Всего 4 шага до подходящего предохранителя гелиоэнергетической установки
Автор: Хайнц-Ульрих Хаас, руководитель исследований и разработок компании SIBA GmbH & Co KG
После тысяч смонтированных гелиоэнергетических установок можно было бы предполагать, что определение расчетных параметров предохранителей стало повседневностью и входит в стандартный репертуар производителя таких установок. На то, что это далеко не всегда так, указывают рекомендации по предохранителям изготовителей отдельных узлов. Тут производитель модуля рекомендует расчетный ток 20 A, изготовитель инвертера — 16 A, производитель установки — предохранитель на 12 A. В то время как одно расчетное напряжение предохранителя ориентируется на режим холостого хода установки в условиях стандартного испытания (STC), другое принимает за основу максимальную интенсивность излучения в Испании. Но что же является правильным? Предлагаемая статья должна предоставить каждому пользователю четкие критерии. Путем простого согласования параметров установок или узлов она позволяет, тем самым, выбрать для любого типа установки наилучший из возможных предохранителей.
Представленные здесь расчеты относятся к данным имеющегося гелиоэнергетического модуля. Чтобы пояснить предельные случаи, мы «модифицировали» некоторые параметры установки — ведь на практике они не так часто встречаются в таком виде. Была выбрана средняя установка общей мощностью 40 кВт с восемью параллельно включенными цепями.
Причина этого: у маленьких установок ожидаемые токи короткого замыкания меньше, поэтому защита предохранителями становится целесообразной только при числе цепей более четырех. Таблица 1 содержит данные модуля. Значения относятся к условиям стандартного испытания, исходящим из интенсивности излучения 1000 Вт/м², спектрального распределения AM (воздушной массы) 1,5 и температуры 25 °C. Напряжение и ток модуля представляют собой так называемые MPP-значения, то есть значения «в точке максимальной нагрузки», полученные при оптимальных условиях. Таблица 2 сводит вместе фактические параметры установки. Прочие данные рассчитываются в соответствующих главах.
Таблица 1. Данные использованного гелиоэнергетического модуля
| Напряжение при PMAX | U MPP MOD = 29,2 В |
| Напряжение холостого хода | U OC MOD = 36,4 В |
| Ток MPP | I MPP = 7,9 A |
| Ток короткого замыкания | I SC MOD = 8,7 A |
| Температурный коэффициент U OC | 0,36 % / °C |
| Температурный коэффициент I SC | 0,065 % / °C |
| Макс. температура ячейки | 70 °C |
1. Определение расчетного напряжения предохранителя UN
За основу определения расчетного напряжения вставки предохранителя принимаем напряжение холостого хода цепочки. Для получения действительно максимального значения оно должно быть пересчитано на минимально возможную температуру воздуха, окружающего модуль. При этом принимается, что испытательное напряжение предохранителя UP (а не расчетное напряжение) должно быть больше, чем максимальное напряжение холостого хода цепочки. Взгляд на спецификации желаемой вставки предохранителя дает вывод о величине испытательного напряжения. В большинстве случаев (но не всегда) испытательное напряжение предохранителя составляет 1,1-кратное расчетное напряжение.
При величине тока MPP 7,9 A и напряжении холостого хода 945 В для защиты цепочки выбираются всережимные вставки предохранителя типа URZ 10 x 38 мм (рис. 1). Для этого типа предохранителя спецификации изготовителя указывают испытательное напряжение Up – 1000 В DC и расчетное напряжение UN – 900 В DC.
