Lyn- og overspenningsvern for solcelleanlegg på taket

For tiden er mange PV-systemer installert. Basert på det faktum at egenprodusert elektrisitet generelt er billigere og gir en høy grad av elektrisk uavhengighet fra nettet, vil solcelleanlegg bli en integrert del av elektriske installasjoner i fremtiden. Imidlertid er disse systemene utsatt for alle værforhold og må tåle dem i flere tiår.

Kablene til PV-anlegg kommer ofte inn i bygningen og strekker seg over lange avstander til de når nettets tilkoblingspunkt.

Lynutslipp forårsaker feltbaserte og gjennomførte elektriske forstyrrelser. Denne effekten øker i forhold til økende kabellengder eller lederløkker. Overspenninger skader ikke bare PV-modulene, omformerne og deres overvåkingselektronikk, men også enheter i bygningsinstallasjonen.

Enda viktigere, produksjonsanlegg for industribygg kan også lett bli skadet og produksjonen kan stoppe opp.

Hvis overspenninger injiseres i systemer som ligger langt fra strømnettet, som også kalles frittstående solcelleanlegg, kan driften av utstyr drevet av solenergi (f.eks. Medisinsk utstyr, vannforsyning) forstyrres.

Nødvendigheten av et lynbeskyttelsessystem på taket

Energien som frigjøres ved lynutslipp er en av de hyppigste årsakene til brannen. Derfor er personlig og brannbeskyttelse av største betydning i tilfelle direkte lynnedslag til bygningen.

På designfasen av et PV-system er det tydelig om et lynbeskyttelsessystem er installert på en bygning. Noen lands byggeforskrifter krever at offentlige bygninger (f.eks. Offentlige forsamlingssteder, skoler og sykehus) skal være utstyrt med et lynbeskyttelsessystem. Ved industrielle eller private bygninger avhenger det av beliggenhet, konstruksjonstype og utnyttelse om et lynbeskyttelsessystem må installeres. For å oppnå dette må det avgjøres om lynnedslag kan forventes eller kan ha alvorlige konsekvenser. Strukturer med behov for beskyttelse må være forsynt med permanent effektive lynbeskyttelsessystemer.

I henhold til tilstanden med vitenskapelig og teknisk kunnskap øker ikke installasjonen av PV-moduler risikoen for lynnedslag. Derfor kan forespørselen om lynbeskyttelsestiltak ikke stamme direkte fra det eksistensen av et solcelleanlegg. Imidlertid kan betydelig lyninterferens injiseres i bygningen gjennom disse systemene.

Derfor er det nødvendig å bestemme risikoen som følge av et lynnedslag i henhold til IEC 62305-2 (EN 62305-2) og ta resultatene fra denne risikoanalysen med i beregningen når du installerer PV-systemet.

Avsnitt 4.5 (Risikostyring) i tillegg 5 til den tyske DIN EN 62305-3-standarden beskriver at et lynbeskyttelsessystem designet for klassen LPS III (LPL III) oppfyller de vanlige kravene til solcelleanlegg. I tillegg er tilstrekkelige lynbeskyttelsestiltak oppført i den tyske retningslinjen VdS 2010 (Risikoorientert lyn- og overspenningsvern) utgitt av den tyske forsikringsforeningen. Denne retningslinjen krever også at LPL III og dermed et lynbeskyttelsessystem i henhold til klassen LPS III skal installeres for solcelleanlegg på taket (> 10 kW_p) og at det tas tiltak for overspenningsvern. Som hovedregel må solcelleanlegg på taket ikke forstyrre eksisterende lynbeskyttelsestiltak.

