Gleichspannung

DC-Überspannungsschutzgerät (SPD) – Bedeutung

DC-SPD, vollständiger Name Direct Current Surge Protection Device (Gleichstrom-Überspannungsschutzgerät), ist ein Schutzgerät, das speziell für DC-Stromversorgungssysteme entwickelt wurde, um vor transienten Überspannungen (Überspannungen) zu schützen, die durch Blitzeinschläge, Schaltvorgänge oder andere elektrische Störungen verursacht werden. Wenn diese Überspannungen nicht kontrolliert werden, können sie empfindliche elektronische Geräte im DC-System beschädigen und sogar zu Systemausfällen führen.

Ein DC-Überspannungsschutzgerät wurde entwickelt, um DC-betriebenen Systemen und Geräten Schutz vor plötzlichen Spannungsspitzen oder -überspannungen zu bieten. DC-SPDs unterdrücken oder leiten Überspannungen ab und verhindern so Schäden an empfindlichen elektronischen Bauteilen, Systemausfälle und sogar Datenverluste.

Überlegungen für DC-Überspannungsschutzgeräte in PV-Installationen

Wolkeninterne und -externe Blitze mit einer Stärke von 100 kA können zugehörige Magnetfelder erzeugen, die transiente Ströme in der DC-Verkabelung von PV-Systemen auslösen. Diese transienten Spannungen treten an den Geräteanschlüssen auf und führen zu Isolations- und dielektrischen Ausfällen wichtiger Komponenten.

Diese erzeugten und unvollständigen Blitzströme werden durch die Platzierung von SPDs an bestimmten Stellen gemindert. Das SPD ist parallel zu den stromführenden Leitungen mit der Erde verbunden. Wenn eine Überspannung auftritt, schaltet es von einem hochohmigen zu einem niederohmigen Gerät. Das SPD entlädt in diesem Design den zugehörigen transienten Strom und reduziert so die Überspannung, die andernfalls an den Geräteanschlüssen auftreten würde.

Dieses Parallelgerät führt einen Leerlaufstrom. Das von Ihnen gewählte SPD muss speziell für DC-PV-Spannungen ausgelegt, bewertet und zugelassen sein. Die inhärente SPD-Trennung muss in der Lage sein, den schwereren DC-Lichtbogen zu unterbrechen, der in AC-Anwendungen nicht vorhanden ist.

In großen kommerziellen und netzgekoppelten PV-Systemen, die mit einer maximalen Leerlaufspannung von 600 oder 1.000 V DC betrieben werden, ist der Anschluss von MOV-Modulen in einer Y-Konfiguration eine beliebte SPD-Konfiguration.

Ein MOV-Modul ist mit jedem Pol und der Erde an jedem Bein des Y verbunden. Es gibt zwei Module zwischen jedem Pol und sowohl Pol als auch Basis in einem ungeerdeten System. Da jedes Modul in dieser Konfiguration für die halbe Systemspannung ausgelegt ist, überschreiten die MOV-Module ihren Nennwert nicht, selbst wenn ein Pol-zu-Erde-Fehler auftritt.

Die Funktion des DC-Überspannungsschutzgeräts

Die Kernfunktion des DC-SPDs besteht darin, diese plötzlichen, hochenergetischen Überspannungen zu absorbieren und freizusetzen, die Amplitude der Überspannung zu begrenzen und Geräte, die an die DC-Stromversorgung angeschlossen sind, vor Schäden zu schützen. Sie werden typischerweise an wichtigen Knotenpunkten in DC-Stromversorgungssystemen installiert, z. B. an der DC-Seite von Photovoltaik-Stromerzeugungssystemen, am Stromeingang von Kommunikationsbasisstationen oder am DC-Ausgang von Ladestationen für Elektrofahrzeuge, um einen stabilen Betrieb des Systems zu gewährleisten.

Im Vergleich zu Überspannungsschutzgeräten für AC (AC-SPD) müssen DC-SPDs die besonderen Herausforderungen von Gleichstrom bewältigen, wie z. B. kontinuierliche unidirektionale Ströme und potenziell hohe Spannungspegel. Daher werden DC-SPDs mit speziellen Komponenten und Technologien entwickelt, um den Anforderungen einer DC-Umgebung gerecht zu werden.

