屋上太陽光発電システムの雷およびサージ保護
現在、多くのPVシステムが設置されています。 自家発電は一般的に安価であり、グリッドからの高度な電気的独立性を提供するという事実に基づいて、PVシステムは将来的に電気設備の不可欠な部分になるでしょう。 ただし、これらのシステムはすべての気象条件にさらされており、数十年にわたってそれらに耐える必要があります。
太陽光発電システムのケーブルは頻繁に建物に入り、グリッド接続ポイントに到達するまで長距離にわたって伸びます。
雷放電は、フィールドベースおよび伝導性の電気的干渉を引き起こします。 この効果は、ケーブル長または導体ループの増加に関連して増加します。 サージは、PVモジュール、インバーター、およびそれらの監視電子機器だけでなく、建物内のデバイスにも損傷を与えます。
さらに重要なことは、工業用建物の生産設備も損傷を受けやすく、生産が停止する可能性があることです。
電力網から遠く離れたシステム（スタンドアロンPVシステムとも呼ばれる）にサージが注入されると、太陽光発電を利用する機器（医療機器、給水など）の動作が中断される可能性があります。
屋上避雷システムの必要性
落雷によって放出されるエネルギーは、火災の最も頻繁な原因のXNUMXつです。 したがって、建物に直接落雷した場合は、個人および防火が最も重要です。
太陽光発電システムの設計段階では、建物に避雷システムが設置されているかどうかは明らかです。 一部の国の建築規制では、公共の建物（公共の集会所、学校、病院など）に避雷システムを装備することが義務付けられています。 工業用または民間の建物の場合、避雷システムを設置する必要があるかどうかは、その場所、建設の種類、および使用法によって異なります。 この目的のために、落雷が予想されるのか、それとも深刻な結果をもたらす可能性があるのかを判断する必要があります。 保護が必要な構造物には、恒久的に効果的な雷保護システムを提供する必要があります。
科学的および技術的知識の状態によると、PVモジュールの設置は落雷のリスクを増加させません。 したがって、太陽光発電システムの存在だけから雷保護対策の要請を直接引き出すことはできません。 ただし、これらのシステムを介して、かなりの雷干渉が建物に注入される可能性があります。
したがって、IEC 62305-2（EN 62305-2）に従って落雷によるリスクを判断し、PVシステムを設置する際にこのリスク分析の結果を考慮する必要があります。
ドイツのDINEN 4.5-5規格の補足62305のセクション3（リスク管理）では、LPS III（LPL III）のクラス用に設計された避雷システムがPVシステムの通常の要件を満たしていると説明されています。 さらに、適切な雷保護対策は、ドイツ保険協会が発行したドイツのVdS 2010ガイドライン（リスク指向の雷およびサージ保護）に記載されています。 このガイドラインでは、LPL III、つまりLPS IIIのクラスに準拠した避雷システムを屋上PVシステム（> 10 kW）に設置することも求められています。p）そしてそのサージ保護対策が取られます。 原則として、屋上太陽光発電システムは、既存の避雷対策に干渉してはなりません。
PVシステムのサージ保護の必要性
落雷の場合、導電体にサージが発生します。 AC、DC、およびデータ側で保護するためにデバイスの上流に設置する必要があるサージ保護デバイス（SPD）は、これらの破壊的な電圧ピークから電気システムを保護するのに非常に効果的であることが証明されています。 CENELEC CLC / TS 9.1-50539規格のセクション12（選択と適用の原則–太陽光発電設備に接続されたSPD）は、リスク分析でSPDが不要であることが示されない限り、サージ保護デバイスの設置を求めています。 IEC 60364-4-44（HD 60364-4-44）規格によれば、サージ保護デバイスは、農業施設などの商業用および工業用建物など、外部雷保護システムのない建物にも設置する必要があります。 ドイツのDINEN 5-62305規格の補足3には、SPDのタイプとその設置場所の詳細な説明が記載されています。
PVシステムのケーブル配線