Nødvendigheten av overspenningsvern for solcelleanlegg

I tilfelle lynutladning induseres overspenninger på elektriske ledere. Overspenningsvern (SPD) som må installeres oppstrøms for enhetene som skal beskyttes på vekselstrøm, likestrøm og datasiden har vist seg å være svært effektive for å beskytte elektriske systemer fra disse destruktive spenningstoppene. Avsnitt 9.1 i CENELEC CLC / TS 50539-12-standarden (Valg- og anvendelsesprinsipper - SPD-er koblet til solcelleanlegg) krever installasjon av overspenningsvern, med mindre en risikoanalyse viser at SPD-er ikke er påkrevd. I henhold til IEC 60364-4-44 (HD 60364-4-44) -standarden må overspenningsvern også installeres for bygninger uten eksternt lynbeskyttelsessystem som kommersielle og industrielle bygninger, f.eks. Landbruksanlegg. Supplement 5 i den tyske DIN EN 62305-3-standarden gir en detaljert beskrivelse av typene SPD og deres installasjonssted.

Kabelføring av PV-anlegg

Kabler må føres på en slik måte at store lederløkker unngås. Dette må observeres når du kombinerer DC-kretsene for å danne en streng og når du kobler sammen flere strenger. Videre må data- eller sensorlinjer ikke føres over flere strenger og danne store lederløkker med strenglinjene. Dette må også følges når du kobler omformeren til nettilkoblingen. Av denne grunn må kraften (likestrøm og vekselstrøm) og datalinjene (f.eks. Strålesensor, strømovervåking) føres sammen med de potensialpotensielle bindeledningene langs hele ruten.

Jording av solcelleanlegg

PV-moduler er vanligvis festet på metallmonteringssystemer. De levende PV-komponentene på DC-siden har dobbel eller forsterket isolasjon (sammenlignbar med den forrige beskyttende isolasjonen) som kreves i IEC 60364-4-41-standarden. Kombinasjonen av mange teknologier på modulen og omformersiden (f.eks. Med eller uten galvanisk isolasjon) resulterer i forskjellige jordingskrav. Videre er isolasjonsovervåkningssystemet integrert i omformerne bare permanent effektivt hvis monteringssystemet er koblet til jord. Informasjon om den praktiske implementeringen er gitt i tillegg 5 til den tyske DIN EN 62305-3-standarden. Metallunderstellet er jordet funksjonelt hvis solcelleanlegget er plassert i det beskyttede volumet til luftavslutningssystemene og separasjonsavstanden opprettholdes. Avsnitt 7 i tillegg 5 krever kobberledere med et tverrsnitt på minst 6 mm² eller tilsvarende for funksjonell jording (figur 1). Monteringsskinnene må også være sammenkoblet permanent ved hjelp av ledere med dette tverrsnittet. Hvis monteringssystemet er direkte koblet til det eksterne lynbeskyttelsessystemet på grunn av at separasjonsavstanden ikke kan opprettholdes, blir disse lederne en del av lynets potensialutjevningssystem. Derfor må disse elementene være i stand til å bære lynstrømmer. Minimumskravet til et lynbeskyttelsessystem designet for en klasse LPS III er en kobberleder med et tverrsnitt på 16 mm² eller tilsvarende. I dette tilfellet må monteringsskinnene være sammenkoblet permanent ved hjelp av ledere med dette tverrsnittet (figur 2). Den funksjonelle jordings- / lynekspotensial-bonding-lederen skal føres parallelt og så nær DC- og AC-kablene / linjene som mulig.

UNI-jordingsklemmer (figur 3) kan festes på alle vanlige monteringssystemer. De kobler for eksempel kobberledere med et tverrsnitt på 6 eller 16 mm² og bare jordledninger med en diameter fra 8 til 10 mm til monteringssystemet på en slik måte at de kan bære lynstrømmer. Den integrerte kontaktplaten i rustfritt stål (V4A) sørger for korrosjonsbeskyttelse for monteringssystemene i aluminium.

Separasjonsavstand s i henhold til IEC 62305-3 (EN 62305-3) En viss separasjonsavstand s må opprettholdes mellom et lynbeskyttelsessystem og et PV-system. Den definerer avstanden som kreves for å unngå ukontrollert overgang til tilstøtende metalldeler som følge av lynnedslag til det eksterne lynbeskyttelsessystemet. I verste fall kan en slik ukontrollert flashover sette en bygning i brann. I dette tilfellet blir skade på PV-systemet irrelevant.

