Perlindungan petir dan lonjakan arus untuk sistem fotovoltaik atap

Saat ini, banyak sistem PV dipasang. Berdasarkan fakta bahwa listrik yang dihasilkan sendiri umumnya lebih murah dan memberikan tingkat kemandirian listrik yang tinggi dari jaringan, sistem PV akan menjadi bagian integral dari instalasi listrik di masa depan. Namun, sistem ini terpapar pada semua kondisi cuaca dan harus tahan selama beberapa dekade.

Kabel sistem PV sering kali memasuki gedung dan memanjang dalam jarak yang jauh sampai mencapai titik sambungan jaringan.

Pelepasan petir menyebabkan gangguan listrik berbasis lapangan dan konduksi. Efek ini meningkat sehubungan dengan bertambahnya panjang kabel atau loop konduktor. Lonjakan tidak hanya merusak modul PV, inverter dan elektronik pemantauannya tetapi juga perangkat dalam instalasi gedung.

Lebih penting lagi, fasilitas produksi bangunan industri juga dapat dengan mudah rusak dan produksi mungkin terhenti.

Jika lonjakan disuntikkan ke dalam sistem yang jauh dari jaringan listrik, yang juga disebut sebagai sistem PV yang berdiri sendiri, pengoperasian peralatan yang digerakkan oleh tenaga surya (misalnya peralatan medis, pasokan air) dapat terganggu.

Perlunya sistem proteksi petir di atap

Energi yang dilepaskan oleh pelepasan petir adalah salah satu penyebab paling sering terjadinya kebakaran. Oleh karena itu, perlindungan pribadi dan kebakaran sangat penting jika terjadi sambaran petir langsung ke gedung.

Pada tahap desain sistem PV, terbukti apakah sistem proteksi petir dipasang pada sebuah gedung. Peraturan bangunan beberapa negara mengharuskan bangunan umum (misalnya tempat pertemuan umum, sekolah, dan rumah sakit) dilengkapi dengan sistem proteksi petir. Untuk bangunan industri atau pribadi, tergantung pada lokasi, jenis konstruksi dan pemanfaatannya apakah sistem proteksi petir harus dipasang. Untuk tujuan ini, harus ditentukan apakah sambaran petir diharapkan atau dapat menimbulkan konsekuensi yang parah. Struktur yang membutuhkan proteksi harus dilengkapi dengan sistem proteksi petir yang efektif secara permanen.

Menurut pengetahuan ilmiah dan teknis, pemasangan modul PV tidak meningkatkan risiko sambaran petir. Oleh karena itu, permintaan tindakan proteksi petir tidak dapat diturunkan secara langsung dari keberadaan sistem PV. Namun, gangguan petir yang substansial dapat disuntikkan ke dalam gedung melalui sistem ini.

Oleh karena itu, perlu untuk menentukan risiko akibat sambaran petir sesuai dengan IEC 62305-2 (EN 62305-2) dan untuk memperhitungkan hasil dari analisis risiko ini saat memasang sistem PV.

Bagian 4.5 (Manajemen Risiko) dari Suplemen 5 standar DIN EN 62305-3 Jerman menjelaskan bahwa sistem proteksi petir yang dirancang untuk kelas LPS III (LPL III) memenuhi persyaratan biasa untuk sistem PV. Selain itu, tindakan proteksi petir yang memadai tercantum dalam pedoman German VdS 2010 (Petir berorientasi risiko dan proteksi lonjakan) yang diterbitkan oleh Asosiasi Asuransi Jerman. Pedoman ini juga mensyaratkan bahwa LPL III dan dengan demikian sistem proteksi petir menurut kelas LPS III harus dipasang untuk sistem PV atap (> 10 kW_p) dan bahwa tindakan perlindungan lonjakan harus diambil. Sebagai aturan umum, sistem fotovoltaik atap tidak boleh mengganggu tindakan proteksi petir yang ada.

