Ochrana pred bleskom a prepätím pre strešné fotovoltaické systémy
V súčasnosti je nainštalovaných veľa FV systémov. Na základe skutočnosti, že vlastná výroba elektriny je všeobecne lacnejšia a poskytuje vysoký stupeň elektrickej nezávislosti od siete, sa FV systémy v budúcnosti stanú neoddeliteľnou súčasťou elektrických inštalácií. Tieto systémy sú však vystavené všetkým poveternostným podmienkam a musia im odolávať celé desaťročia.
Káble FV systémov často vstupujú do budovy a tiahnu sa na veľké vzdialenosti, kým sa dostanú do bodu pripojenia k sieti.
Výboje blesku spôsobujú elektrické a elektromagnetické rušenie vedené poľom. Tento efekt sa zvyšuje vo vzťahu k zväčšovaniu dĺžok káblov alebo slučiek vodičov. Nárazy nepoškodia iba FV panely, invertory a ich monitorovaciu elektroniku, ale aj prístroje v inštalácii budovy.
Dôležitejšie je, že sa môžu ľahko poškodiť aj výrobné zariadenia priemyselných budov a výroba sa môže zastaviť.
Ak sa do systémov vzdialených od elektrickej siete, ktoré sa označujú aj ako samostatné FV systémy, vstrekujú prepätia, môže dôjsť k prerušeniu činnosti zariadení napájaných slnečnou elektrinou (napr. Lekárske zariadenia, dodávka vody).
Nevyhnutnosť strešného systému ochrany pred bleskom
Energia uvoľnená bleskovým výbojom je jednou z najčastejších príčin požiaru. Preto má osobná a protipožiarna ochrana v prípade priameho zásahu blesku do budovy prvoradý význam.
Vo fáze projektovania FV systému je zrejmé, či je na budove nainštalovaný systém ochrany pred bleskom. Stavebné predpisy niektorých krajín vyžadujú, aby verejné budovy (napr. Verejné zhromaždenia, školy a nemocnice) boli vybavené systémom ochrany pred bleskom. V prípade priemyselných alebo súkromných budov záleží na ich umiestnení, druhu konštrukcie a využitia, či musí byť nainštalovaný systém ochrany pred bleskom. Za týmto účelom je potrebné určiť, či možno očakávať úder blesku, alebo či by to mohlo mať vážne následky. Konštrukcie, ktoré potrebujú ochranu, musia byť vybavené trvalo účinnými systémami ochrany pred bleskom.
Podľa stavu vedeckých a technických poznatkov inštalácia FV modulov nezvyšuje riziko úderu blesku. Žiadosť o opatrenia na ochranu pred bleskom preto nemožno odvodiť priamo z púhej existencie FV systému. Cez tieto systémy však môže byť do budovy vháňané podstatné rušenie bleskom.
Preto je potrebné určiť riziko vyplývajúce z úderu blesku podľa normy IEC 62305-2 (EN 62305-2) a pri inštalácii FV systému zohľadniť výsledky tejto analýzy rizík.
Oddiel 4.5 (Riadenie rizík) dodatku 5 nemeckej normy DIN EN 62305-3 popisuje, že systém ochrany pred bleskom navrhnutý pre triedu LPS III (LPL III) spĺňa obvyklé požiadavky pre FV systémy. Primerané opatrenia na ochranu pred bleskom sú navyše uvedené v nemeckej smernici VdS 2010 (Nebezpečenstvo blesku a prepätia) vydanej Nemeckou asociáciou poisťovní. Toto usmernenie tiež vyžaduje, aby bol pre strešné FV systémy (> 10 kW) nainštalovaný LPL III, a teda systém ochrany pred bleskom podľa triedy LPS III.p) a aby sa prijali opatrenia na ochranu proti prepätiu. Všeobecne platí, že strešné fotovoltaické systémy nesmú zasahovať do existujúcich opatrení na ochranu pred bleskom.