Kjerneskygger på solceller

Avstanden mellom solgeneratoren og det eksterne lynbeskyttelsessystemet er helt avgjørende for å forhindre overdreven skyggelegging. Diffuse skygger som er kastet av for eksempel luftledninger, påvirker ikke PV-systemet og utbyttet betydelig. Imidlertid, når det gjelder kjerneskygger, kastes en mørk tydelig skissert skygge på overflaten bak et objekt, og endrer strømmen som strømmer gjennom PV-modulene. Av denne grunn må solceller og tilhørende bypass-dioder ikke påvirkes av kjerneskygger. Dette kan oppnås ved å opprettholde en tilstrekkelig avstand. For eksempel, hvis en lufttermineringsstang med en diameter på 10 mm skygger en modul, reduseres kjerneskyggen jevnt når avstanden fra modulen øker. Etter 1.08 m blir bare en diffus skygge kastet på modulen (figur 4). Vedlegg A til tillegg 5 til den tyske DIN EN 62305-3-standarden gir mer detaljert informasjon om beregning av kjerneskygger.

Spesielle overspenningsvernapparater for DC-siden av solcelleanlegg

U / I-egenskapene til solcellestrømskilder er veldig forskjellige fra konvensjonelle likestrømskilder: De har en ikke-lineær karakteristikk (figur 5) og forårsaker langvarig utholdenhet av antente buer. Denne unike naturen til PV-strømkilder krever ikke bare større PV-brytere og PV-sikringer, men også en frakobling for overspenningsbeskyttelsesanordningen som er tilpasset denne unike naturen og er i stand til å takle PV-strømmer. Tillegg 5 til den tyske DIN EN 62305-3-standarden (underavsnitt 5.6.1, tabell 1) beskriver valget av tilstrekkelige SPD-er.

For å gjøre det lettere å velge type 1 SPD, viser tabell 1 og 2 den nødvendige lynimpulsstrømbæringsevnen I_imp avhengig av klasse LPS, et antall nedledere til de eksterne lynbeskyttelsessystemene, så vel som SPD-typen (spenningsbegrensende varistorbasert arrester eller spenningsbryter gnistgapbasert arrester). SPD-er som overholder gjeldende EN 50539-11-standard, må brukes. Underavsnitt 9.2.2.7 av CENELEC CLC / TS 50539-12 viser også til denne standarden.

Type 1 DC-avleder for bruk i PV-systemer:

Multipole type 1 + type 2 kombinert DC-avleder FLP7-PV. Denne likestrømbryteren består av en kombinert frakoblings- og kortslutningsenhet med Thermo Dynamic Control og en sikring i bypassbanen. Denne kretsen kobler avlederen trygt fra generatorspenningen i tilfelle overbelastning og slukker jevnbuer pålitelig. Dermed tillater det å beskytte PV-generatorer opp til 1000 A uten ekstra sikring. Denne avlederen kombinerer en lynstrømavleder og en overspenningsavleder i en enkelt enhet, og sikrer dermed effektiv beskyttelse av terminalutstyr. Med sin utslippskapasitet jeg_total på 12.5 kA (10/350 μs), kan den brukes fleksibelt for de høyeste klassene av LPS. FLP7-PV er tilgjengelig for spenninger U_CPV på 600 V, 1000 V og 1500 V og har en bredde på bare 3 moduler. Derfor er FLP7-PV den ideelle type 1 kombinert avleder for bruk i solcelleanlegg.

Spenningsbrytende gnistgap-baserte SPD-er av type 1, for eksempel FLP12,5-PV, er en annen kraftig teknologi som tillater utladning av delvise lynstrømmer i tilfelle DC-PV-systemer. Takket være gnistgapsteknologien og en likestrømkrets som gjør det mulig å effektivt beskytte nedstrøms elektroniske systemer, har denne arrester-serien en ekstremt høy lynstrømutladningskapasitet I_total på 50 kA (10/350 μs) som er unikt på markedet.