Perlunya proteksi lonjakan untuk sistem PV

Jika terjadi pelepasan petir, lonjakan diinduksi pada konduktor listrik. Alat pelindung lonjakan arus (SPD) yang harus dipasang di bagian hulu perangkat agar terlindung pada sisi ac, dc dan data terbukti sangat efektif dalam melindungi sistem kelistrikan dari puncak tegangan yang merusak tersebut. Bagian 9.1 dari standar CENELEC CLC / TS 50539-12 (Prinsip pemilihan dan aplikasi - SPD yang terhubung ke instalasi fotovoltaik) menyerukan pemasangan perangkat pelindung lonjakan arus kecuali jika analisis risiko menunjukkan bahwa SPD tidak diperlukan. Menurut standar IEC 60364-4-44 (HD 60364-4-44), perangkat pelindung lonjakan arus juga harus dipasang untuk bangunan tanpa sistem proteksi petir eksternal seperti bangunan komersial dan industri, misalnya fasilitas pertanian. Suplemen 5 dari standar DIN EN 62305-3 Jerman memberikan penjelasan rinci tentang jenis SPD dan tempat pemasangannya.

Perutean kabel sistem PV

Kabel harus dirutekan sedemikian rupa sehingga loop konduktor yang besar dapat dihindari. Ini harus diperhatikan saat menggabungkan rangkaian DC untuk membentuk string dan saat menghubungkan beberapa string. Selain itu, garis data atau sensor tidak boleh dirutekan melalui beberapa string dan membentuk loop konduktor besar dengan garis string. Ini juga harus diperhatikan saat menghubungkan inverter ke koneksi jaringan. Untuk alasan ini, jalur daya (dc dan ac) dan data (mis. Sensor radiasi, pemantauan luluh) harus dirutekan bersama dengan konduktor pengikat ekuipotensial di sepanjang rutenya.

Pembumian sistem PV

Modul PV biasanya dipasang pada sistem pemasangan logam. Komponen PV aktif pada sisi dc memiliki insulasi ganda atau diperkuat (sebanding dengan insulasi pelindung sebelumnya) seperti yang dipersyaratkan dalam standar IEC 60364-4-41. Kombinasi berbagai teknologi pada sisi modul dan inverter (misalnya dengan atau tanpa isolasi galvanik) menghasilkan persyaratan pembumian yang berbeda. Selain itu, sistem pemantauan isolasi yang terintegrasi ke dalam inverter hanya efektif secara permanen jika sistem pemasangan dihubungkan ke arde. Informasi tentang implementasi praktis disediakan dalam Suplemen 5 dari standar DIN EN 62305-3 Jerman. Substruktur logam dibumikan secara fungsional jika sistem PV terletak di volume terlindung dari sistem terminasi udara dan jarak pemisahan dipertahankan. Bagian 7 dari Suplemen 5 membutuhkan konduktor tembaga dengan penampang paling sedikit 6 mm² atau setara untuk pembumian fungsional (Gambar 1). Rel pemasangan juga harus dihubungkan secara permanen dengan konduktor penampang melintang ini. Jika sistem pemasangan terhubung langsung ke sistem proteksi petir eksternal karena jarak pemisahan s tidak dapat dipertahankan, konduktor ini menjadi bagian dari sistem ikatan ekuipotensial petir. Akibatnya, elemen-elemen ini harus mampu membawa arus petir. Persyaratan minimal sistem proteksi petir yang dirancang untuk kelas LPS III adalah konduktor tembaga dengan penampang 16 mm² atau setara. Juga, dalam hal ini, rel pemasangan harus dihubungkan secara permanen dengan menggunakan konduktor penampang melintang ini (Gambar 2). Konduktor ikatan ekuipotensial pembumian / petir fungsional harus dirutekan secara paralel dan sedekat mungkin dengan kabel / saluran dc dan ac.

Klem pembumian UNI (Gambar 3) dapat dipasang pada semua sistem pemasangan umum. Mereka menghubungkan, misalnya, konduktor tembaga dengan penampang 6 atau 16 mm² dan kabel arde telanjang dengan diameter dari 8 hingga 10 mm ke sistem pemasangan sedemikian rupa sehingga dapat membawa arus petir. Pelat kontak baja tahan karat (V4A) terintegrasi memastikan perlindungan korosi untuk sistem pemasangan aluminium.

