Zaštita od munje i prenapona za krovne fotonaponske sustave

Trenutno je instalirano mnogo PV sustava. Na temelju činjenice da je vlastito proizvedena električna energija općenito jeftinija i pruža visok stupanj električne neovisnosti od mreže, PV sustavi postat će sastavni dio električnih instalacija u budućnosti. Međutim, ti su sustavi izloženi svim vremenskim uvjetima i moraju ih izdržati desetljećima.

Kabeli PV sustava često ulaze u zgradu i protežu se na velike udaljenosti dok ne dosegnu točku priključka na mrežu.

Pražnjenje groma uzrokuju električne smetnje na terenu i provedene električne smetnje. Ovaj se učinak povećava u odnosu na povećanje duljina kabela ili petlji vodiča. Prenaponski valovi ne oštećuju samo PV module, pretvarače i nadzornu elektroniku, već i uređaje u instalaciji zgrade.

Što je još važnije, proizvodni pogoni industrijskih zgrada također se lako mogu oštetiti i proizvodnja se može zaustaviti.

Ako se prenaponski ubrizgaju u sustave koji su daleko od elektroenergetske mreže, koja se naziva i samostalnim PV sustavima, može doći do poremećaja u radu opreme koja se napaja solarnom električnom energijom (npr. Medicinska oprema, opskrba vodom).

Potreba krovnog sustava za zaštitu od munje

Energija koju oslobađa munja jedan je od najčešćih uzroka požara. Stoga je osobna zaštita i zaštita od požara od iznimne važnosti u slučaju izravnog udara groma u zgradu.

U fazi projektiranja PV sustava vidljivo je je li sustav zaštite od munje instaliran na zgradi. Propisi o gradnji nekih zemalja zahtijevaju da javne zgrade (npr. Mjesta javnog okupljanja, škole i bolnice) budu opremljene sustavom zaštite od munje. U slučaju industrijskih ili privatnih zgrada, o njihovom smještaju, vrsti konstrukcije i iskorištenosti mora li se instalirati sustav zaštite od munje. U tu svrhu mora se utvrditi da li se mogu očekivati ​​udari groma ili bi mogli imati ozbiljne posljedice. Konstrukcije kojima je potrebna zaštita moraju biti osigurane trajno učinkovitim sustavima zaštite od munje.

Prema stanju znanstvenih i tehničkih saznanja, ugradnja PV modula ne povećava rizik od udara groma. Stoga se zahtjev za mjerama zaštite od groma ne može izvesti izravno iz pukog postojanja PV sustava. Međutim, kroz ove sustave u zgradu se mogu ubrizgati značajne smetnje munje.

Stoga je potrebno utvrditi rizik koji proizlazi iz udara groma prema IEC 62305-2 (EN 62305-2) i uzeti u obzir rezultate ove analize rizika prilikom instaliranja PV sustava.

Odjeljak 4.5 (Upravljanje rizikom) Dodatka 5 njemačke norme DIN EN 62305-3 opisuje da sustav zaštite od munje dizajniran za klasu LPS III (LPL III) udovoljava uobičajenim zahtjevima za PV sustave. Uz to, odgovarajuće mjere zaštite od munje navedene su u njemačkoj smjernici VdS 2010 (Zaštita od groma i prenaponske orijentacije), koju je objavilo Njemačko udruženje osiguranja. Ova smjernica također zahtijeva da se LPL III i time sustav gromobranske zaštite prema klasi LPS III ugradi za krovne PV sustave (> 10 kW_p) i da se poduzmu mjere zaštite od prenaponske struje. Općenito, krovni fotonaponski sustavi ne smiju ometati postojeće mjere zaštite od munje.

