Ochrana před bleskem a přepětím pro střešní fotovoltaické systémy

V současné době je nainstalováno mnoho FV systémů. Na základě skutečnosti, že vlastní výroba elektřiny je obecně levnější a poskytuje vysoký stupeň elektrické nezávislosti na síti, se FV systémy v budoucnu stanou nedílnou součástí elektrických instalací. Tyto systémy jsou však vystaveny všem povětrnostním podmínkám a musí jim odolávat po celá desetiletí.

Kabely FV systémů často vstupují do budovy a prodlužují se na velké vzdálenosti, dokud nedosáhnou bodu připojení k síti.

Výboje blesku způsobují elektrické rušení založené na poli a vedení. Tento efekt se zvyšuje ve vztahu ke zvětšování délek kabelů nebo smyček vodičů. Nárazy nepoškodí pouze FV panely, střídače a jejich monitorovací elektroniku, ale také zařízení v instalaci budovy.

Ještě důležitější je, že se mohou snadno poškodit výrobní zařízení průmyslových budov a výroba se může zastavit.

Pokud budou do systémů, které jsou daleko od elektrické sítě, což je také označováno jako samostatné FV systémy, vstřikovány rázy, může dojít k narušení provozu zařízení napájených solární elektřinou (např. Lékařská zařízení, zásobování vodou).

Nutnost systému ochrany před bleskem na střeše

Energie uvolněná bleskem je jednou z nejčastějších příčin požáru. Proto má osobní a požární ochrana v případě přímého zásahu blesku do budovy zásadní význam.

Ve fázi návrhu FV systému je zřejmé, zda je v budově instalován systém ochrany před bleskem. Stavební předpisy některých zemí vyžadují, aby veřejné budovy (např. Místa veřejného shromáždění, školy a nemocnice) byly vybaveny systémem ochrany před bleskem. U průmyslových nebo soukromých budov záleží na jejich umístění, typu konstrukce a využití, zda musí být instalován systém ochrany před bleskem. Za tímto účelem je třeba určit, zda lze očekávat údery blesku, nebo zda mohou mít vážné následky. Konstrukce vyžadující ochranu musí být vybaveny trvale účinnými systémy ochrany před bleskem.

Podle stavu vědeckých a technických poznatků instalace FV panelů nezvyšuje riziko úderu blesku. Žádost o opatření na ochranu před bleskem proto nelze odvodit přímo z pouhé existence FV systému. Prostřednictvím těchto systémů však může být do budovy injektováno značné rušení bleskem.

Proto je nutné určit riziko plynoucí z úderu blesku podle IEC 62305-2 (EN 62305-2) a při instalaci FV systému zohlednit výsledky této analýzy rizik.

Oddíl 4.5 (Řízení rizik) dodatku 5 německé normy DIN EN 62305-3 popisuje, že systém ochrany před bleskem navržený pro třídu LPS III (LPL III) splňuje obvyklé požadavky na FV systémy. Přiměřená opatření na ochranu před bleskem jsou navíc uvedena v německé směrnici VdS 2010 (Ochrana před bleskem a přepětím zaměřená na riziko) vydané Německou asociací pojišťoven. Tato směrnice také vyžaduje, aby pro střešní FV systémy (> 10 kW) byla instalována LPL III, a tedy systém ochrany před bleskem podle třídy LPS III_p) a aby byla přijata opatření proti přepětí. Obecně platí, že střešní fotovoltaické systémy nesmí zasahovat do stávajících opatření na ochranu před bleskem.

