Lyn- og overspændingsbeskyttelse til solcelleanlæg på taget

På nuværende tidspunkt er der installeret mange solcelleanlæg. Baseret på det faktum, at selvgenereret elektricitet generelt er billigere og giver en høj grad af elektrisk uafhængighed af nettet, vil solcelleanlæg blive en integreret del af elektriske installationer i fremtiden. Disse systemer er imidlertid udsat for alle vejrforhold og skal kunne modstå dem i årtier.

Kablerne fra solcelleanlæg kommer ofte ind i bygningen og strækker sig over lange afstande, indtil de når netforbindelsespunktet.

Lynafladninger forårsager feltbaseret og ledet elektrisk interferens. Denne effekt øges i forhold til stigende kabellængder eller lederløkker. Overspændinger beskadiger ikke kun PV-moduler, invertere og deres overvågningselektronik, men også enheder i bygningsinstallationen.

Vigtigere er det, at produktionsfaciliteter i industribygninger også let kan blive beskadiget, og produktionen kan stoppe.

Hvis overspændinger injiceres i systemer, der ligger langt fra elnettet, hvilket også kaldes stand-alone solcelleanlæg, kan driften af ​​udstyr drevet af solenergi (f.eks. Medicinsk udstyr, vandforsyning) blive afbrudt.

Nødvendigheden af ​​et lynbeskyttelsessystem på taget

Den energi, der frigøres ved lynafladning, er en af ​​de hyppigste årsager til branden. Derfor er personlig beskyttelse og brandbeskyttelse af altafgørende betydning i tilfælde af direkte lynnedslag til bygningen.

På designfasen af ​​et solcelleanlæg er det tydeligt, om der er installeret et lynbeskyttelsessystem på en bygning. I nogle landes byggeforskrifter kræves det, at offentlige bygninger (f.eks. Offentlige forsamlingssteder, skoler og hospitaler) skal være udstyret med et lynbeskyttelsessystem. I tilfælde af industrielle eller private bygninger afhænger det af deres placering, konstruktionstype og anvendelse, om der skal installeres et lynbeskyttelsessystem. Til dette formål skal det afgøres, om der kan forventes lynnedslag eller kan have alvorlige konsekvenser. Strukturer med behov for beskyttelse skal forsynes med permanent effektive lynbeskyttelsessystemer.

Ifølge tilstanden med videnskabelig og teknisk viden øger installationen af ​​solcellemoduler ikke risikoen for et lynnedslag. Derfor kan anmodningen om lynbeskyttelsesforanstaltninger ikke stammer direkte fra det blotte eksistens af et solcelleanlæg. Imidlertid kan væsentlig lyninterferens injiceres i bygningen gennem disse systemer.

Derfor er det nødvendigt at bestemme risikoen som følge af et lynnedslag i henhold til IEC 62305-2 (EN 62305-2) og tage resultaterne af denne risikoanalyse i betragtning, når PV-systemet installeres.

Afsnit 4.5 (Risikostyring) i tillæg 5 i den tyske DIN EN 62305-3-standard beskriver, at et lynbeskyttelsessystem designet til klassen LPS III (LPL III) opfylder de sædvanlige krav til solcelleanlæg. Derudover er passende lynbeskyttelsesforanstaltninger anført i den tyske VdS 2010-retningslinje (risikorienteret lyn- og overspændingsbeskyttelse) offentliggjort af den tyske forsikringsforening. Denne retningslinje kræver også, at LPL III og dermed et lynbeskyttelsessystem i henhold til klassen af ​​LPS III installeres til solcelleanlæg på taget (> 10 kW_p) og at der træffes overspændingsbeskyttelsesforanstaltninger. Som hovedregel må solcelleanlæg på taget ikke forstyrre de eksisterende lynbeskyttelsesforanstaltninger.

