่างกันมากมายระหว่างทั้งสอง จึงเกี่ยวข้องกับการพิจารณาอย่างครอบคลุมว่ากระแสไฟฟ้าลัดสามารถเสียหายได้อย่างปลอดภัยและเชื่อถือได้โดยไม่มีอุบัติเหตุหรือไม่
1) เนื่องจากกระแส DC ไม่มีจุดข้ามที่เป็นศูนย์ในปัจจุบัน เมื่อทำลายกระแสฟอลต์ ส่วนโค้งสามารถดับได้อย่างรวดเร็วด้วยตัวเองเท่านั้นภายใต้การกระทำของการระบายความร้อนแบบบังคับของตัวเติมทรายควอตซ์ ซึ่งยากกว่าการทำลาย อาร์คไฟฟ้ากระแสสลับ การออกแบบและวิธีการเชื่อมที่เหมาะสมของชิป ความบริสุทธิ์และอัตราส่วนขนาดอนุภาคของทรายควอทซ์ จุดหลอมเหลว วิธีการบ่ม และปัจจัยอื่นๆ ล้วนเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพและผลกระทบต่อการบังคับให้ดับไฟของอาร์ค DC
2) ภายใต้แรงดันไฟฟ้าที่กำหนดเดียวกัน พลังงานอาร์คที่เกิดจากอาร์ค DC จะมากกว่าสองเท่าของพลังงานอาร์คไฟฟ้ากระแสสลับ เพื่อให้มั่นใจว่าแต่ละส่วนของส่วนโค้งสามารถถูกจำกัดให้อยู่ในระยะที่ควบคุมได้และดับลงอย่างรวดเร็วพร้อมๆ กัน จะไม่มีส่วนใดปรากฏ ส่วนโค้งเชื่อมต่อกันโดยตรงเป็นอนุกรมทำให้เกิดแหล่งพลังงานรวมขนาดใหญ่ส่งผลให้เกิดอุบัติเหตุที่ฟิวส์ ระเบิดเนื่องจากเวลาอาร์คต่อเนื่องนานเกินไป โดยทั่วไปตัวหลอดของฟิวส์ DC จะยาวกว่าฟิวส์ AC มิฉะนั้นจะไม่สามารถมองเห็นขนาดได้ในการใช้งานปกติ ความแตกต่างเมื่อกระแสไฟลัดเกิดขึ้นจะมีผลกระทบร้ายแรง
3) ตามข้อมูลที่แนะนำขององค์การเทคโนโลยีฟิวส์ระหว่างประเทศ ความยาวของตัวฟิวส์ควรเพิ่มขึ้น 10 มม. สำหรับการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าทุกๆ 150V DC เป็นต้น เมื่อแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงเป็น 1,000V ความยาวลำตัวควรเป็น 70 มม.
4) เมื่อใช้ฟิวส์ในวงจร DC ต้องพิจารณาอิทธิพลที่ซับซ้อนของพลังงานตัวเหนี่ยวนำและพลังงานความจุ ดังนั้นค่าคงที่เวลา L/R จึงเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญที่ไม่สามารถละเลยได้ ควรพิจารณาตามอัตราการเกิดและการสลายตัวของกระแสไฟฟ้าลัดลัดวงจรของระบบสายเฉพาะ การประเมินที่แม่นยำไม่ได้หมายความว่าคุณสามารถเลือกวิชาเอกหรือวิชารองได้ตามต้องการ เนื่องจากค่าคงที่เวลา L/R ของฟิวส์ DC จะกำหนดพลังงานส่วนโค้งหัก เวลาแตกหัก และแรงดันไฟปล่อยผ่าน จึงต้องเลือกความหนาและความยาวของตัวท่ออย่างสมเหตุสมผลและปลอดภัย
ฟิวส์ AC: ที่ปลายเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์แบบออฟกริดหรือปลายอินพุตของแหล่งจ่ายไฟภายในของอินเวอร์เตอร์แบบรวมศูนย์ ควรออกแบบและติดตั้งฟิวส์ AC เพื่อป้องกันโหลดจากกระแสไฟเกินหรือไฟฟ้าลัดวงจร

2. เครื่องป้องกันฟ้าผ่า
