Устройство защиты фотоэлектрических модулей от атмосферных перенапряжений Российский патент 2024 года по МПК H02H9/04 

Изобретение относится к области гелиотехники и электроэнергетике, а также предназначено для обеспечения защиты фотоэлектрических модулей от атмосферных перенапряжений, на объектах промышленного, сельскохозяйственного и индивидуального назначения.

Известно устройство для защиты от импульсных перенапряжений, содержащее варисторный модуль, при этом в одном устройстве совмещена функция размыкания контактов сигнализации аварийной ситуации в цепи электропитания, и функция отключения варистора, которые выполняются одновременно в едином процессе срабатывания заряженного пружинного механизма при расплавлении легкоплавкого припоя (патент Словении №20781, МПК Н02Н 7/09, публикация 1995 г.).

Недостатком такой конструкции является наличие механических контактов в известном устройстве уменьшает его надежность и удорожает изготовление.

Известны способы и защиты полупроводникового электрооборудования от коммутационных перенапряжений, основанные на поглощении энергии перенапряжения при помощи демпфирующих конденсаторов и резисторов; оксидно-цинковых нелинейных ограничителей; разрядников; диодных ограничителей (см. книги: 1. Бикфорд Дж. П. и др. Основы теории перенапряжений в электрических сетях: Пер. с англ. / В.В. Базуткин; Под ред. А.А. Обуха. - М.: Энергоиздат, 1981, с. 147-158; 2. Глух Е.М., Зеленов В.Е. Защита полупроводниковых преобразователей. - М.: Энергоиздат, с. 142-146; 3. Хабигер Э. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике: Пер. с нем. / И.П. Кужекин; Под ред. Б.К. Максимова. - М.: Энергоатомиздат, 1995, с. 127-137, 178-184).

Известны способы защиты от импульсных перенапряжений, состоящее из параллельно включенных варистора и симметричного защитного диода, разделенных индуктивностью, при этом в устройство введены последовательно соединенные диод и второй варистор, причем диод включен встречно по отношению к напряжению питания, а последовательно соединенные диод и второй варистор включены параллельно симметричному защитному диоду (патент РФ на полезную модель №42921, МПК Н02Н 9/04).

Недостатком указанных способов и реализующих их устройств является невозможность с их помощью добиться эффективного, с кратностью ниже двух при технически приемлемых параметрах демпфирующих элементов, снижения перенапряжений в сетях постоянного тока, обладающих существенной величиной распределенной индуктивности с энергией, обуславливающей уровень коммутационных перенапряжений, в тысячи джоулей.

Наиболее близким к заявленной полезной модели (прототипом) [Шваб А. Электромагнитная совместимость. - М.: Энергоатомиздат, 1995, с.с. 183, рис. 4.24] является устройство защиты от импульсных перенапряжений, состоящее из параллельно включенных варистора и разрядника. При появлении на входе устройства импульса перенапряжения первым начинает работать варистор, имеющий большее быстродействие по сравнению с разрядником. Под воздействием остаточного напряжения варистора по истечении статистического времени запаздывания пробивается разрядник, ограничивая импульс перенапряжения до значения напряжения горения дуги в разряднике 20-30 В.

Недостатком этого устройства является невозможность применения его в низкоомных цепях, в цепях постоянного тока, обусловленная высоким сопровождающим током через разрядник, термически разрушающим его. Срабатывание разрядника приводит к значительному снижению напряжения на защищаемой нагрузке, которое может быть недопустимо для защищаемой нагрузки.

Основная проблема заключается в импульсных перенапряжениях, которые приводят к пробою р-n перехода шунтирующих полупроводниковых диодов Шоттки в фотоэлектрических модулях.

