Varovalke za enosmerne napetosti
DC in PV – varovalke za enosmerno napetost in fotonapetostne varovalke
Uvod
Poznamo varovalke in »varovalke«. Posledica uporabe neustrezne električne varovalke v neustreznem električnem tokokrogu je lahko njen razpok/eksplozija in/ali uničenje sosednjih naprav. Še hujše posledice se lahko pojavijo ob uničenju zaščitene naprave – transformatorja, inverterja – ali ob poškodbi električne inštalacije. V članku predstavljamo problematiko delovanja varovalk v enosmernih (DC) električnih tokokrogih ter nekaj primerov uporabe varovalk v fotonapetostnih (PV) sistemih, priključenih na javno omrežje.
 | Viktor Martinčič Produktni vodja za varovalke, predsednik tehničnega odbora IEC za varovalke TC 32 |
Zakaj sploh uporabljamo varovalko?
Varovalka je le ena izmed številnih naprav v električni inštalaciji, ki je kot »žrtveni« element vgrajena v tokokrog. Varovalke so zasnovane tako, da lahko prekinejo električni tokokrog, ko v njem nastopi prevelik električni tok – zaradi preobremenitve ali druge napake. S prekinitvijo tokokroga se preprečijo nadaljnje poškodbe drugih elementov, ki bi nastale, če zaščitne naprave – v tem primeru varovalke – ne bi bilo. Kot rečeno, je varovalka do neke mere »žrtvovana«, saj se ob delovanju uniči in jo je treba zamenjati.
Pravilno izbrana varovalka lahko prepreči požar ali druge poškodbe, ko se nepričakovano poslabša stik povezovalnega kabla (npr. v tokokrogu PV modul – inverter), ko povezovalni kabel razdelilne omarice nenadoma pride v stik z ozemljitvijo, ob kratkem stiku zaradi padlega vijaka in/ali ko do uničenja izolacije in posledičnega kratkega stika pride zaradi živali.
Splošno je znano, da se pri dolgotrajni preobremenitvi ali ob kratkem stiku – ne glede na vzrok – talilni element v varovalki pretrga. Če je povezovalni kabel pravilno dimenzioniran (njegova tokovna obremenljivost mora biti višja od nazivne vrednosti toka varovalke), bo varovalka delovala pravočasno in tako preprečila gorenje izolacije in nadaljnjo škodo.
Kategorizacija varovalk
Varovalke razvrščamo glede na nazivni tok, nazivno napetost, nazivno prekinilno zmogljivost ter glede na to, ali so primerne za uporabo v tokokrogih z izmeničnim (a.c.) ali enosmernim tokom (d.c.).
Nazivni tok varovalke je vrednost toka, ki ga lahko neprekinjeno prenaša brez poslabšanja lastnosti pri predpisanih pogojih.
Nazivna napetost je vrednost napetosti, pri kateri varovalka lahko ugasne nastali oblok, ne da bi vplivala na okolico.
Nazivna prekinilna zmogljivost je vrednost pričakovanega toka, ki ga je varovalka sposobna prekiniti pri navedeni napetosti in v predpisanih pogojih uporabe in obnašanja.
Ali so AC in DC varovalke enake?
Ne, niso. Njihovi talilni elementi – najpomembnejši del vsake varovalke – so različni. Pri primerjavi sposobnosti prekinitve AC in DC tokov moramo upoštevati, da pri AC pogojih tok več kot desetkrat na sekundo prečka ničlo, kar olajša gašenje električnega obloka.
Prekinitev DC toka je bistveno težja, saj kratek stik teče le v eno smer, vse dokler se oblok ne ugasne.
Talilni element v DC varovalkah mora biti zasnovan tako, da z »zadostno močjo« prekine tok v tokokrogu, ko ta predolgo presega dopustno vrednost. To se mora zgoditi v najkrajšem možnem času, da se ob gašenju učinkovito ugasne tudi električni oblok.
