Dobór ograniczników przepięć do ochrony instalacji PV
Instalacje fotowoltaiczne, są poważnie narażone na uszkodzenia w wyniku bezpośredniego wyładowania atmosferycznego, jak też na uszkodzenia w wyniku przepięć indukowanych powstałych w odległości do kilkuset metrów od miejsca uderzenia pioruna. Dlatego też norma przedmiotowa PN-EN 50539-11 zaleca ochronę instalacji PV specjalnymi ogranicznikami przepięć.
Ograniczniki przepięć typu T1+T2 czy typu T2?
Ogólne zasady stosowania ograniczników przepięć w instalacjach PV można znaleźć w specyfikacji technicznej CLS/TS 50539-12 i normie PN-HD 60364-7-712. Bardzo ważna jest tu wstępna ocena ryzyka wg normy PN-EN 62305 związana z zagrożeniem dla danej instalacji PV. Jeżeli przy projektowaniu systemu ochrony odgromowej zgodnie z tą normą nie udało się zachować właściwych odstępów izolacyjnych pomiędzy instalacją odgromową a instalacją fotowoltaiczną (zwykle powyżej 0,5 m) lub np.: instalacja fotowoltaiczna jest zainstalowana na dachu pokrytym metalową dachówką, należy wówczas stosować ograniczniki przepięć typu T1+T2 wg normy PN-EN 50539-11. Specyfikacja techniczna CLC/TS 50539-12 w Aneksie A zaleca w tym przypadku stosowanie ograniczników z iskiernikiem gazowym. Ponadto wskazuje przewagę technologii połączenia szeregowego iskiernika gazowego i warystora, jak np.: w ogranicznikach przepięć firmy CITEL wykonanych w technologii VG typ DS60VGPV. Przykładowo w tabeli A.2.2. w specyfikacji LCL/TS 50539-12 dla LPL-I (Lightning Protection Level) czyli dla prądów udarowych do 200kA przy 2 zwodach pionowych sugeruje zastosowanie ograniczników o połączeniu szeregowym iskiernika gazowego i warystora na prąd udarowy 10/350µs minimum 10kA na biegun (ograniczniki DS60VGPV firmy CITEL mają Iimp=12,5kA). Konkurencyjne ograniczniki o połączeniu równoległym iskiernika gazowego i warystora muszą wg tabeli A.2.3. dla istniejącej instalacji odgromowej z 2 zwodami wytrzymywać minimum 25kA prądu 10/350µs na biegun lub trzeba zastosować 4 zwody pionowe dla wykonania 12,5kA na biegun. Przy poziomie ochrony LPL-III (100kA) w powyższej tabeli A.2.2 zalecane jest jako minimum ogranicznik przepięć typu T1+T2 o połączeniu szeregowym iskiernika gazowego i warystora na prąd udarowy minimum 5kA (np.: DS50VGPVS-1000G/12KT1 firmy CITEL).
Rys.1 Ogranicznik przepięć typ DS50PVS-1000G/12KT1
W odniesieniu do systemów fotowoltaicznych przy założeniu, że zastosowana instalacja odgromowa dzieli obszar chroniony na kwadraty nie większe niż 20×20 m, tabela A.3 z CLC/TS 50539-12 zaleca dla ochrony w obszarze LPL-III lub IV zastosowanie ograniczników przepięć typu T1+T2 z szeregowym połączeniem iskiernika i warystora o wartości 5kA prądu udarowego 10/350µs na biegun (np.: DS50VGPVS-1000G/10KT1 firmy CITEL) lub 10kA na biegun, gdy połączenie iskiernika i warystora jest równoległe. W ofercie CITEL znajdują się również tańsze ograniczniki przepięć typu T1+T2 na 8 i 10kA na biegun w wykonaniu tylko warystorowym z 2 letnią gwarancją, ale ze względów technicznych i trwałości warystorów zaleca się stosowanie wykonań z iskiernikiem. Przy doborze należy też zwrócić uwagę, że od ok. 12 lat nie ma zgodnie z normami ograniczników przepięć opisanych jako B+C. Aktualna norma podaje jednoznacznie typ T1+T2. Sprzedawane przez niektóre firmy na polskim rynku ograniczniki przepięć o nazwie „B+C” są w większości niezgodne z normami i ich zastosowanie zamiast typu T1+T2 może doprowadzić do uszkodzenia instalacji PV po stronie DC oraz AC, dużych strat oraz wyłączenia odpowiedzialności firmy ubezpieczającej.
Jeżeli system fotowoltaiczny nie jest zabezpieczony instalacją odgromową lub też udało się zachować właściwy odstęp separacyjny pomiędzy instalacją odgromową a systemem PV, to wg zaleceń CLC/TS 50539-12 minimum jakie należy zastosować, to ograniczniki przepięć typu T2 służące do odprowadzania prądów wyładowczych powstałych w wyniku przepięć indukowanych. W przypadku jednak uderzenia pioruna w taką instalację PV, ograniczniki typu T2 najczęściej okażą się niewystarczające. Ograniczniki warystorowe typu T2 dobrze odprowadzają prądy indukowane o kształcie fali 8/20µs. Ich jedyną poważniejszą wadą jest starzenie się pod wpływem tzw.: prądu upływu i prądu roboczego, co w przypadku instalacji na prąd stały jest poważnym problemem. Można temu zapobiec stosując ograniczniki przepięć 3-modułowe w układzie „Y”, gdzie w środkowym module łączącym bieguny„+” i „-” z ziemią zastosowano iskiernik gazowy uniemożliwiający przepływ prądu upływu, jak np.: w ograniczniku DS50PVS-1000G/51 firmy CITEL. Na ograniczniki przepięć w konstrukcji 2 warystory + iskiernik gazowy na wspólnym module firma CITEL udziela 5 lat gwarancji. Konstrukcja 3-modułowa typu „Y” dodatkowo zapobiega uszkodzeniu ogranicznika w przypadku zwarcia powstałego np.: w wyniku uszkodzenia izolacji kabla. Najlepszym i najtrwalszym wykonaniem są ograniczniki 3 modułowe w technologii VG, gdzie w każdym z biegunów zainstalowane są szeregowo iskiernik gazowy i warystor, co zapobiega samoistnemu procesowi starzenia. Na wykonania DS60VGPV w technologii VG producent oferuje 10 letnią gwarancję liczoną od daty produkcji.
