RU2817404C1 - Device for protection of photovoltaic modules against atmospheric overvoltage - Google Patents

Device for protection of photovoltaic modules against atmospheric overvoltage Download PDF

Info

Publication number
RU2817404C1
RU2817404C1 RU2023116164A RU2023116164A RU2817404C1 RU 2817404 C1 RU2817404 C1 RU 2817404C1 RU 2023116164 A RU2023116164 A RU 2023116164A RU 2023116164 A RU2023116164 A RU 2023116164A RU 2817404 C1 RU2817404 C1 RU 2817404C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
protection
photovoltaic module
varistors
series
module
Prior art date
Application number
RU2023116164A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Эскендер Алимович Бекиров
Алим Мансурович Арифов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского"
Application granted granted Critical
Publication of RU2817404C1 publication Critical patent/RU2817404C1/en

Links

Abstract

FIELD: solar engineering; electric power industry.
SUBSTANCE: invention is intended to provide protection of photovoltaic modules against atmospheric overvoltage at objects of industrial, agricultural and individual purpose. Surge protection device, consisting of two series-connected varistors, protection circuit additionally includes three self-recovering fuses connected in series by protective Schottky diodes, protection module is built into the terminal part of the photoelectric module and all semiconductor radioelectronic components are compactly located on a common textolite printed circuit board, common point of grounding bus of varistors is connected to metal frame of photovoltaic module frame.
EFFECT: device provides protection of both photoelectric elements and semiconductor diodes from thunderstorm electromagnetic disturbances; components of the protection device do not require periodic maintenance.
1 cl, 3 dwg

Description

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.The invention relates to the field of solar engineering and electric power engineering, and is also intended to provide protection of photovoltaic modules from atmospheric overvoltages at industrial, agricultural and individual facilities.

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.).A device for protection against surge voltages is known, containing a varistor module, while one device combines the function of opening emergency alarm contacts in the power supply circuit, and the function of turning off the varistor, which are performed simultaneously in a single process of actuation of a charged spring mechanism when melting low-melting solder (Slovenian patent No. 20781, IPC N02N 7/09, publication 1995).

Недостатком такой конструкции является наличие механических контактов в известном устройстве уменьшает его надежность и удорожает изготовление.The disadvantage of this design is that the presence of mechanical contacts in the known device reduces its reliability and increases the cost of production.

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).There are known methods for protecting semiconductor electrical equipment from switching overvoltages, based on the absorption of overvoltage energy using damping capacitors and resistors; zinc oxide nonlinear limiters; arresters; diode limiters (see books: 1. Bickford J.P. et al. Fundamentals of the theory of overvoltages in electrical networks: Translated from English / V.V. Bazutkin; Edited by A.A. Obukh. - M.: Energoizdat , 1981, pp. 147-158; 2. Glukh E.M., Zelenov V.E. Protection of semiconductor converters. - M.: Energoizdat, p. 142-146; technology: Translated from German / I.P. Kuzhekin, edited by B.K. Maksimov.

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).There are known methods of protection against pulse overvoltages, consisting of a parallel-connected varistor and a symmetrical protective diode, separated by inductance, while a series-connected diode and a second varistor are inserted into the device, and the diode is connected opposite to the supply voltage, and the series-connected diode and the second varistor are included parallel to the symmetrical protective diode (RF patent for utility model No. 42921, IPC N02N 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.The disadvantage of these methods and the devices that implement them is the impossibility with their help to achieve an effective, with a factor of less than two with technically acceptable parameters of damping elements, reduction of overvoltages in direct current networks that have a significant amount of distributed inductance with energy that determines the level of switching overvoltages of thousands of joules.

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.The closest to the declared utility model (prototype) [Schwab A. Electromagnetic compatibility. - M.: Energoatomizdat, 1995, pp. 183, fig. 4.24] is a surge protection device consisting of a varistor and a surge arrester connected in parallel. When an overvoltage pulse appears at the input of the device, the varistor, which has a higher operating speed compared to the arrester, starts working first. Under the influence of the residual voltage of the varistor, after the statistical delay time has elapsed, the spark gap breaks through, limiting the overvoltage pulse to an arc voltage in the spark gap of 20-30 V.