Funktionsweise

Die ordnungsgemäße Auswahl, Installation und Wartung von DC-Überspannungsschutzgeräten ist unerlässlich, um einen wirksamen Überspannungsschutz in DC-Systemen zu gewährleisten. Die Leistungseffektivität eines DC-SPDs variiert mit Faktoren wie Überspannungsfestigkeit, Klemmspannung, Reaktionszeit und der spezifischen Anwendung.

Sie können die Funktionsweise eines DC-Überspannungsschutzgeräts wie folgt aufschlüsseln:

- Überspannungserkennung

Ein DC-Überspannungsschutzgerät erkennt eine Überspannung über seinem Nennwert in einem DC-System. Dieses Gerät überwacht typischerweise den Spannungspegel unter Verwendung spezieller Schaltkreise zur Erkennung von Überspannungen.

- Spannungsklemmung

DC-Überspannungsschutzgeräte verwenden Komponenten wie Metalloxidvaristoren (MOVs) oder Gasentladungsröhren (GDTs), um eine Spannungsklemmung zu erreichen. Diese Komponenten weisen einen hohen Widerstand gegen die Spannung innerhalb der normalen Grenzen auf, wodurch ein normaler elektrischer Stromfluss ermöglicht wird. Eine Überspannung über dem Schwellenwert verringert jedoch den Widerstand der Komponente erheblich und erzeugt einen niederohmigen Pfad für den Überspannungsstrom. Der Schwellenwert, über dem eine Spannung als Überspannung betrachtet wird, wird als Klemmspannung oder Durchlassspannung bezeichnet.

- Energieabsorption

Die Hauptkomponenten eines Überspannungsschutzgeräts absorbieren überschüssige Energie, wenn eine Überspannung durch das Gerät abgeleitet wird. Das Design von Metalloxidvaristoren (MOV) ist so, dass sie bei hohen Spannungen zusammenbrechen und die Überspannung als Wärme ableiten.

In einem DC-Stromkreis befindet sich der Überspannungsschutz in einem hochohmigen Zustand und funktioniert nicht unter normaler Spannung (Un). Wenn er erkennt, dass die Überspannung die Nennspannung (Uc) überschreitet, reduziert das SPD selbst schnell seinen eigenen Widerstand und leitet (innerhalb von 25 Nanosekunden), gibt den Überspannungsstrom frei, senkt die Spannung auf einen sicheren Zustand und kehrt dann in einen hochohmigen Zustand zurück, wodurch der Schutz für elektrische Geräte im Stromkreis abgeschlossen wird.

Die Hauptmerkmale des DC-Überspannungsschutzgeräts

- Hohe Reaktionsgeschwindigkeit: in der Lage, auf Überspannungen in Nanosekunden zu reagieren und Schutzmechanismen schnell zu aktivieren.

- Hohe Energieabsorptionskapazität: in der Lage, große Mengen an Überspannungsenergie zu widerstehen und abzuleiten, wodurch die Backend-Geräte geschützt werden.

- Stabiles Spannungsschutzniveau: Gewährleistung, dass die Systemspannung bei Überspannungsereignissen den sicheren Betriebsbereich der Geräte nicht überschreitet.

Durch die Installation eines DC-Überspannungsschutzgeräts kann die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Gleichstromsystems erheblich verbessert werden, wodurch die Lebensdauer der Geräte verlängert und die Wartungs- und Ersatzkosten, die durch Überspannungen verursacht werden, reduziert werden. In verschiedenen Bereichen wie Photovoltaik-Stromerzeugung, Kommunikation, Transport usw. ist das DC-Überspannungsschutzgerät zu einer unverzichtbaren Schutzkomponente geworden.

So installieren Sie ein DC-Überspannungsschutzgerät

- Platzieren Sie das SDP so nah wie möglich an der zu schützenden Tafel.

- Um die Länge der Anschlussdrähte von den SPD-Ösen zum Leistungsschalter der nächsten Tafel zu verringern, bohren und stanzen Sie ein Loch in das Gehäuse des Überspannungsschutzgeräts an einer außergewöhnlich hohen Stelle (oder Sicherungstrennklemmen).

