Moduły PV i falowniki DC/AC wchodzące w skład instalacji PV są poważnie narażone na zniszczenie w wyniku bezpośredniego uderzenia pioruna w taką instalację lub w jej bezpośrednim otoczeniu, jak też na uszkodzenia w wyniku indukowanych przepięć powstałych przez pobliskie wyładowania atmosferyczne.

Ryzyko jest stosunkowo duże, gdyż w Polsce notujemy statystycznie w ciągu roku ok. 25 dni burzowych i średnio ponad 2 uderzenia piorunów na 1 km². Dlatego do ochrony instalacji PV konstruuje się specjalne ograniczniki przepięć na napięcia od 500 do 1500 V DC. Jeżeli przy projektowaniu ochrony odgromowej zgodnie z normą PN-EN 62305 nie udało się zachować właściwych odstępów izolacyjnych pomiędzy instalacją odgromową a instalacją PV (zwykle powyżej 0,5 m, co wynika z obliczeń) lub np. instalacja fotowoltaiczna jest zainstalowana na dachu pokrytym metalową dachówką, to wówczas należy koniecznie zastosować ograniczniki typu T1+T2 (dawniej zwane B+C). Specyfikacja techniczna CLC/TS 50539-12 w Aneksie A zaleca w tym przypadku stosowanie ograniczników z iskiernikiem gazowym, wskazując przy tym przewagę technologii połączenia szeregowego iskiernika gazowego i warystora, jak np. w ogranicznikach przepięć firmy CITEL wykonanych w technologii VG. Przykładowo w tabeli A.2.2. w tej specyfikacji dla LPL I, czyli dla prądów udarowych do 200 kA przy 2 zwodach pionowych sugeruje zastosowanie ograniczników o połączeniu szeregowym iskiernika gazowego i warystora na prąd udarowy 10/350 μs minimum 10 kA na biegun (ograniczniki DS60VGPV firmy CITEL są na 12,5kA na biegun), podczas gdy ograniczniki o połączeniu równoległym iskiernika gazowego i warystora muszą wg tabeli A.2.3. wytrzymywać minimum 25 kA tego prądu na biegun. Natomiast ograniczniki warystorowe typu T2 (dawniej C) dobrze odprowadzają prądy indukowane o kształcie fali 8/20 μs, ich jedyną poważniejszą wadą jest starzenie się pod wpływem tzw. prądu upływu i prądu roboczego. Taki prąd upływu, początkowo o wartości ok. 1 mA, występuje również w przypadku prądu przemiennego, natomiast w obwodach prądu stałego starzenie się warystora pod wpływem stałego przepływu takiego małego, a jednocześnie szkodliwego prądu upływu jest wielokrotnie większe. Można temu zapobiec, stosując ograniczniki przepięć 3-modułowe o połączeniach typu „Y”, gdzie w środkowym module łączącym „+” i „-” z ziemią zostaje zastosowany iskiernik gazowy uniemożliwiający przepływ prądu upływu, jak np. w ograniczniku DS50PVS-1000G/51 firmy CITEL. Konstrukcja 3-modułowa typu „Y” dodatkowo zapobiega uszkodzeniu ogranicznika w przypadku zwarcia powstałego np. w wyniku uszkodzenia izolacji kabla.
Jeżeli instalacja fotowoltaiczna nie jest zabezpieczona instalacją odgromową lub też udało się zachować właściwe odległości pomiędzy instalacją odgromową a instalacją fotowoltaiczną, to wg zaleceń normy minimum, co należy zastosować, to właśnie ograniczniki przepięć typu T2. W przypadku jednak uderzenia pioruna w taką instalację PV, ograniczniki typu T2 najczęściej okażą się niewystarczające, dlatego właściwsze jest stosowanie zawsze typu T1+T2.
Dobierając ogranicznik do instalacji, bierzemy pod uwagę głównie dwa parametry – napięcie pracy oraz zapewniany poziom ochrony dla falownika PV i modułów fotowoltaicznych. Każdy producent modułów PV oraz falowników powinien określić ich wytrzymałość na przepięcia, względnie podać tzw. napięcie izolacji. Jeżeli brak tych danych, to podpowiedzią może być tabela w pkt. 9.2.2.3 specyfikacji CLC/TS 50539-12. Jeśli zaś chodzi o napięcie pracy ogranicznika przepięć, to powinno być one o 20-25% wyższe, niż wyliczone napięcie w łańcuchu PV. Na poziom ochrony natomiast bardzo istotnie wpływa długość przewodu PEN między ogranicznikiem przepięć a szyną uziemienia – zaleca się stosowanie przewodu miedzianego PEN o przekroju minimum 16 mm² i długości do 50 cm, zastosowanie dłuższego odcinka może być wyłącznie efektem wyliczeń, czy zapewniony przez taki zestaw poziom ochrony będzie właściwy dla danego falownika i modułów PV (np. dodatkowe 100 cm przewodu może pogorszyć poziom ochrony o ponad 1000 V).