Эта проблема носит массовый характер т.к. при возникновении лидерного канала, о котором говорилось ранее в проводниках, соединяющих между собой фотоэлектрические модули, появляется наведенный импульсный ток, а также увеличивается потенциал, который достигает значения выше постоянного прямого напряжения диода или импульсного обратного напряжения и как следствие во всей цепи последовательно соединенных модулей выходят из строя шунтирующие диоды. Это повреждение носит сугубо скрытый характер, потому что оперативно выявить данный дефект практически невозможно, дефект проявляет себя в процессе эксплуатации солнечной электростанции (СЭС). При экстремально высоких температурах окружающей среды и массовых затенениях, начинается процесс масштабного перегрева фотоэлементов, температура достигает значения до 100°С. Данные перегревы приводят к ускоренному процессу деградации (износу) и массовой недовыработки электрической энергии, а выявить неисправность возможно только при детальном сравнительном анализе выработки каждой цепочки соединенных последовательно фотоэлектрических модулей в отдельности или при проведении телевизионного контроля (ТВК). Процесс замены фотоэлектрических модулей (ФЭМ) из-за повреждения диодов является дорогостоящим, а процесс поиска и замены поврежденных диодов очень трудоемкий, практически занимает большое количество времени и человеческих ресурсов. В существующих схемах фотоэлектрических модулей используются только защитные диоды, которые предусматривают защиту от затенения в качестве шунта, как говорилось ранее при грозовых импульсах, полупроводниковые диоды неизбежно выходят из строя.

Задача технического решения заключается в том, что для исключения влияния атмосферных перенапряжений фотоэлектрические модули обеспечивают дополнительную защиту, а именно каждый модуль в отдельности, не зависимо от их общего числа на объекте СЭС.

Компоненты устройства защиты не требуют периодического обслуживания, их срок службы аналогичен сроку службы фотоэлектрического модуля. Схема защиты относительно проста и при правильном подборе компонентов практически не имеет отказов.

Поставленная задача решается тем, что устройство защиты от импульсных перенапряжений, состоящее из двух последовательно включенных варисторов, в состав схемы защиты дополнительно введены три самовосстанавливающихся предохранителя, включенных последовательно полупроводниковыми диодами Шоттки, модуль защиты встроен в клеммную часть фотоэлектрического модуля и все полупроводниковые радиоэлектронные компоненты компактно располагаются на общей текстолитовой печатной плате, общая точка шины заземления варисторов, подключена к металлической рамке каркаса фотоэлектрического модуля. Устройство позволяет обеспечить защиту как фотоэлектрических элементов, так и полупроводниковых диодов от грозовых электромагнитных возмущений, компоненты устройства защиты не требуют периодического обслуживания.

Общие с прототипом признаки:

- два последовательно включенных варисторов.

Отличительные признаки:

- три самовосстанавливающихся предохранителя, включенных последовательно полупроводниковыми диодами Шоттки,

- модуль защиты встроен в клеммную часть фотоэлектрического модуля,

- все полупроводниковые радиоэлектронные компоненты компактно располагаются на общей текстолитовой печатной плате,

- общая точка шины заземления варисторов, подключена к металлической рамке каркаса фотоэлектрического модуля.

Совокупность признаков изобретения, достижение особо хороших свойств обеспечивает соответствие технического решения критерию «изобретательский уровень»

На Фиг. 1 представлена схема устройства.

На Фиг. 2 показана последовательность работы защиты.

На Фиг. 3 показано фазовое состояние полимера из кристаллического в аморфное.

В состав схемы входит питающий проводник ФЭМ отрицательной полярности (1) (Фиг. 1), шина заземления (2) (Фиг. 1), питающий проводник ФЭМ положительной полярности (3) (Фиг. 1), самовосстанавливающиеся предохранители (4) (Фиг. 1), фотоэлектрический модуль 5, полупроводниковые диоды (6) (Фиг. 1), контур заземления (7) (Фиг. 1), варисторы (8) (Фиг. 1), точка контактного соединения шины контура заземления ФЭМ (9) (Фиг. 1), с каркасом ФЭМ (5) (Фиг. 1). Положительное напряжение фотоэлектрического модуля (ФЭМ) (5) подключено к выводу (3) (Фиг. 1), а отрицательное напряжение к выводу (1). Между положительным (3) и отрицательным (1) выводами включены варисторы RU 2 и RU 1 (8) (Фиг. 1). Средняя точка между варисторами RU 2 и RU 1 присоединена к шине заземления (2) (Фиг. 1), а шина заземления (2) (Фиг. 1) присоединена к контуру заземления (7) (Фиг. 1). Между положительным напряжением - вывод (3) (Фиг. 1) и отрицательным напряжением - вывод (1) фотоэлектрического модуля (ФЭМ) включены обратной полярностью полупроводниковые диоды D1, D2, D3 (6) и самовосстанавливающиеся предохранители (4) (Фиг. 1), которые предохраняют ФЭМ (5) (Фиг. 1) от пробоя.

Устройство работает следующим образом.

