Χωρητικά ρεύματα διαφυγής

Transcript

1 Χωρητικά ρεύματα διαφυγής Οδηγίες για το σχεδιασμό εγκατάστασης μετατροπέων χωρίς μετασχηματιστή SUNNY BOY / SUNNY MINI CENTRAL ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Volkswagen AG, Wolfsburg, 2,4 MWp (Πηγή: Suntimes Solar GmbH, Lübbecke) Όλες οι φωτοβολταϊκές μονάδες έχουν, σύμφωνα με μια βασική σχέση φυσικής, μια συγκεκριμένη παρασιτική χωρητικότητα. Αυτή είναι ανάλογη προς την επιφάνεια και αντιστρόφως ανάλογη προς το πάχος. Επιπλέον, εξαρτάται από τις ιδιότητες του εκάστοτε υλικού και από τον τρόπο τοποθέτησης. Σε φωτοβολταϊκές μονάδες με εύκαμπτο υπόστρωμα, αλλά και σε κάποιες μονάδες κρυσταλλικών στοιχείων με ενσωματωμένη μεταλλική πίσω πλευρά, αυτή η χωρητικότητα είναι ιδιαίτερα μεγάλη. Σε συνδυασμό με μετατροπείς χωρίς μετασχηματιστή (TL) μπορεί να προκύψουν τόσο μεγάλα ρεύματα μετατόπισης, που να ενεργοποιηθεί η επιτήρηση ρεύματος σφάλματος του μετατροπέα. Αυτό έχει ως συνέπεια ο μετατροπέας να αποκοπεί για κάποιο χρονικό διάστημα από το δημόσιο δίκτυο. Γι' αυτό, η SMA συνιστά σε αυτές τις περιπτώσεις τη χρήση μετατροπέα με μετασχηματιστή. Στη συνέχεια αναφέρονται οι τεχνικές σχέσεις οι οποίες πρέπει να λαμβάνονται υπόψη από τα πρώτα βήματα του σχεδιασμού μιας εγκατάστασης. Αυτές οι τεχνικές πληροφορίες απευθύνονται σε δύο ομάδες αναγνωστών: Πρώτον, στον κατασκευαστή των προαναφερόμενων μονάδων, με την παράκληση της μεταβίβασης των πληροφοριών στον πελάτη (και στους συνεργάτες επεξεργασίας των ελασμάτων), και δεύτερον απευθείας στους τεχνικούς εγκατάστασης και τους σχεδιαστές. Ableitstrom-UGR Έκδοση 1.0 1/7

2 Πώς υπολογίζεται η χωρητικότητα της φωτοβολταϊκής γεννήτριας προς τη γη; 1 Πώς υπολογίζεται η χωρητικότητα της φωτοβολταϊκής γεννήτριας προς τη γη; Μια φωτοβολταϊκή μονάδα δημιουργεί μια ηλεκτρικά φορτιζόμενη επιφάνεια έναντι ενός γειωμένου σκελετού. Μια τέτοια διάταξη, η οποία αποθηκεύει φορτίο από τη δημιουργούμενη τάση, ονομάζεται πυκνωτής, η χωρητικότητα του οποίου δηλώνεται συνήθως με το γράμμα "C". Επειδή αυτή η χωρητικότητα είναι ανεπιθύμητη, την ονομάζουμε "παρασιτική χωρητικότητα". Η χωρητικότητα υπολογίζεται βάσει του ακόλουθου τύπου και εξαρτάται από τέσσερις παράγοντες: C = ε 0 ε r A/d Σημασία των μεταβλητών: ε 0 : διαπερατότητα, φυσική σταθερά: 8, As/Vm ε r : αριθμός διαπερατότητας, ανάλογα το υλικό: ε rαέρας = 1; ε rγυαλί 5 10 A: ενεργή επιφάνεια του πυκνωτή d: απόσταση ανάμεσα στις πλάκες πυκνωτή Ποια τιμή πρέπει να χρησιμοποιηθεί ως επιφάνεια A και πάχος d; Δεν είναι πάντα απλή η επιλογή, αφού εκτός από τα στοιχεία της μονάδας, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη και ο τρόπος τοποθέτησης. Γι' αυτό και σε γενικές γραμμές δε θα βρείτε στοιχεία σε αυτό το Φύλλο στοιχείων. Βάσει τριών παραδειγμάτων, παρουσιάζεται στη συνέχεια πώς μπορεί παρόλα αυτά να γίνει ο υπολογισμός (για το χρησιμοποιούμενο γυαλί θεωρείται ε r = 6). ΠΡΟΣΟΧΗ! Στους παράγοντες αυτούς θα μπορούσαν να συνυπολογιστούν και οι καιρικές συνθήκες. Αν υπάρχει π.χ. δικτύωση με νερό, αυξάνεται σημαντικά η ενεργή επιφάνεια. SMA Solar Technology AG 2/7