Nutnost přepěťové ochrany pro FV systémy

V případě výboje blesku jsou na elektrických vodičích indukovány rázy. Přepěťová ochranná zařízení (SPD), která musí být instalována před zařízeními, která mají být chráněna na straně střídavého, stejnosměrného a datového proudu, se ukázala jako velmi účinná při ochraně elektrických systémů před těmito destruktivními napěťovými špičkami. Oddíl 9.1 normy CENELEC CLC / TS 50539-12 (Zásady výběru a použití - SPD připojené k fotovoltaickým zařízením) požaduje instalaci přepěťových ochran, pokud analýza rizik neprokáže, že SPD nejsou požadovány. Podle normy IEC 60364-4-44 (HD 60364-4-44) musí být přepěťová ochranná zařízení instalována také pro budovy bez vnějšího systému ochrany před bleskem, jako jsou komerční a průmyslové budovy, např. Zemědělská zařízení. Dodatek 5 německé normy DIN EN 62305-3 poskytuje podrobný popis typů SPD a jejich místa instalace.

Vedení kabelů FV systémů

Kabely musí být vedeny tak, aby nedocházelo k velkým smyčkám vodičů. To je třeba dodržovat při kombinování stejnosměrných obvodů do řetězce a při propojování několika řetězců. Kromě toho nesmí být datové nebo senzorové vedení vedeno přes několik řetězců a tvořit s vodiči řetězce velké smyčky vodičů. Toto je třeba dodržovat také při připojování střídače k ​​připojení k síti. Z tohoto důvodu musí být silové (stejnosměrné a střídavé) a datové vedení (např. Čidlo záření, monitorování výtěžku) vedeny společně s vodiči pro vyrovnání potenciálů po celé jejich trase.

Uzemnění FV systémů

FV panely jsou obvykle upevněny na kovových montážních systémech. Živé FV komponenty na straně stejnosměrného proudu mají dvojitou nebo zesílenou izolaci (srovnatelnou s předchozí ochrannou izolací), jak to vyžaduje norma IEC 60364-4-41. Kombinace mnoha technologií na straně modulu a střídače (např. S ​​galvanickým oddělením nebo bez) vede k různým požadavkům na uzemnění. Monitorovací systém izolace integrovaný do střídačů je navíc trvale efektivní pouze tehdy, když je montážní systém připojen k zemi. Informace o praktickém provedení jsou uvedeny v dodatku 5 německé normy DIN EN 62305-3. Kovová spodní konstrukce je funkčně uzemněna, pokud je FV systém umístěn v chráněném objemu jímacích systémů a je dodržena separační vzdálenost. Část 7 dodatku 5 vyžaduje měděné vodiče o průřezu nejméně 6 mm² nebo ekvivalent pro funkční uzemnění (obrázek 1). Montážní lišty musí být také trvale propojeny pomocí vodičů tohoto průřezu. Pokud je montážní systém přímo připojen k vnějšímu systému ochrany před bleskem kvůli tomu, že nelze dodržet separační vzdálenosti s, stávají se tyto vodiče součástí systému vyrovnání potenciálů blesku. V důsledku toho musí být tyto prvky schopné přenášet bleskové proudy. Minimálním požadavkem na systém ochrany před bleskem navrženým pro třídu LPS III je měděný vodič o průřezu 16 mm² nebo ekvivalent. Také v tomto případě musí být montážní lišty trvale vzájemně propojeny pomocí vodičů tohoto průřezu (obrázek 2). Funkční vodič uzemnění / bleskového vyrovnání potenciálů by měl být veden paralelně a co nejblíže stejnosměrným a střídavým kabelům / linkám.

Uzemňovací svorky UNI (obrázek 3) lze upevnit na všechny běžné montážní systémy. Spojují například měděné vodiče o průřezu 6 nebo 16 mm² a holé uzemňovací vodiče o průměru od 8 do 10 mm k montážnímu systému takovým způsobem, aby mohly přenášet bleskové proudy. Integrovaná kontaktní deska z nerezové oceli (V4A) zajišťuje antikorozní ochranu hliníkových montážních systémů.