При попадании грозового разряда в шину заземления (2) (Фиг. 2), в радиусе более 150 м возникает индуцированный потенциал в проводниках, осуществляющих электрическое питание фотоэлектрические модули и инверторы, в следствии которого сформируются одиночные, двойные или сложносоставные импульсы, с разной величиной амплитуды. С целью обеспечения защитных функций в клеммной коробке фотоэлектрического модуля размещаются два варистора (8) включенных последовательно между положительным (3) и отрицательным (1) выходным контактом фотоэлектрического модуля (5), в среднюю точку между варисторами (8) подключена шина заземления (2), имеющий прямой контакт с металлической защитной рамкой фотоэлектрического модуля (5), где предварительно стойки крепления фотоэлектрического модуля (5) подключены к контуру заземления (7).

В нормальном режиме работы устройства положительный и отрицательный полюс модуля (5) имеет гальваническую развязку с контуром заземления (7), в силу того, что сопротивление варисторов RU 1 и RU 2 (8) имеют высокий импеданс. Варистор - это полупроводниковый резистор объемного типа, сопротивление которого меняется с изменением приложенного к нему напряжения по линейному закону, т.к. вольт-амперная характеристика варистора симметрична его возможно использовать в цепях постоянного тока и в цепях переменного тока. При увеличении напряжения выше пороговой величины на питающих проводниках модуля, варисторы резко снижают свой импеданс с нескольких тысяч мегаом (Мом) до десятков Ом. В предложенной схеме варисторы (8) подбираются с рабочим напряжением близким к напряжению режима холостого хода фотоэлектрического модуля (5) для корректного срабатывания по величине напряжения. Варисторы (8) включены параллельно клеммам фотоэлектрического модуля (5) и при броске входного напряжения основной импульсный ток протекает через них на контур заземления, минуя слаботочные защищаемые элементы фотоэлектрического модуля (5). Работа варисторной защиты будет обеспечена с высокой скоростью порядка 10-25 нс. при возникновении импульса как в проводнике отрицательного полюса, так и положительного, обеспечив на короткий промежуток времени шунт между положительным и отрицательным полюсом, а также обеспечив прямую электрическую связь с заземлителем (7), если импульс произойдет повторно данный процесс повторится циклически. Одними из основных характеристик рассматриваемого компонента являются максимальный импульсный ток и максимальная энергия в Джоулях, которую может поглотить варистор за один импульс. При неверном подборе данных характеристик произойдет тепловое разрушение или пробой варисторов, что приведет к не желательным последствиям - шунтированию фотоэлектрического модуля и как следствие режиму короткого замыкания (КЗ). При выборе варисторов 8 необходимо использовать только компоненты с одинаковыми характеристиками при последовательном включении в схему, для последующей корректной работы устройства при выполнении защитных функций. При появлении наведенного импульса непосредственно в цепи элементов фотоэлектрического модуля, т.к. последний тоже может находится в зоне индуцированного потенциала происходит работа быстродействующих самовосстанавливающихся предохранителей (4) (Фиг. 2) Fu 1-Fu 3, которые препятствует протеканию недопустимых величин токов в прямом и обратном направлении через шунтирующие полупроводниковые диоды (6) (Фиг. 2). После стабилизации параметров напряжения и величины электрического тока, сопротивление варисторов (8) (Фиг. 2) возрастает до исходного значения, а проводимость предохранителей (4) (Фиг. 2) Fu 1-Fu, восстанавливается самостоятельно при снижении температуры. Данная схема устройства позволит защитить от повреждения элементы модуля и снизить влияние импульсных перенапряжений и токов I_имп (Фиг. 2) на остальные включенные последовательно в цепь фотоэлектрического модуля. Последовательность работы защиты показана на (Фиг. 2), где движение импульсных токов I_имп (Фиг. 2) происходит от фотоэлектрического модуля (5) через варисторы (8) по шине заземления (2), в сторону контура заземления (7). Импульсные токи в цепи полупроводниковых диодов (6) не протекают, по причине разрыва в электрической цепи, из-за сработанного состояния самовосстанавливающихся предохранителей (4).

Самовосстанавливающийся предохранитель (4) в схеме представляет РТС-термистор. РТС (Positive temperature coefficient device) - полимерные устройства с положительным температурным коэффициентом сопротивления. Впервые характеристики устройства были открыты, описаны компанией Bell Labs в 1939 году.