Nødvendigheden af ​​overspændingsbeskyttelse til solcelleanlæg

I tilfælde af lynafladning induceres overspændinger på elektriske ledere. Overspændingsbeskyttelsesanordninger (SPD'er), der skal installeres opstrøms for de enheder, der skal beskyttes på vekselstrøms-, jævn- og datasiden, har vist sig at være meget effektive til at beskytte elektriske systemer mod disse destruktive spændingstoppe. Afsnit 9.1 i CENELEC CLC / TS 50539-12-standarden (udvælgelses- og anvendelsesprincipper - SPD'er tilsluttet solcelleanlæg) kræver installation af overspændingsbeskyttelsesanordninger, medmindre en risikoanalyse viser, at SPD'er ikke er påkrævet. I henhold til IEC 60364-4-44 (HD 60364-4-44) -standarden skal overspændingsbeskyttelsesanordninger også installeres til bygninger uden eksternt lynbeskyttelsessystem såsom kommercielle og industrielle bygninger, f.eks. Landbrugsanlæg. Supplement 5 til den tyske DIN EN 62305-3-standard giver en detaljeret beskrivelse af typerne af SPD'er og deres installationssted.

Kabelføring af solcelleanlæg

Kabler skal føres på en sådan måde, at store lederløkker undgås. Dette skal overholdes, når DC-kredsløbene kombineres for at danne en streng, og når flere strenge forbindes sammen. Desuden må data- eller sensorlinjer ikke føres over flere strenge og danne store lederløkker med strenglinjerne. Dette skal også overholdes, når inverteren tilsluttes netforbindelsen. Af denne grund skal strømmen (jævnstrøm og vekselstrøm) og datalinjerne (f.eks. Strålesensor, udbytteovervågning) føres sammen med de potentialudligningsledere langs hele deres rute.

Jording af solcelleanlæg

PV-moduler er typisk fastgjort til metalmonteringssystemer. De levende PV-komponenter på jævnstrømsiden har dobbelt eller forstærket isolering (sammenlignelig med den tidligere beskyttende isolering) som krævet i IEC 60364-4-41-standarden. Kombinationen af ​​adskillige teknologier på modul- og inverter-siden (f.eks. Med eller uden galvanisk isolering) resulterer i forskellige jordforbindelse. Desuden er isoleringsovervågningssystemet integreret i omformerne kun permanent effektivt, hvis monteringssystemet er tilsluttet jorden. Oplysninger om den praktiske implementering findes i tillæg 5 til den tyske DIN EN 62305-3-standard. Metallunderstrukturen er jordforbundet, hvis solcelleanlægget er placeret i det beskyttede volumen af ​​luftafslutningssystemerne, og separationsafstanden opretholdes. Afsnit 7 i tillæg 5 kræver kobberledere med et tværsnit på mindst 6 mm² eller tilsvarende til funktionel jordforbindelse (figur 1). Monteringsskinnerne skal også forbindes permanent ved hjælp af ledere med dette tværsnit. Hvis monteringssystemet er direkte forbundet med det eksterne lynbeskyttelsessystem på grund af det faktum, at separationsafstanden ikke kan opretholdes, bliver disse ledere en del af lynets potentialudligningsbinding. Derfor skal disse elementer være i stand til at bære lynstrømme. Minimumskravet til et lynbeskyttelsessystem designet til en klasse af LPS III er en kobberleder med et tværsnit på 16 mm² eller tilsvarende. I dette tilfælde skal monteringsskinnerne også forbindes permanent ved hjælp af ledere med dette tværsnit (figur 2). Den funktionelle jordforbindelse / lyn potentialudligningsledning skal føres parallelt og så tæt på jævnstrøms- og vekselstrømskablerne.

UNI-jordklemmer (figur 3) kan fastgøres på alle almindelige monteringssystemer. De forbinder for eksempel kobberledere med et tværsnit på 6 eller 16 mm² og bare jordledninger med en diameter fra 8 til 10 mm til monteringssystemet på en sådan måde, at de kan bære lynstrømme. Den integrerede kontaktplade i rustfrit stål (V4A) sikrer korrosionsbeskyttelse af aluminiums monteringssystemer.