3 Πώς υπολογίζεται η χωρητικότητα της φωτοβολταϊκής γεννήτριας προς τη γη; Παράδειγμα 1: μονάδα γυαλιού-γυαλιού χωρίς πλαίσιο με πλαίσιο αλουμινίου σε βάση τοποθέτησης (σε ελεύθερο χώρο) Οριακές συνθήκες: Η μονάδα έχει επιφάνεια 1 m². Η μονάδα έχει πάχος 1 cm. Η ηλεκτρικά ενεργή μεμβράνη βρίσκεται ακριβώς στη μέση ανάμεσα στο μπροστινό και στο πίσω τζάμι. Η μονάδα βρίσκεται στη γειωμένη μεταλλική βάση με άμεση επαφή της επιφανείας μόνο 10 %. Η απόσταση ανάμεσα στο δάπεδο και τη μονάδα είναι 1 m. Η επιφάνεια που ακουμπάει κατά 10 % στο πλαίσιο δημιουργεί πυκνωτή με επιφάνεια 0,1 m² και απόσταση πλακών 0,005 m. Από αυτό προκύπτει χωρητικότητα περίπου 1 nf. Το υπόλοιπο 90 % της επιφάνειας συνυπολογίζεται με επιφάνεια 0,9 m² και απόσταση 1 m. Αυτό σημαίνει μόλις 0,05 nf και δε χρειάζεται να ληφθεί υπόψη. Η συνολική χωρητικότητα μιας μονάδας προς τη γη είναι περίπου 1 nf. Παράδειγμα 2: μονάδα γυαλιού-γυαλιού με πλαίσιο αλουμινίου σε οροφή Οριακές συνθήκες: Η μονάδα έχει επιφάνεια 1 m². Η μονάδα έχει πάχος 2 cm. Η ηλεκτρικά ενεργή μεμβράνη βρίσκεται ακριβώς στη μέση ανάμεσα στο μπροστινό και στο πίσω τζάμι. Η μονάδα εφαρμόζει απευθείας στο γειωμένο επιστέγασμα οροφής. Η απόσταση της συνολικής επιφάνειας είναι μόλις 1 cm από το επιστέγασμα της οροφής. Αν το επιστέγασμα είναι γειωμένο, προκύπτει πυκνωτής με επιφάνεια 1 m² και απόσταση πλακών 0,01 m. Η παρασιτική χωρητικότητα της μονάδας προς τη γη σε αυτήν την περίπτωση είναι περίπου 5 nf. Παράδειγμα 3: Μονάδα λεπτής μεμβράνης σε εύκαμπτο φέρον υλικό Οριακές συνθήκες: Η μονάδα έχει επιφάνεια 1 m². Η μονάδα έχει πάχος 2 mm. Η ηλεκτρικά ενεργή μεμβράνη βρίσκεται ακριβώς στη μέση ανάμεσα στην μπροστινή και στην πίσω μεμβράνη. Η μονάδα τοποθετείται ως έλασμα απευθείας σε οροφή αλουμινίου. Τώρα η απόσταση της συνολικής επιφάνειας είναι μόλις 1 mm από το επιστέγασμα της οροφής. Από αυτό προκύπτει πυκνωτής με επιφάνεια 1 m² και απόσταση πλακών 0,001 m. Η παρασιτική χωρητικότητα της μονάδας προς τη γη σε αυτήν την περίπτωση είναι περίπου 50 nf. SMA Solar Technology AG 3/7