Jarak pemisahan s sesuai dengan IEC 62305-3 (EN 62305-3) Jarak pemisahan tertentu s harus dijaga antara sistem proteksi petir dan sistem PV. Ini menentukan jarak yang diperlukan untuk menghindari kilatan kilat yang tidak terkendali ke bagian logam yang berdekatan akibat sambaran petir ke sistem proteksi petir eksternal. Dalam kasus terburuk, flashover yang tidak terkendali dapat menyebabkan gedung terbakar. Dalam hal ini, kerusakan pada sistem PV menjadi tidak relevan.

Bayangan inti pada sel surya

Jarak antara generator surya dan sistem proteksi petir eksternal sangat penting untuk mencegah peneduh yang berlebihan. Bayangan menyebar, misalnya, saluran udara, tidak mempengaruhi sistem PV dan hasil secara signifikan. Namun, dalam kasus bayangan inti, bayangan gelap dengan garis tepi yang jelas muncul di permukaan di belakang objek, mengubah arus yang mengalir melalui modul PV. Untuk alasan ini, sel surya dan dioda bypass terkait tidak boleh dipengaruhi oleh bayangan inti. Ini bisa dicapai dengan menjaga jarak yang cukup. Misalnya, jika batang terminasi udara dengan diameter 10 mm menaungi modul, bayangan inti akan terus berkurang seiring bertambahnya jarak dari modul. Setelah 1.08 m hanya bayangan difus yang dipasang pada modul (Gambar 4). Lampiran A dari Suplemen 5 standar DIN EN 62305-3 Jerman memberikan informasi yang lebih rinci tentang penghitungan bayangan inti.

Perangkat pelindung lonjakan khusus untuk sisi dc dari sistem fotovoltaik

Karakteristik U / I sumber arus fotovoltaik sangat berbeda dari sumber DC konvensional: Mereka memiliki karakteristik non-linier (Gambar 5) dan menyebabkan busur yang menyala terus-menerus. Sifat unik sumber arus PV ini tidak hanya membutuhkan sakelar PV dan sekering PV yang lebih besar, tetapi juga pemisah untuk perangkat pelindung lonjakan arus yang disesuaikan dengan sifat unik ini dan mampu mengatasi arus PV. Suplemen 5 dari standar DIN EN 62305-3 Jerman (sub-bagian 5.6.1, Tabel 1) menjelaskan pemilihan SPD yang memadai.

Untuk memfasilitasi pemilihan SPD tipe 1, Tabel 1 dan 2 menunjukkan daya dukung arus impuls petir yang diperlukan I_imp tergantung pada kelas LPS, sejumlah konduktor turun dari sistem proteksi petir eksternal serta jenis SPD (arester berbasis varistor pembatas tegangan atau arester berbasis celah percikan pengalih tegangan). SPD yang sesuai dengan standar EN 50539-11 yang berlaku harus digunakan. Sub-bagian 9.2.2.7 dari CENELEC CLC / TS 50539-12 juga mengacu pada standar ini.

Arester dc tipe 1 untuk digunakan dalam sistem PV:

Multipole tipe 1 + tipe 2 gabungan arester dc FLP7-PV. Perangkat sakelar DC ini terdiri dari perangkat pemutusan dan hubungan pendek gabungan dengan Kontrol Dinamis Thermo dan sekering di jalur pintas. Sirkuit ini dengan aman memutuskan arester dari tegangan generator jika terjadi kelebihan beban dan dengan andal memadamkan busur dc. Dengan demikian, ini memungkinkan melindungi generator PV hingga 1000 A tanpa sekering cadangan tambahan. Arester ini menggabungkan penangkal arus petir dan arester surja dalam satu perangkat, sehingga memastikan perlindungan yang efektif dari peralatan terminal. Dengan kapasitas pelepasannya I_total dari 12.5 kA (10/350 μs), dapat digunakan secara fleksibel untuk kelas LPS tertinggi. FLP7-PV tersedia untuk tegangan U._CPV sebesar 600 V, 1000 V, dan 1500 V dan memiliki lebar hanya 3 modul. Oleh karena itu, FLP7-PV adalah arester gabungan tipe 1 yang ideal untuk digunakan dalam sistem catu daya fotovoltaik.