DC talilni vložki so relativno kompleksni elementi z vrsto medsebojno povezanih posebnosti. Zato je njihova cena nekoliko višja od »običajnih« vložkov. Nekateri vložki so označeni tako z AC kot tudi z DC dopustno nazivno napetostjo.
Nizkonapetostne varovalke (pretežno za industrijsko rabo, standard IEC 60269-2, Ed. 3, 11/2006) imajo minimalno določeno prekinilno zmogljivost 50 kA a.c. in 25 kA d.c.
Prekinilno zmogljivost varovalk v tokokrogih z večjo časovno konstanto (npr. z velikimi DC motorji) je treba ustrezno prilagoditi – deratirati. Obratno pa v omrežjih, kjer velike induktivnosti ne pričakujemo, npr. pri baterijskih napajalih, lahko pričakujemo tudi večjo prekinilno zmogljivost od nazivno deklarirane.
Na prekinilno zmogljivost talilnega vložka moramo gledati skozi prizmo časovne konstante obravnavanega tokokroga.
Podrobnejše informacije praviloma zagotovi proizvajalec talilnih vložkov ali pa se določijo in potrdijo s preskušanjem. Od proizvajalca je odvisno, ali svoje izdelke preskuša le pri AC napetostih (kar je običajno) ali tudi pri DC.
Na slikah 1 in 2 so prikazane tabele standardnih preskusov za NH talilne vložke, ločeno za DC in AC napetosti (glej IEC 60269-2). V tabeli na prvi sliki so dodane zahteve glede vrednosti časovne konstante (induktivnosti) DC tokokroga. Vrednost mora biti med 15 in 20 ms.
Kakšen je vpliv časovne konstante na tokokrog?
V praksi lahko zaščitne naprave, kot so odklopniki ali talilni vložki, delujejo neustrezno, če je časovna konstanta (induktivnost) tokokroga previsoka. Z drugimi besedami: zaščitna naprava morda ne more ugasniti obloka…!
Previsoke časovne konstante so lahko zelo neugodne za pravilno delovanje zaščitnih naprav. Težave se lahko pojavijo tudi pri napetostih, nižjih od nazivnih, in pri kratkostičnih tokovih, manjših od nazivne prekinilne zmogljivosti zaščitne naprave.
Z dolžino povezovalnega kabla narašča upornost tokokroga. Z večanjem razdalje med vzporednima vodnikoma (pozitivni in negativni pol) narašča tudi induktivnost. Podobno velja za kapacitivnost, le da se njena vrednost ne spreminja enakomerno.
Trije omenjeni dejavniki (upornost – R, induktivnost – L, kapacitivnost – C) določajo časovno konstanto T tokokroga, izraženo v ms (milisekundah). Posebno pozornost je treba nameniti praktični izvedbi povezovanja vseh elementov v tokokrogu.
Ali so DC varovalke uporabne tudi na področju obnovljivih virov energije?
Da, eno najhitreje razvijajočih se in najpomembnejših področij proizvodnje električne energije je nedvomno sončna (fotonapetostna, PV) energija. Električna energija nastaja v sončnih elektrarnah, kjer polprevodniške sončne celice pretvarjajo sončno svetlobo neposredno v električno energijo.
Na sliki 3 je prikazana shema standardnega fotonapetostnega sistema, priključenega na javno elektroenergetsko omrežje. V nadaljevanju elemente fotonapetostnega sistema označujemo s PV (iz Photo Voltaic), npr. PV varovalke, PV moduli, PV sistem ipd.
Uporaba varovalk v PV sistemih je različna in večinoma odvisna od predpisov in tehnične prakse posamezne države. V ZDA, Kanadi in Mehiki se pri načrtovanju PV sistemov večinoma držijo dokumenta/pravilnika »Photovoltaic Power Systems – Suggested practices«, ki ga pripravlja NEC (National Electrical Code).