- Verwenden Sie nach Möglichkeit eine Verbindung mit kurzem Nippel mit Drähten, die zum ersten Leistungsschalter an der Oberseite einer Tafel verlaufen. Dies garantiert, dass alle an die Tafel angeschlossenen Lasten ausreichend geschützt sind.

- Verbinden Sie das SPD mit der Leistungsschaltertafel mit einem AWG #10-Litze oder größer (leicht erhältlich und einfach zu installieren). Vermeiden Sie beim Verdrahten scharfe Biegungen und übermäßige Längen. Die erfolgreichsten Installationen sind normalerweise nicht die ästhetisch ansprechendsten. Die effektivsten Begegnungen sind kurz und direkt.

- SPDs sollten an einen ordnungsgemäß bewerteten Leistungsschalter und nicht an die Hauptklemmen der Tafel angeschlossen werden. Ein Sicherungstrennschalter sollte verwendet werden, um mit den Leitungen zu kommunizieren und die SPD-Wartung zu erleichtern, wenn Leistungsschalter nicht verfügbar oder unpraktisch sind.

Vergleich von DC-SPD mit AC-SPD

Der Hauptunterschied zwischen DC- und AC-Überspannungsschutzgeräten basiert auf dem verwendeten Stromversorgungssystem. Daher gibt es geringfügige Abweichungen zwischen den beiden in Bezug auf Nennspannungen, Überspannungsbehandlungskapazitäten, Reaktionszeiten und Standards.

Die folgenden Aussagen heben einige der Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen DC- und AC-Überspannungsschutzgeräten (SPDs) hervor:

- Frequenzbehandlung

Überspannungsschutzgeräte, die in DC-Systemen verwendet werden, haben dank der Konstanz der DC-Spannung keine Frequenzspezifikationen. Auf der anderen Seite haben diejenigen in AC-Systemen unterschiedliche Frequenzanforderungen, die eine unterschiedliche Handhabung erfordern.

- Polaritätsempfindlichkeit

Überspannungsschutzgeräte in DC-Systemen sind polaritätsempfindlich und erfordern die Installation mit korrekter Klemmenausrichtung. Aufgrund der sich ständig ändernden Spannungsrichtung in AC-Systemen haben sie keine spezifischen Klemmenbezeichnungen.

- Überspannungserkennung und -klemmung

Abhängig vom Systemdesign kontern sowohl DC- als auch AC-SPDs Überspannungen, indem sie diese absorbieren oder auf ein sicheres Niveau ableiten. Die unterschiedlichen Spannungseigenschaften können jedoch zu einer Änderung der bei der Erkennung und Klemmung angewendeten Mechanismen führen.

DC-SPD-Typen

Klassifiziert nach Spannungspegel

Entsprechend dem Spannungspegel des DC-Systems kann das DC-Überspannungsschutzgerät in die folgenden Kategorien unterteilt werden:

- Niederspannungs-DC-SPD: geeignet für Niederspannungs-DC-Systeme, in der Regel mit einem Spannungsbereich unter 48 V, häufig in Kommunikationsgeräten, kleinen Photovoltaikanlagen oder Niederspannungs-DC-Verteilungssystemen zu finden.

- Mittelspannungs-DC-SPD: geeignet für Mittelspannungs-DC-Systeme, mit einem Spannungsbereich typischerweise zwischen 48 V und 1000 V, weit verbreitet auf der Gleichstromseite von Photovoltaik-Stromerzeugungssystemen, Ladestationen für Elektrofahrzeuge und anderen Szenarien.

- Hochspannungs-DC-SPD: geeignet für Hochspannungs-Gleichstromsysteme, mit einem Spannungsbereich über 1000 V, hauptsächlich in groß angelegten Photovoltaik-Kraftwerken, Hochspannungs-Gleichstromübertragungssystemen usw. verwendet.

Hauptparameter des DC-SPDs

Die Parameter eines DC-Überspannungsschutzgeräts definieren seine Leistung und Eignung in einem bestimmten DC-System vor Überspannungen. Eine sorgfältige Berücksichtigung dieser Parameter und des vorgesehenen Systems für den Einsatz ist daher für eine effektive Anpassung unerlässlich.