Potreba prepäťovej ochrany pre FV systémy
V prípade výboja blesku sú na elektrických vodičoch vyvolané rázy. Prepäťové ochrany (SPD), ktoré musia byť inštalované pred zariadeniami chránenými na strane striedavého prúdu, jednosmerného prúdu a údajov, sa osvedčili ako veľmi účinné pri ochrane elektrických systémov pred týmito ničivými špičkami napätia. Oddiel 9.1 normy CENELEC CLC / TS 50539-12 (Zásady výberu a použitia - SPD pripojené k fotovoltaickým zariadeniam) požaduje inštaláciu prepäťových ochranných zariadení, pokiaľ analýza rizík nepreukáže, že SPD nie sú potrebné. Podľa normy IEC 60364-4-44 (HD 60364-4-44) musia byť prepäťové ochranné zariadenia inštalované aj pre budovy bez vonkajšieho systému ochrany pred bleskom, ako sú obchodné a priemyselné budovy, napr. Poľnohospodárske objekty. Dodatok 5 nemeckej normy DIN EN 62305-3 poskytuje podrobný popis typov SPD a ich miesta inštalácie.
Káblové vedenie FV systémov
Káble musia byť vedené tak, aby sa zabránilo vzniku veľkých vodičových slučiek. Toto je potrebné dodržať pri kombinovaní jednosmerných obvodov do jedného reťazca a pri vzájomnom prepojení viacerých reťazcov. Dátové alebo senzorové vedenia navyše nesmú byť vedené cez niekoľko reťazcov a tvoriť s nimi veľké vodičové slučky. Toto je potrebné dodržať aj pri pripájaní striedača k sieťovej prípojke. Z tohto dôvodu musia byť silové (jednosmerné a striedavé) a dátové vedenia (napr. Snímač žiarenia, sledovanie výťažku) vedené spolu s vodičmi vyrovnania potenciálov po celej ich trase.
Uzemnenie FV systémov
FV panely sú zvyčajne pripevnené na kovových montážnych systémoch. Živé FV komponenty na strane dc majú dvojitú alebo zosilnenú izoláciu (porovnateľnú s predchádzajúcou ochrannou izoláciou), ako sa vyžaduje v norme IEC 60364-4-41. Kombinácia mnohých technológií na strane modulu a meniča (napr. S galvanickým oddelením alebo bez neho) vedie k rôznym požiadavkám na uzemnenie. Monitorovací systém izolácie integrovaný do meničov je navyše trvale efektívny iba vtedy, ak je montážny systém pripojený k zemi. Informácie o praktickej implementácii sú uvedené v doplnku 5 nemeckej normy DIN EN 62305-3. Kovová konštrukcia je funkčne uzemnená, ak je FV systém umiestnený v chránenom objeme jímacích systémov a je dodržaná rozstupová vzdialenosť. Oddiel 7 doplnku 5 vyžaduje medené vodiče s prierezom najmenej 6 mm2 alebo ekvivalent pre funkčné uzemnenie (obrázok 1). Montážne koľajnice musia byť tiež trvalo vzájomne prepojené pomocou vodičov tohto prierezu. Ak je montážny systém priamo spojený s vonkajším systémom ochrany pred bleskom z dôvodu, že nie je možné dodržať rozstupovú vzdialenosť s, stávajú sa tieto vodiče súčasťou systému vyrovnania potenciálov blesku. Preto musia byť tieto prvky schopné prenášať bleskové prúdy. Minimálna požiadavka na systém ochrany pred bleskom navrhnutý pre triedu LPS III je medený vodič s prierezom 16 mm.2 alebo ekvivalent. V tomto prípade musia byť montážne koľajnice tiež trvalo prepojené pomocou vodičov tohto prierezu (obrázok 2). Funkčný uzemňovací / bleskový ekvipotenciálny vodič by mal byť vedený paralelne a čo najbližšie k jednosmerným a striedavým káblom / vedeniam.