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.The disadvantage of this device is the impossibility of using it in low-resistance circuits, in DC circuits, due to the high accompanying current through the spark gap, which thermally destroys it. Triggering of the arrester leads to a significant decrease in voltage across the protected load, which may be unacceptable for the protected load.

Основная проблема заключается в импульсных перенапряжениях, которые приводят к пробою р-n перехода шунтирующих полупроводниковых диодов Шоттки в фотоэлектрических модулях.The main problem is pulse overvoltages, which lead to breakdown of the p-n junction of shunt semiconductor Schottky diodes in photovoltaic modules.

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.This problem is widespread because... when a leader channel appears, which was mentioned earlier in the conductors connecting the photovoltaic modules, an induced pulse current appears, and the potential also increases, which reaches a value higher than the constant forward voltage of the diode or the pulsed reverse voltage, and as a result, in the entire chain of series-connected modules, shunt diodes are faulty. This damage is of a purely hidden nature, because it is almost impossible to quickly identify this defect; the defect manifests itself during the operation of the solar power plant (SPP). At extremely high ambient temperatures and massive shading, the process of large-scale overheating of photocells begins, the temperature reaches values of up to 100°C. These overheatings lead to an accelerated process of degradation (wear) and massive underproduction of electrical energy, and the fault can only be identified through a detailed comparative analysis of the output of each chain of photovoltaic modules connected in series separately or during television monitoring (TVM). The process of replacing photovoltaic modules (PVMs) due to damaged diodes is expensive, and the process of finding and replacing damaged diodes is very labor-intensive, practically consuming a large amount of time and human resources. Existing PV module circuits only use protection diodes, which provide protection against shading as a shunt; as discussed earlier, with lightning impulses, semiconductor diodes inevitably fail.

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.The objective of the technical solution is that to eliminate the influence of atmospheric overvoltages, photovoltaic modules provide additional protection, namely each module separately, regardless of their total number at the solar power plant facility.

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.The protection device components do not require periodic maintenance and have a service life similar to that of the photovoltaic module. The protection circuit is relatively simple and, with the correct selection of components, has virtually no failures.

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.The problem is solved by the fact that the surge protection device consists of two series-connected varistors, three self-restoring fuses are additionally introduced into the protection circuit, connected in series with semiconductor Schottky diodes, the protection module is built into the terminal part of the photovoltaic module and all semiconductor radio-electronic components are compactly located on a common textolite printed circuit board, the common point of the varistor grounding bus is connected to the metal frame of the photovoltaic module frame. The device allows for protection of both photovoltaic elements and semiconductor diodes from lightning electromagnetic disturbances; the components of the protection device do not require periodic maintenance.

Общие с прототипом признаки:Features common to the prototype:

- два последовательно включенных варисторов.- two series-connected varistors.

Отличительные признаки:Features:

- три самовосстанавливающихся предохранителя, включенных последовательно полупроводниковыми диодами Шоттки,- three self-restoring fuses connected in series with semiconductor Schottky diodes,

- модуль защиты встроен в клеммную часть фотоэлектрического модуля,- the protection module is built into the terminal part of the photovoltaic module,

- все полупроводниковые радиоэлектронные компоненты компактно располагаются на общей текстолитовой печатной плате,- all semiconductor radio-electronic components are compactly located on a common textolite printed circuit board,

- общая точка шины заземления варисторов, подключена к металлической рамке каркаса фотоэлектрического модуля.- the common point of the varistor grounding bus is connected to the metal frame of the photovoltaic module frame.

Совокупность признаков изобретения, достижение особо хороших свойств обеспечивает соответствие технического решения критерию «изобретательский уровень»The combination of features of the invention and the achievement of particularly good properties ensures that the technical solution meets the criterion of “inventive step”

На Фиг. 1 представлена схема устройства.In FIG. 1 shows a diagram of the device.