Separační vzdálenost s podle IEC 62305-3 (EN 62305-3) Mezi systémem ochrany před bleskem a FV systémem musí být dodržena určitá separační vzdálenost s. Definuje vzdálenost potřebnou k zabránění nekontrolovaného přeskoku na sousední kovové části v důsledku úderu blesku do vnějšího systému ochrany před bleskem. V nejhorším případě může takový nekontrolovaný přeskok budovu zapálit. V takovém případě je poškození FV systému irelevantní.

Stíny jádra na solárních článcích

Aby se zabránilo nadměrnému zastínění, je vzdálenost mezi solárním generátorem a vnějším systémem ochrany před bleskem naprosto zásadní. Difúzní stíny vrhané například nadzemním vedením významně neovlivňují FV systém a výnos. V případě stínů jádra se však na povrch za objektem vrhá tmavý jasně načrtnutý stín, který mění proud protékající FV panely. Z tohoto důvodu nesmí být solární články a přidružené obtokové diody ovlivňovány stíny jádra. Toho lze dosáhnout udržováním dostatečné vzdálenosti. Například pokud jímací tyč o průměru 10 mm zastíní modul, stín jádra se neustále zmenšuje, jak se zvyšuje vzdálenost od modulu. Po 1.08 m je na modul vržen pouze difúzní stín (obrázek 4). Příloha A dodatku 5 německé normy DIN EN 62305-3 poskytuje podrobnější informace o výpočtu stínů jádra.

Speciální přepěťová ochrana pro stejnosměrný proud na straně fotovoltaických systémů

U / I charakteristiky fotovoltaických proudových zdrojů se velmi liší od konvenčních stejnosměrných zdrojů: Mají nelineární charakteristiku (obrázek 5) a způsobují dlouhodobou perzistenci zapálených oblouků. Tato jedinečná povaha zdrojů FV proudu nevyžaduje pouze větší FV spínače a FV pojistky, ale také odpojovač přepěťové ochrany, který je přizpůsoben této jedinečné povaze a je schopen zvládat FV proudy. Dodatek 5 německé normy DIN EN 62305-3 (pododdíl 5.6.1, tabulka 1) popisuje výběr vhodných SPD.

Aby se usnadnil výběr SPD typu 1, tabulky 1 a 2 ukazují požadovanou schopnost přenášet bleskový proud I_skřítek v závislosti na třídě LPS, řadě svodičů vnějších systémů ochrany před bleskem a typu SPD (svodič omezující napětí s varistorem nebo svodič jiskřiště s přepínáním napětí). Musí být použity SPD, které splňují příslušnou normu EN 50539-11. Na tuto normu se odkazuje také pododdíl 9.2.2.7 CENELEC CLC / TS 50539-12.

Svodič stejnosměrného proudu typu 1 pro použití v FV systémech:

Vícepólový kombinovaný svodič stejnosměrného proudu 1 + typ 2 FLP7-PV. Toto stejnosměrné spínací zařízení se skládá z kombinovaného odpojovacího a zkratovacího zařízení s Thermo Dynamic Control a pojistkou v obtokové cestě. Tento obvod bezpečně odpojí svodič od napětí generátoru v případě přetížení a spolehlivě uhasí stejnosměrné oblouky. Umožňuje tedy ochranu FV generátorů až do 1000 A bez další záložní pojistky. Tento svodič kombinuje svodič bleskových proudů a svodič přepětí v jednom zařízení, čímž zajišťuje účinnou ochranu koncových zařízení. Se svou vypouštěcí kapacitou I_celkem 12.5 kA (10/350 μs), lze jej flexibilně použít pro nejvyšší třídy LPS. FLP7-PV je k dispozici pro napětí U_CPV 600 V, 1000 1500 V a 3 7 V a má šířku pouze 1 moduly. Proto je FLPXNUMX-PV ideálním kombinovaným svodičem typu XNUMX pro použití ve fotovoltaických systémech napájení.

