創作者：Glen Zhu | 更新日期：6 月 XNUMX 日th，2023
隨著電力需求變得越來越大，儲存能源（以及生產能源）的需求也越來越大。 與所有電氣裝置一樣，儲能係統需要針對特定應用的保護。
儲能係統（ESS）現已成為一項成熟的技術。 ESS安裝在現場以改善能源管理控制，例如尖峰管理或頻率調節，或用於光伏或風力發電能源應用的可再生能源儲存。
此類設備的重要性使其服務中斷是不可接受的，因此必須採取措施限制外部影響造成的損壞。 要考慮的風險之一是雷電或開關操作產生的瞬態過電壓可能造成損壞。
ESS 的部署證明了這些設備（包括電池系統）的穩健性有限。 該技術的專家已確定其低脈衝電壓可承受（Uw）可能會導致嚴重的系統故障。
突波保護元件（SPD）技術廣泛應用於交流電網中，以保護與其連接的設備免受瞬態過電壓的影響。
測試標準 (IEC61643-11) 以及選擇和安裝指南 (IEC61643-12、IEC60364-5-534) 已存在多年。 他們定義了可靠的產品及其選擇和實施。
然而，對於直流電力網絡，在撰寫本文時，這兩種標準均不可用。 事實上，國際上 (IEC) 正在製定直流電源突波保護標準。
然而，預計到 2021 年底，以下標準將到位：
即將推出的 IEC61643-41 標準將從交流電網路突波保護裝置的現有標準 (IEC61643-11) 和選型參數 (In， 要么c，我最大， 要么p …）和測試程序將相似，因為它們將被分組在兩個文檔共有的新文檔中。
IEC 61643 系列正在朝著新的理念邁進。 新文件 (IEC61643-01) 將收集 SPD 各種應用（交流電源、光伏電源、數據線、直流電源）所共有的所有定義和測試以及專用標準（IEC61643-11、IEC6163-21、IEC61643-31） ，以及即將發布的IEC61643-41）將僅關注應用的特定測試。
對於模擬 SPD 壽命終止的安全測試（例如熱失控或短路行為），程序和實現要求的必要手段相似，即使用內部隔離開關來承受熱失控測試，以及相關保險絲能夠承受短路測試。
關於ESS設備的瞬態過電壓保護義務，現行電氣安裝標準IEC60364並未給予這方面的資訊、要求或建議。
原因是 IEC60364 僅適用於交流電源應用（而非直流電流）中連接的低壓裝置，並且僅在外部網路的入口處強制實施針對突波電壓的保護要求。 ESS 的 DC 部分的在地化並非如此。
ESS 設備專家注意到這些設備（尤其是電池系統）的脈衝過電壓穩健性降低，並且由於迫切需要連續性服務，他們建議在其端子處使用突波保護器。 也建議對交流部分進行突波保護。
由於以下原因和後果，關鍵點是電池儲存系統的保護。 當最大直流工作電壓非常高（1,000 Vdc 及以上）時，在這種情況下需要特定的 SPD，它與這些電壓相容並符合未來的 IEC61643-41。 在潛在極高的短路電流（100kA 及以上）的情況下，突波保護器必須承受與相應尺寸的保險絲相關的短路測試。
為了管理短路測試，突波保護器必須與外部保險絲一起使用。 保險絲的額定值必須足夠高，能夠在 5/8μs 脈衝電流下傳導 20kA 而不斷開，但額定值必須足夠低，以便在短路測試失敗時保護浪湧保護器。
關於分斷能力，這是安裝時計算出的可能的短路電流。 由突波保護製造商提供，這些要求可能會使在非常高功率直流安裝的情況下保險絲額定值的選擇變得有些困難。
可以考慮使用上游現有的交流電源SPD過載保護熔斷器作為SPD的保護。
只有當其額定值等於或小於 SPD 製造商聲明的值時，才有可能實現這一點。