Рис. 1. Предохранители серии URZ для гелиоэнергетической установки
2. Определение расчетного тока предохранителя IN
Для вставки предохранителя также действительны условия стандартного испытания (STC, они будут упоминаться здесь не только в этой форме). При температурах окружающего воздуха, не равных 25 °C, при эксплуатации с переменными нагрузками, а также при скоплении смонтированных рядом друг с другом цоколей предохранителей необходимо учитывать коэффициенты ухудшения характеристик. Эти коэффициенты можно найти в спецификациях вставок и цоколей предохранителей. На рис. 2 показана типичная диаграмма ухудшения характеристик в зависимости от температуры окружающего воздуха: здесь можно, например, для температуры 60 °C, найти коэффициент 0,84. Коэффициент учета переменной нагрузки для всережимных предохранителей гелиоэнергетических установок составляет 0,9. Поскольку цоколи размещаются группами по три предохранителя, дополнительный учет ухудшения характеристик не требуется.
| Температура окружающего воздуха 60 °С | KTH = 0,84 |
| Коэффициент переменной нагрузки для всережимного предохранителя гелиоустановки | А2 = 0,9 |
| Ухудшение из-за тесного скопления цоколей | KZS = 1 (поскольку группы из трех штук) |
Рис. 2. Температурное ухудшение
На основе тока MPP и понижающих коэффициентов рассчитаем минимальный расчетный ток предохранителя IN MIN.
Из ряда возможных расчетных токов для типа предохранителей выбирается следующий по величине за 10,5 A расчетный ток 12 A. При необходимости следует проверить, удовлетворяет ли этот расчетный ток условиям линейной защиты кабеля цепочки (как правило, линии выбираются скорее с запасом, и такая проверка не требуется).
3. Испытание и шаги итерации
На следующем шаге выбранный расчетный ток предохранителя должен быть снова снижен с учетом ухудшения характеристик (IN RED), после чего результат должен быть выше тока короткого замыкания модуля I SC MOD: в конце концов, предохранители исправных цепочек не должны срабатывать при коротком замыкании в дефектной цепочке.
4. Факультативно: определение времени срабатыванияпредохранителя
Последним шагом проверяем, действительно ли сработает выбранная вставка предохранителя в случае короткого замыкания, и если сработает, то за какое время. Для этого ток короткого замыкания цепочки модулей наносится на времятоковую диаграмму предохранителя (рис. 3) в виде значения STC и в виде реального максимального значения.
| Суммарный ток короткого замыкания цепочки I SC STRING’’ = I SC MOD x (N-1) | I SC STRING’’ = 60,9 А |
| Считывать время плавления ts предохранителя 16 А при I SC STRING’’ (рис. 3) | 1,5 с |
Рис. 3. Времятоковая характеристика выбранного предохранителя гелиоэнергетической установки
Результат: всего четыре шага для точного определения — и надежные эмпирические формулы. Всережимные вставки предохранителей размером 10 x 38 мм на 900 B DC с расчетным током 16 A выдерживают, с одной стороны, ток длительной нагрузки 7,9 A, и отключают ток короткого замыкания цепочки 75,2 A примерно за 0,4 с. Расчетные токи предохранителей > 16 A возможны, но требуют нового расчета по приведенной выше схеме.
На первый взгляд, расчет наиболее подходящей вставки предохранителя кажется очень трудоемким, но, в целом, вся необходимая информация собирается всего за четыре шага. Кроме того, проделанные однажды расчеты для одного типа установок или для одного региона позволяют получить коэффициенты, облегчающие последующую повседневную работу.
Так, расчетное напряжение с учетом минимальной температуры - 25 °C и соответствующего температурного коэффициента может определяться следующим образом:
При определении расчетного тока может быть принята температура в коробке присоединений 60 °C и типичный для гелиоэнергетических установок коэффициент, учитывающий переменную нагрузку, равный 0,9, а также максимальная интенсивность облучения 1200 Вт/м²:
Программа производства компании SIBA по стандартам гелиоэнергетики (во всем диапазоне DC)
Компания SIBA постоянно расширяет свою программу производства, специализирующуюся на гелиоэнергетике. Так, мы работаем над повышением напряжения при сохранении или даже уменьшении размеров. Возможны также индивидуальные разработки под особые требования.