Uzemňovacie svorky UNI (obrázok 3) je možné pripevniť na všetky bežné montážne systémy. Spájajú napríklad medené vodiče s prierezom 6 alebo 16 mm2 a holé uzemňovacie drôty s priemerom od 8 do 10 mm k upevňovaciemu systému tak, aby mohli prenášať bleskové prúdy. Integrovaná kontaktná doska z nehrdzavejúcej ocele (V4A) zaisťuje antikoróznu ochranu hliníkových montážnych systémov.
Separačná vzdialenosť s podľa IEC 62305-3 (EN 62305-3) Medzi systémom ochrany pred bleskom a FV systémom musí byť dodržaná určitá separačná vzdialenosť s. Definuje vzdialenosť potrebnú na zabránenie nekontrolovanému preskočeniu na susedné kovové časti v dôsledku úderu blesku do vonkajšieho systému ochrany pred bleskom. V najhoršom prípade môže takýto nekontrolovaný preskok budovu podpáliť. V takom prípade sa poškodenie FV systému stáva irelevantným.
Tiene jadra na solárnych článkoch
Vzdialenosť medzi solárnym generátorom a vonkajším systémom ochrany pred bleskom je absolútne nevyhnutná, aby sa zabránilo nadmernému zatieneniu. Difúzne tiene vrhané napríklad nadzemným vedením, nijako výrazne neovplyvňujú FV systém a výťažnosť. Avšak v prípade tieňov jadra sa na povrch za objektom vrhá tmavý jasne načrtnutý tieň, ktorý mení prúd pretekajúci FV panelmi. Z tohto dôvodu nesmú byť slnečné články a s nimi spojené premosťovacie diódy ovplyvňované tieňmi jadra. To sa dá dosiahnuť dodržaním dostatočnej vzdialenosti. Napríklad ak jímací modul s priemerom 10 mm zatieni modul, tieň jadra sa stabilne zmenšuje, keď sa vzdialenosť od modulu zväčšuje. Po 1.08 m sa na modul vrhá iba difúzny tieň (obrázok 4). Príloha A dodatku 5 nemeckej normy DIN EN 62305-3 poskytuje podrobnejšie informácie o výpočte tieňov jadra.
Špeciálne prepäťové ochrany pre jednosmerný prúd na strane fotovoltaických systémov
U / I charakteristiky fotovoltaických prúdových zdrojov sú veľmi odlišné od konvenčných jednosmerných zdrojov: Majú nelineárnu charakteristiku (obrázok 5) a spôsobujú dlhodobú perzistenciu zapálených oblúkov. Táto jedinečná povaha zdrojov FV prúdu nevyžaduje iba väčšie FV spínače a FV poistky, ale aj odpojovač prepäťovej ochrany, ktorý je prispôsobený tejto jedinečnej povahe a je schopný zvládnuť FV prúdy. Dodatok 5 nemeckej normy DIN EN 62305-3 (pododdiel 5.6.1, tabuľka 1) popisuje výber vhodných SPD.
Na uľahčenie výberu SPD typu 1, tabuľky 1 a 2 ukazujú požadovanú schopnosť prenášať bleskový prúd Inezbedník v závislosti od triedy LPS, množstva zvodových vodičov vonkajších systémov ochrany pred bleskom, ako aj typu SPD (zvodič obmedzujúci napätie na báze varistora alebo zvodič napätia na báze iskier). Musia sa použiť SPD, ktoré zodpovedajú príslušnej norme EN 50539-11. Na túto normu sa odkazuje aj pododdiel 9.2.2.7 CENELEC CLC / TS 50539-12.