ケーブルは、大きな導体ループが回避されるように配線する必要があります。 これは、DC回路を組み合わせてストリングを形成する場合、および複数のストリングを相互接続する場合に注意する必要があります。 さらに、データまたはセンサーラインを複数のストリングに配線して、ストリングラインと大きな導体ループを形成してはなりません。 これは、インバータをグリッド接続に接続する場合にも注意する必要があります。 このため、電力（DCおよびAC）およびデータライン（放射線センサー、歩留まり監視など）は、ルート全体に沿って等電位ボンディング導体と一緒に配線する必要があります。
太陽光発電システムの接地
PVモジュールは通常、金属製の取り付けシステムに固定されています。 DC側のライブPVコンポーネントは、IEC 60364-4-41規格で要求されているように、二重または強化絶縁（以前の保護絶縁と比較して）を備えています。 モジュール側とインバーター側の多数のテクノロジーの組み合わせ（たとえば、ガルバニック絶縁の有無にかかわらず）により、異なる接地要件が発生します。 さらに、インバータに統合された絶縁監視システムは、取り付けシステムがアースに接続されている場合にのみ永続的に有効です。 実際の実装に関する情報は、ドイツのDIN EN5-62305規格の補足3に記載されています。 PVシステムが空気終端システムの保護されたボリュームに配置され、分離距離が維持されている場合、金属下部構造は機能的に接地されます。 補足7のセクション5には、断面積が6mm以上の銅導体が必要です。2 または機能接地の同等物（図1）。 取り付けレールも、この断面の導体を使用して恒久的に相互接続する必要があります。 分離距離sを維持できないために、取り付けシステムが外部の避雷システムに直接接続されている場合、これらの導体は避雷システムの一部になります。 したがって、これらの要素は雷電流を運ぶことができなければなりません。 LPS IIIのクラス用に設計された避雷システムの最小要件は、断面積が16mmの銅導体です。2 または同等のもの。 また、この場合、取り付けレールは、この断面の導体を使用して恒久的に相互接続する必要があります（図2）。 機能的な接地/雷等電位ボンディング導体は、並列に配線し、DCおよびACケーブル/ラインにできるだけ近づける必要があります。
UNIアースクランプ（図3）は、すべての一般的な取り付けシステムに固定できます。 それらは、例えば、6または16mmの断面を持つ銅導体を接続します2 雷電流を流すことができるように、取り付けシステムへの直径8〜10mmの裸のアース線。 統合されたステンレス鋼（V4A）接触プレートは、アルミニウム取り付けシステムの腐食保護を保証します。
IEC 62305-3（EN 62305-3）に準拠した分離距離s避雷システムとPVシステムの間で特定の分離距離sを維持する必要があります。 これは、外部の落雷保護システムへの落雷に起因する隣接する金属部品への制御されていないフラッシュオーバーを回避するために必要な距離を定義します。 最悪の場合、そのような制御されていないフラッシュオーバーは建物に火をつける可能性があります。 この場合、PVシステムへの損傷は無関係になります。
太陽電池のコアシャドウ
ソーラージェネレーターと外部の避雷システムの間の距離は、過度の日陰を防ぐために絶対に不可欠です。 たとえば、架空線によって投影される拡散シャドウは、PVシステムと歩留まりに大きな影響を与えません。 ただし、コアシャドウの場合、オブジェクトの背後の表面にはっきりと輪郭が描かれた暗いシャドウが投影され、PVモジュールを流れる電流が変化します。 このため、太陽電池および関連するバイパスダイオードはコアシャドウの影響を受けてはなりません。 これは、十分な距離を維持することで実現できます。 たとえば、直径10 mmのエアターミネーションロッドがモジュールをシェーディングする場合、モジュールからの距離が大きくなるにつれて、コアシャドウは着実に減少します。 1.08 mを過ぎると、拡散した影だけがモジュールに投影されます（図4）。 ドイツのDINEN 5-62305規格の補足3の付録Aには、コアシャドウの計算に関するより詳細な情報が記載されています。
太陽光発電システムのDC側用の特別なサージ保護デバイス