Type 2 likestrømavleder for bruk i solcelleanlegg: SLP40-PV

Pålitelig drift av SPDer i likestrøms-PV-kretser er også uunnværlig når du bruker type 2 overspenningsvern. For å oppnå dette har overspenningsavlederne i SLP40-PV-serien også en feilbestandig Y-beskyttelseskrets og er også koblet til PV-generatorer opp til 1000 A uten ekstra sikring.

De mange teknologiene kombinert i disse stopperne forhindrer skade på overspenningsbeskyttelsesanordningen på grunn av isolasjonsfeil i PV-kretsen, risikoen for brann fra en overbelastet avleder og setter avlederen i en sikker elektrisk tilstand uten å forstyrre driften av PV-systemet. Takket være beskyttelseskretsen kan den spenningsbegrensende egenskapen til varistorer brukes fullt ut selv i likestrømskretsene til solcelleanlegg. I tillegg minimerer den permanent aktive overspenningsvernapparatet mange små spenningstopper.

Valg av SPD i henhold til spenningsbeskyttelsesnivået U_p

Driftsspenningen på likestrømssiden av solcelleanlegg varierer fra system til system. For tiden er verdier opp til 1500 V likestrøm mulig. Følgelig er den dielektriske styrken til terminalutstyr også forskjellig. For å sikre at PV-systemet er pålitelig beskyttet, må spenningsbeskyttelsesnivået U_p til SPD må være lavere enn den dielektriske styrken til PV-systemet det skal beskytte. CENELEC CLC / TS 50539-12-standarden krever at Up er minst 20% lavere enn den dielektriske styrken til PV-systemet. Type 1 eller type 2 SPD-er må være energikoordinert med inngangen til terminalutstyr. Hvis SPD-er allerede er integrert i terminalutstyr, er koordinering mellom type 2 SPD og inngangskretsen til terminalutstyr sikret av produsenten.

Eksempler på bruk:

Bygning uten eksternt lynbeskyttelsessystem (situasjon A)

Figur 12 viser overspenningsvernkonseptet for et solcelleanlegg installert på en bygning uten eksternt lynbeskyttelsessystem. Farlige overspenninger kommer inn i PV-systemet på grunn av induktiv kobling som følge av nærliggende lynnedslag eller reiser fra strømforsyningssystemet gjennom serviceinngangen til forbrukerens installasjon. Type 2 SPD-er skal installeres på følgende steder:

- DC-siden av modulene og omformerne

- AC-utgang fra omformeren

- Hovedspenning for lavspenning

- Kablet kommunikasjonsgrensesnitt

Hver DC-inngang (MPP) til omformeren må beskyttes av en overspenningsbeskyttelsesenhet type 2, for eksempel SLP40-PV-serien, som på en pålitelig måte beskytter likestrømssiden av solcelleanlegg. CENELEC CLC / TS 50539-12-standarden krever at det installeres en ekstra type 2 likestrømssperre på modulsiden hvis avstanden mellom omformerens inngang og PV-generatoren overstiger 10 m.

Omformerenes vekselstrømutganger er tilstrekkelig beskyttet hvis avstanden mellom solcelleomformerne og installasjonsstedet for type 2-avleder ved nettilkoblingspunktet (lavspenning) er mindre enn 10 m. Ved større kabellengder må det installeres en ekstra overspenningsbeskyttelsesenhet type 2, for eksempel SLP40-275-serien, oppstrøms for vekselstrømmen, inngangen til omformeren i henhold til CENELEC CLC / TS 50539-12.

