Die Notwendigkeit und regulatorische Anforderungen der N-PE-Anbindung im Off-Grid-Zustand von Hybrid-Wechselrichtern

Dieser Artikel stellt zunächst die grundlegenden Konzepte und Funktionen von N-Draht (Neutraldraht) und PE-Draht (Schutzerdungsdraht) in elektrischen Systemen vor und untersucht anschließend im Detail, warum N-PE in netzfernen Zuständen von Hybrid-Wechselrichtern zuverlässig angeschlossen werden muss, einschließlich Sicherheit, Systemstabilität und regulatorische Anforderungen. Abschließend wurden relevante Vorschriften aus einigen Ländern aufgeführt und am Beispiel des inventronics Hybrid-Wechselrichters wurde gezeigt, wie sein Produkt die regulatorischen Anforderungen für N-PE-Anschluss unter netzunabhängigen Bedingungen erfüllt und Referenzen für verwandte Forschung und Praxis liefert.

1. Elektrisches System und N-PE Konzept

（1） Erdungsverfahren des elektrischen Systems

Die Erdung des elektrischen Systems ist eine wichtige Maßnahme, um den sicheren Betrieb elektrischer Geräte und die persönliche Sicherheit zu gewährleisten. Entsprechend der Terminologie und den Konzepten verschiedener Schutzerdungsmethoden, die von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) spezifiziert werden, umfassen gemeinsame Erdungsmethoden TN-Systeme, TT-Systeme und IT-Systeme. Unter ihnen ist das TN-System in drei Formen unterteilt: TN-C, TN-S und TN-C-S. Im TN-C-System werden die N-Linie und PE-Linie geteilt und PEN-Linie genannt; Im TN-S-System sind die N-Linie und PE-Linie vollständig getrennt; Das TN-C-S-System ist eine Hybridform, die von TN-C zu TN-S konvertiert wird.

Die Bedeutung der Buchstaben:

(1) Der erste Teil des Buchstabens stellt die Beziehung zwischen dem Neutralpunkt des Verteilungssystems und dem Boden dar.

T: Der Neutralpunkt der Stromversorgung ist direkt an einem Punkt geerdet; I: Der Neutralpunkt des Netzteils ist von der Masse isoliert oder durch einen hochohmigen Punkt geerdet.

(2) Der zweite Teil des Buchstabens stellt die Beziehung zwischen den exponierten leitenden Teilen des elektrischen Geräts und der Masse dar.

T: Die exponierten leitfähigen Teile sind direkt geerdet, unabhängig vom Erdungspunkt des Verteilungssystems;

N: Die exponierten leitfähigen Teile sind direkt elektrisch mit dem Neutralpunkt des Verteilungssystems verbunden (auch als Neutralsystem bekannt);

(3) Die Buchstaben nach dem "-"-Zeichen sind Erweiterungsanweisungen

C: Der schützende neutrale Draht und der arbeitende neutrale Draht verwenden den gleichen Draht;

S: Trennen Sie den neutralen Schutzdraht vollständig vom neutralen Arbeitsdraht und verwenden Sie zwei unabhängige Drähte für jeden;

C-S: Verwenden Sie den gleichen Draht für den vorderen Teil des schützenden neutralen Drahts und den arbeitenden neutralen Draht, und trennen Sie den hinteren Teil des schützenden neutralen Drahts vollständig von dem arbeitenden neutralen Draht mit zwei Drähten.

(2) Die Rolle der N-Linie und PE-Linie

N-Leitung (Neutralleitung): In einem dreiphasigen Vierleiternetz ist die N-Leitung ein Draht, der vom Neutralpunkt des Transformators herausgeführt wird. Seine Hauptfunktion besteht darin, einen Stromkreis für die Last bereitzustellen und das Gleichgewicht der dreiphasigen Spannung sicherzustellen. Bei einphasigen Lasten spielt die N-Leitung auch eine Rolle bei der Stromrückgabe an das Netzteil.

PE-Draht (schützender Erdungsdraht): Die Hauptfunktion von PE-Draht besteht darin, die exponierten leitfähigen Teile der elektrischen Ausrüstung mit der Erde zu verbinden, um Stromschlagunfälle zu verhindern, die durch das Aufladen der Gerätehülle verursacht werden. In elektrischen Systemen besteht die Rolle von PE-Leitungen darin, einen niederohmigen Pfad für Fehlerströme bereitzustellen, um sicher zum Boden zu fließen, Schutzvorrichtungen (wie z. B. Reststromgeräte) zu aktivieren, Strom abzuschneiden und die Sicherheit von Personen und Geräten zu schützen.