DC zvodič typu 1 pre použitie v FV systémoch:
Viacpólový kombinovaný zvodič jednosmerného prúdu 1 + typ 2 FLP7-PV. Toto jednosmerné spínacie zariadenie sa skladá z kombinovaného odpojovacieho a skratovacieho zariadenia s Thermo Dynamic Control a poistkou v obtokovej ceste. Tento obvod bezpečne odpojí zvodič od napätia generátora v prípade preťaženia a spoľahlivo uhasí jednosmerné oblúky. Umožňuje teda ochranu FV generátorov do 1000 XNUMX A bez ďalšej záložnej poistky. Tento zvodič kombinuje zvodič bleskového prúdu a zvodič prepätia v jednom prístroji, čím zaisťuje účinnú ochranu koncových zariadení. So svojou vybíjacou kapacitou Icelkový 12.5 kA (10/350 μs) sa dá flexibilne použiť pre najvyššie triedy LPS. FLP7-PV je k dispozícii pre napätie UCPV 600 V, 1000 1500 V a 3 7 V a má šírku iba 1 moduly. Preto je FLPXNUMX-PV ideálnym kombinovaným zvodičom typu XNUMX na použitie vo fotovoltaických systémoch napájania.
Napäťové spínacie iskričkové SPD typu 1, napríklad FLP12,5-PV, je ďalšou výkonnou technológiou, ktorá umožňuje vybíjanie čiastočných bleskových prúdov v prípade jednosmerných PV systémov. Vďaka svojej technológii iskrenia a jednosmernému hasiacemu obvodu, ktorý umožňuje účinne chrániť následné elektronické systémy, má táto série zvodičov extrémne vysokú kapacitu výboja bleskového prúdu Icelkový 50 kA (10/350 μs), čo je na trhu jedinečné.
DC zvodič typu 2 na použitie v FV systémoch: SLP40-PV
Spoľahlivá prevádzka SPD v jednosmerných FV obvodoch je tiež nevyhnutná pri použití prepäťových ochranných zariadení typu 2. Z tohto dôvodu majú zvodiče prepätia série SLP40-PV tiež ochranný obvod Y odolný voči poruchám a sú tiež pripojené k FV generátorom do 1000 XNUMX A bez ďalšej záložnej poistky.
Početné technológie kombinované v týchto zvodičoch zabraňujú poškodeniu prepäťovej ochrany v dôsledku porúch izolácie vo FV obvode, riziku požiaru preťaženého zvodiča a uvádzajú zvodič do bezpečného elektrického stavu bez prerušenia činnosti FV systému. Vďaka ochrannému obvodu možno charakteristiku varistorov obmedzujúcu napätie plne využiť aj v jednosmerných obvodoch FV systémov. Trvalo aktívne prepäťové ochranné zariadenie navyše minimalizuje početné malé napäťové špičky.
Výber SPD podľa úrovne ochrany napätia Up
Prevádzkové napätie na jednosmernej strane na strane FV systémov sa líši od systému k systému. V súčasnosti sú možné hodnoty do 1500 XNUMX V ss. V dôsledku toho sa tiež líši dielektrická pevnosť koncového zariadenia. Aby bola FV sústava spoľahlivo chránená, musí byť úroveň ochrany napätia Up na SPD musí byť nižšia ako dielektrická pevnosť FV systému, ktorý má chrániť. Norma CENELEC CLC / TS 50539-12 vyžaduje, aby Up bola najmenej o 20% nižšia ako dielektrická pevnosť FV systému. SPD typu 1 alebo 2 musia byť energeticky koordinované so vstupom koncového zariadenia. Ak sú SPD už integrované do koncového zariadenia, výrobca zabezpečuje koordináciu medzi SPD typu 2 a vstupným obvodom koncového zariadenia.