Videre må en overspenningsvernanordning av type 2 SLP40-275-serien installeres oppstrøms måleren til lavspenningsinnmatingen. CI (Circuit Interruption) står for en koordinert sikring integrert i beskyttelsesveien til avlederen, slik at avlederen kan brukes i vekselstrøm en krets uten ekstra sikkerhetskopi. SLP40-275-serien er tilgjengelig for alle lavspenningssystemkonfigurasjoner (TN-C, TN-S, TT).

Hvis omformere er koblet til data og sensorrør for å overvåke utbyttet, kreves egnede overspenningsvern. FLD2-serien, som har terminaler for to par, for eksempel for innkommende og utgående datalinjer, kan brukes til datasystemer basert på RS 485.

Bygning med eksternt lynbeskyttelsessystem og tilstrekkelig separasjonsavstand s (situasjon B)

Figur 13 viser overspenningsvernkonseptet for et PV-system med eksternt lynbeskyttelsessystem og tilstrekkelig separasjonsavstand s mellom PV-systemet og det eksterne lynbeskyttelsessystemet.

Det primære beskyttelsesmålet er å unngå skader på personer og eiendom (bygningsbrann) som følge av lynnedslag. I denne sammenheng er det viktig at PV-systemet ikke forstyrrer det eksterne lynbeskyttelsessystemet. Videre må PV-anlegget i seg selv være beskyttet mot direkte lynnedslag. Dette betyr at PV-systemet må installeres i det beskyttede volumet til det eksterne lynbeskyttelsessystemet. Dette beskyttede volumet er dannet av lufttermineringssystemer (f.eks. Lufttermineringsstenger) som forhindrer direkte lynnedslag på PV-modulene og kablene. Den beskyttende vinkelmetoden (Figur 14) eller rullende sfæremetode (Figur 15) som beskrevet i underavsnitt 5.2.2 i IEC 62305-3 (EN 62305-3) standarden kan brukes til å bestemme dette beskyttede volumet. En viss separasjonsavstand s må opprettholdes mellom alle ledende deler av PV-systemet og lynbeskyttelsessystemet. I denne sammenheng må kjerneskygger forhindres ved for eksempel å opprettholde tilstrekkelig avstand mellom lufttermineringsstavene og PV-modulen.

Lynekvipotensiell binding er en integrert del av et lynbeskyttelsessystem. Den må implementeres for alle ledende systemer og linjer som kommer inn i bygningen som kan ha lynstrømmer. Dette oppnås ved å koble alle metallsystemer direkte og indirekte koble alle strømførte systemer via lynstrømavledere type 1 til jordavslutningssystemet. Lyn-potensialbinding bør implementeres så nær inngangspunktet i bygningen som mulig for å forhindre at delvise strømmer kommer inn i bygningen. Nettilkoblingspunktet må beskyttes av en flerpolig gnistgap-basert type 1 SPD, for eksempel en kombinert type 1 FLP25GR-arrester. Denne avlederen kombinerer en lynstrømavleder og en overspenningsavleder i en enkelt enhet. Hvis kabellengdene mellom avlederen og omformeren er mindre enn 10 m, gis tilstrekkelig beskyttelse. I tilfelle større kabellengder, må ekstra overspenningsvernapparater av type 2 installeres oppstrøms for vekselstrøminngangen til omformerne i henhold til CENELEC CLC / TS 50539-12.

Hver likestrøm inngangen til omformeren må beskyttes av en type 2 PV-avleder, for eksempel SLP40-PV-serien (Figur 16). Dette gjelder også transformerløse enheter. Hvis omformerne er koblet til datalinjer, for eksempel for å overvåke utbyttet, må overspenningsvern være installert for å beskytte dataoverføring. For dette formålet kan FLPD2-serien leveres for linjer med analoge signal- og databussystemer som RS485. Den oppdager driftsspenningen til det nyttige signalet og justerer spenningsbeskyttelsesnivået til denne driftsspenningen.