SPD tipe 1 berbasis celah percikan tegangan-switching, misalnya, FLP12,5-PV, adalah teknologi kuat lainnya yang memungkinkan pelepasan arus petir parsial dalam kasus sistem PV DC. Berkat teknologi celah percikan dan sirkuit pemadaman dc yang memungkinkan untuk secara efisien melindungi sistem elektronik hilir, rangkaian arester ini memiliki kapasitas pelepasan arus petir yang sangat tinggi._total dari 50 kA (10/350 μs) yang unik di pasaran.

Arester dc tipe 2 untuk digunakan dalam sistem PV: SLP40-PV

Pengoperasian SPD yang andal di sirkuit PV DC juga sangat diperlukan saat menggunakan perangkat pelindung lonjakan tipe 2. Untuk tujuan ini, arester surja seri SLP40-PV juga dilengkapi sirkuit pelindung Y yang tahan kesalahan dan juga terhubung ke generator PV hingga 1000 A tanpa sekering cadangan tambahan.

Berbagai teknologi yang digabungkan dalam arester ini mencegah kerusakan pada perangkat pelindung lonjakan arus karena kesalahan isolasi di sirkuit PV, risiko kebakaran arester yang kelebihan beban dan menempatkan arester dalam keadaan listrik yang aman tanpa mengganggu pengoperasian sistem PV. Berkat sirkuit pelindung, karakteristik pembatas tegangan dari varistor dapat digunakan sepenuhnya bahkan di sirkuit DC sistem PV. Selain itu, perangkat pelindung lonjakan arus yang aktif secara permanen meminimalkan banyak puncak tegangan kecil.

Pemilihan SPD sesuai dengan level proteksi tegangan U._p

Tegangan operasi pada sisi dc dari sistem PV berbeda dari sistem ke sistem. Saat ini, nilai hingga 1500 V dc dimungkinkan. Akibatnya, kekuatan dielektrik peralatan terminal juga berbeda. Untuk memastikan bahwa sistem PV terlindungi secara andal, tingkat proteksi tegangan U._p ke SPD harus lebih rendah dari kekuatan dielektrik dari sistem PV yang seharusnya dilindungi. Standar CENELEC CLC / TS 50539-12 mensyaratkan bahwa Naik setidaknya 20% lebih rendah dari kekuatan dielektrik sistem PV. Tipe 1 atau tipe 2 SPD harus dikoordinasikan dengan energi dengan masukan dari peralatan terminal. Jika SPD sudah diintegrasikan ke dalam peralatan terminal, koordinasi antara SPD tipe 2 dan sirkuit input peralatan terminal dipastikan oleh pabrikan.

Contoh aplikasi:

Bangunan tanpa sistem proteksi petir eksternal (situasi A)

Gambar 12 menunjukkan konsep proteksi lonjakan untuk sistem PV yang dipasang pada gedung tanpa sistem proteksi petir eksternal. Lonjakan berbahaya memasuki sistem PV karena kopling induktif yang dihasilkan dari sambaran petir di dekatnya atau perjalanan dari sistem catu daya melalui pintu masuk layanan ke instalasi konsumen. Tipe 2 SPD harus dipasang di lokasi berikut:

- sisi dc dari modul dan inverter

- keluaran ac dari inverter

- Papan distribusi tegangan rendah utama

- Antarmuka komunikasi kabel

Setiap input dc (MPP) dari inverter harus dilindungi oleh perangkat pelindung lonjakan tipe 2, misalnya seri SLP40-PV, yang secara andal melindungi sisi DC dari sistem PV. Standar CENELEC CLC / TS 50539-12 mensyaratkan bahwa arester dc tipe 2 tambahan dipasang pada sisi modul jika jarak antara masukan inverter dan generator PV melebihi 10 m.

Keluaran ac dari inverter cukup terlindungi jika jarak antara inverter PV dan tempat pemasangan arester tipe 2 pada titik koneksi jaringan (infeed tegangan rendah) kurang dari 10 m. Jika panjang kabel lebih besar, perangkat pelindung lonjakan tipe 2 tambahan, misalnya, seri SLP40-275, harus dipasang di hulu ac input inverter sesuai CENELEC CLC / TS 50539-12.

