Ochrona przeciwprzepięciowa w systemach fotowoltaicznych

Instalacje fotowoltaiczne (PV) to najczęściej kompleksowe i kosztowne projekty, których okres eksploatacji zaprojektowany jest na kilkadziesiąt lat. Wielu producentów paneli fotowoltaicznych gwarantuje ich żywotność na okres 20 lat lub dłużej. Przez ten czas cała instalacja powinna pracować bez usterek. Dlatego, już od początku, należy uwzględnić w projektowaniu i wykonawstwie koncepcję bezpieczeństwa, chroniącą przed zakłóceniami zewnętrznymi, w szczególności przed skutkami uderzeń piorunów. Aby zapewnić oczekiwaną żywotność i uniknąć nieprzewidzianych strat produkcji lub wysokich kosztów napraw nie należy godzić się na kompromisy kosztem bezpieczeństwa.

Należy rozważyć następujące czynniki:

1. Instalacje fotowoltaiczne mają zazwyczaj eksponowane położenie i mogą zajmować duże powierzchnie.
2. Im większa jest powierzchnia, tym bardziej wzrasta zagrożenie, że skutki uderzenia pioruna spowodują bezpośrednie albo pośrednie przepięcia, które mogą uszkodzić panele fotowoltaiczne i falowniki.
3. Jeżeli instalacja fotowoltaiczna jest zlokalizowana w obszarze przemysłowym albo na budynku przemysłowym należy ocenić, jakie zakłócenia w instalacji PV mogą spowodować procesy załączania.
4. Jeżeli instalacja fotowoltaiczna położona jest w strefie przechodzenia burz należy bezwzględnie zastosować środki ochronne. Burze przechodzą najczęściej przez tę samą strefę. Jeżeli w budynek uderzył już kiedyś piorun, wówczas należy uznać, że istnieje duże prawdopodobieństwo, że dojdzie do tego ponownie w ciągu 8 lat albo, że uderzenie nastąpi w pobliżu.

Dobór ograniczników przepięć PV

Obecnie na rynku mamy 3 rodzaje modułów PV: polikrystaliczne, monokrystaliczne i cienkowarstwowe. Najpopularniejsze są moduły polikrystaliczne, na drugim miejscu są lepsze technicznie, ale droższe monokrystaliczne – wg aktualnych ocen ekspertów te 2 typy stanowią dziewięćdziesiąt kilka procent rynku i dlatego w niniejszych informacjach technicznych podawane są zalecenia dla tych dwóch wykonań.

Pojedyncze moduły fotowoltaiczne wytwarzają prąd stały o wartości najczęściej 7-8A przy stosunkowo niewielkim napięciu rzędu 35-40V DC, dając w efekcie moc ok. 250W, chociaż na rynku są już wykonania o mocy ponad 300W. Łącząc je szeregowo w tzw. łańcuch PV podnosimy napięcie do wartości kilkuset woltów DC, a czasem nawet więcej, gdyż na rynku są dostępne falowniki PV do 1200 czy nawet 1500V DC. Dla falowników PV o większych mocach łączymy także równolegle łańcuchy i wówczas mamy większe prądy DC – należy pamiętać o stosowaniu wtedy zabezpieczeń wkładkami topikowymi gPV, o czym można się dowiedzieć w dalszej części tego katalogu. Każdy producent modułów PV (norma IEC 61730-2) i falowników PV (norma EN 62109-1) powinien podać wytrzymałość swoich urządzeń na przepięcia, ale zakładając zgodność tych urządzeń z normami możemy się pomocniczo posłużyć tabelą z pkt. 9.2.2.3 specyfikacji technicznej CLC/TS 50539-12 w wersji z roku 2013, która podaje, że urządzenia te pracujące przy napięciu Uoc do 600V DC powinny wytrzymywać przepięcia do 4000V, a dla wartości napięcia pracy 1000V DC nawet 6000V.