Přepěťové jiskřiště založené na SPD typu 1, například FLP12,5-PV, je další výkonná technologie, která umožňuje vybíjení dílčích bleskových proudů v případě stejnosměrných FV systémů. Díky technologii jiskřiště a stejnosměrnému extinkčnímu obvodu, který umožňuje účinně chránit následné elektronické systémy, má tato řada svodičů extrémně vysokou kapacitu výboje bleskového proudu I_celkem 50 kA (10/350 μs), což je na trhu jedinečné.

Svodič stejnosměrného proudu typu 2 pro použití v FV systémech: SLP40-PV

Spolehlivý provoz SPD ve stejnosměrných FV obvodech je rovněž nezbytný při použití přepěťových ochran typu 2. Za tímto účelem mají svodiče přepětí řady SLP40-PV také ochranný obvod Y odolný proti poruše a jsou také připojeny k FV generátorům do 1000 A bez další záložní pojistky.

Četné technologie kombinované v těchto svodičích zabraňují poškození svodiče přepětí v důsledku poruch izolace ve FV obvodu, riziku požáru přetíženého svodiče a uvádějí svodič do bezpečného elektrického stavu bez narušení činnosti FV systému. Díky ochrannému obvodu lze charakteristiku omezující napětí varistorů plně využít i v stejnosměrných obvodech FV systémů. Trvale aktivní přepěťová ochrana navíc minimalizuje četné malé napěťové špičky.

Výběr SPD podle úrovně ochrany napětí U_p

Provozní napětí na stejnosměrné straně na straně FV systémů se liší od systému k systému. V současné době jsou možné hodnoty až do 1500 V ss. V důsledku toho se také liší dielektrická pevnost koncového zařízení. Aby byla zajištěna spolehlivá ochrana FV systému, musí být úroveň ochrany napětí U_p na SPD musí být nižší než dielektrická pevnost FV systému, který má chránit. Norma CENELEC CLC / TS 50539-12 vyžaduje, aby Up byla nejméně o 20% nižší než dielektrická pevnost FV systému. SPD typu 1 nebo 2 musí být energeticky koordinovány se vstupem koncového zařízení. Pokud jsou SPD již integrovány do koncového zařízení, zajišťuje koordinaci mezi SPD typu 2 a vstupním obvodem koncového zařízení výrobce.

Příklady použití:

Budova bez vnějšího systému ochrany před bleskem (situace A)

Obrázek 12 ukazuje koncepci přepěťové ochrany pro FV systém instalovaný v budově bez vnějšího systému ochrany před bleskem. Nebezpečná rázy vstupují do FV systému v důsledku indukční vazby způsobené blízkými údery blesku nebo cestami ze systému napájení skrz servisní vstup do instalace spotřebitele. SPD typu 2 se instalují na následujících místech:

- stejnosměrná strana modulů a střídačů

- střídavý výstup střídače

- Hlavní rozvaděč nízkého napětí

- Drátová komunikační rozhraní

Každý stejnosměrný vstup (MPP) střídače musí být chráněn přepěťovou ochranou typu 2, například řadou SLP40-PV, která spolehlivě chrání stejnosměrný proud na straně FV systémů. Norma CENELEC CLC / TS 50539-12 vyžaduje, aby byl na straně modulu instalován další svodič stejnosměrného proudu typu 2, pokud vzdálenost mezi vstupem střídače a FV generátorem přesahuje 10 m.

Střídavé výstupy střídačů jsou dostatečně chráněny, pokud je vzdálenost mezi FV střídači a místem instalace svodiče typu 2 v místě připojení k síti (nízkonapěťový přívod) menší než 10 m. V případě větších délek kabelů musí být před střídačem na vstupu střídače nainstalováno další přepěťové ochranné zařízení typu 2, například řada SLP40-275, podle CENELEC CLC / TS 50539-12.

Kromě toho musí být před měřičem nízkonapěťového napájení instalováno přepěťové ochranné zařízení řady 2 SLP40-275. CI (Circuit Interruption) znamená koordinovanou pojistku integrovanou do ochranné cesty svodiče, což umožňuje použití svodiče v obvodu střídavého proudu bez další záložní pojistky. Řada SLP40-275 je k dispozici pro každou konfiguraci nízkonapěťového systému (TN-C, TN-S, TT).

