W przypadku gdy dojdzie do zacienienia jednego z paneli to w tym panelu dochodzi do zwarcia, a co za tym idzie, przepływu prądu zwarciowego Isc. Stanowi on sumę prądów pochodzących z innych łańcuchów paneli PV. Z kolei w przypadku uszkodzenia wewnętrznego falownika niejednokrotnie dochodzi do przepływu prądu zwarciowego, pochodzącego zazwyczaj z głównej sieci zasilającej, do układu paneli PV.

Bezpieczniki w instalacjach fotowoltaicznych

Napięcie na nieobciążonych zaciskach zestawu paneli ma wartość znamionową również podczas niewielkiego nasłonecznienia. Jedynie prąd jest zależny w sposób liniowy od nasłonecznienia promieniami. Stąd też warto zwrócić uwagę na ryzyko porażenia elektrycznego. Odrębne zabezpieczenie stanowi ochrona systemów fotowoltaicznych przed przepięciami, które pochodzą od wyładowań atmosferycznych zarówno pośrednich jak i pośrednich. Rozwiązania tego typu bazują na specjalnych ogranicznikach przepięć.

Wkładki topikowe

Fot. 1. Wkładka bezpiecznikowa. Fot. EATON Fot. 1. Wkładka bezpiecznikowa. Fot. EATON Fot. 2. Wkładka topikowa cylindryczna. Fot. ETI Fot. 2. Wkładka topikowa cylindryczna. Fot. ETI Fot. 3. Rozłącznik bezpiecznikowy, podstawa bezpiecznikowa do wkładek cylindrycznych. Fot. ETI Fot. 2. Rozłącznik bezpiecznikowy, podstawa bezpiecznikowa do wkładek cylindrycznych. Fot. ETI Fot. 4. Rozłącznik bezpieczników, podstawy bezpiecznikowe do wkładek cylindrycznych. Fot. EATON Fot. 2. Rozłącznik bezpieczników, podstawy bezpiecznikowe do wkładek cylindrycznych. Fot. EATON

Specjaliści zwracają uwagę na dwa poziomy zabezpieczeń uzyskane poprzez bezpieczniki topikowe. Stąd też poziom I ma za zadanie wyłączanie prądów zwarciowych DC w obszarze paneli w miejscu położonym możliwie najbliżej paneli fotowoltaicznych. W tym celu zastosować można chociażby specjalnie zaprojektowane i badane bezpieczniki topikowe cylindryczne, które montowane są w rozłączniku. Co zatem zyskuje się stosując poziom I zabezpieczeń? Przede wszystkim istotne jest fizyczne i elektryczne odłączenie każdego pojedynczego panelu. Należy pamiętać aby rozłącznik był zainstalowany zarówno w biegunie „+” jak i „-„ obwodu łańcucha paneli.

Nie mniej ważny jest poziom II zabezpieczeń uzyskany poprzez bezpieczniki topikowe. Poziom ten stanowi ochronę główną instalacji fotowoltaicznej, a zabezpieczenia zazwyczaj instaluje się w pobliżu zacisków wejściowych przekształtnika. Istotną rolę odgrywa elektryczne połączenie z rozłącznikami pierwszego poziomu. Do montażu bezpieczników przeznaczone są podstawy bezpiecznikowe. Należy pamiętać aby bezpiecznik był zainstalowany zarówno na biegunie „+” jak i „-„ przekształtnika. Trzeba sprawdzić czy przekształtnik jest uziemiony. Jeżeli przewidziano uziemienie, to bezpiecznik instaluje się wyłącznie na jednym biegunie.
Wkładki topikowe przeznaczone do ochrony instalacji fotowoltaicznych są w stanie wyłączyć niewielkie uszkodzenia, które mogą być przyczyną awarii paneli fotowoltaicznych. Stąd też w myśl normy IEC 60269-6 bezpieczniki nie przepuszczają prądu od 1,13 x I n. Z kolei do przepalenia dojdzie przy prądzie o wartości przekraczającej 1,45 x I n. Jak już wiadomo jeżeli nastąpi zwarcie w jednym module dochodzi do przepływu prądu z połączonych sąsiednich łańcuchów do łańcucha gdzie nastąpiło zwarcie. Celem wyeliminowania takiego zjawiska zastosowanie znajdują wkładki cylindryczne o napięciu 1000 VDC dla prądu od 2 do 20 A (wkładki 25 A w przypadku 900 VDC). Wytrzymują one warunkowy prąd zwarciowy wynoszący do 30 kA.
Oferowane na rynku wkładki topikowe, które uwzględnia się jako zabezpieczenia główne instalacji fotowoltaicznych mają napięcia znamionowe 750-1100 VDC. Elementy tego typu montuje się w postawach bezpiecznikowych lub rozłącznikach, a więc przekształtnik jest szybko odłączany od instalacji paneli fotowoltaicznych.
Pozostałe wkładki topikowe wraz z odpowiednimi rozłącznikami cechują się napięciem znamionowym 900 V i 1000 V DC. Ważna jest przy tym specjalna charakterystyka czasowo-prądowa t-I podobna do charakterystyki gR bezpieczników, które odpowiadają za zabezpieczanie elementów półprzewodników. Istotne jest przy tym, że znamionowe całki Joule’a przedłukowe i wyłączania mają bardzo niskie wartości. Typowe wkładki topikowe oraz współpracujące z nimi rozłączniki, przeznaczone do ochrony ogniw fotowoltaicznych, projektowane są na napięcie 900 V i 1000 V DC. Istotną rolę odgrywa specjalna charakterystyka czasowo-prądowa t-I zbliżona do charakterystyki gR bezpieczników odpowiedzialnych za zabezpieczanie elementów półprzewodnikowych. Należy podkreślić, że ich znamionowe całki Joule’a przedłukowe i wyłączania cechują bardzo niskie wartości.