Selain itu, perangkat pelindung lonjakan seri SLP2-40 tipe 275 harus dipasang di hulu meteran infeed tegangan rendah. CI (Sirkuit Interupsi) adalah singkatan dari sekering terkoordinasi yang terintegrasi ke dalam jalur pelindung arester, yang memungkinkan arester digunakan di sirkuit ac tanpa sekering cadangan tambahan. Seri SLP40-275 tersedia untuk setiap konfigurasi sistem tegangan rendah (TN-C, TN-S, TT).

Jika inverter dihubungkan ke data dan jalur sensor untuk memantau hasil, diperlukan perangkat pelindung lonjakan yang sesuai. Seri FLD2, yang memiliki fitur terminal untuk dua pasang, misalnya untuk jalur data masuk dan keluar, dapat digunakan untuk sistem data berbasis RS 485.

Bangunan dengan sistem proteksi petir eksternal dan jarak pemisah yang cukup s (situasi B)

Gambar 13 menunjukkan konsep proteksi lonjakan untuk sistem PV dengan sistem proteksi petir eksternal dan jarak pemisahan yang cukup antara sistem PV dan sistem proteksi petir eksternal.

Tujuan perlindungan utama adalah untuk menghindari kerusakan pada orang dan properti (kebakaran gedung) akibat sambaran petir. Dalam konteks ini, sistem PV harus tidak mengganggu sistem proteksi petir eksternal. Selain itu, sistem PV itu sendiri harus dilindungi dari sambaran petir langsung. Ini berarti bahwa sistem PV harus dipasang pada volume terlindung dari sistem proteksi petir eksternal. Volume terlindung ini dibentuk oleh sistem terminasi udara (mis. Batang terminasi udara) yang mencegah sambaran petir langsung ke modul dan kabel PV. Metode sudut pelindung (Gambar 14) atau metode bola bergulir (Gambar 15) seperti yang dijelaskan dalam sub-bagian 5.2.2 dari standar IEC 62305-3 (EN 62305-3) dapat digunakan untuk menentukan volume yang dilindungi ini. Jarak pemisahan tertentu harus dijaga antara semua bagian konduktif dari sistem PV dan sistem proteksi petir. Dalam konteks ini, bayangan inti harus dicegah dengan, misalnya, menjaga jarak yang cukup antara batang pemutusan udara dan modul PV.

Ikatan ekuipotensial petir merupakan bagian integral dari sistem proteksi petir. Ini harus diterapkan untuk semua sistem dan saluran konduktif yang memasuki gedung yang dapat membawa arus petir. Ini dicapai dengan menghubungkan secara langsung semua sistem logam dan secara tidak langsung menghubungkan semua sistem berenergi melalui arester arus petir tipe 1 ke sistem terminasi bumi. Ikatan ekuipotensial petir harus diterapkan sedekat mungkin dengan titik masuk ke dalam gedung untuk mencegah arus petir parsial memasuki gedung. Titik sambungan jaringan harus dilindungi oleh SPD tipe 1 berbasis celah percikan multipol, misalnya, arester gabungan FLP1GR tipe 25. Arester ini menggabungkan arester arus petir dan arester surja dalam satu perangkat. Jika panjang kabel antara arester dan inverter kurang dari 10 m, tersedia perlindungan yang memadai. Jika panjang kabel lebih besar, perangkat pelindung lonjakan tipe 2 tambahan harus dipasang di bagian hulu dari input inverter sesuai CENELEC CLC / TS 50539-12.

Setiap dc masukan dari inverter harus diproteksi oleh arrester PV tipe 2, misalnya seri SLP40-PV (Gambar 16). Ini juga berlaku untuk perangkat tanpa transformator. Jika inverter dihubungkan ke jalur data, misalnya, untuk memantau hasil, perangkat pelindung lonjakan arus harus dipasang untuk melindungi transmisi data. Untuk tujuan ini, seri FLPD2 dapat disediakan untuk jalur dengan sinyal analog dan sistem bus data seperti RS485. Ini mendeteksi tegangan operasi dari sinyal yang berguna dan menyesuaikan tingkat perlindungan tegangan ke tegangan operasi ini.