Separationsafstand s i henhold til IEC 62305-3 (EN 62305-3) En vis adskillelsesafstand s skal opretholdes mellem et lynbeskyttelsessystem og et PV-system. Den definerer den nødvendige afstand for at undgå ukontrolleret overgang til tilstødende metaldele som følge af et lynnedslag til det eksterne lynbeskyttelsessystem. I værste fald kan en sådan ukontrolleret flashover sætte en bygning i brand. I dette tilfælde bliver beskadigelse af solcelleanlægget irrelevant.

Kerneskygger på solceller

Afstanden mellem solgeneratoren og det eksterne lynbeskyttelsessystem er absolut nødvendigt for at forhindre overdreven skygge. Diffuse skygger, der er kastet af f.eks. Luftledninger, påvirker ikke væsentligt solcelleanlægget og udbyttet. I tilfælde af kerneskygger kastes der imidlertid en mørk tydelig skitseret skygge på overfladen bag et objekt, der ændrer strømmen, der strømmer gennem PV-modulerne. Af denne grund må solceller og de tilknyttede bypass-dioder ikke påvirkes af kerneskygger. Dette kan opnås ved at opretholde en tilstrækkelig afstand. For eksempel, hvis en luftafslutningsstang med en diameter på 10 mm skygger et modul, reduceres kerneskyggen støt, når afstanden fra modulet øges. Efter 1.08 m er der kun en diffus skygge på modulet (figur 4). Bilag A til supplement 5 til den tyske DIN EN 62305-3-standard giver mere detaljerede oplysninger om beregning af kerneskygger.

Specielle overspændingsbeskyttelsesanordninger til jævnstrømmen en side af solcelleanlæg

U / I-egenskaberne ved solcellestrømskilder er meget forskellige fra konventionelle jævnstrømskilder: De har en ikke-lineær karakteristik (figur 5) og forårsager langvarig vedholdenhed af antændte buer. Denne unikke natur af PV-strømkilder kræver ikke kun større PV-switches og PV-sikringer, men også en afbryder til den overspændingsbeskyttende enhed, der er tilpasset denne unikke natur og i stand til at klare PV-strømme. Supplement 5 til den tyske DIN EN 62305-3-standard (underafsnit 5.6.1, tabel 1) beskriver valget af passende SPD'er.

For at lette valget af type 1 SPD'er viser tabel 1 og 2 den krævede lynimpulsstrømbærende kapacitet I_imp afhængigt af klassen af ​​LPS, et antal nedledere til de eksterne lynbeskyttelsessystemer såvel som SPD-typen (spændingsbegrænsende varistorbaseret afleder eller spændingsomskiftende gnistgap-baseret afleder). SPD'er, der overholder den gældende EN 50539-11-standard, skal anvendes. Underafsnit 9.2.2.7 i CENELEC CLC / TS 50539-12 henviser også til denne standard.

Type 1 DC-afleder til brug i solcelleanlæg:

Multipol type 1 + type 2 kombineret jævnstrømsaflæser FLP7-PV. Denne jævnstrømskoblingsenhed består af en kombineret frakoblings- og kortslutningsanordning med Thermo Dynamic Control og en sikring i bypass-stien. Dette kredsløb afbryder sikkert aflederen fra generatorspændingen i tilfælde af overbelastning og slukker pålideligt DC-buer. Således tillader det at beskytte PV-generatorer op til 1000 A uden en ekstra sikkerhedssikring. Denne arrester kombinerer en lynstrømafbryder og en overspændingsafbryder i en enkelt enhed, hvilket sikrer effektiv beskyttelse af terminaludstyr. Med sin udledningskapacitet I_alt på 12.5 kA (10/350 μs), kan den anvendes fleksibelt til de højeste klasser af LPS. FLP7-PV fås til spændinger U_CPV på 600 V, 1000 V og 1500 V og har en bredde på kun 3 moduler. Derfor er FLP7-PV den ideelle kombinerede type 1-afleder til brug i solcelleanlæg.

Spændingsomskiftende gnistgab-baserede type 1 SPD'er, for eksempel FLP12,5-PV, er en anden kraftfuld teknologi, der tillader afladning af delvise lynstrømme i tilfælde af jævnstrøms-PV-systemer. Takket være gnistgapsteknologien og et jævnstrømsudryddelseskredsløb, der gør det muligt effektivt at beskytte nedstrøms elektroniske systemer, har denne arrester-serie en ekstremt høj lynstrømudladningskapacitet_alt på 50 kA (10/350 μs), hvilket er unikt på markedet.