光起電力電流源のU / I特性は、従来のDC電源の特性とは大きく異なります。非線形特性を持ち（図5）、点火されたアークが長期間持続します。 PV電流源のこの独特の性質は、より大きなPVスイッチとPVヒューズを必要とするだけでなく、この独特の性質に適合し、PV電流に対処できるサージ保護デバイス用の断路器も必要とします。 ドイツのDINEN 5-62305規格の補足3（サブセクション5.6.1、表1）は、適切なSPDの選択について説明しています。
タイプ1SPDの選択を容易にするために、表1および2に、必要な雷インパルス電流伝送能力Iを示します。インプ LPSのクラスに応じて、外部避雷システムの多数のダウンコンダクタとSPDタイプ（電圧制限バリスタベースの避雷器または電圧スイッチングスパークギャップベースの避雷器）。 該当するEN50539-11規格に準拠したSPDを使用する必要があります。 CENELEC CLC / TS 9.2.2.7-50539のサブセクション12も、この規格に言及しています。
PVシステムで使用するためのタイプ1DCアレスタ：
マルチポールタイプ1+タイプ2複合DCアレスタFLP7-PV。 このDCスイッチングデバイスは、Thermo DynamicControlを備えた切断および短絡デバイスとバイパスパスのヒューズを組み合わせたもので構成されています。 この回路は、過負荷の場合に発電機電圧から避雷器を安全に切断し、DCアークを確実に消します。 したがって、追加のバックアップヒューズなしで、最大1000AのPV発電機を保護できます。 この避雷器は、雷電流避雷器とサージ避雷器をXNUMXつのデバイスに組み合わせているため、端末機器を効果的に保護します。 その放電容量で私は合計 12.5 kA（10 /350μs）で、最高クラスのLPSに柔軟に使用できます。 FLP7-PVは電圧Uで使用できますCPV 600 V、1000 V、1500 Vで、幅は3モジュールのみです。 したがって、FLP7-PVは、太陽光発電システムで使用するための理想的なタイプ1複合避雷器です。
電圧スイッチングスパークギャップベースのタイプ1SPD、たとえばFLP12,5-PVは、DCPVシステムの場合に部分的な雷電流を放電できるもうXNUMXつの強力なテクノロジーです。 そのスパークギャップ技術と下流の電子システムを効率的に保護することを可能にするDC消光回路のおかげで、この避雷器シリーズは非常に高い雷電流放電容量を持っていますI合計 市場でユニークな50kA（10 /350μs）の。
PVシステムで使用するタイプ2DCアレスタ：SLP40-PV
タイプ2のサージ保護デバイスを使用する場合は、DCPV回路でのSPDの信頼性の高い動作も不可欠です。 この目的のために、SLP40-PVシリーズサージアレスタは、耐障害性のY保護回路も備えており、追加のバックアップヒューズなしで最大1000AのPV発電機に接続されます。
これらの避雷器に組み合わされた多数の技術は、PV回路の絶縁障害によるサージ保護デバイスの損傷、過負荷の避雷器の火災のリスクを防ぎ、PVシステムの動作を中断することなく避雷器を安全な電気状態にします。 保護回路のおかげで、バリスタの電圧制限特性は、PVシステムのDC回路でも十分に使用できます。 さらに、恒久的にアクティブなサージ保護デバイスは、多数の小さな電圧ピークを最小限に抑えます。
電圧保護レベルUに応じたSPDの選択p
太陽光発電システムのDC側の動作電圧は、システムごとに異なります。 現在、1500 VDCまでの値が可能です。 その結果、端末機器の絶縁耐力も異なります。 太陽光発電システムが確実に保護されるようにするために、電圧保護レベルUp SPDに対しては、保護することになっているPVシステムの絶縁耐力よりも低くする必要があります。 CENELEC CLC / TS 50539-12規格では、UpがPVシステムの絶縁耐力より少なくとも20％低いことが要求されています。 タイプ1またはタイプ2のSPDは、端末機器の入力とエネルギー調整する必要があります。 SPDがすでに端末機器に統合されている場合、タイプ2SPDと端末機器の入力回路の間の調整はメーカーによって保証されます。
アプリケーション例：
外部避雷システムのない建物（状況A）
図12は、外部雷保護システムのない建物に設置されたPVシステムのサージ保護の概念を示しています。 危険なサージは、近くの落雷に起因する誘導結合、または電源システムからサービス入口を通って消費者の設備に移動するために、PVシステムに入ります。 タイプ2SPDは、次の場所に設置する必要があります。