Rys.2 Ogranicznik przepięć typ DS60VGPV
Inne ważne parametry
Dobierając ogranicznik do instalacji bierzemy pod uwagę głównie kilka parametrów – przede wszystkim napięcie pracy oraz zapewniany poziom ochrony dla falownika PV i modułów fotowoltaicznych. Napięcie pracy ogranicznika przepięć powinno być o 20-25% wyższe niż napięcie generatora PV (suma zainstalowanych szeregowo paneli) podane przez producenta. Wynika to z faktu, że zgodnie z normami producenci paneli PV podają wytwarzane przez nie napięcie dla temperatury otoczenia +25°C, a w przypadku zimowego słonecznego dnia przy temperaturze otoczenia np.: -22°C te panele PV będą wytwarzały ok. 20% wyższe napięcie. Firma CITEL ma w ofercie ograniczniki przepięć PV na 500, 600, 700, 800, 1000 i 1500V DC, a w przypadku mniejszego napięcia DC również szeroką gamę innych wykonań. Każdy producent modułów PV oraz falowników powinien określić ich wytrzymałość udarową. Dobierając ograniczniki przepięć należy zwrócić uwagę aby poziom ochrony ogranicznika był niższy niż wytrzymałość elementów instalacji fotowoltaicznej na przepięcia, czyli falownika i modułów PV. Na poziom ochrony Up bardzo istotnie wpływa długość przewodu PEN między ogranicznikiem przepięć a szyną uziemiającą – zaleca się stosowanie przewodu miedzianego PEN o przekroju minimum 16 mm² i długości do 50 cm. Norma dopuszcza w przypadku ograniczników typu T2 przewód PEN minimum 6 mm², ale im większy przekrój przewodu PEN, tym lepiej chroni ogranicznik przepięć. Zastosowanie dłuższego przewodu np.: 2 metry zamiast 0,5 metra powoduje podniesienie poziomu ochrony podanego przez producenta dla danego ogranicznika o ok. 2kV, co może spowodować uszkodzenie falownika.
Wytrzymałość ograniczników przepięć PV na zwarcia zwykle nie jest istotnym problemem, gdyż w instalacjach fotowoltaicznych prądy zwarciowe są zwykle zaledwie ok. 10% wyższe od prądów znamionowych. Jedynie przy centralnych, dużych inwerterach, gdy połączonych jest równolegle wiele łańcuchów PV, należy zwrócić uwagę, czy ogranicznik wytrzyma taki prąd.
Ostatnim istotnym tematem jest kwestia usytuowania ogranicznika przepięć – powinien on znajdować się w pobliżu chronionego urządzenia. Jeżeli długość przewodu pomiędzy modułami fotowoltaicznymi a falownikiem DC/AC nie przekracza 10 m, to wg pkt. 9.2.2.4 specyfikacji technicznej CLC/TS 50539-12 wystarczy zainstalować 1 ogranicznik w takim obwodzie, najlepiej w pobliżu falownika, gdyż zwykle jest to urządzenie mniej odporne na przepięcia. Jeżeli natomiast długość kabla jest większa, to przy modułach PV na każdym „łańcuchu PV” instalujemy ogranicznik typu T1+T2 lub T2 w zależności od wymagań oraz zasad podanych powyżej, natomiast drugi ogranicznik w pobliżu falownika. Niektórzy producenci falowników jak np.: firma Fronius w wybranych modelach przygotowują w swoich aparatach miejsce na zamontowanie ograniczników przepięć PV. Trzeba pamiętać, że ograniczniki przepięć posiadają zwykle stopień ochrony IP20, dlatego przy instalacji na zewnątrz ze względu na wilgoć muszą być instalowane w szafkach lub skrzynkach z minimum IP65. Ograniczniki przepięć zawierające warystory należy instalować w chłodnym, zawsze ocienionym miejscu, gdyż wyższa temperatura powoduje ich przyspieszone starzenie.
Po stronie AC falownika zaleca się zainstalowanie ograniczników przepięć AC chroniących przed skutkami wyładowań atmosferycznych. Tutaj również, w zależności od miejsca usytuowania, instalacji odgromowej, rodzaju budynku i zasilania, stosuje się albo ograniczniki typu T1+T2 zgodne z normą PN-EN 61643-11 jak np.: DS134R lub DS134VG (prawie zawsze gdy występuje instalacja odgromowa), alby tylko typu T2 jak np.: DS44 firmy CITEL.
W przypadku instalacji PV podłączonych do sieci komputerowej należy zabezpieczyć przewody komunikacyjne i sterownicze specjalnymi ogranicznikami przepięć wykonanymi wg normy PN-EN 61643-21, np.: typu DLAxx lub DLUxx… firmy CITEL – jest tu bardzo dużo wykonań w zależności od napięcia znamionowego (6, 12, 24V DC itd.), ilości żył, prądu In i rodzaju interfejsu (RS485, RS422, Profibus, LONWork itd).
Rys.3 Ogranicznik przepięć typ DLA2-12D3