Работа РТС-предохранителя в предложенной схеме заключается в способности полимера изменять проводящую структуру при нагревании. При температуре 25°С полимер имеет кристаллическую структуру, так что движение заряженных частиц происходит упорядоченно и ток в цепи определяется рабочим значением сопротивления нагрузки RL (12) (Фиг. 2) последующего каскада (инвертора). В случае возникновения грозовых-наведенных токов, ток в электрической цепи резко возрастает, нагревая полимер в термисторе. При достижении порогового значения температуры происходит срабатывание предохранителя, а именно - меняется фазовое состояние полимера из кристаллического в аморфное показанное на (Фиг. З). В результате сопротивление термистора резко возрастает, и ток в цепи теперь определяется значением сопротивления термистора.

Рассмотрим более детально на (Фиг. 3) состояние ФЭМ. При температуре 25°С ФЭМ находится в кристаллическом состоянии, между выводами (3) и (1) (Фиг. 1) присутствуют сплошные графитовые проводящие связи. В результате сопротивление самовосстанавливающегося предохранителя (4) оказывается низким точка (а) (Фиг. 3). При увеличении температуры, например, вследствие нарастания тока через РТС, наблюдается незначительный рост сопротивления, вызванный тепловыми процессами точка (b) (Фиг. 3). При дальнейшем росте тока и разогреве структуры РТС температура может подняться до граничного значения, при котором полимер начинает переходить из кристаллического состояния в аморфное. Этот переход сопровождается значительным расширением. В результате графитовые связи разрываются, а сопротивление увеличивается точка (с) (Фиг. 3). Процесс имеет скачкообразный характер, то есть даже при незначительном превышении граничной температуры наблюдается резкое возрастание сопротивления самовосстанавливающегося предохранителя. Рост сопротивления приводит к ограничению тока. При этом если величина тока не снижается, то РТС продолжает рассеивать значительную мощность и остается в разогретом высокоомном состоянии точка (d) (Фиг. 3). После устранения аварии РТС остывает и возвращается в исходное проводящее состояние.

Разработанная схема позволит обеспечить защиту непосредственно фотоэлектрических модулей от воздействий импульсных перенапряжений, а также защиту полупроводниковых элементов (диодов Шоттки) которые входят в схему модулей. Не маловажным аспектом является то, что при внедрении данной схемы снижается фактор риска выхода из строя от импульсных перенапряжений элементов модулей, которые, не находятся в зоне электромагнитных излучений, но имеют с ними электрическую связь.

Устройство предполагает обеспечить защиту как фотоэлектрических элементов, так и полупроводниковых диодов от грозовых электромагнитных возмущений.

Изобретение относится к области гелиотехники и электроэнергетики, а также предназначено для обеспечения защиты фотоэлектрических модулей от атмосферных перенапряжений на объектах промышленного, сельскохозяйственного и индивидуального назначения. Устройство защиты от импульсных перенапряжений, состоящее из двух последовательно включенных варисторов, в состав схемы защиты дополнительно введены три самовосстанавливающихся предохранителя, включенных последовательно защитными диодами Шоттки, модуль защиты встроен в клеммную часть фотоэлектрического модуля и все полупроводниковые радиоэлектронные компоненты компактно располагаются на общей текстолитовой печатной плате, общая точка шины заземления варисторов подключена к металлической рамке каркаса фотоэлектрического модуля. Устройство позволяет обеспечить защиту как фотоэлектрических элементов, так и полупроводниковых диодов от грозовых электромагнитных возмущений, компоненты устройства защиты не требуют периодического обслуживания. 3 ил.

Устройство защиты фотоэлектрического модуля от импульсных перенапряжений, состоящее из двух последовательно включенных варисторов, отличающееся тем, что фотоэлектрический модуль содержит положительный и отрицательный выводы, между которыми включена цепь из последовательно включенных варисторов, в состав устройства защиты между положительным и отрицательным выводами фотоэлектрического модуля введены три последовательно соединенные цепи, каждая из которых подключена к соответствующему элементу фотоэлектрического модуля и состоит из самовосстанавливающего предохранителя с встречно-последовательно включенным полупроводниковым диодом Шоттки, устройство защиты встроено в клеммную часть фотоэлектрического модуля, все полупроводниковые компоненты устройства защиты располагаются на общей текстолитовой печатной плате, общая точка соединения варисторов между собой соединена с шиной заземления и подключена к металлической рамке каркаса фотоэлектрического модуля.