–モジュールとインバーターのDC側
–インバーターのAC出力
–メイン低電圧分電盤
–有線通信インターフェース
インバータのすべてのDC入力（MPP）は、PVシステムのDC側を確実に保護するタイプ2サージ保護デバイス（SLP40-PVシリーズなど）で保護する必要があります。 CENELEC CLC / TS 50539-12規格では、インバータ入力とPV発電機の間の距離が2 mを超える場合、モジュール側に追加のタイプ10DCアレスタを取り付ける必要があります。
PVインバーターとグリッド接続ポイント（低電圧インフィード）でのタイプ2アレスタの設置場所との間の距離が10 m未満の場合、インバーターのAC出力は十分に保護されます。 ケーブル長が長い場合は、CENELEC CLC / TS 2-40に従って、追加のタイプ275サージ保護デバイス（SLP50539-12シリーズなど）をインバータのAC入力の上流に設置する必要があります。
さらに、タイプ2 SLP40-275シリーズサージ保護デバイスは、低電圧インフィードのメーターの上流に設置する必要があります。 CI（Circuit Interruption）は、避雷器の保護パスに統合された調整ヒューズの略で、追加のバックアップヒューズなしでAC回路で避雷器を使用できるようにします。 SLP40-275シリーズは、すべての低電圧システム構成（TN-C、TN-S、TT）で使用できます。
インバータをデータおよびセンサーラインに接続して歩留まりを監視する場合は、適切なサージ保護デバイスが必要です。 着信データラインと発信データラインなど、2ペアの端子を備えたFLD485シリーズは、RSXNUMXベースのデータシステムに使用できます。
外部避雷システムと十分な分離距離sを備えた建物（状況B）
図13 は、外部雷保護システムと、PVシステムと外部雷保護システムの間の十分な分離距離sを備えたPVシステムのサージ保護の概念を示しています。
主な保護目標は、落雷による人や財産への損害（建物の火災）を回避することです。 このコンテキストでは、PVシステムが外部の雷保護システムに干渉しないことが重要です。 さらに、PVシステム自体を直接落雷から保護する必要があります。 これは、PVシステムを外部雷保護システムの保護されたボリュームに設置する必要があることを意味します。 この保護されたボリュームは、PVモジュールおよびケーブルへの直接の落雷を防ぐ空気終端システム（空気終端ロッドなど）によって形成されます。 保護角度方式 （図14） またはローリングスフィア法 （図15） IEC 5.2.2-62305（EN 3-62305）標準のサブセクション3で説明されているように、この保護されたボリュームを決定するために使用できます。 太陽光発電システムのすべての導電性部分と避雷システムの間には、一定の分離距離sを維持する必要があります。 これに関連して、コアシャドウは、たとえば、エアターミネーションロッドとPVモジュールの間に十分な距離を維持することによって防止する必要があります。
雷等電位ボンディングは、雷保護システムの不可欠な部分です。 これは、雷電流を運ぶ可能性のある建物に入るすべての導電性システムおよびラインに実装する必要があります。 これは、すべての金属システムを直接接続し、タイプ1の雷電流アレスタを介してすべての通電システムをアース終端システムに間接的に接続することによって実現されます。 部分的な雷電流が建物に入るのを防ぐために、雷の等電位ボンディングは、建物への入り口のできるだけ近くに実装する必要があります。 グリッド接続ポイントは、多極スパークギャップベースのタイプ1 SPD、たとえばタイプ1FLP25GR複合アレスタで保護する必要があります。 このアレスタは、雷電流アレスタとサージアレスタを10つのデバイスに組み合わせたものです。 避雷器とインバータ間のケーブル長が2m未満の場合は、十分な保護が提供されます。 ケーブル長が長い場合は、CENELEC CLC / TS 50539-12に従って、追加のタイプXNUMXサージ保護デバイスをインバータのAC入力の上流に設置する必要があります。