Type 2 DC-afleder til brug i solcelleanlæg: SLP40-PV

Pålidelig drift af SPD'er i jævnstrømskredsløb er også uundværlig, når du bruger type 2 overspændingsbeskyttelsesanordninger. Til dette formål har SLP40-PV-serien overspændingsafledere også et fejlbestandigt Y-beskyttelseskredsløb og er også tilsluttet til PV-generatorer op til 1000 A uden en ekstra sikkerhedssikring.

De mange teknologier, der er kombineret i disse afskærmere, forhindrer beskadigelse af det overspændingsbeskyttende udstyr på grund af isoleringsfejl i solcelleskredsløbet, risikoen for brand af en overbelastet afleder og sætter aflederen i en sikker elektrisk tilstand uden at forstyrre driften af ​​solcelleanlægget. Takket være beskyttelseskredsløbet kan spændingsbegrænsende karakteristik af varistorer udnyttes fuldt ud, selv i jævnstrømskredsløbene til solcelleanlæg. Derudover minimerer den permanent aktive overspændingsbeskyttelsesanordning adskillige små spændingstoppe.

Valg af SPD'er i henhold til spændingsbeskyttelsesniveauet U_p

Driftsspændingen på jævnstrømssiden af ​​solcelleanlæg adskiller sig fra system til system. På nuværende tidspunkt er værdier op til 1500 V jævnstrøm mulige. Derfor er den dielektriske styrke af terminaludstyr også forskellig. For at sikre, at solcelleanlægget er beskyttet pålideligt, skal spændingsbeskyttelsesniveauet U_p til SPD skal være lavere end den dielektriske styrke af det PV-system, det skal beskytte. CENELEC CLC / TS 50539-12-standarden kræver, at Up er mindst 20% lavere end PV-anlæggets dielektriske styrke. Type 1 eller type 2 SPD'er skal være energikoordineret med input af terminaludstyr. Hvis SPD'er allerede er integreret i terminaludstyr, sikres producenten koordination mellem SPD type 2 og terminaludstyrets indgangskredsløb.

Applikation eksempler:

Bygning uden eksternt lynbeskyttelsessystem (situation A)

Figur 12 viser overspændingsbeskyttelseskonceptet for et solcelleanlæg installeret på en bygning uden eksternt lynbeskyttelsessystem. Farlige overspændinger kommer ind i solcelleanlægget på grund af induktiv kobling som følge af lynnedslag i nærheden eller rejser fra strømforsyningssystemet gennem serviceindgangen til forbrugerens installation. Type 2 SPD'er skal installeres på følgende steder:

- DC-siden af ​​modulerne og omformerne

- AC-udgang fra inverteren

- Vigtigste lavspændingsfordelingskort

- Kabelforbundne kommunikationsgrænseflader

Hvert DC-input (MPP) på inverteren skal beskyttes af en type 2 overspændingsbeskyttelsesanordning, for eksempel SLP40-PV-serien, der pålideligt beskytter DC på siden af ​​PV-systemer. CENELEC CLC / TS 50539-12-standarden kræver, at der installeres en ekstra type 2 dc-afleder på modulets side, hvis afstanden mellem inverterinput og PV-generator overstiger 10 m.

Vekselretterens vekselstrømsudgange er tilstrækkelig beskyttet, hvis afstanden mellem solcelleanlæggene og installationsstedet for type 2-aflederen ved netforbindelsespunktet (lavspændingstilførsel) er mindre end 10 m. I tilfælde af større kabellængder skal der installeres en ekstra overspændingsbeskyttelsesanordning type 2, f.eks. SLP40-275-serien, opstrøms for vekselstrømsomformerens indgang i henhold til CENELEC CLC / TS 50539-12.