Høyspenningsbestandig, isolert HVI-leder

En annen mulighet for å opprettholde separasjonsavstandene er å bruke høyspenningsbestandige, isolerte HVI-ledere som gjør det mulig å opprettholde en separasjonsavstand s opp til 0.9 m i luft. HVI-ledere kan komme direkte i kontakt med PV-systemet nedstrøms for tetningsenden. Mer detaljert informasjon om anvendelse og installasjon av HVI-ledere er gitt i denne lynbeskyttelsesveiledningen eller i de relevante installasjonsinstruksjonene.

Bygning med eksternt lynbeskyttelsessystem med utilstrekkelig separasjonsavstand (situasjon C)

Hvis taktekket er laget av metall eller er dannet av selve PV-systemet, kan separasjonsavstanden ikke opprettholdes. Metallkomponentene i PV-monteringssystemet må kobles til det eksterne lynbeskyttelsessystemet på en slik måte at de kan bære lynstrømmer (kobberleder med et tverrsnitt på minst 16 mm² eller tilsvarende). Dette betyr at lyn-ekvipotensiell binding også må implementeres for PV-ledningene som kommer inn i bygningen fra utsiden (Figur 17). I henhold til tillegg 5 til den tyske DIN EN 62305-3-standarden og CENELEC CLC / TS 50539-12-standarden, må likestrømsledninger beskyttes av type 1 SPD for solcelleanlegg.

For dette formål brukes en type 1 og type 2 kombinert FLP7-PV-arrester. Lynpotensialutjevning må også implementeres i lavspenningstilførselen. Hvis PV-omformeren (e) ligger (er) mer enn 10 m fra type 1 SPD installert på nettilkoblingspunktet, må det installeres en ekstra type 1 SPD på vekselstrømssiden (e) (f.eks. Type 1) + type 2 FLP25GR kombinert arrester). Egnede overspenningsvernapparater må også installeres for å beskytte de relevante datalinjene for utbytteovervåking. FLD2-serien overspenningsbeskyttende enheter brukes til å beskytte datasystemer, for eksempel basert på RS 485.

PV-anlegg med mikroomformere

Microinverters krever et annet overspenningsvernkonsept. For dette formål er DC-linjen til en modul eller et par moduler direkte koblet til den lille omformeren. I denne prosessen må unødvendige lederløkker unngås. Induktiv kobling til slike små likestrømsstrukturer har vanligvis bare et lite energisk ødeleggelsespotensial. Den omfattende kablingen til et PV-system med mikroomformere er plassert på vekselstrømsiden (Figur 18). Hvis mikroomformeren er montert direkte på modulen, kan overspenningsvern bare installeres på vekselstrømssiden:

- Bygninger uten eksternt lynbeskyttelsessystem = type 2 SLP40-275 avledere for vekselstrøm / trefasestrøm i nærheten av mikroomformerne og SLP40-275 ved lavspenningsinnføring.

- Bygninger med eksternt lynbeskyttelsessystem og tilstrekkelig separasjonsavstand s = type 2-avledere, for eksempel SLP40-275, i nærheten av mikroomformere og lynstrømbærende type 1-avledere ved lavspenningsinnmatingen, for eksempel FLP25GR.

- Bygninger med eksternt lynbeskyttelsessystem og utilstrekkelig separasjonsavstand s = type 1-avledere, for eksempel SLP40-275, i nærheten av mikroomformere og lynstrømbærende type 1 FLP25GR-avledere ved lavspenning.

Uavhengig av bestemte produsenter, har mikroomformere dataovervåkningssystemer. Hvis data moduleres til vekselstrømsledningene via mikroomformerne, må det gis en overspenningsvern på de separate mottaksenhetene (dataeksport / databehandling). Det samme gjelder grensesnittforbindelser med nedstrøms bussystemer og deres spenningsforsyning (f.eks. Ethernet, ISDN).

Solkraftproduksjon er en integrert del av dagens elektriske systemer. De bør være utstyrt med tilstrekkelig lynstrøm og overspenningsavledere, og dermed sikre langvarig feilfri drift av disse strømkildene.