V vseh PV sistemih, priključenih na javno omrežje, je UPORABA PV VAROVALK OBVEZNA. V Evropi je slika nekoliko drugačna.
Medtem ko so v Nemčiji glede uporabe posebnih varovalk za PV sisteme precej zadržani, je stanje v Španiji in Italiji drugačno. Po težavah, ki so jih imeli v preteklosti (poškodbe inštalacij in razdelilnih omar – glej slike 4, 5 in 6), so se odločili, da je uporaba talilnih vložkov OBVEZNA.
Preden nadaljujemo z opisom zaščite pred kratkimi stiki v PV sistemih, na kratko opišimo delovanje komponent sončne inštalacije.
Za proizvodnjo električne napetosti (energije) iz sončne energije uporabljamo polprevodniške (mono- ali polikristalne) silicijeve sončne celice, ki ob osvetlitvi ustvarjajo električno napetost.
Sončne celice velikosti 12,5 × 12,5 cm ustvarjajo približno 0,6 V napetosti in do 3,5 A električnega toka. Za doseganje višjih napetosti celice med seboj vežemo zaporedno. Tako povezane celice imenujemo »PV modul« – glej sliko 7.
Moduli so pri proizvajalcu sestavljeni tako, da je več celic električno povezanih, skupna površina pa znaša približno 1,5 do 2,5 m². Tak modul ustvarja 30–60 V enosmerne napetosti.
Dosežena napetost enega modula je približno 30 V DC. Ta napetost je konstantna in se spremeni le, ko modul ni osvetljen. Modul ustvarja tudi izhodni tok, običajno 4–7 A, odvisno od tipa modula. Za višje tokove PV module vežemo vzporedno – dobimo »nize« – in dosegamo izhodne tokove reda 25–35 A.
Ta tok napajamo v »DC/AC inverter«. Gre za elektronsko napravo, ki pretvarja DC tok (napetost) v AC tok (napetost) – glej sliko 4. AC tok/napetost se nato preko drugih elementov – galvansko ločenega transformatorja, merilnega sistema in glavnega odklopnika – oddaja v javno omrežje.
Na sliki 3 je prikazano, da je več modulov povezanih zaporedno. Primer PV razdelilne omare je prikazan na sliki 8.
Primer dveh nivojev zaščite v PV sistemih:
1. nivo zaščite je namenjen posebej izklopu DC kratkih stikov na območju panelov – neposredno ob solarnih talilnih vložkih (v nadaljevanju CH10 gPV), vstavljenih v cilindrične ločilnike tipa PCF DC (glej sliko 9).
Prvi nivo omogoča fizično in električno ločitev vsakega posameznega panela. Pomembno je poudariti, da je ločilnik nameščen tako na pozitivnem kot na negativnem polu. V našem primeru na sliki 9 je v panel povezanih sedem modulov. Za njihovo zaščito pred kratkim stikom potrebujemo 14 ločilnikov PCF DC z ustreznimi CH10 DC talilnimi vložki gPV.
2. nivo zaščite s talilnimi vložki je običajno nameščen blizu priključka na inverter in je električno povezan s cilindričnimi ločilniki prvega nivoja. Talilni vložki, običajno NV DC z nazivno DC napetostjo 750 V ali več, so nameščeni ob NH ločilniku, ki omogoča varen in hiter električni izklop inverterja ter celotnega enosmernega dela s PV paneli.
Na tem nivoju se uporabljajo NV DC talilni vložki z DC napetostjo 750 V do 1100 V, ki so del proizvodnega programa ETI d.d. Predstavljeni primer seveda ni edini; druge bomo predstavili v prihodnjih člankih.
Viri:
- NEC »Photovoltaic Power Systems – Suggested practices«
- Notranja poročila in znanje ETI
- Code Corner – Photovoltaic Systems Assistance Center, Sandia National Laboratories