Do ochrony instalacji PV konstruuje się specjalne ograniczniki przepięć, zwykle są one dostosowane do napięć znamionowych w zakresie od 500 do 1500V DC, najczęściej są to wykonania na 500, 600, 800 i 1000V DC. Przy właściwym montażu i ich uziemieniu w zależności od napięcia pracy zapewniają one zwykle poziom ochrony na poziomie 2-3,6kV. Do uziemienia ograniczników przepięć należy stosować przewód miedziany PEN o przekroju 16 mm². Normy zalecają dla uziemienia ograniczników typu 1+2 minimum 16mm², a typu 2 – minimum 6 mm², jednak dla zapewniania jak najlepszej ochrony firma CITEL zaleca stosować zawsze 16 mm2. Żeby ogranicznik przepięć zapewniał deklarowany poziom ochrony, suma długości przewodów od przewodu fazowego do ogranicznika i przewodu PEN od ogranicznika do szyny uziemienia nie może przekraczać 50 cm. Jeżeli zastosujemy połączenie przewodu fazowego typu V z ogranicznikiem przepięć tzn. przewód wchodzi i wychodzi z 1 zacisku SPD, to wówczas dla takiego typu połączenia przyjmujemy wartość 0 cm i wówczas przewód PEN może mieć do 50 cm długości. Jeżeli istnieje konieczność zastosowania dłuższego przewodu PEN, to wówczas należy wyliczyć, jak taka długość i przekrój przewodu wpłynie na poziom ochrony.

Bardzo ważny jest właściwy dobór ogranicznika do napięcia DC występującego w sieci fotowoltaicznej. Należy pamiętać, że wytwarzane napięcie przez panele fotowoltaiczne, które jest podawane w dokumentacji technicznej, zwykle odnosi się do temperatury +25°C, w przypadku pracy w zimie należy zastosować odpowiednie współczynniki korekcyjne, gdyż przy temperaturze – 20°C napięcie może być o ok. 20% wyższe.

Tabela. Wzrost napięcia w związku z temperaturami niższymi od 25°C

Przy doborze właściwego napięcia pracy ogranicznika przepięć PV zaleca się, aby był od 10-20% wyższy od maksymalnego napięcia, jakie może się pojawić w instalacji PV, biorąc pod uwagę temperaturę pracy.

Prąd pracy instalacji PV dla ogranicznika przepięć PV jest zwykle mniej istotny, ale należy tu zwrócić uwagę na sytuację, gdy łączymy równolegle wiele łańcuchów PV. Zwykle prąd pracy i potencjalny prąd zwarciowy z 1 łańcucha wynosi poniżej 10A, większość ograniczników przepięć PV firmy CITEL może pracować do 1000A, ale są wyjątki np. 70A.

Przy doborze ograniczników przepięć PV typu 1+2 pod względem wytrzymałości na prąd udarowy możemy np. korzystać z aneksu
A do specyfikacji technicznej CLC/TS 50539-12:2013. W punkcie A.2.2 i A.2.3 wskazane jest, że w przypadku instalacji z 2 zwodami pionowymi dla strefy I LPL dla prądu udarowego 200kA (10/350 us) należy zastosować ograniczniki przepięć o wartości minimum Iimp na biegun:

a) gdy element ucinający i ograniczający są połączone szeregowo (tzn. iskiernik gazowy i warystor, jak w technologii VG firmy CITEL) – to minimum 10kA (10/350 us) na biegun,

b) gdy element ucinający i ograniczający są połączone równolegle –to 25kA (10/350 us) na biegun.

Ograniczniki przepięć DS60VGPV o szeregowym połączeniu iskierników gazowych i warystorów w technologii VG zapewniają I_imp = 12,5kA na biegun, a więc zapewniają optymalną ochronę dla takich systemów fotowoltaicznych.

W przypadku, gdy przy projektowaniu nie udało się zachować właściwych odstępów pomiędzy instalacją odgromową, a instalacją fotowoltaiczną (zwykle powyżej 0,5 m, co wynika z wyliczeń) lub np. instalacja fotowoltaiczna jest zainstalowana na dachu pokrytym metalową dachówką, to wówczas należy koniecznie zastosować ograniczniki typu 1+2 np. DS60VGPV firmy CITEL, jak też należy połączyć celem wyrównania potencjałów elementy zewnętrznej instalacji odgromowej z konstrukcją nośną i ramami instalacji PV.

W instalacji domowej należy wówczas także po stronie AC falownika PV zastosować ograniczniki na prąd zmienny typu 1+2. Należy pamiętać przy tym, że zgodnie ze specyfikacją techniczną CLC/TS 61643-12 pkt. 6.2.1.3, jeżeli nie można wyliczyć, jaki prąd udarowy I_imp pojawi się w instalacji elektrycznej, to należy zastosować ogranicznik przepięć na prąd udarowy minimum 12,5kA I_imp na biegun.