4 Πώς δημιουργείται το χωρητικό ρεύμα διαφυγής; 2 Πώς δημιουργείται το χωρητικό ρεύμα διαφυγής; Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας, η φωτοβολταϊκή μονάδα συνδέεται με το δίκτυο εναλλασσόμενου ρεύματος μέσω του μετασχηματιστή. Ανάλογα τον τύπο της συσκευής, μέρος του εύρους της εναλλασσόμενης τάσης του εμφανίζεται στη φωτοβολταϊκή μονάδα. Στο σημείο αυτό θα πρέπει να διακρίνουμε δύο περιπτώσεις (βλέπε επίσης γραφικό): 1. μετατροπείς χωρίς μετασχηματιστή Σχεδόν σε όλα τα μοντέλα χωρίς μετασχηματιστή μεταφέρεται, ανάλογα τη λειτουργία, το μισό εύρος δικτύου στη μονάδα. Η ταλάντωση στη διάταξη είναι 115 V / 50 Hz. Αυτό ισχύει για τα Sunny Boy / Sunny Mini Central που έχουν στην ονομασία προϊόντος την προσθήκη "TL". 2. Μετατροπείς με μετασχηματιστή Στις συσκευές με μετασχηματιστή η ταλάντωση της τάσης στη φωτοβολταϊκή μονάδα ονομάζεται "κυμάτωση", ή αλλιώς "ripple" και δεν ξεπερνάει κάποια ελάχιστα Volt. Η τάση ταλάντωσης αλλάζει διαρκώς στην κατάσταση φόρτισης του παρασιτικού φωτοβολταϊκού πυκνωτή. Με αυτή συνδέεται το ρεύμα μετατόπισης, το οποίο είναι ανάλογο προς τη χωρητικότητα και το υπάρχον εύρος τάσης. Για ειδικούς: Το ρεύμα μετατόπισης (ενεργός τιμή) προκύπτει ως εξής: I = ΔQ ΔU = C = C 2π f U Δt Δt Όπου f = 50 Hz η συχνότητα δικτύου και U η ενεργός τιμή της εναλλασσόμενης τάσης στη φωτοβολταϊκή γεννήτρια (περίπου 2 V σε μετατροπείς με μετασχηματιστή και 115 V σε μετατροπείς χωρίς μετασχηματιστή). Αυτό το ρεύμα διαφυγής είναι άεργο ρεύμα, η φάση του οποίου είναι μετατοπισμένη κατά 90 σε σχέση με την τάση του δικτύου. Σε πρώτη προσέγγιση λοιπόν δεν εμφανίζει απώλειες. SMA Solar Technology AG 4/7

5 Πώς επηρεάζει το ρεύμα διαφυγής τον εντοπισμό του ρεύματος σφάλματος; 3 Πώς επηρεάζει το ρεύμα διαφυγής τον εντοπισμό του ρεύματος σφάλματος; Το χωρητικό ρεύμα διαφυγής που περιγράφεται στην ενότητα 2 είναι άεργο ρεύμα (χωρίς απώλειες). Αν όμως, λόγω σφάλματος, π.χ. λόγω προβλήματος στη μόνωση, υπάρξει επαφή ενός αγωγού φέροντος τάση με ένα γειωμένο άτομο (βλέπε εικόνα), θα υπάρξει μεταφορά ενός ακόμα ρεύματος, το οποίο ονομάζεται ρεύμα σφάλματος. Το άθροισμα των δύο ρευμάτων (ρεύμα διαφυγής και ρεύμα σφάλματος) είναι το λεγόμενο παραμένον ρεύμα. Παραμένον ρεύμα = ρεύμα διαφυγής + ρεύμα σφάλματος Ρεύματα σφάλματος μεγαλύτερα από 30 ma πιθανόν να αποβούν επικίνδυνα για την ανθρώπινη ζωή. Για να διασφαλιστεί πρόσθετη ατομική προστασία εκτός της μόνωσης, θα πρέπει οι ηλεκτρικές συσκευές να αποκόπτονται από το δίκτυο όταν το ρεύμα σφάλματος είναι χαμηλότερο ή ίσο με 30 ma (DIN VDE ). Ο μετατροπέας διαθέτει μονάδα επιτήρησης ευαίσθητη σε όλα τα ρεύματα σφάλματος (RCMU). Αυτή η μονάδα όμως μπορεί να μετρήσει μόνο το παραμένον ρεύμα (ρεύμα διαφυγής + ρεύμα σφάλματος). Ο υπολογισμός του ρεύματος σφάλματος από αυτό είναι δυνατός μόνο υπό συγκεκριμένες προϋποθέσεις και γίνεται δυσκολότερος όσο το ρεύμα διαφυγής είναι μεγαλύτερο. Από τα 50 ma και επάνω, οι τυχαίες ταλαντώσεις στο ρεύμα διαφυγής γίνονται τόσο μεγάλες, που μπορεί να ερμηνευτούν ως ρεύμα σφάλματος που προέκυψε ξαφνικά και ξεπέρασε τα 30 ma. Σε τέτοιες περιπτώσεις, ο μετατροπέας αποκόπτεται αυτόματα για προληπτικούς λόγους από το δημόσιο δίκτυο. SMA Solar Technology AG 5/7

