Молния в солнечную станцию: вторая точка заземления снижает перенапряжение на 43–55 %, показало моделирование

Коротко: исследователи из двух университетов Индонезии смоделировали прямой удар молнии в солнечную станцию из десяти панелей. Если соединить конструкцию с землёй не в одной точке, а в двух, перенапряжение падает на 47,5–54,8 % при заземлении через рамы и на 43,2–50,7 % при заземлении через крепёж. Главный вывод авторов: важнее не схема, а сколько точек заземления и где они стоят.

Что изучали

Работу выполнили инженеры Технологического института Сепулух Нопембер и Университета Хасануддина, результаты вышли в журнале Results in Engineering, о них 12 октября написал pv magazine. Это расчёт, а не полевой опыт. Авторы собрали электрическую модель станции в программе ATPDraw 7.2: ряд из десяти панелей по 200 Вт, удар молнии с током 50 кА и стандартной формой импульса 1,2/50 мкс.

Сравнивали два способа заземления:

• через рамы панелей, когда каждая алюминиевая рама соединена с контуром заземления;
• через монтажную конструкцию, когда с землёй соединены опоры и профили, а рамы заземлены через них.

Для каждого способа меняли число точек подключения к заземлителю, их место относительно точки удара и удельное сопротивление грунта.

Что получилось

При влажном грунте с сопротивлением 30 Ом·м напряжение на конструкции в момент удара достигало миллионов вольт. Вторая точка заземления заметно его снижала.

Ещё два результата:

• Когда сопротивление грунта поднимали с 30 до 3000 Ом·м, перенапряжение заметно росло. Сухой песок и каменистая почва хуже отводят ток, чем влажная глина.
• Лучший результат давала точка заземления, ближайшая к месту удара: так у тока молнии короче путь в землю и меньше сопротивление на этом пути.

Авторы подчёркивают, что место и число соединений с землёй влияют на перенапряжение сильнее, чем выбор между рамами и конструкцией. Пиковый ток в модели, 48,78 кА, укладывался в пределы стандарта IEEE Std 80 по безопасности заземления.

Чего в работе нет

Это моделирование одного ряда из маленьких панелей, а не испытание на реальной крыше. Прямое попадание молнии в частную станцию случается редко. Чаще станцию повреждают наведённые импульсы от разряда рядом, и от них защищают в первую очередь устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) и правильная разводка кабелей. Цифры из статьи не переносятся на любую крышу один к одному, но направление понятно: чем короче и многочисленнее пути тока в землю, тем ниже напряжение на оборудовании.

Что это значит в Беларуси

Гроз у нас меньше, чем в тропиках, но летом они случаются каждый сезон, а станция работает 25 лет и больше. Значит, за срок службы станция переживёт много грозовых сезонов.Во многих районах страны грунт песчаный, а песок в сухую погоду плохо проводит ток. Это как раз тот случай высокого сопротивления, при котором в модели перенапряжение росло. Поэтому сопротивление контура заземления стоит измерять, а не считать на глаз.

Что делаем на объектах:

• соединяем рамы и монтажные профили в единую систему и подключаем её к заземлителю не в одной точке, а с двух сторон массива;
• ставим УЗИП на стороне постоянного тока у инвертора и на вводе переменного тока;
• для наземных станций и больших крыш рассчитываем зоны молниезащиты и отступы от молниеприёмников.

Подробно о схемах и о том, как выбрать заземлитель, мы писали в статье «Заземление и молниезащита СЭС». Если станция уже стоит и вы не уверены в заземлении, закажите проверку и расчёт: замер сопротивления контура занимает немного времени. Готовые комплекты СЭС мы собираем с защитой по обеим сторонам инвертора.

Выводы

• Вторая точка заземления в модели снижала перенапряжение от прямого удара почти вдвое. Это дешёвая мера, если заложить её при монтаже.
• Важно, где стоят точки: ток должен уходить в землю коротким путём с обеих сторон массива.
• Сухой песок повышает перенапряжение. Сопротивление контура нужно измерять, особенно на песчаных участках.
• Заземление не заменяет УЗИП: от наведённых импульсов защищают именно они.
• Это расчёт, а не полевой опыт. Ждать от него точных цифр для своей крыши не стоит, но принцип стоит взять в проект.

Источник: pv magazine, журнал Results in Engineering (Технологический институт Сепулух Нопембер, Университет Хасануддина); обзор SmartEnergy.