Jeżeli zostały zachowane właściwe odległości między instalacją odgromową, a fotowoltaiczną, to możemy wówczas po stronie DC zastosować ograniczniki przepięć typu 2, czyli DS50… Podobnie w sytuacji, gdy nie ma instalacji odgromowej, możemy zastosować jako minimum ogranicznik przepięć typu 2.

Jeżeli w budynku jest instalacja odgromowa, to zawsze w rozdzielnicy głównej AC musimy zastosować ogranicznik przepięć typu 1+2.

Trwałość i gwarancja

Przy doborze ograniczników przepięć do ochrony fotowoltaiki występuje jeszcze kilka zagadnień, o których warto wspomnieć. Ograniczniki przepięć typu 1+2 dla fotowoltaiki powinny być zbudowane na bazie iskierników gazowych, ponieważ ta technologia umożliwia dużo lepsze odprowadzanie prądów udarowych niż same warystory.

Ponadto zastosowanie iskierników gazowych lub technologii VG, które przy napięciu znamionowym pracy sieci mają bardzo dużą impedancję, zapobiega płynięciu prądu upływu oraz prądu roboczego, które pojawiają się w ogranicznikach przepięć zbudowanych na bazie warystorów. W przypadku SPD typu 2 zbudowanych na bazie warystorów występuje przepływ początkowo małego, ale z czasem coraz większego prądu upływu pomiędzy biegunami dodatnim oraz ujemnym, a ziemią. Ten prąd początkowo ma małą wartość np. w ogranicznikach CITEL 1mA, z czasem staje się coraz większy i po latach może doprowadzić do uszkodzenia warystora na skutek procesu starzenia się. Proces ten przyśpiesza zwykle wysoka temperatura i wilgotność, dlatego nie należy instalować skrzynek z ogranicznikami przepięć w miejscach wystawionych bezpośrednio na działanie promieni słonecznych. Taki prąd występuje również w przypadku prądu przemiennego, ale w obwodach prądu stałego jego szkodliwe oddziaływanie na warystor jest wielokrotnie większe. Można temu zapobiec stosując ograniczniki przepięć 3-modułowe o połączeniach typu „Y”, gdzie w środkowym wspólnym module zostaje zastosowany iskiernik gazowy uniemożliwiający przepływ prądu upływu, jak np. w ograniczniku typu DS50PVS-1000G/51 firmy CITEL. Ograniczniki przepięć firmy CITEL wykonane w technologii VG, zarówno typu 1+2 jak i 2, są wolne zarówno od prądu upływu, prądu roboczego jak i prądu następczego. Ich dalsze zalety to krótki czas zadziałania – poniżej 25 ns oraz gwarancja 10 lat liczona od daty produkcji. W przypadku ograniczników dla fotowoltaiki o połączeniach typu „Y” ze wspólnym iskiernikiem gazowym firma CITEL udziela 5 lat gwarancji liczonej od daty sprzedaży, natomiast na SPD wykonane wyłącznie w technologii warystorowej gwarancja wynosi tylko 2 lata.

Budowa instalacji fotowoltaicznej i odgromowej nie jest tematem niniejszego opracowania, ale ponieważ niewłaściwie wykonana instalacja odgromowa lub fotowoltaiczna może sprzyjać pojawianiu się groźnych przepięć, dlatego chcielibyśmy wskazać na kilka istotnych zagadnień.

Jeżeli wykonujemy instalację fotowoltaiczną na dachu, to zgodnie z wymogami aktualnych przepisów każdy obiekt budowlany, w tym również obiekty z systemami PV umieszczonymi na dachu, należy chronić przed skutkami wyładowań atmosferycznych bezpośrednich i pobliskich, jeżeli ryzyko wystąpienia szkód piorunowych, wyznaczone zgodnie z zaleceniami normy PN-EN 62305-2 (norma dotycząca zarządzania ryzykiem przy ochronie odgromowej) jest większe niż ryzyko tolerowane. W takim przypadku zagrożony obiekt budowlany, a więc i zainstalowane na nim systemy PV, chroni się przed bezpośrednim uderzeniem pioruna za pomocą układu zwodów (LPS) tworzących strefę ochronną o takich rozmiarach, aby całość urządzeń zamontowanych na dachu mieściła się wewnątrz tej strefy. Zgodnie ze specyfikacją techniczną CLC/TS 50539-12 zwody pionowe powinny mieć przekrój minimum 50 mm² miedzi lub ekwiwalent tej wartości, przewody mogące odprowadzać prąd udarowy minimum 16 mm² miedzi lub ekwiwalent, natomiast przewody pomocnicze stosowane do ekwipotencjalizacji muszą mieć minimum 6 mm² miedzi lub ekwiwalent.

