Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Sicherungen, Leistungsschaltern und Trennschaltern verstehen

Nov 07, 2023

Die Photovoltaikindustrie (PV) erlebt eine rasante Entwicklung im Rahmen des allgemeinen Trends einer auf CO2-Neutralität ausgerichteten Entwicklung, die jedoch zu zunehmenden Problemen bei der Kraftwerkssicherheit geführt hat, da die Module mit höherer Leistung weit verbreitet sind. PV-Systemdesigns werden immer komplexer, da immer neue Anwendungen und Einsatzsituationen gefunden werden. Wie das Schutzdesign der DC-Seite eingesetzt werden kann, war in der Branche schon immer Gegenstand von Bedenken und Kontroversen. Im Grunde liegt die Ursache in einem Missverständnis der Sicherung, des Leistungsschalters und des Trennschalters, die im Allgemeinen zum Schutz der PV-Anlage verwendet werden.

Sicherungen, Leistungsschalter und Trennschalter sind aufgrund ihrer ähnlichen Funktionen (Trennung, Kurzschlussschutz usw.) in der Branche anfällig für Verwirrung und Missverständnisse. Tatsächlich handelt es sich jedoch um völlig unterschiedliche Geräte, da sie sich im Schutzprinzip, in der Normanforderung, im Anwendungsfall und in der Schutzwirkung deutlich unterscheiden! Was die Einrichtung eines Verteilungsschutzsystems betrifft, ist es notwendig, die Anforderungen an die Produktion unter Anwendungsszenarien vollständig zu verstehen, damit Geräte basierend auf ihren eigenen Merkmalen angemessen eingesetzt werden können, um ihre Funktionen ordnungsgemäß anzuwenden und dadurch die Arbeitssicherheit zu verbessern Zuverlässigkeit der Station.

Sicherung: bezieht sich auf einen Stromschutz, der aus einem Sicherungselement und einer Patrone besteht. Das Sicherungselement wird durch die von ihm selbst erzeugte Wärme durchgebrannt, wenn der Strom für eine bestimmte Zeit einen Grenzwert überschreitet. In diesem Fall wird der Stromkreis unterbrochen, damit der Schutzzweck erreicht werden kann.

Abbildung: Prinzip des Schutzes durch Sicherung

Leistungsschalter: bezeichnet ein mechanisches Schaltgerät, das ein-/ausschalten und Strom führen kann und aus einem Kontaktsystem, einem Lichtbogenlöschsystem, einem Aktuator und einer Auslöseeinheit besteht. Es wird verwendet, um einen Stromkreis zu unterbrechen, wenn der Schutzzweck nicht erreicht wird. Im Falle eines Kurzschlusses wird die Gegenkraftfeder von einem durch einen höheren Strom erzeugten Magnetfeld überwunden, in diesem Fall wird der Aktor vom Auslöser zum sofortigen Abschalten angetrieben. Im Überlastfall verformen sich die Bimetallstreifen bei steigender Temperatur durch steigenden Strom in gewissem Maße und lösen so eine Abschaltung des Aktors aus. Je höher der Strom ist, desto kürzer ist die Zeit für diese Schutzwirkung.

Aufgrund seiner guten Lichtbogenlöschfähigkeit ist der Leistungsschalter in der Lage, einen höheren Kurzschlussstrom abzuschalten und kann wiederholt verwendet werden, da seine allgemeinen Schutzfunktionen weder durch Zeit noch durch die Umgebung beeinträchtigt werden.

Abbildung: Prinzip des Schutzes durch Leistungsschalter

Trenner: dient hauptsächlich als Isolator, der eine scheinbare Unterbrechungsstelle zwischen zu überholenden elektrischen Geräten und der Stromversorgung bilden kann, um die Arbeitssicherheit bei der Überholung zu gewährleisten. In der Vergangenheit war auf der Gleichstromseite des String-Wechselrichters ein manuell betätigter Trennschalter vorgesehen. Im Zuge der intelligenten Entwicklung von PV-Anlagen wird der manuell betätigte Trennschalter durch einen motorbetriebenen Trennschalter ersetzt.

Motorbetriebener Trennschalter : Der manuell betätigte Trennschalter wird durch einen motorbetriebenen Trennschalter ersetzt, der mithilfe eines Stromtransformators zur Wechselrichter- und DSP-Signalsteuerung elektrisch in einem Modus zur Stromerkennung im Strang arbeiten kann. Es ist bekannt, dass bei 1*In die elektrische Lebensdauer 100–300 Zyklen erreichen kann, während sie bei 4*In nur 5 Zyklen beträgt. Allerdings stellt der motorbetriebene Trennschalter, der den handbetätigten Trennschalter ersetzt hat, lediglich eine Weiterentwicklung der Wirkungsweise dar und kann daher nicht als Schutzvorrichtung angesehen werden.

Mit einem thermischen Strom von bis zu 50 A ist der Trennschalter in der Lage, bei einem Strom unter 40 A (dem Nennstrom) schnell zu reagieren. Es ist zu beachten, dass im Multi-zu-Eins-Fall (z. B. 5 Strings pro MPPT) der Rückflussstrom 50 A überschreiten und einen Wärmestau im Inneren des Trennschalters erzeugen kann, der zu Verformung und Blockierung des internen beweglichen Kontaktträgers führen kann.

