Sự phối hợp hoạt động của bộ chống sét lan truyền, cầu dao và cầu chì trong hệ thống quang điện: Phân tích chức năng và thảo luận về tính cần thiết.

Giới thiệu

Với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp quang điện toàn cầu, an toàn và ổn định của hệ thống phát điện mặt trời đã trở thành tâm điểm chú ý của ngành. Hệ thống quang điện thường xuyên tiếp xúc với môi trường ngoài trời trong thời gian dài và dễ bị tổn thương bởi các mối đe dọa như sét đánh, biến động lưới điện và sự cố thiết bị, có thể gây hư hỏng thiết bị hoặc thậm chí cháy nổ. Bộ chống sét lan truyền (SPD), cầu dao và cầu chì là những thiết bị bảo vệ quan trọng, mỗi thiết bị đều thực hiện nhiệm vụ của mình và phối hợp với nhau để đảm bảo hoạt động an toàn của hệ thống. Bài viết này sẽ phân tích sâu chức năng, cơ chế phối hợp và sự cần thiết của chúng để cung cấp tài liệu tham khảo cho người sử dụng trong ngành.

I. "Kẻ sát nhân vô hình" đối mặt với hệ thống quang điện

Các nhà máy điện mặt trời giống như những "chiến binh thép" làm việc ngoài trời, liên tục phải chịu đựng nhiều thử thách khắc nghiệt.

1.1 Các vấn đề liên quan đến sét đánh:

Đặc biệt, ở Trung Đông và Đông Nam Á, một mùa giông bão duy nhất có thể làm tê liệt các hệ thống thiếu khả năng bảo vệ.
1.2 Biến động lưới điện:
Trong dự án ở Chile mà tôi phụ trách, một số thiết bị đã bị cháy do điện áp lưới tăng đột ngột.

1.3 Rủi ro ngắn mạch:
Năm ngoái, một dự án ở Đức đã gặp sự cố chập điện do dây cáp cũ, suýt gây ra hỏa hoạn.

Những rủi ro này không hề phóng đại. Theo Liên minh An toàn Điện mặt trời Quốc tế, hơn 60% sự cố hệ thống điện mặt trời là do hệ thống bảo vệ điện không đầy đủ.

II. Chức năng cốt lõi của thiết bị chống sét lan truyền (SPD)

2.1 Nguyên lý hoạt động
Thiết bị chống sét lan truyền (SPD) chuyển hướng quá áp thoáng qua xuống đất thông qua các điện trở biến đổi oxit kim loại (MOV) hoặc ống phóng điện khí (GDT), giới hạn điện áp trong phạm vi an toàn. Trong các hệ thống quang điện, SPD thường được lắp đặt tại các vị trí sau:
Phía DC (giữa các mô-đun và biến tần): Để bảo vệ chống lại các xung điện do sét đánh gây ra.
Mạch AC (giữa biến tần và lưới điện): Để triệt tiêu quá áp từ phía lưới điện.

2.2 Các thông số chính
Điện áp hoạt động liên tục tối đa (Uc): Phải phù hợp với mức điện áp của hệ thống quang điện (ví dụ: 1000V DC hoặc 1500V DC).
Dòng điện phóng (In/Iimp): Phản ánh khả năng phóng dòng điện sét, và các hệ thống quang điện thường yêu cầu dòng điện từ 20kA trở lên.
Mức bảo vệ điện áp (Trên): Xác định giá trị điện áp dư và phải thấp hơn điện áp chịu đựng của thiết bị được bảo vệ.

2.3 Sự cần thiết
Ngăn ngừa hư hỏng các thiết bị đắt tiền như bộ biến tần và hộp đấu nối do xung điện áp gây ra.
Tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế (như IEC 6164331, UL 1449) và các yêu cầu nghiệm thu đối với các trạm điện mặt trời.

III. Chức năng và lựa chọn cầu dao và cầu chì

3.1 Bộ ngắt mạch
Chức năng:
•Bảo vệ quá tải: Khi dòng điện vượt quá giá trị cài đặt (ví dụ: gấp 1,3 lần dòng điện định mức), cơ chế ngắt nhiệt sẽ hoạt động.
•Bảo vệ ngắn mạch: Cơ chế ngắt điện từ sẽ cắt dòng điện ngắn mạch (ví dụ: 10kA) trong vòng mili giây.

•Đặc điểm ứng dụng của hệ thống quang điện:
Cần phải chọn một cầu dao ngắt mạch DC chuyên dụng (chẳng hạn như DC 1000V/1500V).
Khả năng ngắt mạch phải phù hợp với dòng ngắn mạch của hệ thống (thường ≥ 15kA).

3.2 Cầu chì
Chức năng:
Bằng cách làm tan chảy phần tử cầu chì, nó có thể nhanh chóng cách ly mạch bị lỗi và bảo vệ nhánh mắc nối tiếp.