Desuden skal en overspændingsbeskyttelsesanordning af type 2 SLP40-275-serien installeres opstrøms for måleren til lavspændingsindføringen. CI (Circuit Interruption) står for en koordineret sikring integreret i afskærmningsbeskyttelsesvejen, så aflederen kan bruges i vekselstrømskredsløbet uden en ekstra sikkerhedssikring. SLP40-275-serien fås til alle lavspændingssystemkonfigurationer (TN-C, TN-S, TT).

Hvis omformere er tilsluttet data- og sensorledninger for at overvåge udbyttet, kræves egnede overspændingsbeskyttelsesanordninger. FLD2-serien, der har terminaler til to par, f.eks. Til indgående og udgående datalinjer, kan bruges til datasystemer baseret på RS 485.

Bygning med eksternt lynbeskyttelsessystem og tilstrækkelig separationsafstand s (situation B)

Figur 13 viser overspændingsbeskyttelseskonceptet for et solcelleanlæg med eksternt lynbeskyttelsessystem og tilstrækkelig adskillelsesafstand s mellem solcelleanlægget og det eksterne lynbeskyttelsessystem.

Det primære beskyttelsesmål er at undgå skader på personer og ejendom (byggebrand) som følge af et lynnedslag. I denne sammenhæng er det vigtigt, at solcelleanlægget ikke forstyrrer det eksterne lynbeskyttelsessystem. Desuden skal selve solcelleanlægget beskyttes mod direkte lynnedslag. Dette betyder, at solcelleanlægget skal installeres i det beskyttede volumen på det eksterne lynbeskyttelsessystem. Dette beskyttede volumen er dannet af luftafslutningssystemer (f.eks. Luftafslutningsstænger), som forhindrer direkte lynnedslag i solcellemoduler og kabler. Metoden til beskyttelsesvinkel (Figur 14) eller rullende kugle metode (Figur 15) som beskrevet i afsnit 5.2.2 i IEC 62305-3 (EN 62305-3) -standarden kan bruges til at bestemme dette beskyttede volumen. En vis adskillelsesafstand s skal opretholdes mellem alle ledende dele af solcelleanlægget og lynbeskyttelsessystemet. I denne sammenhæng skal kerneskygger forhindres ved f.eks. At opretholde en tilstrækkelig afstand mellem luftafslutningsstængerne og PV-modulet.

Lyn-potentialudligning er en integreret del af et lynbeskyttelsessystem. Det skal implementeres for alle ledende systemer og linjer, der kommer ind i bygningen, og som kan have lynstrømme. Dette opnås ved direkte tilslutning af alle metalsystemer og indirekte tilslutning af alle strømforsynede systemer via type 1 lynstrømsafledere til jordafslutningssystemet. Lyn-potentialudligning skal implementeres så tæt som muligt på indgangsstedet i bygningen for at forhindre, at delvise strømme kommer ind i bygningen. Netforbindelsespunktet skal beskyttes af en multipol gnistgab-baseret type 1 SPD, for eksempel en type 1 FLP25GR kombineret afleder. Denne arrester kombinerer en lynstrømafbryder og en overspændingsafbryder i en enkelt enhed. Hvis kabellængderne mellem aflederen og inverteren er mindre end 10 m, tilvejebringes tilstrækkelig beskyttelse. I tilfælde af større kabellængder skal der installeres yderligere overspændingsbeskyttelsesanordninger type 2 opstrøms for vekselstrømsomformerens indgang i henhold til CENELEC CLC / TS 50539-12.

Hver jævnstrøm skal omformerens indgang beskyttes af en type 2 PV-afleder, for eksempel SLP40-PV-serien (Figur 16). Dette gælder også for transformerløse enheder. Hvis omformerne er tilsluttet datalinjer, for eksempel for at overvåge udbyttet, skal der installeres overspændingsbeskyttelsesanordninger for at beskytte datatransmission. Til dette formål kan FLPD2-serien tilvejebringes til linjer med analoge signal- og databussystemer såsom RS485. Den registrerer driftsspændingen for det nyttige signal og justerer spændingsbeskyttelsesniveauet til denne driftsspænding.