Die wichtigsten Parameter, die für DC-Überspannungsschutzgeräte bereitgestellt werden, umfassen:

- Leckstrom: Wenn das DC-Überspannungsschutzgerät normal arbeitet, beschreibt der Leckstrom den minimalen Strom, der durch es fließt. Ein niedriger Leckstrom ist vorzuziehen, da er zu einer reduzierten Wärmeableitung und einem Leistungsverlust führt.

- Maximale Dauerbetriebsspannung: Definiert die DC-Spannung, über der das Überspannungsschutzgerät aktiviert wird, abhängig von der Nennspannung des Systems.

- Nennentladestrom: Beschreibt den höchsten Stromwert, den ein DC-Überspannungsschutzgerät bei einem Überspannungsereignis entladen kann.

- Betriebstemperaturbereich: Definiert die Temperaturen, innerhalb derer das DC-Überspannungsschutzgerät optimal arbeiten kann. Dieser Parameter ist anwendungsspezifisch, insbesondere wenn das zu schützende DC-System unter extremen Temperaturbedingungen betrieben wird.

- Spannungsschutzniveau: Stellt die maximale Spannung über den Klemmen eines aktivierten DC-Überspannungsschutzgeräts dar. Es wird erreicht, wenn der Strom, der durch das Überspannungsschutzgerät fließt, dem des Nennentladestroms entspricht.

Anwendungsszenarien des DC-Überspannungsschutzgeräts

Das DC-Überspannungsschutzgerät ist in zwei Typen unterteilt:

- Einer wird in Niederspannungs-DC verwendet, zum Schutz von Kommunikationsmodulen, Überwachung usw.

- Der andere wird in der Photovoltaik verwendet, zum Schutz von Photovoltaikanlagen, Energiespeichern usw.

Photovoltaik-Stromerzeugungssystem

- PV-DC-Seitenschutz: installiert zwischen dem PV-String und dem Wechselrichter, um die PV-Module und Wechselrichter vor Überspannungsschäden durch Blitzeinschläge oder Schaltvorgänge zu schützen.

- PV-AC-Seitenschutz: am Ausgang des Wechselrichters installiert, um die AC-Seitengeräte zu schützen.

Kommunikationsbasisstation

- Stromversorgungssystemschutz: schützt die DC-Stromversorgungsgeräte von Kommunikationsbasisstationen, wie z. B. Akkus und Gleichrichter.

- Signalsystemschutz: schützt Kommunikationssignalleitungen, um zu verhindern, dass Überspannungen Kommunikationsgeräte stören oder beschädigen.

Ladestationen für Elektrofahrzeuge

- Ladesäulenschutz: am DC-Ausgang der Ladesäule installiert, um die Ladesäule und das Batteriemanagementsystem des Elektrofahrzeugs zu schützen.

- Batterieschutz: wird auf der DC-Seite von Elektrofahrzeug-Batteriepacks verwendet, um zu verhindern, dass Überspannungen Batterien beschädigen.

Industrielles Steuerungssystem

- SPS- und Sensorschutz: schützt DC-Stromversorgungsgeräte in industriellen Steuerungssystemen, wie z. B. SPS, Sensoren usw.

- DC-Motorschutz: wird für DC-Motorantriebssysteme verwendet, um zu verhindern, dass Überspannungen Motoren und Antriebe beschädigen.

Berücksichtigen Sie bei der Auswahl eines DC-Überspannungsschutzgeräts in praktischen Anwendungen die folgenden Faktoren:

- Systemspannung: Wählen Sie ein DC-Überspannungsschutzgerät, das zur Systemspannung passt.

- Überspannungsstromstärke: Wählen Sie den geeigneten Nennentladestrom (In) und den maximalen Entladestrom (Imax) basierend auf dem Überspannungsrisikoniveau des Systems.

- Installationsumgebung: Berücksichtigen Sie Umgebungsfaktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit usw. und wählen Sie ein geeignetes Schutzniveau (IP-Schutzart).

Vorteile der Verwendung eines DC-SPDs

Durch den Einsatz von DC-SPDs können die Schwachstellen von DC-betriebenen Systemen gegenüber Überspannungen effektiv gemindert werden, was den Geräteschutz, die Systemzuverlässigkeit und die allgemeine Betriebssicherheit fördert.