Potreba prenaponske zaštite za PV sustave

U slučaju pražnjenja groma, induciraju se prenaponski naponi na električnim vodičima. Uređaji za zaštitu od prenaponske zaštite (SPD) koji se moraju instalirati iznad uređaja koji će biti zaštićeni na izmjeničnoj, istosmjernoj i podatkovnoj strani pokazali su se vrlo učinkovitima u zaštiti električnih sustava od ovih destruktivnih vršnih napona. Odjeljak 9.1 norme CENELEC CLC / TS 50539-12 (Principi odabira i primjene - SPD spojeni na fotonaponske instalacije) poziva na ugradnju prenaponskih zaštitnih uređaja, osim ako analiza rizika ne dokaže da SPD nisu potrebni. Prema standardu IEC 60364-4-44 (HD 60364-4-44), prenaponski zaštitni uređaji moraju se ugraditi i u zgrade bez vanjskog sustava zaštite od munje, poput komercijalnih i industrijskih zgrada, npr. Poljoprivrednih objekata. Dodatak 5 njemačke norme DIN EN 62305-3 daje detaljan opis vrsta SPD-a i njihovo mjesto ugradnje.

Usmjeravanje kabela PV sustava

Kablovi moraju biti usmjereni na takav način da se izbjegnu velike petlje vodiča. To se mora poštivati ​​kod kombiniranja istosmjernih krugova u niz i kod međusobnog povezivanja nekoliko žica. Štoviše, podaci ili vodovi senzora ne smiju se preusmjeriti preko nekoliko žica i s vodovima žica tvoriti velike petlje vodiča. To se također mora uzeti u obzir prilikom spajanja pretvarača na mrežni priključak. Iz tog razloga, vodovi napajanja (jednosmjerne i izmjenične struje) i podataka (npr. Senzor zračenja, nadzor prinosa) moraju biti usmjereni zajedno s vodičima za izjednačavanje potencijala duž cijele trase.

Uzemljenje PV sustava

PV moduli su obično pričvršćeni na metalne sustave za ugradnju. Naponske komponente pod naponom na istosmjernoj strani imaju dvostruku ili ojačanu izolaciju (usporedivu s prethodnom zaštitnom izolacijom) kako se zahtijeva u standardu IEC 60364-4-41. Kombinacija brojnih tehnologija na strani modula i pretvarača (npr. S ili bez galvanske izolacije) rezultira različitim zahtjevima za uzemljenjem. Štoviše, sustav za nadzor izolacije integriran u pretvarače trajno je učinkovit samo ako je montažni sustav spojen na zemlju. Informacije o praktičnoj primjeni nalaze se u Dodatku 5 njemačke norme DIN EN 62305-3. Metalna podkonstrukcija funkcionalno je uzemljena ako se PV sustav nalazi u zaštićenom volumenu sustava za završetak zraka i ako se održava udaljenost odvajanja. Odjeljak 7 Dopune 5 zahtijeva bakrene vodiče presjeka najmanje 6 mm² ili ekvivalent za funkcionalno uzemljenje (slika 1). Montažne šine također moraju biti trajno međusobno povezane pomoću vodiča ovog presjeka. Ako je montažni sustav izravno povezan s vanjskim sustavom zaštite od munje zbog činjenice da se razdaljina razdvajanja s ne može održati, ti vodiči postaju dijelom sustava za izjednačavanje potencijala groma. Prema tome, ti elementi moraju biti sposobni nositi struje groma. Minimalni zahtjev za sustav zaštite od munje dizajniran za klasu LPS III je bakreni vodič presjeka 16 mm² ili ekvivalent. Također, u ovom slučaju, montažne šine moraju biti trajno međusobno povezane pomoću vodiča ovog presjeka (slika 2). Funkcionalni vodič za izjednačavanje potencijala uzemljenja / munje trebao bi biti paralelno usmjeren i što bliže istosmjernim i izmjeničnim kabelima / vodovima.

UNI stezaljke za uzemljenje (slika 3) mogu se pričvrstiti na sve uobičajene sustave montaže. Oni spajaju, na primjer, bakrene vodiče presjeka 6 ili 16 mm² i gole uzemljene žice promjera od 8 do 10 mm na sustav montaže na takav način da mogu nositi struje groma. Integrirana kontaktna ploča od nehrđajućeg čelika (V4A) osigurava zaštitu od korozije za aluminijske sustave ugradnje.

Udaljenost razdvajanja s prema IEC 62305-3 (EN 62305-3) Mora se održavati određena udaljenost razdvajanja s između sustava zaštite od munje i fotonaponskog sustava. Definira udaljenost potrebnu za izbjegavanje nekontroliranog bljeska do susjednih metalnih dijelova koji su rezultat udara groma do vanjskog sustava zaštite od munje. U najgorem slučaju, takav nekontrolirani preljev može zapaliti zgradu. U tom slučaju oštećenje PV sustava postaje nevažno.