На Фиг. 2 показана последовательность работы защиты.In FIG. Figure 2 shows the sequence of operation of the protection.

На Фиг. 3 показано фазовое состояние полимера из кристаллического в аморфное.In FIG. Figure 3 shows the phase state of the polymer from crystalline to amorphous.

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.The circuit includes a PEM supply conductor of negative polarity (1) (Fig. 1), a grounding bus (2) (Fig. 1), a PEM supply conductor of positive polarity (3) (Fig. 1), self-restoring fuses (4) (Fig. 1), photovoltaic module 5, semiconductor diodes (6) (Fig. 1), ground loop (7) (Fig. 1), varistors (8) (Fig. 1), contact connection point of the FEM ground loop bus (9) (Fig. 1), with FEM frame (5) (Fig. 1). The positive voltage of the photovoltaic module (PV) (5) is connected to terminal (3) (Fig. 1), and the negative voltage to terminal (1). Between the positive (3) and negative (1) terminals, varistors RU 2 and RU 1 (8) are connected (Fig. 1). The midpoint between the varistors RU 2 and RU 1 is connected to the grounding bus (2) (Fig. 1), and the grounding bus (2) (Fig. 1) is connected to the ground loop (7) (Fig. 1). Between the positive voltage - terminal (3) (Fig. 1) and the negative voltage - terminal (1) of the photovoltaic module (PVM), semiconductor diodes D1, D2, D3 (6) and self-restoring fuses (4) (Fig. 1) are connected with reverse polarity. , which protect the FEM (5) (Fig. 1) from breakdown.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

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).When a lightning discharge hits the grounding bus (2) (Fig. 2), within a radius of more than 150 m, an induced potential arises in the conductors providing electrical power to photovoltaic modules and inverters, as a result of which single, double or complex pulses are formed, with different amplitudes . In order to provide protective functions, two varistors (8) are placed in the terminal box of the photovoltaic module, connected in series between the positive (3) and negative (1) output contact of the photovoltaic module (5); a grounding bus (2) is connected to the middle point between the varistors (8) , having direct contact with the metal protective frame of the photovoltaic module (5), where the mounting posts of the photovoltaic module (5) are pre-connected to the ground loop (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 Iимп (Фиг. 2) на остальные включенные последовательно в цепь фотоэлектрического модуля. Последовательность работы защиты показана на (Фиг. 2), где движение импульсных токов Iимп (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).In normal operation of the device, the positive and negative poles of the module (5) are galvanically isolated from the ground loop (7), due to the fact that the resistance of the varistors RU 1 and RU 2 (8) have a high impedance. A varistor is a volume-type semiconductor resistor, the resistance of which changes with a change in the voltage applied to it according to a linear law, because The current-voltage characteristic of a varistor is symmetrical; it can be used in DC and AC circuits. When the voltage increases above the threshold value on the supply conductors of the module, the varistors sharply reduce their impedance from several thousand megaohms (MΩ) to tens of ohms. In the proposed circuit, varistors (8) are selected with an operating voltage close to the no-load voltage of the photovoltaic module (5) for correct operation in terms of voltage. Varistors (8) are connected in parallel to the terminals of the photovoltaic module (5) and when the input voltage surges, the main pulse current flows through them to the ground loop, bypassing the low-current protected elements of the photovoltaic module (5). The operation of varistor protection will be ensured at a high speed of about 10-25 ns. when a pulse occurs in both the negative and positive pole conductor, providing a short period of time with a shunt between the positive and negative poles, as well as providing a direct electrical connection with the ground electrode (7), if the pulse occurs again, this process will be repeated cyclically. One of the main characteristics of the component in question is the maximum pulse current and the maximum energy in Joules that the varistor can absorb in one pulse. If these characteristics are incorrectly selected, thermal destruction or breakdown of the varistors will occur, which will lead to undesirable consequences - shunting of the photovoltaic module and, as a result, a short circuit (short circuit). When choosing varistors 8, it is necessary to use only components with the same characteristics when connected in series to the circuit, for subsequent correct operation of the device when performing protective functions. When an induced pulse appears directly in the circuit of elements of the photovoltaic module, because the latter may also be in the zone of induced potential, the operation of high-speed self-recovering fuses (4) (Fig. 2) Fu 1-Fu 3, which prevents the flow of unacceptable current values in the forward and reverse directions through shunt semiconductor diodes (6) (Fig. 2) . After stabilization of the voltage parameters and the magnitude of the electric current, the resistance of the varistors (8) (Fig. 2) increases to the original value, and the conductivity of the fuses (4) (Fig. 2) Fu 1-Fu is restored independently as the temperature decreases. This device circuit will protect module elements from damage and reduce the influence of pulse overvoltages and currents I pulse (Fig. 2) on the rest of the photovoltaic module connected in series in the circuit. The sequence of protection operation is shown in (Fig. 2), where the movement of pulse currents I pulse (Fig. 2) occurs from the photovoltaic module (5) through varistors (8) along the ground bus (2), towards the ground loop (7). Pulse currents in the circuit of semiconductor diodes (6) do not flow due to a break in the electrical circuit, due to the activated state of the self-restoring fuses (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.The self-resetting fuse (4) in the circuit represents a PTC thermistor. PTC (Positive temperature coefficient device) - polymer devices with a positive temperature coefficient of resistance. The characteristics of the device were first discovered and described by Bell Labs in 1939.