Im Folgenden werden die Vorteile der Verwendung eines DC-Überspannungsschutzgeräts zusammengefasst:

- Geräteschutz: Dies ist der Hauptvorteil der Konfiguration Ihres DC-Systems mit einem Überspannungsschutzgerät. Es leitet übermäßige Überspannungen ab oder unterdrückt sie und schützt die Geräte vor Beschädigungen.

- Verlängerte Lebensdauer der Geräte: Durch die Vermeidung der schädlichen Auswirkungen von Überspannungen durch DC-SPDs können Geräte länger funktionieren. Andernfalls erliegen ungeschützte Geräte leicht Überspannungen, was zu Schäden oder einer Beeinträchtigung der Leistung führt.

- Sicherheitsgewährleistung: Wenn Überspannungsereignisse auftreten, stellen sie Sicherheitsrisiken dar, insbesondere in industriellen Umgebungen, in denen DC-Quellen mit hoher Energie verwendet werden. Durch das Absorbieren oder Umlenken von Überspannungsenergie reduzieren diese Geräte das Potenzial für elektrische Fehler, Brände oder andere Sicherheitsrisiken.

- Systemzuverlässigkeit: Überspannungsschutzgeräte tragen in ihrer Schutzfunktion zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von DC-Systemen bei. Sie reduzieren das Risiko von Geräteausfällen und tragen dazu bei, den Dauerbetrieb aufrechtzuerhalten und Unterbrechungen zu minimieren.

Können Überspannungsschutzgeräte für AC zum Schutz von DC-Stromkreisen verwendet werden?

Manche Leute möchten möglicherweise Überspannungsschutzgeräte für AC verwenden, um DC-Stromversorgungssysteme zu schützen. Aus professioneller Sicht ändern sich die Spannung und der Strom von Wechselstrom periodisch, 50 Mal pro Sekunde (50 Hz) oder 60 Mal pro Sekunde (60 Hz). Wenn sich der Strom vom positiven Halbwirkungszyklus zum negativen Halbwirkungszyklus ändert, durchläuft er den „Nullpunkt“, zu diesem Zeitpunkt sind Spannung und Strom „0“ und unterdrücken effektiv transiente Ströme auf natürliche Weise.

                       Einphasiges AC-Signal                                            Dreiphasiges AC-Signal

Aber DC nicht, es ist eine unidirektionale kontinuierliche Stromspannung, es gibt keine „Nullpunkt“-Option, daher wird der Überspannungsstrom nicht unterdrückt, was eine anhaltende Auswirkung auf die Geräte hat. Wenn zu diesem Zeitpunkt ein AC-Überspannungsschutz zum Schutz der DC-Leitung verwendet wird, durchbricht die kontinuierliche starke Überspannung und der Überspannungsstrom den AC-Überspannungsschutz, verkürzt die Lebensdauer des Überspannungsschutzes erheblich und verursacht einen Brand. Daher ist es notwendig, zuverlässige DC-Überspannungsschutzgeräte zum Schutz auszuwählen.

                                                                                   DC-Signal

Testen eines DC-Überspannungsschutzgeräts

Das Testen eines DC-Überspannungsschutzgeräts überprüft seine Funktionalität und stellt sicher, dass es Geräte effektiv vor Überspannungen schützen kann. Vergleichen Sie beim Testen die Testergebnisse mit den spezifischen Reaktionseigenschaften, an die sich das SPD halten muss.

Häufig verwendete Tests umfassen:

- Isolationswiderstandstest: Hier trennen Sie das SPD von der DC-Quelle und messen den Widerstand zwischen den Geräte- und Erdungsklemmen. Es stellt sicher, dass keine Leckagepfade oder Fehler vorhanden sind.

- Spannungsabfalltest: Dieser Test stellt sicher, dass der Spannungsabfall innerhalb der angegebenen Grenzen liegt. Sie schließen das Gerät an eine DC-Quelle an, bevor Sie die Nennspannung anlegen und messen.

- Überspannungstest: Hier führen Sie eine Simulation von transienten Überspannungen durch, indem Sie dem Überspannungsschutzgerät Überspannungsimpulse zuführen. Untersuchen Sie danach die Wellenformen und vergleichen Sie sie mit den Testspezifikationen.