Sjene jezgre na solarnim ćelijama

Udaljenost između solarnog generatora i vanjskog sustava za zaštitu od munje apsolutno je bitna kako bi se spriječilo prekomjerno zasjenjenje. Difuzne sjene koje bacaju, na primjer, nadzemni vodovi, ne utječu značajno na PV sustav i prinos. Međutim, u slučaju sjene jezgre, tamna, jasno ocrtana sjena baca se na površinu iza objekta, mijenjajući struju koja teče kroz PV module. Iz tog razloga sjene jezgre ne smiju utjecati na solarne ćelije i pridružene zaobilazne diode. To se može postići održavanjem dovoljne udaljenosti. Na primjer, ako šipka za završetak zraka promjera 10 mm zasjeni modul, sjena jezgre se kontinuirano smanjuje kako se povećava udaljenost od modula. Nakon 1.08 m na modul se baca samo difuzna sjena (slika 4). Dodatak A dodatka 5 njemačke norme DIN EN 62305-3 daje detaljnije informacije o izračunu sjene jezgre.

Posebni prenaponski zaštitni uređaji za jednosmjernu stranu fotonaponskih sustava

U / I karakteristike fotonaponskih izvora struje vrlo se razlikuju od karakteristika konvencionalnih istosmjernih izvora: Oni imaju nelinearnu karakteristiku (slika 5) i uzrokuju dugotrajnu postojanost zapaljenih luka. Ova jedinstvena priroda izvora PV struje ne zahtijeva samo veće PV prekidače i PV osigurače, već i rastavljač za prenaponski zaštitni uređaj koji je prilagođen ovoj jedinstvenoj prirodi i sposoban nositi se s PV strujama. Dodatak 5 njemačkog standarda DIN EN 62305-3 (pododjeljak 5.6.1, tablica 1) opisuje odabir prikladnih SPD-ova.

Kako bi se olakšao odabir SPD-ova tipa 1, tablice 1 i 2 prikazuju potrebnu sposobnost nošenja impulsne struje groma I_vragolan ovisno o klasi LPS, određeni broj donjih vodiča vanjskih sustava za zaštitu od munje, kao i tip SPD (odvodnik na osnovi varistora koji ograničava napon ili odvodnik na osnovi svjećica s prekidačem napona). Moraju se koristiti SPD-ovi koji su u skladu s primjenjivim standardom EN 50539-11. Pododjeljak 9.2.2.7 CENELEC CLC / TS 50539-12 također se odnosi na ovaj standard.

Odvodnik istosmjerne struje tipa 1 za upotrebu u PV sustavima:

Multipolni tip 1 + tip 2 kombinirani istosmjerni odvodnik FLP7-PV. Ovaj istosmjerni sklopni uređaj sastoji se od kombiniranog uređaja za iskop i kratki spoj s Thermo Dynamic Control i osiguračem na zaobilaznom putu. Ovaj krug sigurno odvaja odvodnik od napona generatora u slučaju preopterećenja i pouzdano gasi istosmjerne lukove. Dakle, omogućuje zaštitu PV generatora do 1000 A bez dodatnog sigurnosnog osigurača. Ovaj odvodnik kombinira odvodnik munje i odvodnik prenapona u jednom uređaju, čime osigurava učinkovitu zaštitu terminalne opreme. Svojim kapacitetom pražnjenja I_ukupan od 12.5 kA (10/350 μs), može se fleksibilno koristiti za najviše klase LPS-a. FLP7-PV dostupan je za napone U_CPV od 600 V, 1000 V i 1500 V i ima širinu od samo 3 modula. Stoga je FLP7-PV idealan kombinirani odvodnik tipa 1 za upotrebu u fotonaponskim sustavima napajanja.