對於高功率安裝，保險絲具有非常高的額定值，因此該選項不可行。
總之，根據交流標準推斷，選擇直流 SPD 的關鍵標準是：
電池儲存系統儲存光伏或風能等再生能源系統產生的多餘能量，並儲存起來以供需要時使用。 這抵消了能源生產和電力需求之間的波動。
此類設備的重要性使其服務中斷是不可接受的，因此必須採取措施限制外部影響造成的損壞。 要考慮的風險之一是雷電或開關操作產生的瞬態過電壓可能造成損壞。
電池儲存設備的專業製造商注意到此類設備（尤其是電池系統）的脈衝過電壓穩健性降低，並且由於迫切需要連續性服務，他們建議在其端子處使用電湧保護器。
由於最大直流工作電壓通常非常高（1000 Vdc 或更高），因此需要為應用正確指定 SPD，以使其與這些電壓相容並符合即將發布的 IEC61643-41。 由於電池儲能係統的獨特特性，標準直流或光伏 SPD 不適合此類應用，因為可能存在極高的短路電流（高達 100kA 或更高）。
LSP 專門針對電池儲能係統從頭開始設計了 SLP-PV 系列。 SLP-PV 系列是 2 型 SPD，可提供 500Vdc、600Vdc、800Vdc、1000Vdc、1200Vdc 或 1500VDC 最大工作電壓 (U中央電視台），一個我n （標稱放電電流）為 20kA，Imax 為 50kA，重要的是允許短路電流（Iscr）100,00A。 它採用 DIN 導軌安裝，因此易於安裝在任何標準化配電盤或控制櫃中。
SLP-PV 系列是 LSP 新型 DC 系列 SPD 的一部分，誕生於 LSP 12 年高品質突波保護元件製造經驗。 此系列包括交流和直流電湧保護裝置，有類型 1、類型 2 和類型 3，適用於交流、直流和光伏應用。 SPD 適用於所有接地系統，包括 TN、TT/TN、TNS 和 TN-CS。 SPD 提供單極、單相、三相以及三相和中性。
作為中國浪湧保護領域主要的電源突波保護元件製造商之一，LSP設計的SLP-PV系列能夠滿足最極端的限制，超越了IEC/EN標準的要求。 為了確保整體安全，SLP-PV 系列旨在提供安全斷開、高防火性和短路性，並具有高機械穩健性。
儲能係統（ESS）要么響應改善能源管理（峰值管理/頻率調節）的財務問題，要么響應推動能量過渡現象的生態問題。
透過儲能係統，綠色能源生產變得更有效率。 設施的成本以及此類設備的運作和效率的重要性使其失去服務是不可接受的。 必須採取一些措施來限制外部影響造成的損害。 要考慮的風險之一是由於雷電或開關操作產生的瞬態過電壓可能導致故障。
突波電壓的風險可能會影響裝置的所有組件，以及太陽能電池板、電池或網絡，這意味著要保護裝置免受這種現象的影響。
此外，ESS 設備專家注意到脈衝過電壓 (Uw）這些材料，特別是電池系統，並且由於服務必須連續性，他們建議在其端子處使用電湧保護器。
也建議在交流部分使用電湧保護器，以及用於冷卻電池的空調。
關鍵點是電池儲存系統的保護，因此，會產生以下後果：
LSP 的研發團隊開發了特定產品來保護您的 ESS 設備免受過壓影響。 至於我們的標準化專家，他們已經確保LSP產品符合未來直流電湧保護器的測試標準。
DC SPD選型的關鍵標準：
電池儲能係統 (BESS) 需要浪湧保護器 (SPD)
BESS 系統包含在混凝土結構或金屬容器中實施的交流/直流轉換器和電池組。
這些交流/直流轉換器具有敏感的電子設備，而介電強度較低的高容量電池在發生電弧時有爆炸風險。
因此，必須採用最佳化且可靠的電氣保護來抵禦雷電和突波事件的影響。
應先根據 IEC 62305-2 進行風險評估，以便更了解是否需要外部防雷系統 (LPS)。