Pokud jsou měniče připojeny k datovým a senzorovým linkám za účelem monitorování výtěžku, jsou nutná vhodná přepěťová ochranná zařízení. Řadu FLD2, která obsahuje svorky pro dva páry, například pro příchozí a odchozí datové linky, lze použít pro datové systémy založené na RS 485.

Budova s ​​vnějším systémem ochrany před bleskem a dostatečnou separační vzdáleností s (situace B)

Obrázek 13 ukazuje koncepci přepěťové ochrany pro FV systém s externím systémem ochrany před bleskem a dostatečnou separační vzdálenost s mezi FV systémem a externím systémem ochrany před bleskem.

Cílem primární ochrany je zabránit škodám na osobách a majetku (požár budovy) v důsledku úderu blesku. V této souvislosti je důležité, aby FV systém nezasahoval do vnějšího systému ochrany před bleskem. Samotný FV systém musí být navíc chráněn před přímými údery blesku. To znamená, že FV systém musí být instalován v chráněném objemu externího systému ochrany před bleskem. Tento chráněný prostor tvoří jímací systémy (např. Jímací tyče), které zabraňují přímému úderu blesku do FV panelů a kabelů. Metoda ochranného úhlu (Obrázek 14) nebo metoda válcování koulí (Obrázek 15) jak je popsáno v pododdíle 5.2.2 normy IEC 62305-3 (EN 62305-3), lze použít ke stanovení tohoto chráněného svazku. Mezi všemi vodivými částmi FV systému a systémem ochrany před bleskem musí být dodržena určitá vzdálenost s. V této souvislosti je třeba zabránit stínům jádra například udržováním dostatečné vzdálenosti mezi jímacími tyčemi a FV modulem.

Bleskové vyrovnání potenciálů je nedílnou součástí systému ochrany před bleskem. Musí být implementováno pro všechny vodivé systémy a vedení vstupující do budovy, které mohou vést bleskové proudy. Toho je dosaženo přímým připojením všech kovových systémů a nepřímým připojením všech napájených systémů přes svodiče bleskových proudů typu 1 k uzemňovacímu systému. Bleskové vyrovnání potenciálů by mělo být provedeno co nejblíže vstupnímu bodu do budovy, aby se zabránilo vstupu částečných bleskových proudů do budovy. Bod připojení sítě musí být chráněn vícepólovým SPD typu 1 na bázi jiskřiště, například kombinovaným svodičem typu 1 FLP25GR. Tento svodič kombinuje svodič bleskových proudů a svodič přepětí v jednom zařízení. Pokud jsou délky kabelu mezi svodičem a střídačem menší než 10 m, je zajištěna dostatečná ochrana. V případě větších délek kabelů musí být před střídačem na vstupu střídače instalovány další přepěťové ochrany typu 2 podle CENELEC CLC / TS 50539-12.

Každý dc vstup střídače musí být chráněn svodičem PV typu 2, například řadou SLP40-PV (obrázek 16). To platí také pro zařízení bez transformátorů. Pokud jsou střídače připojeny k datovým linkám, například za účelem sledování výtěžku, musí být k ochraně přenosu dat nainstalována přepěťová ochrana. Za tímto účelem lze pro linky se systémy analogových signálů a datových sběrnic, jako je RS2, poskytnout řadu FLPD485. Detekuje provozní napětí užitečného signálu a přizpůsobuje úroveň ochrany napětí tomuto provoznímu napětí.

Izolovaný vodič HVI odolný proti vysokému napětí

Další možností udržení separačních vzdáleností je použití izolačních vodičů HVI odolných proti vysokému napětí, které umožňují udržovat ve vzduchu separační vzdálenost s až 0.9 m. Vodiče HVI mohou přímo kontaktovat FV systém za koncovým rozsahem těsnění. Podrobnější informace o aplikaci a instalaci vodičů HVI jsou uvedeny v této příručce ochrany před bleskem nebo v příslušných pokynech k instalaci.

