Instalacje fotowoltaiczne, ze względu na budowę modułów PV i falowników oraz miejsce ich montażu, są narażone na poważne uszkodzenia w wyniku bezpośredniego wyładowania atmosferycznego, jak też na uszkodzenia w wyniku indukowanych przepięć powstałych w odległości do kilkuset metrów od miejsca uderzenia pioruna. Problem zwarć jest zdecydowanie mniej istotny, to zagadnienie występuje tylko przy większych instalacjach PV, gdy łańcuchy połączone są równolegle.

W wyniku uderzenia pioruna powstają bezpośrednie i pośrednie przepięcia, które mogą być bardzo groźne dla instalacji fotowoltaicznych. Prąd udarowy pioruna może wniknąć do instalacji PV przez uziemienie w przypadku uderzenia w instalację odgromową lub w ziemię w niedalekiej odległości, jak również może się zaindukować w przewodach PV przez pole elektro-magnetyczne lub sprzężenie elektryczne. Do ochrony przed przepięciami służą specjalne ograniczniki przepięć PV, które są dostosowane do napięć znamionowych w zakresie od 500 do 1500V DC. Budowane są i testowane zgodnie z ogólną normą PN-EN 61643- 11 oraz normą dotyczącą ograniczników przepięć dla fotowoltaiki PN-EN 50539-11. Ogólne zasady zastosowania ograniczników przepięć w instalacjach PV można znaleźć w specyfi kacji technicznej CLS/TS 50539-12 i normie PN-HD 60364-7-712. Jeżeli przy projektowaniu systemu ochrony odgromowej zgodnie z normą PN-EN 62305 nie udało się zachować właściwych odstępów izolacyjnych pomiędzy instalacją odgromową a instalacją fotowoltaiczną (w praktyce jest to 0,45-0,9 m, co wynika z obliczeń) lub np.: instalacja fotowoltaiczna jest zainstalowana na dachu pokrytym metalową dachówką, to wówczas zgodnie z normą PN-EN 50539-11 należy zastosować ograniczniki przepięć typu T1+T2. Norma PN-HD 60364-7-712: 2016 w pkt 712.534.102.6 zaleca stosowanie ograniczników typu T1 na prąd udarowy minimum 12,5kA/1 bieg. dla strefy LPL III, chyba że obliczenia lub zasady określone w CLC/TS 50539-12 stanowią inaczej. Specyfi kacja 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 fi rmy CITEL wykonanych w technologii VG. Przykładowo w tabeli A.2.2. w tej specyfi kacji dla LPL I czyli dla prądów udarowych do 200kA przy 2 zwodach pionowych sugeruje zastosowanie ograniczników o połączeniu szeregowym iskiernika gazowego i warystora na prąd udarowy 10/350 μs minimum 10kA na biegun (ograniczniki DS60VGPV fi rmy CITEL mają Iimp=12,5kA). 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. W odniesieniu do farm fotowoltaicznych przy założeniu, że zastosowana instalacja odgromowa dzieli obszar chroniony na kwadraty nie większe niż 20x20 m, tabela A.3 z CLC/TS 50539-12 zaleca dla ochrony w obszarze LPL III 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 fi rmy CITEL) lub 10kA na biegun, gdy połączenie iskiernika i warystora jest równoległe.

 

Zabezpieczenie instalacji PV

Jeżeli system fotowoltaiczny nie jest zabezpieczony instalacją odgromową lub też udało się zachować właściwe odległości pomiędzy instalacją odgromową a systemem PV, to wg zaleceń CLC/TS 50539-12 należy zastosować minimalnie ograniczniki przepięć typu T2 służące do odprowadzania prądów indukowanych. Ograniczniki warystorowe typu T2 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, co w przypadku instalacji na prąd stały jest poważnym problemem. Można temu zapobiec stosując ograniczniki przepięć 3-modułowe o połączeniach typu „Y”, gdzie w każdym biegunie znajduje się szeregowo połączony iskiernik gazowy i warystor (tzw.: technologia VG, na którą CITEL udziela 10 lat gwarancji) lub w środkowym module łączącym bieguny„+” i „-” z PE zostaje zastosowany iskiernik gazowy uniemożliwiający przepływ prądu upływu, jak np.: w ograniczniku fi rmy CITEL typu DS50PVS-1000G/51 z 5 letnią gwarancją. Konstrukcja 3-modułowa typu „Y” dodatkowo zapobiega uszkodzeniu ogranicznika w przypadku zwarcia powstałego np.: w wyniku uszkodzenia izolacji kabla. Ponadto warto pamiętać, że w przypadku ograniczników przepięć PV o budowie 3 modułów warystorowych połączonych w układ „Y”, w środkowym wspólnym module sumują się prądy z obu biegunów. Zatem ogranicznik zbudowany z 3 warystorów na prąd 10kA/1bieg. przy takiej konstrukcji odprowadzi zaledwie 5kA na biegun. Jeżeli natomiast na wspólnym środkowym biegunie znajduje się iskiernik gazowy, to wówczas taki ogranicznik przepięć odprowadzi razem 20kA (Itotal).