上述標准考慮了以下四種場景（表1），這些場景也適用於BESS，如圖1所示。
S1 | 直接擊中防雷系統 (LPS) 或結構（例如電池容器） |
S2 | 襲擊建築物附近 |
S3 | 攻擊與建築物相連的服務線 |
S4 | 撞擊進入建築物的線路附近，這將在線路和電源/數據上感應出電壓 |
表 1：過壓原因
圖 1：BESS 過壓的原因
IEC 60364 系列標準也適用於固定有線安裝，例如永久有線（非移動）BESS，需要考慮。
具體而言，IEC 60364-4-44 涉及電氣裝置的保護，並描述了針對電壓幹擾和電磁幹擾（包括透過電源線傳輸的瞬態過電壓）的措施。
此外，IEC 60364-5-53 也解決了此類應用的 SPD 的選擇和安裝問題。
除了這些標準之外，還必須遵守任何國家標準和適用的安裝規則。
安裝 LPS 時（通常是 BESS 的情況），應使用表 2 選擇交流 SPD。
在極少數不需要 LPS 的情況下，交流 SPD 應評定為 II 類/2 類 (T2) 設備。
注意：根據 IEC 60364-5-53，當進入 BESS 建築物/容器的線路為架空時，SPD 的額定值為 I 類/1 類（或更好的 T1/T2），具有 IIMP 每根導線應選擇 = 5 kA。 此一般規則可能與國家協調標準（例如德國 VDE 0100 543）有所不同。
LPL | 閃存到結構 | 閃存到結構 | 直接和間接刷新到服務 | ||||
| S1（10/350） | S1（8/20） | S2（8/20） | S3（10/350） | S4（8/20） | ||
| 1相 | 3相 | 感應耦合 | 感應電流 | 1相 | 3相 | 感應耦合 |
I | 50 kA | 25 kA | 10 kA | 0.2 kA | 20 kA | 10 kA | 5 kA |
II | 35 kA | 17.5 kA | 7.5 kA | 0.15 kA | 15 kA | 7.5 kA | 3.75 kA |
三 / 四 | 25 kA | 12.5 kA | 5 kA | 0.1 kA | 10 kA | 5 kA | 2.5 kA |
表 2：交流 SPD 額定值（所有值均按導線計算）
雖然 IEC 61643-32 中詳細描述了用於光伏應用的直流 SPD 的選擇和安裝規則，但用於 BESS 應用的直流 SPD 的選擇相對較新，目前還沒有專門的標準。
解決此難題的一種方法是遵循 IEC 62305-4 中的相關建議。 由於總是安裝 AC/DC 轉換器，並且 SPD 安裝在輸入線路（AC/PV）處，因此可以取消參數 S3 和 S4。 然而，場景 S1 和 S2 確實需要考慮建築結構、接地系統、AC/DC 轉換器和電池之間的物理距離以及相關的電纜佈線。
還必須考慮交流轉換器和電池的耐受電壓。 所選的 SPD 需要具有足夠的電壓保護水平，通常為 Up <Uw 用來。
一般情況下，需要仔細評估+DC對地和-DC對地共模電壓的承受水平，以確保不會對機殼產生電弧。
帶電部件（例如電池極）對地的耐受電壓是環境條件（濕度、含鹽空氣等）的函數，需要使用適當選擇的直流 SPD 將其限制在安全水平。
下圖說明了每種可能的雷擊情況下直流電湧保護器的選擇和安裝。
場景 1 – AC-DC 轉換器和電池採用通用混凝土結構的 BESS
場景 2 – BESS 具有單獨的混凝土結構，用於 AC-DC 轉換器和位於附近的電池
場景 3 – 採用獨立混凝土結構的 AC-DC 轉換器和電池的 BESS
