Молниезащита и расчёт низковольтных устройств защиты от перенапряжений на PV-электростанциях

В солнечных электростанциях (PV) в качестве основополагающего принципа защиты от перенапряжений и молний необходимо принимать стандарт IEC 62305. Стандарт IEC 62305 состоит из четырех частей и в нашей стране опубликован как TSE EN 62305, части 1-2-3-4. Стандарт IEC 62305, который определяет критерии защиты зданий и сооружений от перенапряжений и молний, также предоставляет подробную информацию для солнечных систем. Стандарт, используемый в Германии под обозначением VDE 0185, с добавлением Приложения 5, подробно описывает защиту солнечных систем от перенапряжений и молний, а также все расчёты по заземлению. В нашей стране при работах по защите солнечных систем также используются критерии данного стандарта. Наша страна находится в регионе с достаточно высокой плотностью молниевых разрядов, и электростанции, особенно солнечные поля, установленные в высокой концентрации, находятся под угрозой. Поэтому мы обязаны обеспечить необходимую чувствительность в вопросах молниезащиты и заземления.

В солнечных системах тему защиты от перенапряжений и молний необходимо рассматривать в 4 основных разделах, и на объектах мы обязаны безупречно реализовать все эти 4 пункта. Принцип четырёхуровневой защиты является одним из ключевых правил, обеспечивающих долговечную и бесперебойную работу солнечных электростанций на протяжении многих лет. Основные пункты следующие;

1- СИСТЕМА ВНЕШНЕЙ МОЛНИЕЗАЩИТЫ

2- СИСТЕМА НИЗКОВОЛЬТНОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ (ВНУТРЕННЯЯ МОЛНИЕЗАЩИТА)

3- СИСТЕМА ЗАЗЕМЛЕНИЯ

4- СИСТЕМА УРАВНИВАНИЯ ПОТЕНЦИАЛОВ

Важно, чтобы все эти четыре системы были спроектированы в соответствии с нормами IEC, оборудование выбиралось на основании соответствующих критериев испытаний, а монтаж выполнялся с учётом длительного срока службы. В данном разделе мы рассмотрим основные принципы установки этих четырёх систем.

1- СИСТЕМА ВНЕШНЕЙ МОЛНИЕЗАЩИТЫ

Системы внешней молниезащиты являются крайне важными, так как обеспечивают устойчивость объекта к прямому воздействию молнии, защищают панели и другие элементы системы от физических повреждений, а также обеспечивают безопасность персонала, работающего на объекте. В рамках стандарта IEC 62305 система внешней молниезащиты, использующая метод катящейся сферы и метод защитного угла, должна проектироваться на основании детальных инженерных расчётов. Причиной предпочтения пассивных молниеприемников на солнечных электростанциях является как снижение риска, так и создание более надёжных систем. По этой причине в рамках стандарта IEC 62305 применение классических громоотводов (молниеотводов) на солнечных полях не рекомендуется. Системы, в которых используется метод защитного угла, устанавливаются за панелями, тогда как системы, формирующие зону защиты по методу катящейся сферы, размещаются по периметру площадки.

Перед проектированием внешней молниезащиты в солнечных проектах обязательно должен быть выполнен расчёт молниевого риска. Анализ риска, который также может выполняться с использованием специализированного программного обеспечения, включает такие данные, как географическое расположение, результаты геологических изысканий, размеры объекта, линии среднего и низкого напряжения вокруг объекта, окружающие сооружения, гористая местность, угол прихода молнии и региональная плотность молний. На основе этих данных рассчитывается уровень молниевого риска для площадки, на которой будет установлена солнечная система. В результате расчёта определяются четыре уровня риска. Таблица уровней риска I, II, III и IV задаёт защитные углы и радиусы катящейся сферы. Радиус, используемый в методе катящейся сферы, напрямую сопоставляется с результатами анализа риска. Таблица, предоставляемая стандартом IEC 62305, представлена ниже.

После определения уровня защиты для солнечного поля выбирается система внешней молниезащиты, которая будет установлена. Независимо от того, применяется ли защита за панелями или зональная защита, наиболее важным параметром является защитное расстояние S. Токоотводы молнии и элементы системы должны быть расположены на расстоянии не менее рассчитанного значения «s» от панелей. Защитное расстояние S может быть рассчитано по формуле, приведённой ниже. Пример расчёта может выглядеть следующим образом.

Для крышных систем защитное расстояние «s» также имеет большое значение;

Проектирование молниезащиты для крышных и наземных установок имеет много общего. В этом случае при размещении молниеприемников за панелями важно учитывать фактор затенения. В системах, рассчитанных по методу катящейся сферы, ограждения и угловые точки могут рассматриваться как наиболее подходящие места для размещения молниеприемников с учётом уравнивания потенциалов.

Согласно стандарту TS EN 62305-2 (Защита от молний — Часть 2: Управление рисками), опубликованному Турецким институтом стандартов в июне 2007 года, метод расчёта молниезащиты для фотоэлектрических (PV) систем, установленных вне зданий, не предусмотрен. Однако в 2010 году в стандарт TS EN 62305-3 (Защита от молний — Часть 3: Физические повреждения сооружений и опасность для жизни) был добавлен Раздел 5 под названием Фотоэлектрические системы электроснабжения.

В этом добавленном разделе указано, что фотоэлектрические электростанции мощностью более 10 кВт, установленные на открытых площадках, должны быть оснащены молниезащитой в соответствии с Уровнем защиты IV (R:60 м). Поскольку молниезащита предусматривается, дополнительный расчёт риска не требуется. В солнечных системах при анализе риска по методу катящейся сферы, как правило, получаются уровни III и IV, что позволяет принимать радиус катящейся сферы 45 м и 60 м.

При использовании метода защитного угла молниеприемники, установленные за панелями, должны обеспечивать включение панелей в зону защиты. Здесь также важное значение имеет упомянутое выше защитное расстояние «s».

В результате, если при проектировании системы молниезащиты солнечных панелей применяется метод защитного угла, используются молниеприемники, установленные за панелями; если же предпочтение отдаётся зональной защите, применяются рассчитанные по методу катящейся сферы штативные молниеприемники высотой до 8000 мм. Из-за фактора затенения молниеприемники, установленные за панелями, могут превышать высоту панелей на 50 см, при этом допускается установка молниеприемников с креплением к основанию через каждые 5 панелей. Концепция уравнивания потенциалов, которую мы подробно рассмотрим далее, имеет ключевое значение в системе внешней молниезащиты. Все заземления системы внешней молниезащиты обязательно должны быть объединены в общую систему уравнивания потенциалов с основным заземлением объекта. На этапе уравнивания потенциалов могут применяться разрядники с искровыми промежутками.