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.The operation of the PTC fuse in the proposed circuit lies in the ability of the polymer to change its conductive structure when heated. At a temperature of 25°C, the polymer has a crystalline structure, so that the movement of charged particles occurs in an orderly manner and the current in the circuit is determined by the operating value of the load resistance RL (12) (Fig. 2) of the subsequent cascade (inverter). In the event of lightning-induced currents, the current in the electrical circuit increases sharply, heating the polymer in the thermistor. When the threshold temperature is reached, the fuse is triggered, namely, the phase state of the polymer changes from crystalline to amorphous, shown in (Fig. 3). As a result, the thermistor resistance increases sharply, and the current in the circuit is now determined by the thermistor resistance value.

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.Let us consider in more detail in (Fig. 3) the state of the PEM. At a temperature of 25°C, the FEM is in a crystalline state; between terminals (3) and (1) (Fig. 1) there are continuous graphite conductive bonds. As a result, the resistance of the self-resetting fuse (4) turns out to be low point (a) (Fig. 3). With increasing temperature, for example, due to an increase in current through the RTS, a slight increase in resistance is observed, caused by thermal processes, point (b) (Fig. 3). With a further increase in current and heating of the RTS structure, the temperature can rise to a limiting value at which the polymer begins to transition from the crystalline state to the amorphous one. This transition is accompanied by significant expansion. As a result, the graphite bonds are broken and the resistance increases, point (c) (Fig. 3). The process has an abrupt nature, that is, even when the limit temperature is slightly exceeded, a sharp increase in the resistance of the self-resetting fuse is observed. An increase in resistance leads to current limitation. Moreover, if the current value does not decrease, then the RTS continues to dissipate significant power and remains in a heated high-resistance state, point (d) (Fig. 3). After the fault is eliminated, the RTS cools down and returns to its original conducting state.

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.The developed circuit will provide protection directly to photovoltaic modules from the effects of pulse overvoltages, as well as protection of semiconductor elements (Schottky diodes) that are included in the module circuit. An important aspect is that when implementing this scheme, the risk factor of failure from pulse overvoltages of module elements that are not in the zone of electromagnetic radiation, but have an electrical connection with them, is reduced.

Устройство предполагает обеспечить защиту как фотоэлектрических элементов, так и полупроводниковых диодов от грозовых электромагнитных возмущений.The device is supposed to provide protection for both photovoltaic elements and semiconductor diodes from lightning electromagnetic disturbances.