標準 IEC 61643-11 和 IEC 61643-31 涵蓋了選擇用於交流和光伏應用的 SPD 的要求。 然而，目前還沒有具體的 EN/IEC 標準來解決 BESS 相關應用中 SPD 選擇和測試的問題。
然而，涵蓋連接到低壓直流電力系統的 SPD 的標準 IEC 61643-41 目前仍處於草案狀態，並正在各國委員會中流傳。
如果沒有合適的國家或國際標準來涵蓋 BESS 系統上直流 SPD 的選擇和安裝，可能會導致 SPD 選擇不正確。
IEC 61643-31 明確指出，該標準僅適用於安裝在光伏 (PV) 系統直流側的 SPD。 此外，它不包括系統內部使用的 SPD，例如電池或電容器組。 這是因為與直流電池源相比，連接到光伏恆定電流源時直流 SPD 的壽命終止行為有顯著差異。
LSP 的直流 SPD 根據 IEC 61643-31 進行測試，並經過進一步最佳化和現場測試，可用於 BESS 直流應用。 FLP-PV 和 SLP-PV 產品均與此應用相關且互補。
FLP-PV 和 SLP-PV 是適用於直流應用的 DIN 導軌安裝 SPD。 這些產品專用於較小尺寸的 BESS，並依賴額外的備用保險絲。
電池儲能係統 (BESS) 容器的電氣設計涉及規劃和指定安全高效運作所需的組件、接線和保護措施。 電氣設計的關鍵要素包括：
太陽能正在成為世界各地人們滿足能源需求的首選。
為什麼呢？
如今，發電的首要目標是永續性。 因此，企業、政府和個人正在投資再生能源產品，以逐步從化石燃料發電轉向更節能的電力，特別是在氣候變遷迫在眉睫的情況下。
為了滿足對再生能源產品不斷增長的需求，我們甚至發布了太陽能光電產品系列，旨在滿足最高標準並為客戶提供值得信賴的清潔能源。
雖然太陽能是對大眾來說最可行的再生能源技術，但它絕不是唯一的解決方案。 水力發電、氫基燃料、原子能和風力渦輪機等永續能源產品是清潔能源解決方案的其他例子。
但是，在能源轉型發生之前，所有這些對再生技術系統的投資都可能失敗。
為什麼呢？
如果沒有突波保護，即使是最輕微的電壓尖峰也會損壞從太陽能板陣列取得電力的每個電子設備。 除此之外，如果沒有防雷保護，您所做的任何節能投資都將變得毫無用處，因為雷電是太陽能板故障的主要原因之一。
讓我們進一步深入探討。
突波保護只是整個太陽能板陣列安裝的一小部分； 然而，它是一個不可忽視的組成部分。 與其他所有電氣設備一樣，太陽能電池板很容易出現電壓突然升高的情況，從而損壞其內部組件。
這通常可以歸因於雷暴，因為太陽能電池板暴露在外，並出現在屋頂、田野或其他孤立區域，由於其龐大的尺寸和金屬成分，它們成為主要目標。
閃電對太陽能發電場造成重大風險，無論是直接雷擊立即造成太陽能發電場完全或部分破壞，或是間接雷擊導致退化性損壞。
過電壓會以不同的方式影響太陽能板系統的安裝：
當雷電擊中太陽能板陣列時，會在系統的電線迴路內產生感應瞬態電流，導致絕緣體、電池板、逆變器和通訊設備故障。 太陽能發電系統中的其他組件，例如匯流箱和 MPPT（最大功率點追蹤設備），故障的可能性最高。
一些太陽能光電系統可能會承受其面板的物理或電路損壞； 然而，它們的電路控制和儲能裝置在雷擊後將立即無法使用。
應在整個太陽能發電系統的直流和交流配電網路中安裝浪湧保護網絡，以保護關鍵電路。 太陽能光電系統所需的 SPD 總數會根據電池板和逆變器之間的距離而變化。
我們建議在太陽能光電系統逆變器的直流輸入和交流輸出上安裝 SPD，同時將正負直流線路接地。 還必須保護組合器電路、控制電路、監控系統和追蹤系統，以防止電氣幹擾和資料遺失。
電湧保護是任何電氣安裝中的必要組件，但它絕不取代適當的防雷解決方案。