Abbildung: Motorbetriebener Trennschalter und Wirkprinzip

Um die Schutz- und Wirkungsprinzipien dieser drei Geräte zusammenzufassen: Sicherung und Leistungsschalter sind Schutzvorrichtungen, die einen zuverlässigen mechanischen Schutz durch physikalische Einwirkungen realisieren können, ohne dass ein externer Stromkreis erforderlich ist, während der Trennschalter ein Isolator ist, der zur Erkennung auf einen externen Stromkreis angewiesen ist , Steuerung usw. sicher und elektrisch zu wirken, was bedeutet, dass bei einem Stromausfall oder einem Ausfall im Steuerkreis die Leistung des Trennschalters eingeschränkt sein kann, was die Gefahr einer Fehlfunktion mit sich bringen kann.

Tabelle: Unterschiede zwischen den drei Geräten

II. Erhebliche Unterschiede zwischen den Anforderungen an den Schutz vor abweichenden Standards

GB/T 14048.2-2020 (IEC 60947-2:2019) gilt derzeit für Leistungsschalter, während GB/T 14048.3-2017 (IEC 60947-3:2015) derzeit für Trennschalter gilt. Es gibt erhebliche Unterschiede zwischen diesen beiden Standards in Bezug auf thermischen Schutz, magnetischen Schutz, Vielfaches des Nennkurzschlussstroms für Ein-/Ausschaltvermögen usw.

III. Spezifische Anforderungen an Protektoren in verschiedenen PV-Anlagenausführungen (Unterschiede in den Anwendungsszenarien)

In GBT und IEC gibt es spezielle Anforderungen an den Schutz auf der DC-Seite des PV-Systems, insbesondere wie folgt:

1) Für ein Modul mit 3 und mehr Strings zu einem MPPT-Pfad ist ein Überstromschutz erforderlich.

Hinweis: Ns – Anzahl der parallel geschalteten Strings; ISC-MOD – Kurzschlussstrom des PV-Moduls; IMOD-MAX-OCPR – maximale Überstromschutzwerte für PV-Module.

2) Der Überstromschutz muss eine normgerechte Spezialsicherung oder ein Leistungsschalter sein.

Da motorbetriebene Trennschalter keinen Schutz bieten, unterscheiden sie sich in ihren Funktionen völlig von Leistungsschaltern und Sicherungen. Dies ist die Hauptursache dafür, dass Trennschalter in den einschlägigen Normen aus dem Bereich der Schutzvorrichtungen ausgeschlossen sind.

IV. Unfähigkeit des Trennschalters, das Modul (kaputt) im Feldtest wirksam zu schützen (Unterschiede in der Schutzwirkung)

Wie groß ist das Risiko, nur einen motorbetriebenen Trennschalter bereitzustellen (ohne Sicherung, Leistungsschalter und andere Schutzvorrichtungen)? Unterschiedliche Sicherheitskonstruktionen des Wechselrichters führen zu unterschiedlichen Folgen von Überstrom, insbesondere wie folgt:

1) Modul mit 2 Strings zu 1 MPPT-Pfad: Im Fehlerfall entspricht der maximale Kurzschlussstrom bzw. Rückflussstrom im System gerade dem Kurzschlussstrom im Modul, ohne dass dies sogar Auswirkungen auf die Systemsicherheit hat Der Trennschalter funktioniert nicht.

2) Modul mit 3 und mehr Strings (hier mit 5 Strings als Beispiel) zu 1 MPPT-Pfad: Wenn 1 String im Falle eines Fehlers kurzgeschlossen wird, fließt der Strom in den anderen 4 Strings bis zu dem Punkt, an dem der Kurzschluss auftritt auftritt, und deshalb4 Mal Der Kurzschlussstrom wird im Stromkreis im Fehlerfall vorhanden sein. Wenn in diesem Fall der Trennschalter nicht funktioniert, werden relevante Teile durch ununterbrochenen Überstrom beschädigt, bis es zu einem Brand kommt.

Rückblick auf die kürzlich von Brancheninsidern besorgten Testexperimente auf dieser Grundlage:

Rückwärtsverbindungstest für Strings: Einer der Pfade wurde verwendet, um einen Rückwärtsverbindungstest durchzuführen (umgekehrt zwischen Anode und Kathode), d. h. es wurde ein Stromkreis mit diesem genommenen Pfad der Kette und den anderen 4 Pfaden gebildet, und in diesem Fall wurde ein Strom von 70 A durch Rückflussstrom von diesen 4 gebildet Pfade von Strings. Bei einem Fehler versagte der Trennschalter, was zu einem schnellen Temperaturanstieg in relevanten Teilen führte. In diesem Fall explodierte die Diode des Moduls bei einer Temperatur über 150 °C.

Anti-Rückfluss-Test für Saiten : Einer der Pfade wurde zur Durchführung eines Rückflusstests verwendet, und in diesem Fall floss der Rückflussstrom (bis zu 30 A) von den anderen 4 Pfaden der Strings zu dem String im Fehlerfall. Bei einem Fehler versagte der Trennschalter, was zu einem schnellen Temperaturanstieg in den relevanten Modulen und Schaltkreisen führte (auf 76,8 °C, um 49 °C in einer Minute).

Zusammenfassung: Ein motorbetriebener Trennschalter ist nicht gleichbedeutend mit einem Leistungsschalter.

Motorbetriebene Trennschalter unterscheiden sich vom Leistungsschalter im Prinzip des Schutzes (Wirkung) und der Standardanforderungen, weshalb diese beiden nicht gegenseitig austauschbar sind. Der Trennschalter kann als Redundanzkonfiguration zusammen mit einem Schutzschalter wie einem Leistungsschalter verwendet werden, um die Schutzkapazität des Systems zu verbessern. Er sollte jedoch niemals unabhängig als Ersatz für eine Sicherung oder einen Leistungsschalter bereitgestellt werden.

Bei der Auswahl und Konfiguration von Schutzvorrichtungen muss sorgfältig vorgegangen werden.