Einige Fehlvorstellungen über Überspannungsschutzgeräte für Gleichstrom.

1. Die Vorstellung, dass ein einfaches DC-System nur einen einstufigen Überspannungsschutz benötigt, um die Anforderungen zu erfüllen, ist falsch. Der Überspannungsschutz ist systematisch, und verschiedene Stufen erfordern unterschiedliche DC-Überspannungsschutzgeräte für einen mehrstufigen Schutz. Insbesondere für Kommunikationssysteme gilt: Je präziser und empfindlicher die Geräte sind, desto zuverlässiger ist der Überspannungsschutz.

2. Es ist falsch, DC-Überspannungsschutzgeräte weit entfernt von Geräten zu installieren, solange sie geerdet sind. DC-Überspannungsschutzgeräte sollten sich in der Nähe der zu schützenden Geräte befinden. Wenn ein DC-Überspannungsschutzgerät zu weit von dem Gerät entfernt ist, das geschützt werden muss, muss das DC-Überspannungsschutzgerät bei einem Überspannungsstrom innerhalb von Mikrosekunden reagieren, um elektrische Geräte zu retten. Wenn die Leitung zu lang ist und alle Überspannungsströme das Gerät treffen, bevor sie es erreichen, hat das DC-Überspannungsschutzgerät, selbst wenn es schnell reagiert, keine Zeit, den Überspannungsstrom freizusetzen. Daher sollten DC-Überspannungsschutzgeräte einen „Nahschutz“ für elektrische Geräte bieten.

3. Bedeutet ein Gleichstromsystem, in dem die Spannung stabil bleibt, ohne häufige Schwankungen wie die Wechselspannung, nicht, dass ein geringeres Überspannungsrisiko besteht als in einem AC-System? Falsch – stabile Spannung ist nicht gleich kein Risiko. In einem Gleichstromsystem gibt es keinen „Nullpunkt“ in Bezug auf Strom oder Spannung, sondern einen kontinuierlichen Fluss, der leicht Blitze anziehen kann, wodurch sie anfälliger sind als AC-Systeme. Am Beispiel von Sonnenkollektoren – Geräte im Freien wie Photovoltaik-Arrays sind aufgrund ihrer großen Oberfläche und des kontinuierlichen Stromflusses, der Blitze anzieht und starke Überspannungen verursacht, besonders anfällig für Blitzeinschläge.

4. Es ist falsch, lockere Erdungsanforderungen für Niederspannungs-Gleichstromsysteme zu haben; Sie können die Erdung nicht überspringen oder sie einfach in der Nähe eines Gehäuses mit etwas Abstand dazwischen anschließen. Es ist wichtig, sie ordnungsgemäß zu erden, da die Erdung eine entscheidende Rolle beim Schutz elektrischer Geräte mit Gleichstrom-Überspannungsschutzgeräten spielt. Der direkte Anschluss an Gehäuse bedeutet nicht unbedingt eine ordnungsgemäße Erdung; einigen Gehäusen fehlen möglicherweise Verbindungen zur Erde oder sie erscheinen geerdet, können aber durch Farbschichten isoliert sein, die eine effektive Erdungsverbindung verhindern. Wenn es eine leichte Leckage in der Ausrüstung gibt, die dazu führt, dass das Gehäuse geladen wird, würden diese bei Überspannungen durch das Schutzgerät zurückführen und Brandgefahren verursachen, wodurch das Überspannungsschutzgerät unbrauchbar wird. Daher ist es unerlässlich, dass Gleichstrom-Überspannungsschutzgeräte ordnungsgemäß geerdet werden

Fazit

DC-Überspannungsschutzgeräte, als „Sicherheitswächter“ von DC-Stromversorgungssystemen, spielen eine entscheidende Rolle im modernen Stromschutz. Ob Photovoltaik-Stromerzeugungssysteme, Kommunikationsbasisstationen oder Ladestationen für Elektrofahrzeuge, DC-SPDs können den durch Überspannungen verursachten Bedrohungen wirksam widerstehen, den stabilen Betrieb der Geräte gewährleisten, ihre Lebensdauer verlängern und die Wartungskosten senken.