Thuận lợi:
Tốc độ ngắt mạch nhanh hơn (ở mức micro giây), phù hợp với các trường hợp dòng ngắn mạch cao.
Nó có kích thước nhỏ và phù hợp với các hộp dẫn điện có không gian hạn chế.

3.3 Hợp tác với SPD

Thiết bị chống sét lan truyền (SPD) có nhiệm vụ bảo vệ điện áp, trong khi cầu dao/cầu chì bảo vệ có nhiệm vụ bảo vệ dòng điện.
Khi thiết bị chống sét lan truyền (SPD) bị hỏng do quá áp, cầu dao hoặc cầu chì bảo vệ có thể nhanh chóng ngắt mạch điện bị lỗi để ngăn ngừa hỏa hoạn.

IV. Nghiên cứu trường hợp hệ thống bảo vệ đa cấp

Lấy ví dụ một nhà máy điện mặt trời 1MW:
4.1 Bảo vệ phía DC
Phân nhánh mạch linh kiện: Lắp cầu chì (ví dụ: loại gPV 10A) cho mỗi mạch.
Lối vào hộp kết hợp: Lắp đặt thiết bị chống sét lan truyền loại II (điện áp lên ≤ 1,5kV) và bộ ngắt mạch DC (63A).

4.2 Bảo vệ phía AC
Đầu ra của biến tần: Cấu hình thiết bị chống sét lan truyền loại 1+2 (Iimp ≥ 12,5kA) và cầu dao vỏ đúc (250A).

4.3 Mô phỏng kịch bản lỗi
Khi xảy ra sét đánh: Thiết bị chống sét lan truyền (SPD) sẽ giải phóng dòng điện đột biến và giữ điện áp ở mức dưới 2kV; nếu SPD bị hỏng do ngắn mạch, cầu dao sẽ ngắt mạch.
Khi xảy ra sự cố ngắn mạch đường dây: Cầu chì sẽ tan chảy trong vòng 5ms để ngăn chặn sự lan rộng của hiệu ứng điểm nhiệt.

V. Các biện pháp phòng ngừa khi lựa chọn và lắp đặt

5.1 Lựa chọn tốc độ
Đối với phía DC, cần chọn thiết bị chống sét lan truyền chuyên dụng cho hệ thống quang điện (như PVSPD) để tránh vấn đề dòng điện ngược thường gặp ở các thiết bị chống sét lan truyền AC thông thường.
Cần xem xét đến biên độ nhiệt độ (Uc cần có biên độ an toàn trong môi trường nhiệt độ cao).

5.2 Ghép nối cầu dao/cầu chì
Khả năng ngắt mạch phải cao hơn dòng ngắn mạch tối đa của hệ thống (ví dụ, dòng ngắn mạch của chuỗi có thể đạt tới 1,5kA).
Dòng điện định mức của cầu chì phải lớn hơn 1,56 lần dòng ngắn mạch của linh kiện (Isc) (theo tiêu chuẩn NEC 690.8).

5.3 Gợi ý tích hợp hệ thống
Chiều dài dây dẫn giữa thiết bị chống sét lan truyền (SPD) và cầu dao phải nhỏ hơn hoặc bằng 0,5m để giảm điện áp dư.
Nên tiến hành kiểm tra định kỳ các chỉ báo trạng thái của SPD và thay thế các mô-đun bị lỗi kịp thời.

VI. Xu hướng ngành và cập nhật tiêu chuẩn
•Nhu cầu điện áp cao: Với việc áp dụng rộng rãi các hệ thống quang điện 1500V, mức điện áp chịu đựng của các thiết bị chống sét lan truyền (SPD) và cầu dao cần được nâng cao đồng bộ.

• Giám sát thông minh: Các thiết bị chống sét lan truyền thông minh tích hợp cảm biến nhiệt độ và chức năng truyền thông không dây đang dần được ứng dụng để thực hiện cảnh báo sớm lỗi từ xa.

•Tăng cường tiêu chuẩn: Phiên bản mới của IEC 625482023 đã đưa ra các yêu cầu phối hợp nghiêm ngặt hơn đối với các thiết bị bảo vệ cho hệ thống quang điện.

Phần kết luận
Trong các hệ thống quang điện, bộ chống sét lan truyền, cầu dao và cầu chì tạo thành một hệ thống bảo vệ cộng tác "điện áp-dòng điện" hoàn chỉnh. Việc lựa chọn và cấu hình đúng các thành phần này không chỉ giúp kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm chi phí vận hành, bảo trì mà còn là điều kiện thiết yếu để đảm bảo an toàn vận hành các nhà máy điện. Với sự phát triển của công nghệ, việc tích hợp và tính thông minh của các thiết bị bảo vệ này sẽ tiếp tục nâng cao độ tin cậy của hệ thống quang điện trong tương lai.