Das folgende Diagramm zeigt die Verbindungsmethoden von N- und PE-Drähten in verschiedenen Erdungssystemen.

Abbildung 1: TN-C-System

Im TN-C-System sind die N- und PE-Linie im gesamten System integriert

Abbildung 2: TN-S-System

Im TN-S-System sind die N- und PE-Linie über das gesamte System getrennt.

Abbildung 3: TN-C-S-System

Im TN-C-S-System werden die N-Leitung und PE-Leitung normalerweise nur vor dem Stromversorgungseingangspunkt des Niedervolt-elektrischen Geräts im gesamten System integriert und dann nach dem Stromversorgungseingangspunkt in zwei Leitungen unterteilt.

Abbildung 4: TT -System

Das TT-System ist ein System, bei dem der Neutralpunkt der Stromversorgung direkt geerdet wird und die freigelegten leitenden Teile der elektrischen Ausrüstung auch direkt geerdet werden. Die Erdung des Neutralpunktes der Stromversorgung wird normalerweise Arbeitserdung genannt, während die Erdung der exponierten leitfähigen Teile der Ausrüstung Schutzerdung genannt wird. Im TT-System müssen diese beiden Gründe unabhängig voneinander sein. Die Geräteerdung kann dadurch erreicht werden, dass jedes Gerät seine eigene unabhängige Erdungseinrichtung hat, oder indem mehrere Geräte dieselbe Erdungseinrichtung teilen.

Abbildung 5: IT -System

Das IT-System ist ein System, bei dem der Neutralpunkt der Stromversorgung nicht geerdet ist und die exponierten leitfähigen Teile der elektrischen Ausrüstung direkt geerdet werden. IT-Systeme können neutrale Leitungen haben, IEC empfiehlt jedoch dringend, keine neutralen Leitungen zu setzen. Denn wenn eine neutrale Linie gesetzt ist, wenn an irgendeiner Stelle der N-Leitung im IT-System ein Erdfehler auftritt, ist das System kein IT-System mehr.

2. Gründe für die zuverlässige Verbindung von N-PE im Off-Grid Zustand des Hybrid Wechselrichters

(1) Sicherstellung der Kontinuität und Sicherheit der Erdung

In Off-Grid-Anwendungen verlassen sich Hybrid-Wechselrichter normalerweise auf ihre eigenen Batterien und Sonnenkollektoren für die Stromversorgung, ohne eine Erdungsreferenz aus dem öffentlichen Netz. Durch die Verbindung der N- und PE-Drähte kann die Kontinuität und Integrität des Erdungssystems gewährleistet werden, effektiv verhindert werden, dass das Gerätegehäuse geladen wird und das Risiko eines Stromschlags verringert wird. Wenn ein Fehler im System auftritt (z. B. Geräteleckage), können die miteinander verbundenen N-PE-Drähte den Fehlerstrom zur Erde führen, die Wirkung der Schutzvorrichtung auslösen, die Stromversorgung unterbrechen und so die Personen- und Gerätesicherheit schützen.

(2) Stabile Spannungsreferenz bereitstellen

Im Off-Grid-Modus benötigen Hybrid-Wechselrichter einen stabilen Spannungsbezugspunkt, um die Ausgangsspannung und Frequenz des Wechselrichters zu steuern. Die Verbindung der N- und PE-Leitungen kann ein stabiles Referenzpotential für den Wechselrichter bieten und den stabilen Betrieb des Systems gewährleisten. Diese Verbindungsmethode kann auch eine Verschiebung der Systemspannung verhindern, insbesondere wenn große Laständerungen oder induktive Lasten im System vorhanden sind, was zur Aufrechterhaltung einer stabilen Spannungsausgabe beiträgt.

Der Steuerkreis und der Stromkreis innerhalb des Hybrid-Wechselrichters erfordern in der Regel einen gemeinsamen Erdungsbezugspunkt. Das Verbinden der N- und PE-Drähte zusammen kann die Konstruktionsanforderungen des internen Schaltkreises des Wechselrichters erfüllen und seinen normalen Betrieb sicherstellen. Darüber hinaus kann diese Verbindungsmethode das Erdungsdesign des Wechselrichters vereinfachen, zusätzliche Erdungsgeräte reduzieren und somit die Komplexität und Kosten des Systems reduzieren.

(3) Entspricht den einschlägigen Normen und Spezifikationen

Die Elektroinstallationsvorschriften in vielen Ländern und Regionen verlangen, dass die N- und PE-Leitungen in netzfernen Systemen miteinander verbunden werden müssen, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems zu gewährleisten. Zum Beispiel wird im TN-C-S-System ein PEN-Draht zwischen der Stromversorgung und dem Benutzereingangspunkt verwendet, und nach dem Benutzereingangspunkt wird der PEN-Draht in N-Draht und PE-Draht unterteilt. Diese Konstruktion entspricht nicht nur den relevanten Normen, sondern bringt auch Sicherheit und Wirtschaftlichkeit des Systems in Einklang.