如果您想保護您的投資，突波保護不是一種選擇，而是一種必需品，但如果您想要全面保護並安心無憂，防雷系統可以決定大規模太陽能發電的成敗裝置。
防雷系統不僅可以保護太陽能光電系統，還可以為您的整個財產和資產提供可靠的保護，同時安全地將瞬態電流轉移到地面。
看待防雷與突波保護的簡化方法是將突波保護視為抵禦間接雷擊的第二道防線。
相較之下，包括接閃器（避雷針）、引下線、突波保護器、等電位聯結和接地系統在內的完整防雷系統是抵禦直接雷擊的第一道防線。
假設您希望太陽能發電系統持續為您服務。 在這種情況下，必須了解即使是最先進的技術也有其局限性，這就是為什麼您需要涵蓋所有基礎並透過浪湧保護領先一步。
您必須記住，太陽能承包商可能不知道他們是否在容易遭受雷擊的區域安裝太陽能光電系統，更不用說在太陽能係統安裝過程中通常不包括電湧保護。
因此，雖然您可能已經有一個正常工作的太陽能係統，但這並不意味著您有浪湧保護，這意味著您的電子設備的命運完全取決於機會。
您的承包商甚至可能告訴您，您的太陽能係統不需要 SPD，因為您的財產已經具有電湧保護 - 這在理論上聽起來很棒，可以降低您的成本。 但不幸的是，這意味著一旦下一場風暴來臨，你的太陽能板就會成為坐靶。
每年世界上都會有數十億次閃電。 光是在德國，每年記錄的閃電事件就超過 2 萬起，而且這一趨勢還在上升。 如果雷擊在附近，則會損壞建築物和基礎設施：雷擊可能會導致火災或電氣設備和系統的電湧損壞。 後者也適用於 2 公里外的雷擊。 電池儲存系統或電網變壓器的切換可能會導致切換過電壓和損壞。 通常只需要非常小的突波就能損壞電子設備。
電力儲存系統是能源革命的關鍵技術之一，因為它們使得就地儲存本地生產的電力成為可能。 貨櫃電池儲存系統儲存例如由光伏系統和風力渦輪機產生的電力，並按需回饋。 由於採用分散存儲，它們還增強了網路穩定性，並可供網路運營商用來提供平衡電力。 再生能源比例的不斷增加導致所需併網儲存系統數量的增加。
相應地，這提高了再生能源的效率。 採用帶有電源濾波器的逆變器可提高電壓品質。 此外，電網的電池儲存構成了能源管理（所謂的「調峰」）的基礎。
為了給儲存容器中的高階電子產品最佳保護，需要一套全面的防雷和突波保護系統。 更重要的是，考慮到安裝位置和操作條件可能由於貨櫃的移動性質及其計劃的全球安裝而有很大差異。 電池儲存系統最大的危險是雷擊放電。 由此產生的過電壓遠遠超過儲存系統中電子元件的介電強度。
此外，與網路相關的電壓峰值（例如來自開關操作或接地和短路的電壓峰值）必須被視為潛在威脅。 結果是電子元件有缺陷，例如資訊和通訊技術以及逆變器或電池單元有缺陷。 在直接撞擊的情況下，金屬屋頂也可能被穿孔，從而在下雨時造成水損壞。
這些儲存系統的持續可用性也是一個關鍵問題。 由於損壞會導致嚴重的財務後果以及昂貴的維護和修理工作，因此制定可靠的雷電和電湧保護概念非常重要。
標準系列 IEC 60364 包含安裝標準，因此適用於固定安裝。 永久有線、非行動電池儲存系統屬於 IEC 60364 的範圍。
IEC 60364-4-44涉及在因透過供電網路傳輸的大氣影響而產生瞬態過電壓的情況下對電氣系統的保護，包括供電線路中的直接雷擊和開關操作引起的瞬態過電壓。
它提供了是否需要採取突波保護措施的結論，評估了該位置的風險，定義了突波保護類別和相應要求的設備額定衝擊耐受電壓水平，並定義了是否需要附加突波保護裝置。 它還考慮了系統所需的可用性。 根據 IEC 62305-2 進行風險分析，以確定需要哪些外部防雷措施，例如，在規劃和實施防雷概念時需要考慮哪一類 LPS。 例如，如果風險分析顯示需要 LPS 3 級防雷系統，則必須遵循 IEC 62305-3。