Układając przewody instalacji fotowoltaicznej, zarówno wewnątrz w domu jak i na zewnątrz, należy unikać tworzenia pętli indukcyjnych, gdyż w przeciwnym razie mogą się zaindukować znaczne przepięcia. Norma PN-EN 62305-4 zaleca prowadzenie kabli możliwie jak najbliżej elementów metalowych sieci połączeń wyrównawczych oraz ograniczania powstawania pętli indukcyjnych.

Na poniższym rysunku pokazano niewłaściwe trasowanie linii, co powoduje powstawanie pętli indukcyjnej.

Nieprawidłowo

Rozłożenie przewodów powoduje powstanie pętli indukcyjnej o dużej powierzchnii

Przewody powinny zostać prawidłowo ułożone w sposób wskazany na poniższym rysunku.

Prawidłowo

Właściwe ułożenie przewodów

Ochrona odgromowa

Budowa instalacji fotowoltaicznej i odgromowej nie jest tematem niniejszego opracowania, ale ponieważ niewłaściwie wykonana instalacja odgromowa lub fotowoltaiczna może sprzyjać pojawianiu się groźnych przepięć, dlatego chcielibyśmy wskazać na kilka istotnych zagadnień.

Zachowanie odległości między instalacjami oznacza praktycznie, że nie mogą się one bezpośrednio krzyżować – jeżeli jest to konieczne, to należy np. przeprowadzić instalację odgromową na wspornikach. Na zdjęciu nr 1 widać niewłaściwie wykonaną instalację, gdzie mamy zarówno krzyżowanie się przewodów instalacji odgromowej i fotowoltaicznej, jak też poprowadzenie równolegle obu przewodów w niewielkiej od siebie odległości, gdzie pole elektromagnetyczne powstałe wokół przewodów instalacji odgromowej w przypadku uderzenia pioruna i odprowadzania prądu udarowego do ziemi musi zaindukować znaczne przepięcie w instalacji fotowoltaicznej.

Zdjęcie nr 1. Niewłaściwe ułożenie instalacji PV i odgromowej na dachu

Jak optymalnie rozwiązać ten problem pokazują 2 następne zdjęcia.

W przypadku konieczności skrzyżowania instalacji fotowoltaicznej i odgromowej ta ostatnia może być poprowadzona na pewnej wysokości, co pokazano na zdjęciu nr 2. Dodatkowo instalacja fotowoltaiczna jest ekranowana przez zamknięte metalowe korytko kablowe, które ogranicza powstawanie przepięć indukowanych.

Na kolejnym zdjęciu nr 3 pokazano instalację fotowoltaiczną poprowadzoną na pewnej wysokości względem leżącej instalacji odgromowej.

Zdjęcie nr 2. Prawidłowe skrzyżowanie instalacji PV i odgromowej na dachu

Zdjęcie nr 3. Prawidłowe ułożenie równoległe instalacji PV i odgromowej na dachu

Zasady instalacji ograniczników przepięć

Istotnym zagadnieniem jest miejsce usytuowania ogranicznika przepięć – powinien on znajdować się w pobliżu chronionego obiektu – w przypadku instalacji PV są to moduły fotowoltaiczne oraz falownik. Jeżeli długość przewodu pomiędzy modułami fotowoltaicznymi a falownikiem DC/AC nie przekracza 10 m, to wystarczy zainstalować 1 ogranicznik w danym łańcuchu (jak najbliżej falownika), jeżeli natomiast długość kabla jest większa, to przy modułach instalujemy ogranicznik typu 1+2 lub 2 w zależności od wyliczeń oraz drugi ogranicznik tego samego typu w pobliżu falownika PV.

Ochrona falownika DC/AC

Pac – ogranicznik przepięć AC
Pdc – ogranicznik przepięć DC
DDR – wyłącznik różnicowoprądowy
D – rozłącznik bezpiecznikowy lub wyłącznik nadprądowy
S – rozłącznik DC
C – przyłącze PV