3. Regulatorische Anforderungen verschiedener Länder

(1) China

In China müssen die N- und PE-Leitungen in Off-Grid-Systemen nach Standards wie dem General Code for Electrical and Intelligent Construction of Buildings (GB 55024-2022) und den Sicherheitsanforderungen für Off-Grid Wind Solar Complementary Power Generation Systems (GB/T 29544-2013) zuverlässig angeschlossen werden. Diese Normen verlangen ausdrücklich, dass im Off-Grid-Modus die N- und PE-Leitungen zuverlässig angeschlossen werden müssen, um die Kontinuität und Sicherheit des Erdungssystems zu gewährleisten.

(2) Die Europäische Union

In der Europäischen Union folgen Design und Installation elektrischer Systeme in der Regel IEC (International Electrotechnical Commission) Standards. Nach dem IEC 60364-Standard sollte im TN-C-S-System, nachdem die PEN-Linie an einem bestimmten Punkt in N- und PE-Linien unterteilt ist, sie nicht zusammengeführt oder miteinander in Kontakt gebracht werden. Aber im Off-Grid-Modus ist es in der Regel erforderlich, dass N-Leitung und PE-Leitung zuverlässig am Stromeingang angeschlossen werden, um die Kontinuität und Sicherheit des Erdungssystems zu gewährleisten.

(3) Vereinigte Staaten von Amerika

In den Vereinigten Staaten folgen Design und Installation elektrischer Systeme typischerweise NEC (National Electrical Code). Obwohl NEC hauptsächlich auf netzgekoppelte Systeme abzielt, ist es in netzfernen Systemen, um die Kontinuität und Sicherheit des Erdungssystems zu gewährleisten, in der Regel erforderlich, dass die N- und PE-Leitung zuverlässig am Stromeingang angeschlossen werden.

(4) Australien und Neuseeland

In Australien und Neuseeland folgen Design und Installation elektrischer Systeme typischerweise AS/NZS (Australian/New Zealand Standards). Gemäß AS/NZS 3000 ist es in netzfernen Systemen erforderlich, dass N- und PE-Leitung zuverlässig am Stromeingang angeschlossen werden, um die Kontinuität und Sicherheit des Erdungssystems zu gewährleisten.

(5) Japan

In Japan folgen Design und Installation elektrischer Systeme typischerweise JIS (Japanese Industrial Standards). Gemäß JIS C 8450 ist es in Off-Grid-Systemen erforderlich, dass die N-Leitung und PE-Leitung zuverlässig am Stromeingang angeschlossen werden, um die Kontinuität und Sicherheit des Erdungssystems zu gewährleisten.

4. Design von N-PE Relais in Inventronics Hybrid Inverter Produkte

Inventronics Hybrid-Wechselrichter-Produkte werden unter voller Berücksichtigung der regulatorischen Anforderungen für N-PE-Verbindungen in netzfernen Bedingungen entwickelt. Das Produkt ist mit zwei Relais ausgestattet, die die N-Leitung und PE-Leitung zuverlässig verbinden können, wenn sie außerhalb des Netzes arbeiten. Das spezifische Design ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Dieses Design entspricht nicht nur den gesetzlichen und regulatorischen Anforderungen von Ländern und Regionen wie China, der Europäischen Union, den Vereinigten Staaten, Australien, Neuseeland und Japan, sondern gewährleistet auch die Sicherheit und Stabilität des Systems im Off-Grid-Modus.

Abbildung 6: Das eingebaute N-PE-Relais des Hybrid-Wechselrichters Inventronik

5. Zusammenfassung

Die N-Leitung und PE-Leitung des Hybrid-Wechselrichters müssen zuverlässig in einem Off-Grid-Zustand angeschlossen werden, um Erdungskontinuität und Sicherheit zu gewährleisten, eine stabile Spannungsreferenz zu bieten, die internen Designanforderungen des Wechselrichters zu erfüllen und relevante Normen und Spezifikationen zu erfüllen. Inventronics Hybrid-Wechselrichter-Produkte sind mit eingebauten Relais entwickelt, um die N- und PE-Leitungen während des Off-Grid-Betriebs zuverlässig zu verbinden und erfüllen die gesetzlichen und regulatorischen Anforderungen verschiedener Länder vollständig und bieten Benutzern eine sichere und zuverlässige Off-Grid-Stromlösung.