德國應用規則VDE-AR-E 2510-2「連接低壓時代網路的固定電池儲能係統」也規定，在連接概念中應制定防雷和突波保護措施。 如果雷電和電湧保護措施依照 IEC 60364-4-44 和 IEC 62305 實施，則應依照 IEC 60364-5-53 安裝。
電池儲能係統或供電線路中的直接雷擊的特徵是脈衝波形為 10/350 μs 的雷電流。 遠距離雷擊或所謂的間接雷擊會導致供電線路中傳導部分雷電流（脈衝波形 10/350 μs），或也會導致儲存電子組件中的感應/電容耦合（脈衝 8/20 μs）系統本身（所謂的LEMP = 閃電電磁脈衝）（圖1）。 此外，開關操作、接地和短路或保險絲跳脫（所謂的 SEMP = 開關電磁脈衝）也可能導致過電壓。
如果光電站配備電池儲存系統，則需要對電子設備、電池和逆變器進行突波保護。
圖 2 顯示了一個光伏儲存系統（容器結構），該系統透過容器的金屬外殼將直接雷擊放電到土壤。 為了防止金屬屋頂上的熔化孔受到直接撞擊，四個角落都裝有接閃器尖端作為定義的撞擊點。 所示的接地系統由 30 x 3.5 毫米的扁帶或直徑 10 毫米的圓線組成。
為了確保接地系統的耐用性和功能性，建議使用永久耐腐蝕材料，例如不銹鋼 V4A (1.4404)。 這可以在未來的許多年裡保障人身安全並向地球釋放照明電流。 貨櫃內部的設備受到與法拉第籠類似的保護，即與內部電氣元件必須保持一定的間隔距離。 適當的雷電流和電湧放電器應盡可能靠近主電源線進入貨櫃的位置安裝，以便透過這些銅基線路釋放任何干擾脈衝耦合。
系列保護 230/400 V 電源線。 這是一款預接線、模組化的1 型和2 型組合式雷電流和電湧放電器，完全基於火花隙技術，放電能力高達100 kA (10/350 μs)，憑藉出色的防護等級和可靠性，可靠地保護終端設備。能量吸收能力。
當安裝接閃器時，光伏組件的直流連接線必須採用專為光伏系統設計的 1 型電湧保護器進行保護，例如 FLP-PV1500G 1 + 2 型直流電湧保護器。
如果電網的電池儲存系統具有混凝土結構，則通常不可能或至少很難保持與外部防雷系統的分離距離。 這個問題可以透過安裝耐高壓絕緣導線（即所謂的 HVI 導線）來解決。
透過這種方式，可以防止外部防雷系統對供電線路等導電部件產生危險的閃絡。 如果電池和逆變器位於單獨的容器中，則在直接和附近雷擊的情況下，連接電纜中會耦合到電流閃電電流。
為了防止這種情況發生，必須在電纜上方鋪設接地導體，以納入受保護的空間。 因此，將兩側的電纜連接到 2 型避雷器就足夠了。 它們專為直流電路應用而設計，包括高容量直流開關裝置，以防止直流開關電弧引起的火災。
防雷和突波保護裝置的選擇在選擇合適的防雷和突波保護裝置時，除了有關位置的詳細資訊外，許多因素也發揮著重要作用：有關本地系統配置、系統電壓和相關介面標稱電流的資訊。
應對儲能係統中電源保護、開關和轉換方面的新挑戰
太陽能或風能等再生能源需要更靈活的能源系統，以確保以高效可靠的方式整合可變能源。
儲能係統，特別是電池，由於其獨特的快速吸收、保持和重新註入電力的能力，正在成為提高系統靈活性的潛在解決方案之一。
新的挑戰即將到來，儲能係統中的電源保護、開關和轉換的市場需求、技術和解決方案正在迅速發展。
LSP 可靠的浪湧保護裝置 (SPD) 旨在滿足裝置對雷電和浪湧的保護需求。 聯繫我們的專家！
可以考慮使用上游現有的交流電源SPD過載保護熔斷器作為SPD的保護。