SPD-ovi tipa 1 na bazi isklopnih sklopki s naponskim prekidačima, na primjer, FLP12,5-PV, još je jedna moćna tehnologija koja omogućuje pražnjenje djelomičnih struja groma u slučaju istosmjernih PV sustava. Zahvaljujući tehnologiji svjećica i istosmjernom krugu za gašenje koji omogućava učinkovitu zaštitu nizvodnih elektroničkih sustava, ova serija odvodnika ima izuzetno visoku sposobnost pražnjenja struje groma I_ukupan od 50 kA (10/350 μs) što je jedinstveno na tržištu.

Odvodnik istosmjerne struje tipa 2 za upotrebu u PV sustavima: SLP40-PV

Pouzdan rad SPD-ova u istosmjernim PV krugovima također je neophodan kada se koriste prenaponski zaštitni uređaji tipa 2. U tu svrhu odvodnici prenaponske struje serije SLP40-PV također imaju Y zaštitni krug otporan na kvarove i također su povezani s PV generatorima do 1000 A bez dodatnog sigurnosnog osigurača.

Brojne tehnologije kombinirane u ovim odvodnicima sprječavaju oštećenja prenaponskog zaštitnog uređaja zbog izolacijskih kvarova u PV krugu, rizika od požara preopterećenog odvodnika i odvodnik dovode u sigurno električno stanje bez ometanja rada PV sustava. Zahvaljujući zaštitnom krugu, karakteristika ograničavanja napona varistora može se u potpunosti koristiti čak i u istosmjernim krugovima PV sustava. Uz to, trajno aktivni uređaj za zaštitu od prenapona smanjuje brojne male naponske vrhove.

Izbor SPD-a prema stupnju naponske zaštite U_p

Radni napon na istosmjernoj strani PV sustava razlikuje se od sustava do sustava. Trenutno su moguće vrijednosti do 1500 V dc. Slijedom toga, dielektrična čvrstoća terminalne opreme također se razlikuje. Kako bi se osiguralo da je PV sustav pouzdano zaštićen, razina naponske zaštite U_p na SPD mora biti niža od dielektrične čvrstoće PV sustava koji bi trebao štititi. Standard CENELEC CLC / TS 50539-12 zahtijeva da je Up najmanje 20% niži od dielektrične čvrstoće PV sustava. SPD tipa 1 ili tipa 2 moraju biti energetski koordinirani s ulazom terminalne opreme. Ako su SPD-ovi već integrirani u terminalnu opremu, koordinaciju između tipa 2 SPD i ulaznog kruga terminalne opreme osigurava proizvođač.

Primjeri:

Zgrada bez vanjskog sustava za zaštitu od munje (situacija A)

Na slici 12. prikazan je koncept zaštite od prenapona za PV sustav instaliran na zgradi bez vanjskog sustava zaštite od munje. Opasni prenaponi ulaze u PV sustav zbog induktivnog spajanja koji proizlaze iz obližnjih udara groma ili putovanja iz sustava napajanja kroz servisni ulaz do potrošačke instalacije. SPD-ovi tipa 2 trebaju se instalirati na sljedećim mjestima:

- jednosmjerna strana modula i pretvarača

- izmjenični izlaz pretvarača

- Glavna niskonaponska razdjelna ploča

- Žičana komunikacijska sučelja

Svaki istosmjerni ulaz (MPP) pretvarača mora biti zaštićen uređajem za zaštitu od prenapona tipa 2, na primjer serijom SLP40-PV, koji pouzdano štiti istosmjernu stranu PV sustava. Standard CENELEC CLC / TS 50539-12 zahtijeva da se na strani modula instalira dodatni odvodnik tipa 2 dc ako udaljenost između ulaza pretvarača i PV generatora prelazi 10 m.

Izlazi izmjenične struje pretvarača dovoljno su zaštićeni ako je udaljenost između PV pretvarača i mjesta ugradnje odvodnika tipa 2 na mjestu priključka na mrežu (dovod niskog napona) manja od 10 m. U slučaju veće duljine kabela, dodatni uređaj za zaštitu od prenaponske zaštite tipa 2, na primjer, serija SLP40-275, mora se instalirati uzvodno od izmjeničnog ulaza pretvarača prema CENELEC CLC / TS 50539-12.