Højspændingsbestandig, isoleret HVI-leder

En anden mulighed for at opretholde separationsafstandene er at anvende højspændingsresistente, isolerede HVI-ledere, der gør det muligt at opretholde en separationsafstand s op til 0.9 m i luft. HVI-ledere kan komme direkte i kontakt med solcelleanlægget nedstrøms området for tætningsenden. Mere detaljeret information om anvendelse og installation af HVI-ledere findes i denne lynbeskyttelsesvejledning eller i den relevante installationsvejledning.

Bygning med eksternt lynbeskyttelsessystem med utilstrækkelige separationsafstande (situation C)

Hvis tagdækningen er lavet af metal eller er dannet af selve solcelleanlægget, kan separationsafstanden s ikke opretholdes. PV-monteringssystemets metalkomponenter skal tilsluttes det eksterne lynbeskyttelsessystem på en sådan måde, at de kan bære lynstrømme (kobberleder med et tværsnit på mindst 16 mm² eller tilsvarende). Dette betyder, at lyn-potentialudligning også skal implementeres for PV-ledninger, der kommer ind i bygningen udefra (figur 17). I henhold til supplement 5 til den tyske DIN EN 62305-3-standard og CENELEC CLC / TS 50539-12-standarden skal jævnstrømsledninger beskyttes af en type 1 SPD til solcelleanlæg.

Til dette formål anvendes en type 1 og type 2 FLP7-PV kombineret afleder. Lyn-potentialudligning skal også implementeres i lavspændingsindføringen. Hvis PV-inverteren (rne) er (er) placeret mere end 10 m fra den type 1 SPD, der er installeret på nettilslutningspunktet, skal der installeres en ekstra type 1 SPD på vekselretterens AC-side (f.eks. Type 1) + type 2 FLP25GR kombineret afleder). Egnede overspændingsbeskyttelsesanordninger skal også installeres for at beskytte de relevante datalinjer til udbytteovervågning. FLD2-seriens overspændingsbeskyttelsesanordninger bruges til at beskytte datasystemer, for eksempel baseret på RS 485.

Solcelleanlæg med mikroomformere

Microinverters kræver et andet overspændingsbeskyttelseskoncept. Til dette formål er dc-linjen i et modul eller et par moduler direkte forbundet til den lille inverter. I denne proces skal unødvendige lederløkker undgås. Induktiv kobling til sådanne små DC-strukturer har typisk kun et lavt energetisk ødelæggelsespotentiale. Den omfattende kabler til et PV-system med mikroomformere er placeret på vekselstrømsiden (Figur 18). Hvis mikroinverteren er monteret direkte på modulet, må overspændingsbeskyttelsesanordninger kun installeres på vekselstrømsiden:

- Bygninger uden eksternt lynbeskyttelsessystem = type 2 SLP40-275 afbrydere til vekselstrøm / trefasestrøm i nærheden af ​​mikroomformerne og SLP40-275 ved lavspændingsindføring.

- Bygninger med eksternt lynbeskyttelsessystem og tilstrækkelig separationsafstand s = type 2-afskærmere, for eksempel SLP40-275, i nærheden af ​​mikroomformere og lynstrømbærende type 1-afledere ved lavspændingsindføring, for eksempel FLP25GR.

- Bygninger med eksternt lynbeskyttelsessystem og utilstrækkelig separationsafstand s = type 1-afskærmere, for eksempel SLP40-275, i nærheden af ​​mikroomformere og lynstrømbærende type 1 FLP25GR-afskærmere ved lavspændingsindføring.

Uafhængigt af bestemte producenter har mikroomformere dataovervågningssystemer. Hvis data moduleres til vekselstrømsledningerne via mikroomformerne, skal der findes en overspændingsbeskyttelsesanordning på de separate modtagelsesenheder (dataeksport / databehandling). Det samme gælder for interface-forbindelser med downstream-bussystemer og deres spændingsforsyning (f.eks. Ethernet, ISDN).

Solcelleanlæg er en integreret del af nutidens elektriske systemer. De skal være udstyret med tilstrækkelig lyn- og overspændingsafledere, hvilket sikrer en langvarig fejlfri drift af disse elektricitetskilder.