インバータの入力はすべて、SLP2-PVシリーズなどのタイプ40 PVアレスタで保護する必要があります（図16）。 これは、トランスレスデバイスにも当てはまります。 インバータがデータラインに接続されている場合、たとえば、歩留まりを監視する場合は、データ伝送を保護するためにサージ保護デバイスを設置する必要があります。 この目的のために、FLPD2シリーズは、RS485などのアナログ信号およびデータバスシステムを備えたラインに提供できます。 有用な信号の動作電圧を検出し、電圧保護レベルをこの動作電圧に調整します。
高耐電圧、絶縁HVI導体
分離距離を維持する別の可能性は、空気中で最大0.9mの分離距離を維持できる高耐電圧の絶縁HVI導体を使用することです。 HVI導体は、シーリングエンドレンジの下流でPVシステムに直接接触する場合があります。 HVIコンダクターのアプリケーションとインストールに関する詳細情報は、この避雷ガイドまたは関連するインストール手順に記載されています。
分離距離が不十分な外部避雷システムを備えた建物（状況C）
屋根が金属製またはPVシステム自体で形成されている場合、分離距離sを維持することはできません。 PV取り付けシステムの金属部品は、雷電流を流すことができるように外部の避雷システムに接続する必要があります（断面積が16mm以上の銅導体）。2 または同等のもの）。 これは、外部から建物に入るPVラインにも雷等電位ボンディングを実装する必要があることを意味します（図17）。 ドイツのDINEN5-62305規格およびCENELECCLC / TS 3-50539規格の補足12によると、太陽光発電システムの場合、DCラインはタイプ1SPDで保護する必要があります。
この目的のために、タイプ1とタイプ2のFLP7-PV複合アレスタが使用されます。 雷等電位ボンディングも低電圧インフィードに実装する必要があります。 PVインバーターがグリッド接続ポイントに設置されたタイプ10SPDから1m以上離れている場合は、インバーターのAC側に追加のタイプ1 SPDを設置する必要があります（例：タイプ1 +タイプ2FLP25GR複合アレスタ）。 収量監視のために関連するデータラインを保護するために、適切なサージ保護デバイスも設置する必要があります。 FLD2シリーズのサージ保護デバイスは、たとえばRS485に基づくデータシステムを保護するために使用されます。
マイクロインバーターを備えたPVシステム
マイクロインバータには、異なるサージ保護の概念が必要です。 この目的のために、モジュールまたはモジュールのペアのDCラインは小型インバーターに直接接続されます。 このプロセスでは、不要な導体ループを回避する必要があります。 このような小さなDC構造への誘導結合は、通常、エネルギー破壊の可能性が低いだけです。 マイクロインバーターを備えたPVシステムの大規模なケーブル配線は、AC側にあります（図18）。 マイクロインバーターがモジュールに直接取り付けられている場合、サージ保護デバイスはAC側にのみ取り付けることができます。
–外部避雷システムのない建物=マイクロインバーターに近接した交流/三相電流用のタイプ2SLP40-275アレスタおよび低電圧インフィードのSLP40-275。
–外部雷保護システムと十分な分離距離s =タイプ2アレスタ、たとえばSLP40-275を備えた建物で、マイクロインバータと、低電圧インフィードでタイプ1アレスタを運ぶ雷電流（FLP25GRなど）に近接しています。
–外部雷保護システムと不十分な分離距離s =タイプ1アレスタ、たとえばSLP40-275を備えた建物で、マイクロインバータと低電圧インフィードでタイプ1FLP25GRアレスタを運ぶ雷電流に近接しています。
特定のメーカーとは関係なく、マイクロインバーターはデータ監視システムを備えています。 マイクロインバータを介してデータがACラインに変調される場合は、サージ保護デバイスを個別の受信ユニットに提供する必要があります（データエクスポート/データ処理）。 同じことが、ダウンストリームバスシステムとその電圧供給（イーサネット、ISDNなど）とのインターフェイス接続にも当てはまります。
太陽光発電システムは、今日の電気システムの不可欠な部分です。 それらは、適切な雷電流とサージアレスタを装備する必要があります。これにより、これらの電源の長期的な障害のない動作が保証されます。