Štoviše, prenaponski zaštitni uređaj tipa 2 SLP40-275 mora se instalirati iznad mjerača dovoda niskog napona. CI (prekid strujnog kruga) označava koordinirani osigurač integriran u zaštitni put odvodnika, omogućavajući odvodniku upotrebu u strujnom krugu bez dodatnog sigurnosnog osigurača. Serija SLP40-275 dostupna je za svaku konfiguraciju niskonaponskog sustava (TN-C, TN-S, TT).

Ako su pretvarači spojeni na podatkovne i senzorske vodove kako bi nadzirali prinos, potrebni su odgovarajući uređaji za zaštitu od prenapona. Serija FLD2 koja sadrži terminale za dva para, na primjer za dolazne i odlazne podatkovne linije, može se koristiti za podatkovne sustave temeljene na RS 485.

Zgrada s vanjskim sustavom zaštite od munje i dovoljnom udaljenostom razdvajanja s (situacija B)

Slika 13 prikazuje koncept prenaponske zaštite za PV sustav s vanjskim sustavom zaštite od munje i dovoljnom udaljenostom razdvajanja s između PV sustava i vanjskog sustava zaštite od munje.

Primarni cilj zaštite je izbjeći oštećenje ljudi i imovine (požar zgrade) koji je posljedica udara groma. U tom je kontekstu važno da PV sustav ne ometa vanjski sustav zaštite od munje. Štoviše, sam PV sustav mora biti zaštićen od izravnih udara groma. To znači da se PV sustav mora instalirati u zaštićeni volumen vanjskog sustava zaštite od munje. Ovaj zaštićeni volumen tvore sustavi za završetak zraka (npr. Šipke za završetak zraka) koji sprečavaju izravne udare groma u PV module i kabele. Metoda zaštitnog kuta (Slika 14) ili metoda valjanja sfere (Slika 15) kako je opisano u odjeljku 5.2.2 standarda IEC 62305-3 (EN 62305-3), može se koristiti za određivanje ovog zaštićenog volumena. Između svih vodljivih dijelova PV sustava i sustava zaštite od munje mora se održavati određena udaljenost razdvajanja s. U tom kontekstu, sjene jezgre moraju se spriječiti, na primjer, održavanjem dovoljne udaljenosti između šipki za završetak zraka i PV modula.

Izjednačavanje potencijala groma sastavni je dio sustava zaštite od groma. Mora se primijeniti za sve vodljive sustave i vodove koji ulaze u zgradu koji mogu nositi struje groma. To se postiže izravnim povezivanjem svih metalnih sustava i neizravnim povezivanjem svih sustava pod naponom preko odvodnika struje groma tipa 1 na sustav za uzemljenje. Izjednačavanje potencijala groma treba provesti što je bliže mjestu ulaska u zgradu kako bi se spriječilo ulazak djelomičnih struja groma u zgradu. Točka spajanja na mrežu mora biti zaštićena višepolnim SPD tipa 1 na bazi svjećica, na primjer kombiniranim odvodnikom tipa 1 FLP25GR. Ovaj odvodnik kombinira odvodnik munje i odvodnik prenapona u jednom uređaju. Ako su duljine kabela između odvodnika i pretvarača manje od 10 m, osigurava se dovoljna zaštita. U slučaju veće duljine kabela, dodatni uređaji za zaštitu od prenaponske zaštite tipa 2 moraju se instalirati uzvodno od izmjeničnog ulaza pretvarača prema CENELEC CLC / TS 50539-12.

Svaki istosmjerni ulaz ulaza pretvarača mora biti zaštićen odvodnikom tipa 2, na primjer, serijom SLP40-PV (slika 16). To se također odnosi na uređaje bez transformatora. Ako su pretvarači spojeni na podatkovne vodove, na primjer za praćenje prinosa, moraju se instalirati uređaji za zaštitu od prenapona koji štite prijenos podataka. U tu svrhu mogu se osigurati serije FLPD2 za vodove s analognim sustavima i sustavima sabirnica podataka kao što je RS485. Otkriva radni napon korisnog signala i podešava razinu naponske zaštite na taj radni napon.