Z kolei wkładki topikowe będące zabezpieczeniem głównym instalacji fotowoltaicznej cechuje napięcie znamionowe DC 750- -1100 V. Są one umieszczane w podstawach bezpiecznikowych lub rozłącznikach, dzięki czemu zyskuje się szybkie odłączenie przekształtnika od instalacji paneli fotowoltaicznych a więc całego obwodu prądu stałego.
Odrębne zagadnienie stanowi dobór poszczególnych rodzajów bezpieczników. Najprostsze elementy przeznaczone do montażu bezpieczników topikowych to uchwyty szczękowe, które zapewniają mocowanie wkładek topikowych cylindrycznych gPV o wymiarze 10 x 38 mm na izolowanej powierzchni płaskiej. W określonych aplikacjach elementy tego typu są w stanie zastąpić gniazdo bezpiecznikowe lub rozłącznik bezpiecznikowy. Podłączenie przewodów do uchwytów bazuje na lutowaniu. Wkładki topikowe mogą być instalowane w specjalnych modułowych rozłącznikach jedno- lub dwupolowych. W zależności od modelu wybrać można wkładkę montowaną na szynie 35 mm lub na płycie montażowej. Oprócz tego zastosowanie znajdują rozłączniki na napięcia 1000 VDC (do 20 A) i 900 VDC (dla wkładek 25 A). Przydatne rozwiązanie stanowi wskaźnik zadziałania za pomocą diody LED. Trzeba podkreślić, że w kontekście właściwości prądu stałego o relatywnie dużym napięciu, rozłączników tego typu nie należy załączać i rozłączać w momencie obciążenia. Istotne jest, że wkładek topikowych o innych charakterystykach niż gPV nie można stosować w systemach ochrony paneli fotowoltaicznych.

Bezpieczniki w instalacjach fotowoltaicznych

Wyłączniki kompaktowe

Na rynku oferowane są wyłączniki kompaktowe zaprojektowane z myślą o pracy w instalacjach fotowoltaicznych o prądach przekraczających 63 A. Najmniejsza seria aparatów jest dostępna na wartości prądu znamionowego od 16 A do 125 A. Specjalną serię przewidziano dla zakresów prądowych mieszczących się pomiędzy 125 A a 250 A. Odpowiednie wyłączniki znajdują również zastosowanie w przypadku prądów osiągających do 400 A.
Do wszystkich wyłączników dostępne są akcesoria wewnętrzne takie jak wyzwalacze wzrostowe i podnapięciowe, styki pomocnicze oraz styki pomocnicze zadziałania. Warto również zwrócić uwagę na akcesoria zewnętrzne w postaci napędów obrotowych bezpośrednich oraz drzwiowych, a także napędów silnikowych, osłon końcówek zacisków zarówno w wykonaniu krótkim jak i długim. Oferowane są również elastyczne przegrody separujące.

Rozłączniki izolacyjne

Niejednokrotnie w instalacjach fotowoltaicznych uwzględnia się rozłączniki izolacyjne. Odpowiednie ich wersje znajdują zastosowanie jako główne rozłączniki całej instalacji i są montowane przed wejściem do inwertera. Stąd też zyskuje się możliwość rozłączania obwodu w czasie normalnej pracy oraz w momencie gdy wystąpi zakłócenie. Również i w przypadku rozłączników oferowane są wyzwalacze napięciowe i styki pomocnicze.

Fot. 5. Rozłącznik do instalacji PV. Od lewej: Fot. ETI, Fot. EATON

Ograniczniki przepięć

Fot. 6. Ogranicznik przepięć. Fot. ETI Fot. 6. Ogranicznik przepięć. Fot. ETI

Modułowe ograniczniki przepięć, które zaprojektowano z myślą o pracy w instalacjach fotowoltaicznych, zapewniają ochronę przed przepięciami łączeniowymi pochodzącymi od wyładowań atmosferycznych pośrednich lub bezpośrednich. Ograniczniki tego typu znajdują zastosowanie zarówno w obiektach wyposażonych w instalację odgromową jak i funkcjonujących bez instalacji odgromowych. Typowy ogranicznik cechuje się klasą B+C tym samym spełnia wymogi klas I i II. Maksymalne napięcie pracy ciągłej wynosi 1060 VDC przy poziomie napięcia ochrony nie przekraczającym 2,5 kV. Prąd próbny (10/350) I peak wynosi z kolei 8 kA a prąd maksymalny (8/20) I max osiąga 40 kA przy prądzie próbnym (8/20) In wynoszącym 20 kA. W zakresie parametrów istotną rolę odgrywa dobezpieczenie 125 AgL. Czas odpowiedzi nie przekracza 25 ns.
We wnętrzu ogranicznika zazwyczaj przewiduje się dwa warystory a każdy z nich jest zabezpieczony elementem termicznym w postaci odłącznika. W ogranicznikach można wymienić wkładkę warystorową bez konieczności odłączania podstawy urządzenia. Optyczny wskaźnik stanu wkładki informuje o zużyciu elementu. Przydatne rozwiązanie stanowi możliwość zastosowania opcjonalnego styku pomocniczego a więc informacja o uszkodzeniu może być przekazana do systemu monitoringu.

Damian Żabicki