Claims (1)

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.A device for protecting a photovoltaic module from surge voltages, consisting of two varistors connected in series, characterized in that the photovoltaic module contains positive and negative terminals, between which a circuit of series-connected varistors is connected; three are introduced in series in the protection device between the positive and negative terminals of the photovoltaic module connected circuits, each of which is connected to the corresponding element of the photovoltaic module and consists of a self-restoring fuse with an anti-series connected semiconductor Schottky diode, the protection device is built into the terminal part of the photovoltaic module, all semiconductor components of the protection device are located on a common textolite printed circuit board, a common connection point varistors are interconnected with a grounding bus and connected to the metal frame of the photovoltaic module frame.
RU2023116164A 2023-06-19 Device for protection of photovoltaic modules against atmospheric overvoltage RU2817404C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2817404C1 true RU2817404C1 (en) 2024-04-16

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3820807C2 (en) * 1987-08-19 1991-07-11 Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen, De
US5495383A (en) * 1989-08-21 1996-02-27 Mitsubishi Mining & Cement Co., Ltd. Circuit for protecting electronic equipment from overvoltage or overcurrent conditions
RU42921U1 (en) * 2004-08-02 2004-12-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт") PULSE OVERVOLTAGE PROTECTION DEVICE
RU2459333C1 (en) * 2011-05-03 2012-08-20 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Device to protect equipment against pulse overloads
US20170366003A1 (en) * 2016-06-21 2017-12-21 SK Hynix Inc. Device for protecting semiconductor circuit

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3820807C2 (en) * 1987-08-19 1991-07-11 Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen, De
US5495383A (en) * 1989-08-21 1996-02-27 Mitsubishi Mining & Cement Co., Ltd. Circuit for protecting electronic equipment from overvoltage or overcurrent conditions
RU42921U1 (en) * 2004-08-02 2004-12-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт") PULSE OVERVOLTAGE PROTECTION DEVICE
RU2459333C1 (en) * 2011-05-03 2012-08-20 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Device to protect equipment against pulse overloads
US20170366003A1 (en) * 2016-06-21 2017-12-21 SK Hynix Inc. Device for protecting semiconductor circuit

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108242805B (en) Device for active overvoltage protection
US11223200B2 (en) Surge protective devices, circuits, modules and systems including same
CN111630744B (en) Arc extinguishing device and multistage arc extinguishing equipment
US8422189B2 (en) Serially connected surge suppression optimization device
US5164874A (en) Apparatus for protecting against overvoltage
EP0462694A2 (en) Protective device for temporary system overvoltages
GB2542789A (en) Fault protection for voltage source converters
US20090021881A1 (en) Overvoltage protection device with improved leakage-current-interrupting capacity
Khanmiri et al. Degradation of low voltage metal oxide varistors in power supplies
CN111869031A (en) Lightning protection overvoltage protection circuit and protection device
EP0308553A1 (en) Transient suppressor device assembly
CN112602244B (en) Multi-stage protection device for overcurrent and overvoltage protection type power transmission
RU2817404C1 (en) Device for protection of photovoltaic modules against atmospheric overvoltage
CN113783173A (en) High-voltage solid-state semiconductor switching device, method for improving voltage utilization rate and application
US20120287548A1 (en) Surge protector
CN111064172A (en) Protection circuit and variable pitch system
RU2533184C1 (en) Combined network protection
CN215498269U (en) Switching power supply lightning protection circuit and switching power supply
CN113394961B (en) Switch sub-module of composite energy consumption device and protection method thereof
US4084207A (en) Adjustable overvoltage protected circuit for high power thyristors
GB1594313A (en) Equipment for power line surge eliminator
Rabde Metal oxide varistors as surge suppressors
CN212231086U (en) Protective circuit
CN219436639U (en) Signal output protection circuit and internal circuit
CN212969049U (en) Circuit protection device