Ostatni istotny temat to usytuowanie ogranicznika przepięć – powinien on znajdować się w pobliżu chronionego obiektu. Jeżeli długość przewodu pomiędzy modułami fotowoltaicznymi a falownikiem DC/AC nie przekracza 10 m, to wystarczy zainstalować 1 ogranicznik w takim obwodzie, najlepiej obok falownika, jeżeli natomiast długość kabla jest większa niż 10 m, to przy modułach PV na każdym „łańcuchu PV” instalujemy ogranicznik typu T1+T2 lub T2, w zależności od obliczeń oraz zasad podanych powyżej, natomiast drugi ogranicznik w pobliżu falownika. Generalna zasada wynikająca ze specyfikacji technicznej CLC/TS 50539-12, zawarta w pkt. 6.2, 6.3 i 6.4 jest taka, że ogranicznik przepięć obok falownika ma być tego samego rodzaju, co ogranicznik przy modułach PV. Ponieważ ograniczniki przepięć PV wykonane są zwykle ze stopniem ochrony IP20, dlatego ze względu na wilgoć należy je montować w skrzynkach połączeniowych PV ze stopniem ochrony IP65, jak też wszystkie użyte elementy muszą być dostosowane do odpowiedniego napięcia DC. Na stronie www.jeanmueller.pl w katalogu Zabezpieczenie fotowoltaiki znajduje się kilkadziesiąt schematów takich skrzynek w różnych wersjach: dla 1 do 6 łańcuchów PV, dla zabezpieczenia falowników z jedną, wiema lub trzema parami wyjść, wykonania z rozłącznikami DC lub bez, z podstawami do wkładek 10x38 gPV do 1000 V DC i ogranicznikami przepięć T1+T2 lub T2 od 500 do 1000 V DC. Instalując skrzynki połączeniowe PV zawierające ograniczniki przepięć należy pamiętać, że należy to zrobić w miejscu zawsze zacienionym.
Po stronie AC falownika zaleca się zainstalowanie ograniczników przepięć AC chroniących przed przepięciami lub uderzeniami pioruna. Tutaj też, w zależności od budowy i zabezpieczeń instalacji AC, stosuje się albo ograniczniki typu T1+T2, jak np. DS134 lub DS134VG (prawie zawsze, gdy występuje instalacja odgromowa), albo tylko typu T2 jak np. DS44 firmy CITEL. Dobierając ogranicznik typu T1+T2, należy pamiętać o tym, aby w projekcie został obowiązkowo wpisany prąd udarowy Iimp oraz wskazane jest, aby ogranicznik był wykonany w technologii iskiernikowej – brak takiej informacji powoduje, że później instalatorzy kupują najtańsze ograniczniki warystorowe na prąd udarowy np. 3-4 kA na biegun zamiast np. 12,5 kA (tę właśnie wartość zaleca się jako minimalną w specyfikacji technicznej PKN-CLC/TS 61643-12, gdy nie można wyliczyć, jaki prąd udarowy może pojawić się w instalacji elektrycznej). Z tego to właśnie powodu tysiące instalacji AC w Polsce jest niewłaściwie chronionych przed prądem piorunowym i co roku w wyniku pożarów rozdzielnic oraz uszkodzenia urządzeń elektronicznych powstają straty liczone w milionach zł. Ponadto producenci falowników często zalecają zainstalowanie wyłącznika nadprądowego o charakterystyce B lub C albo rozłącznika na wkładki topikowe gG oraz wyłącznika różnicowoprądowego o prądzie różnicowym 30 lub 100 mA. Firma JEAN MUELLER POLSKA oferuje wiele wykonań skrzynek połączeniowych AC zawierających powyższe elementy. W bardzo małych instalacjach PV, gdy falownik jest umieszczony obok rozdzielnicy głównej i uziemiony do tej samej szyny PEN, co ogranicznik przepięć AC w rozdzielnicy, można zrezygnować z dodatkowego ogranicznika. W przypadku falownika DC/AC podłączonego do komputera należy zabezpieczyć przewody komunikacyjne i sterownicze specjalnymi ogranicznikami przepięć np typu DLA. lub DLU... firmy CITEL – jest tu bardzo dużo wersji w zależności od napięcia (6, 12, 24 V DC itd.), liczby żył, prądów i systemu transmisji danych (RS485, RS422, Profibus, LONWork itd). Warto też pamiętać o zabezpieczeniu specjalnymi ogranicznikami przepięć CITEL kamer monitoringu stosowanych na farmach PV.
Ponieważ bardzo dużo projektów instalacji PV zawiera istotne błędy w zakresie zabezpieczeń przed przepięciami i zwarciami, na stronach www.jeanmueller.pl zostało umieszczonych kilka przykładowych schematów w AUTO-CAD, które czytelnicy „Fachowego Elektryka” mogą pobrać i zaadaptować wg swoich potrzeb.

Zbigniew Błażejewski, Prezes Jean Mueller Polska Sp. z o.o.

---