ส่วนหลักของระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ได้รับการติดตั้งในที่โล่ง และพื้นที่จำหน่ายมีขนาดค่อนข้างใหญ่ ส่วนประกอบและส่วนรองรับเป็นตัวนำซึ่งค่อนข้างดึงดูดต่อฟ้าผ่า ดังนั้นจึงมีความเสี่ยงจากฟ้าผ่าทั้งทางตรงและทางอ้อม ในเวลาเดียวกัน ระบบจะเชื่อมต่อโดยตรงกับอุปกรณ์ไฟฟ้าและอาคารที่เกี่ยวข้อง ดังนั้นฟ้าผ่าที่ระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ก็จะเกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ อาคาร และโหลดไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องด้วย เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายจากฟ้าผ่าต่อระบบผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ จำเป็นต้องติดตั้งระบบป้องกันฟ้าผ่าและระบบสายดินเพื่อป้องกัน
ฟ้าผ่าเป็นปรากฏการณ์การปล่อยกระแสไฟฟ้าในชั้นบรรยากาศ ในระหว่างการก่อตัวของเมฆและฝน บางส่วนจะสะสมประจุบวก และอีกส่วนหนึ่งจะสะสมประจุลบ เมื่อประจุเหล่านี้สะสมถึงระดับหนึ่ง จะเกิดปรากฏการณ์คายประจุซึ่งก่อให้เกิดฟ้าผ่า ฟ้าผ่าแบ่งออกเป็นฟ้าผ่าโดยตรงและฟ้าผ่าเหนี่ยวนำ ฟ้าผ่าโดยตรงหมายถึงฟ้าผ่าที่ตกลงโดยตรงไปยังแผงเซลล์แสงอาทิตย์ ระบบจำหน่ายไฟฟ้ากระแสตรง อุปกรณ์ไฟฟ้าและสายไฟ รวมถึงพื้นที่ใกล้เคียง มีสองวิธีในการบุกรุกฟ้าผ่าโดยตรง: วิธีแรกคือการคายประจุโดยตรงของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ ฯลฯ ดังที่ได้กล่าวไปแล้วข้างต้น เพื่อให้กระแสฟ้าผ่าพลังงานสูงส่วนใหญ่ถูกส่งไปยังอาคารหรืออุปกรณ์ แนว; อีกประการหนึ่งคือฟ้าผ่าสามารถทะลุผ่านสายล่อฟ้าได้โดยตรง เป็นต้น อุปกรณ์ที่ส่งกระแสฟ้าผ่าลงสู่พื้นปล่อยประจุ ทำให้ศักย์ไฟฟ้าของพื้นดินเพิ่มขึ้นทันที และกระแสฟ้าผ่าส่วนใหญ่เชื่อมต่อแบบย้อนกลับกับอุปกรณ์และสายไฟ ผ่านสายดินป้องกัน

ฟ้าผ่าแบบเหนี่ยวนำหมายถึงฟ้าผ่าที่เกิดขึ้นใกล้และไกลจากอาคาร อุปกรณ์ และสายไฟที่เกี่ยวข้อง ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเกินในอาคาร อุปกรณ์ และสายไฟที่เกี่ยวข้อง แรงดันไฟกระชากเกินนี้เชื่อมต่อแบบอนุกรมผ่านการเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิตหรือการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และสายไฟที่เกี่ยวข้อง ก่อให้เกิดอันตรายต่ออุปกรณ์และสายไฟ
สำหรับระบบผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่หรือไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ที่ติดตั้งในพื้นที่เปิดโล่งและบนภูเขาสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในพื้นที่เสี่ยงต่อฟ้าผ่า จะต้องติดตั้งอุปกรณ์สายดินป้องกันฟ้าผ่า
อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก (Surge Protection Device) ถือเป็นอุปกรณ์ที่ขาดไม่ได้ในการป้องกันฟ้าผ่าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เคยเรียกว่า "ตัวป้องกันฟ้าผ่า" หรือ "ตัวป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกิน" ตัวย่อภาษาอังกฤษคือ SPD หน้าที่ของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากคือการจำกัดแรงดันไฟเกินทันทีที่เข้าสู่สายไฟและสายส่งสัญญาณภายในช่วงแรงดันไฟฟ้าที่อุปกรณ์หรือระบบสามารถทนได้ หรือเพื่อรั่วไหลของกระแสฟ้าผ่ากำลังแรงลงสู่พื้นเพื่อป้องกันการป้องกันไฟกระชาก อุปกรณ์หรือระบบไม่ให้เสียหาย ได้รับความเสียหายจากการกระแทก ต่อไปนี้เป็นคำอธิบายของพารามิเตอร์ทางเทคนิคหลักของ Arresters ที่ใช้กันทั่วไปในระบบผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์

(1) แรงดันไฟฟ้าปฏิบัติการต่อเนื่องสูงสุด Ucpv: ค่าแรงดันไฟฟ้านี้ระบุแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่สามารถใช้ผ่านสายดินได้ ภายใต้แรงดันไฟฟ้านี้ Arrester จะต้องสามารถทำงานได้ตามปกติโดยไม่มีความล้มเหลว ในเวลาเดียวกันแรงดันไฟฟ้าจะถูกโหลดบน Arrester อย่างต่อเนื่องโดยไม่เปลี่ยนลักษณะการทำงานของ Arrester
(2) กระแสไฟปล่อยพิกัด (ใน): เรียกอีกอย่างว่ากระแสไฟปล่อยที่ระบุ ซึ่งหมายถึงค่าสูงสุดปัจจุบันของรูปคลื่นกระแสฟ้าผ่า 8/20μs ที่ตัวสายดินสามารถทนได้
(3) กระแสคายประจุสูงสุด Imax: เมื่อคลื่นฟ้าผ่ามาตรฐานที่มีรูปคลื่น 8/20 มิลลิวินาทีถูกนำไปใช้กับอุปกรณ์ป้องกันหนึ่งครั้ง ค่าสูงสุดสูงสุดของกระแสกระแทกที่อุปกรณ์ป้องกันสามารถทนได้
(4) ระดับการป้องกันแรงดันไฟฟ้าขึ้น (ใน): ค่าสูงสุดของตัวป้องกันในการทดสอบต่อไปนี้: แรงดันไฟแฟลชโอเวอร์ที่มีความชัน 1KV/ms; แรงดันคงเหลือของกระแสคายประจุที่กำหนด
อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากใช้วาริสเตอร์ที่มีคุณสมบัติไม่เชิงเส้นที่ดีเยี่ยม ภายใต้สถานการณ์ปกติ อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากจะอยู่ในสถานะที่มีความต้านทานสูงมาก และกระแสรั่วไหลเกือบเป็นศูนย์ เพื่อให้แน่ใจว่าระบบจ่ายไฟปกติ เมื่อเกิดแรงดันไฟฟ้าเกินในระบบไฟฟ้า อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากจะเปิดทันทีภายในนาโนวินาที เพื่อจำกัดขนาดของแรงดันไฟฟ้าเกินภายในช่วงการทำงานที่ปลอดภัยของอุปกรณ์ ในเวลาเดียวกัน พลังงานของแรงดันไฟฟ้าเกินจะถูกปล่อยออกมา ต่อจากนั้นตัวป้องกันจะเปลี่ยนเป็นสถานะอิมพีแดนซ์สูงอย่างรวดเร็ว จึงไม่ส่งผลกระทบต่อการจ่ายไฟปกติของระบบไฟฟ้า

นอกจากฟ้าผ่าจะทำให้เกิดแรงดันไฟกระชากและกระแสไฟกระชากแล้ว ฟ้าผ่ายังจะเกิดขึ้นในขณะที่ปิดและตัดการเชื่อมต่อวงจรกำลังสูง โมเมนต์ของการเปิดหรือปิดโหลดอุปนัยและโหลดแบบคาปาซิทีฟ และการตัดการเชื่อมต่อของระบบไฟฟ้าขนาดใหญ่หรือ หม้อแปลงไฟฟ้า แรงดันและกระแสไฟกระชากขนาดใหญ่จะทำให้เกิดอันตรายต่ออุปกรณ์และสายไฟที่เกี่ยวข้อง เพื่อป้องกันการเหนี่ยวนำฟ้าผ่า วาริสเตอร์จะถูกเพิ่มที่ปลายอินพุต DC ของอินเวอร์เตอร์กำลังต่ำ กระแสคายประจุสูงสุดสามารถเข้าถึง 10kVA ซึ่งโดยทั่วไปสามารถตอบสนองความต้องการของระบบป้องกันฟ้าผ่าจากเซลล์แสงอาทิตย์ในครัวเรือน