Visokonaponski otporan, izolirani HVI vodič

Druga mogućnost održavanja udaljenosti razdvajanja je upotreba visokonaponski izoliranih HVI vodiča koji omogućuju održavanje udaljenosti razdvajanja s do 0.9 m u zraku. HVI vodiči mogu izravno kontaktirati PV sustav nizvodno od kraja brtvljenja. Detaljnije informacije o primjeni i ugradnji HVI vodiča nalaze se u ovom Vodiču za zaštitu od munje ili u odgovarajućim uputama za instalaciju.

Zgrada s vanjskim sustavom zaštite od munje s nedovoljnim udaljenostima razdvajanja (situacija C)

Ako je krovište izrađeno od metala ili ga formira sam PV sustav, udaljenost razdvajanja s ne može se održati. Metalne komponente PV montažnog sustava moraju biti povezane s vanjskim sustavom zaštite od munje na takav način da mogu nositi struje groma (bakreni vodič presjeka najmanje 16 mm² ili ekvivalent). To znači da se gromovno izjednačavanje potencijala mora provesti i za PV vodove koji ulaze u zgradu izvana (slika 17). Prema Dodatku 5 njemačkog standarda DIN EN 62305-3 i standarda CENELEC CLC / TS 50539-12, istosmjerni vodovi moraju biti zaštićeni SPD tipa 1 za PV sustave.

U tu svrhu koristi se kombinirani odvodnik tipa 1 i tip 2 FLP7-PV. Izjednačavanje potencijala groma također se mora provesti u dovodu niskog napona. Ako su PV pretvarači smješteni više od 10 m od SPD tipa 1 instaliranog na mjestu priključka na mrežu, na izmjeničnoj strani pretvarača mora biti instaliran dodatni SPD tipa 1 (npr. Tip 1 + kombinirani odvodnik tipa 2 FLP25GR). Također se moraju instalirati prikladni uređaji za zaštitu od prenapona kako bi se zaštitili relevantni podatkovni vodovi za nadzor prinosa. Uređaji za zaštitu od prenapona serije FLD2 koriste se za zaštitu podatkovnih sustava, na primjer, na temelju RS 485.

PV sustavi s mikroinverterima

Mikroinverteri zahtijevaju drugačiji koncept zaštite od prenaponske struje. U tu svrhu, istosmjerna linija modula ili par modula izravno je povezana s malim pretvaračem. U tom se postupku moraju izbjegavati nepotrebne petlje vodiča. Induktivno spajanje u tako male jednosmjerne strukture obično ima samo mali energetski potencijal uništenja. Opsežno kabliranje PV sustava s mikroinverterima nalazi se na izmjeničnoj strani (slika 18). Ako je mikroinverter izravno postavljen na modul, prenaponski zaštitni uređaji smiju se instalirati samo na izmjeničnoj strani:

- Zgrade bez vanjskog sustava zaštite od munje = odvodnici tipa 2 SLP40-275 za izmjeničnu / trofaznu struju u neposrednoj blizini mikroinvertera i SLP40-275 na dovodu niskog napona.

- Zgrade s vanjskim sustavom zaštite od munje i dovoljnom udaljenostom razdvajanja s = odvodnici tipa 2, na primjer, SLP40-275, u neposrednoj blizini mikroinvertera i odvodnika struje munje tipa 1 na dovodu niskog napona, na primjer, FLP25GR.

- Zgrade s vanjskim sustavom zaštite od munje i nedovoljnom udaljenostom razdvajanja s = odvodnici tipa 1, na primjer, SLP40-275, u neposrednoj blizini mikroinvertera i odvodnika struje munje tipa 1 FLP25GR na dovodu niskog napona.

Neovisni o određenim proizvođačima, mikroinverteri imaju sustave za nadzor podataka. Ako se podaci preko mikroinvertera moduliraju na izmjenične vodove, na odvojenim prijemnim jedinicama mora biti osiguran prenaponski uređaj (izvoz podataka / obrada podataka). Isto se odnosi na sučeljske veze sa nizvodnim sustavima sabirnica i njihovo napajanje naponom (npr. Ethernet, ISDN).

Solarni sustavi za proizvodnju električne energije sastavni su dio današnjih električnih sustava. Trebali bi biti opremljeni odgovarajućim odvodnicima struje groma i prenapona, čime se osigurava dugotrajan besprijekoran rad ovih izvora električne energije.