Budova s ​​vnějším systémem ochrany před bleskem s nedostatečnými separačními vzdálenostmi (situace C)

Pokud je střešní krytina vyrobena z kovu nebo je tvořena samotným FV systémem, nelze dodržet separační vzdálenost s. Kovové součásti FV systému musí být připojeny k vnějšímu systému ochrany před bleskem tak, aby mohly přenášet bleskové proudy (měděný vodič o průřezu nejméně 16 mm² nebo ekvivalent). To znamená, že bleskové vyrovnání potenciálů musí být provedeno také pro FV vedení vstupující do budovy zvenčí (obrázek 17). Podle dodatku 5 německé normy DIN EN 62305-3 a normy CENELEC CLC / TS 50539-12 musí být stejnosměrné vedení chráněno SPD typu 1 pro FV systémy.

Za tímto účelem se používá kombinovaný svodič typu 1 a typu 2 FLP7-PV. Rovněž musí být v přívodu nízkého napětí implementováno vyrovnání potenciálů bleskem. Pokud jsou FV střídače umístěny více než 10 m od SPD typu 1 instalovaného v místě připojení k síti, musí být na AC straně střídače (střídačů) nainstalován další SPD typu 1 (např. + kombinovaný svodič typu 1 FLP2GR). K ochraně příslušných datových vedení pro monitorování výtěžku musí být rovněž nainstalována vhodná přepěťová ochrana. Přepěťová ochrana řady FLD25 se používají k ochraně datových systémů, například na základě RS 2.

FV systémy s mikroinvertory

Mikroinvertory vyžadují odlišnou koncepci přepěťové ochrany. Za tímto účelem je stejnosměrné vedení modulu nebo dvojice modulů přímo spojeno s malým měničem. V tomto procesu je třeba zabránit zbytečným smyčkám vodičů. Induktivní vazba do tak malých stejnosměrných struktur má obvykle jen nízký potenciál energetické destrukce. Rozsáhlá kabeláž FV systému s mikroinvertory je umístěna na straně střídavého proudu (Obrázek 18). Pokud je mikroinvertor namontován přímo na modulu, smí být přepěťová ochranná zařízení instalována pouze na straně střídavého proudu:

- Budovy bez externího systému ochrany před bleskem = svodiče typu 2 SLP40-275 pro střídavý / třífázový proud v těsné blízkosti mikroinvertorů a SLP40-275 při nízkonapěťovém přívodu.

- Budovy s externím systémem ochrany před bleskem a dostatečnou separační vzdáleností s = svodiče typu 2, například SLP40-275, v těsné blízkosti mikroinvertorů a svodičů bleskových proudů typu 1 při nízkonapěťovém napájení, například FLP25GR.

- Budovy s externím systémem ochrany před bleskem a nedostatečnou separační vzdáleností s = svodiče typu 1, například SLP40-275, v těsné blízkosti mikroinvertorů a svodičů bleskových proudů typu 1 FLP25GR při nízkonapěťovém napájení.

Nezávisle na konkrétních výrobcích mají mikroinvertory systémy pro monitorování dat. Pokud jsou data modulována na střídavé vedení pomocí mikroinvertorů, musí být na samostatných přijímacích jednotkách zajištěno přepěťové ochranné zařízení (export / zpracování dat). Totéž platí pro připojení rozhraní s následnými systémy sběrnice a jejich napájecím napětím (např. Ethernet, ISDN).

Solární systémy na výrobu energie jsou nedílnou součástí dnešních elektrických systémů. Měly by být vybaveny dostatečným bleskovým proudem a svodiči přepětí, což zajistí dlouhodobý bezchybný provoz těchto zdrojů elektřiny.