Konduktor HVI berisolasi tahan tegangan tinggi

Kemungkinan lain untuk menjaga jarak pemisahan adalah dengan menggunakan Konduktor HVI berinsulasi tegangan tinggi yang memungkinkan untuk menjaga jarak pemisahan hingga 0.9 m di udara. Konduktor HVI dapat langsung menghubungi sistem PV di bagian hilir kisaran ujung penyegelan. Informasi lebih rinci tentang aplikasi dan pemasangan HVI Conductors tersedia di Panduan Penangkal Petir atau petunjuk pemasangan yang relevan.

Bangunan dengan sistem proteksi petir eksternal dengan jarak pemisah yang tidak memadai (situasi C)

Jika atapnya terbuat dari logam atau dibentuk oleh sistem PV itu sendiri, jarak pemisah s tidak dapat dipertahankan. Komponen logam pada sistem pemasangan PV harus dihubungkan ke sistem proteksi petir eksternal sedemikian rupa sehingga dapat membawa arus petir (konduktor tembaga dengan penampang minimal 16 mm² atau setara). Ini berarti bahwa ikatan ekuipotensial petir juga harus diterapkan untuk jalur PV yang memasuki bangunan dari luar (Gambar 17). Menurut Suplemen 5 dari standar DIN EN 62305-3 Jerman dan standar CENELEC CLC / TS 50539-12, saluran dc harus dilindungi oleh SPD tipe 1 untuk sistem PV.

Untuk tujuan ini, arester gabungan FLP1-PV tipe 2 dan tipe 7 digunakan. Ikatan ekuipotensial petir juga harus diimplementasikan pada pemakanan tegangan rendah. Jika inverter PV terletak lebih dari 10 m dari SPD tipe 1 yang dipasang pada titik koneksi jaringan, SPD tipe 1 tambahan harus dipasang pada sisi ac inverter (mis. Tipe 1 + arester gabungan tipe 2 FLP25GR). Perangkat pelindung lonjakan yang sesuai juga harus dipasang untuk melindungi jalur data yang relevan untuk pemantauan hasil. Perangkat pelindung lonjakan seri FLD2 digunakan untuk melindungi sistem data, misalnya, berdasarkan RS 485.

Sistem PV dengan microinverter

Microinverter memerlukan konsep perlindungan lonjakan yang berbeda. Untuk tujuan ini, garis dc dari sebuah modul atau sepasang modul terhubung langsung ke inverter berukuran kecil. Dalam proses ini, loop konduktor yang tidak perlu harus dihindari. Kopling induktif ke dalam struktur dc kecil biasanya hanya memiliki potensi penghancuran energi yang rendah. Kabel ekstensif dari sistem PV dengan microinverter terletak di sisi ac (Gambar 18). Jika microinverter dipasang langsung pada modul, perangkat pelindung lonjakan arus hanya dapat dipasang di sisi ac:

- Bangunan tanpa sistem proteksi petir eksternal = arester tipe 2 SLP40-275 untuk arus bolak-balik / tiga fase di dekat mikroinverter dan SLP40-275 pada pemakanan tegangan rendah.

- Bangunan dengan sistem proteksi petir eksternal dan jarak pemisah yang cukup s = arester tipe 2, misalnya SLP40-275, di dekat mikinverter dan arus petir yang membawa arester tipe 1 pada pemakanan tegangan rendah, misalnya, FLP25GR.

- Bangunan dengan sistem proteksi petir eksternal dan jarak pemisah yang tidak memadai s = arester tipe 1, misalnya, SLP40-275, di dekat mikinverter dan arus petir yang membawa arester tipe 1 FLP25GR pada pemakanan tegangan rendah.

Independen dari produsen tertentu, microinverter memiliki sistem pemantauan data. Jika data dimodulasi ke jalur ac melalui microinverter, perangkat pelindung lonjakan arus harus disediakan pada unit penerima terpisah (ekspor data / pemrosesan data). Hal yang sama berlaku untuk koneksi antarmuka dengan sistem bus hilir dan suplai tegangannya (mis. Ethernet, ISDN).

Sistem pembangkit tenaga surya merupakan bagian integral dari sistem kelistrikan saat ini. Mereka harus dilengkapi dengan arus petir dan arester surja yang memadai, sehingga memastikan pengoperasian tanpa cela jangka panjang dari sumber listrik ini.