6 Από ποιο σημείο και μετά αποτελεί πρόβλημα; 4 Από ποιο σημείο και μετά αποτελεί πρόβλημα; Οριακή χωρητικότητα Όπως περιγράφηκε ανωτέρω, για τη διασφάλιση της ικανότητας λειτουργίας της επιτήρησης ρεύματος σφάλματος, θα πρέπει να αποφεύγονται τα ρεύματα διαφυγής που είναι μεγαλύτερα από 50 mα. Επειδή το ρεύμα διαφυγής εξαρτάται άμεσα από τη χωρητικότητα της μονάδας προς τη γη, για κάθε τάση δικτύου υπάρχει μια αντίστοιχη οριακή χωρητικότητα, πάνω από την οποία θα πρέπει να υπολογίζετε ότι η λειτουργία θα είναι ευάλωτη σε βλάβες. Για όλους τους μετατροπείς χωρίς μετασχηματιστή προκύπτει σύμφωνα με τον τύπο: I = C 2π f U (mit I = 50 ma, f = 50 Hz und U = 115 V) μια οριακή χωρητικότητα περίπου 1400 nf. Για ειδικούς: Απαρέγκλιτη τήρηση του τύπου Στον προηγούμενο τύπο για τη χωρητικότητα αντικαθιστούμε τις ακόλουθες τιμές: ε 0 = 8, As / Vm ε rγυαλί = 6 Τότε από C = ε 0 ε r A / d C [nf] 50 A [m²] / d [mm]. Ισχύει ο ακόλουθος προσεγγιστικός τύπος: C [nf] 50 A [m ² ] / d [mm] SMA Solar Technology AG 6/7

7 Λίστα ελέγχου 5 Λίστα ελέγχου Κάθε φωτοβολταϊκή εγκατάσταση θα πρέπει να ελέγχεται από τη φάση του σχεδιασμού ότι καλύπτει τις προαναφερόμενες προδιαγραφές. Σε περίπτωση που υπάρχουν αμφιβολίες, είναι πολύ σημαντικό να επικοινωνήσετε με τον κατασκευαστή της μονάδας κατά διάρκεια της φάσης σχεδιασμού. Αυτό ισχύει κυρίως, αν θέλετε να χρησιμοποιήσετε ένα τύπο μονάδας με μετασχηματιστή χωρίς μετασχηματιστή για πρώτη φορά. Επιπρόσθετα, προτείνουμε να ακόλουθα βήματα ελέγχου: 1. Παρουσιάζει η εν λόγω μονάδα τα χαρακτηριστικά που αναφέρθηκαν παραπάνω (έλασμα, ενσωματωμένη πίσω μεταλλική πλευρά); Αν ναι: Προσπαθήστε να εκτιμήσετε την παρασιτική χωρητικότητα, λαμβάνοντας υπόψη σας τα εξής: 2. Υπολογίστε την απόσταση ανάμεσα στη μονάδα και την οροφή, καθώς και την επιφάνεια της μονάδας. Το αποτέλεσμα βρίσκεται στην κατώτατη, κόκκινη περιοχή του ακόλουθου γραφικού; Αν ναι: Η SMA συνιστά τη χρήση Sunny Boy / Sunny Mini Central με μετασχηματιστή. 3. Αν παρόλα αυτά θέλετε να χρησιμοποιήσετε μονοφασική συσκευή TL, επικοινωνήστε με τον κατασκευαστή της μονάδας. Μήπως πρέπει να γνωρίζετε κάτι περισσότερο για την παρασιτική χωρητικότητα; 4. Ο ασφαλέστερος τρόπος για τον εντοπισμό πιθανών προβλημάτων κατά το σχεδιασμό και τη λειτουργία μιας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης είναι η έγκριση του σχεδίου εγκατάστασης από τον κατασκευαστή των μονάδων. Η SMA ευχαρίστως να παρέχει για αυτήν τη διαδικασία την όποια βοήθεια στον κατασκευαστή των μονάδων. Επικοινωνία: Tel SMA Solar Technology AG 7/7