Dobór ogranicznika

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 modułów PV w łańcuchu) 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. Przykładowo fi rma CITEL ma w ofercie ograniczniki przepięć PV na 500, 600, 700, 800, 1000 i 1500V DC, a w przypadku mniejszego napięcia również szeroką gamę innych wykonań. Dobierając ograniczniki przepięć należy zwrócić uwagę, aby oferowany poziom ochrony ogranicznika był niższy o minimum 20% niż wytrzymałość elementów instalacji PV w zakresie przepięć.

Montaż ogranicznika

Ostatnim istotnym tematem jest kwestia usytuowania 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 wg pkt. 9.2.2.4 specyfi kacji technicznej CLC/TS 50539-12 wystarczy zainstalować 1 ogranicznik w takim obwodzie, najlepiej obok urządzenia o mniejszej wytrzymałości na przepięcia – najczęściej jest to falownik. Jeżeli natomiast długość kabla jest większa niż 10 m, to przy modułach PV na każdym łańcuchu PV instalujemy ogranicznik przepięć typu T1+T2 lub T2 w zależności od obliczeń oraz zasad podanych powyżej, natomiast drugi ogranicznik w pobliżu falownika. Niektórzy producenci falowników jak np.: Fronius przygotowują w swoich aparatach miejsce na zamontowanie ograniczników przepięć PV. Trzeba pamiętać, że ograniczniki przepięć są wykonane zwykle w kategorii użytkowej IP20, dlatego przy instalacji na zewnątrz ze względu na wilgoć muszą być montowane w szafkach lub skrzynkach z minimum IP65. Ograniczniki przepięć zawierające warystory należy instalować w chłodnym, zawsze ocienionym miejscu.

Ochrona przed zwarciami

Projektując instalację fotowoltaiczną staramy się optymalnie, z punktu widzenia techniki i kosztów, dobrać falowniki i moduły fotowoltaiczne, aby wykorzystać maksymalnie ich moc i zalety. Obecnie produkowane moduły PV mają najczęściej moc 250-330 W, napięcie Uoc=37-40 V DC oraz wytwarzają prąd 8-9 A. Przy zastosowaniu falowników DC/AC o większej mocy łączy się też równolegle łańcuchy, aby osiągnąć większy prąd. Projektując instalację fotowoltaiczną musimy przede wszystkim sprawdzić, jaki prąd znamionowy oraz prąd zwarciowy generują moduły PV oraz jaka jest wytrzymałość tego panelu na prąd zwarcia. Zwykle prąd zwarciowy jest zaledwie ok. 10% wyższy od prądu znamionowego, natomiast wytrzymałość modułu PV na zwarcia to współczynnik o wartości 2,2-2,5 prądu zwarciowego. Oznacza to, że w pojedynczym łańcuchu PV prąd zwarciowy jest tak mały, że nie uszkodzi on modułów PV, dlatego stosowanie tu wkładek topikowych PV jest bezcelowe. Jeżeli mamy do czynienia z panelami o wytrzymałości zwarciowej np.: 2,5-krotnego prądu zwarciowego, to wówczas przy połączeniu więcej niż 2 łańcuchów równolegle należy zastosować zabezpieczenia. Do tego celu służą wkładki topikowe cylindryczne o wymiarach 10x38 mm na prądy od 1 do 30 A i napięciu 600-1000 V DC o charakterystyce gPV wg normy EN-PN 60269-6. Te wkładki topikowe montowane są w specjalnych podstawach rozłączalnych 1 lub 2 biegunowe na napięcie pracy do 1000 V DC. Zwykle wszystkie te podstawy mają kategorię użytkową DC-20B, co oznacza, że nie można ich rozłączać pod obciążeniem. W łańcuchu należy dodatkowo zastosować rozłącznik DC lub też możliwe jest otwarcie podstawy przy wyłączonym falowniku (mamy wtedy dalej napięcie, ale już bez obciążenia). Dobierając wkładki do zabezpieczenia łańcucha PV stosuje się zgodnie z normą PN-HD 60364-7-712:2016 pkt. 43 zasadę, że wartość prądu znamionowego wkładki powinna być powyżej 1,35 prądu zwarciowego modułu PV. Dla najpopularniejszych modułów PV o prądach zwarciowych ok. 9 A najczęściej dobierane są wkładki 12, 13, 15 i 16 A gPV na 1000V DC. Wykonanie wkładek 10x38 gPV na 1000 V DC jest najpopularniejsze, wkładki gPV i gR /gPV na 600, 700 i 900 V DC mogą być trochę droższe, ale za to mają zwykle mniejsze straty mocy. W ofercie znajdują się jeszcze wkładki gPV o wymiarach 14x51 mm do 36 A na 1000 V DC i wkładki 10x85 do 25 A na napięcie do 1500 V DC.
Przy dużych instalacjach fotowoltaicznych, szczególnie w przypadku zastosowania centralnych falowników o dużej mocy, stosuje się drugi stopień zabezpieczenia wkładkami gPV. Firma JEAN MUELLER POLSKA poleca tu wkładki topikowe o wielkości NH1 do 160 A na napięcie 750 i 1000V DC oraz wkładki NH o wydłużonym korpusie na prądy do 450A i napięciu 1100 lub 1500 V DC. Wkładki te należy montować w specjalnych podstawach lub listwach bezpiecznikowych dostosowanych do odpowiedniego napięcia DC.

Zbigniew Błażejewski
JEAN MUELLER POLSKA Sp. z o.o.
Ul. Krótka 4 02-293 Warszawa
Tel. 22 7517901

 

 

---