Príklady aplikácií:
Budova bez vonkajšieho systému ochrany pred bleskom (situácia A)
Obrázok 12 zobrazuje koncepciu prepäťovej ochrany pre FV systém nainštalovaný v budove bez vonkajšieho systému ochrany pred bleskom. Nebezpečné prepätia vstupuje do FV systému v dôsledku indukčného spojenia spôsobeného blízkymi údermi blesku alebo cestovania zo systému napájania cez servisný vstup do inštalácie spotrebiteľa. SPD typu 2 sa majú inštalovať na týchto miestach:
- dc strana modulov a invertorov
- striedavý výstup meniča
- Hlavná rozvádzač nízkeho napätia
- Drôtové komunikačné rozhrania
Každý dc vstup (MPP) meniča musí byť chránený prepäťovou ochranou typu 2, napríklad sériou SLP40-PV, ktorá spoľahlivo chráni dc na strane FV systémov. Norma CENELEC CLC / TS 50539-12 vyžaduje, aby bol na strane modulu nainštalovaný ďalší zvodič jednosmerného prúdu typu 2, ak vzdialenosť medzi vstupom meniča a FV generátorom presahuje 10 m.
Striedavé výstupy striedačov sú dostatočne chránené, ak je vzdialenosť medzi FV meničmi a miestom inštalácie zvodiča typu 2 v mieste pripojenia k sieti (prívod nízkeho napätia) menšia ako 10 m. V prípade väčších dĺžok káblov musí byť pred vstupom striedavého prúdu nainštalované ďalšie prepäťové ochranné zariadenie typu 2, napríklad série SLP40-275, podľa CENELEC CLC / TS 50539-12.
Okrem toho musí byť pred meračom prívodu nízkeho napätia nainštalované prepäťové ochranné zariadenie série 2 SLP40-275. CI (Circuit Interruption) znamená koordinovanú poistku integrovanú do ochrannej dráhy zvodiča, ktorá umožňuje použitie zvodiča v obvode striedavého prúdu bez ďalšej záložnej poistky. Séria SLP40-275 je k dispozícii pre každú konfiguráciu nízkonapäťového systému (TN-C, TN-S, TT).
Ak sú na sledovanie výťažku pripojené meniče k dátovým a senzorovým vedením, sú potrebné vhodné ochranné prepäťové ochrany. Sériu FLD2, ktorá obsahuje svorky pre dva páry, napríklad pre prichádzajúce a odchádzajúce dátové linky, je možné použiť pre dátové systémy založené na RS 485.
Budova s vonkajším systémom ochrany pred bleskom a dostatočnou rozstupovou vzdialenosťou s (situácia B)
Obrázok 13 ukazuje koncepciu prepäťovej ochrany pre FV systém s externým systémom ochrany pred bleskom a dostatočnú vzdialenosť s medzi FV systémom a externým systémom ochrany pred bleskom.
Cieľom primárnej ochrany je zabrániť škodám na osobách a majetku (požiar budovy) spôsobeným úderom blesku. V tejto súvislosti je dôležité, aby FV systém nezasahoval do vonkajšieho systému ochrany pred bleskom. Samotný FV systém musí byť navyše chránený pred priamymi údermi blesku. To znamená, že FV systém musí byť nainštalovaný v chránenom objeme vonkajšieho systému ochrany pred bleskom. Tento chránený objem je tvorený jímacími systémami (napr. Jímacími tyčami), ktoré zabraňujú priamemu úderu blesku do FV modulov a káblov. Metóda ochranného uhla (Obrázok 14) alebo metóda valenia gule (Obrázok 15) ako je opísané v pododdiele 5.2.2 normy IEC 62305-3 (EN 62305-3), možno na určenie tohto chráneného objemu použiť. Medzi všetkými vodivými časťami FV systému a systémom ochrany pred bleskom musí byť dodržaná určitá vzdialenosť. V tejto súvislosti je potrebné zabrániť tieňom jadra napríklad dodržaním dostatočnej vzdialenosti medzi jímacími tyčami a FV modulom.
Bleskové vyrovnanie potenciálov je neoddeliteľnou súčasťou systému ochrany pred bleskom. Musí sa implementovať pre všetky vodivé systémy a vedenia vstupujúce do budovy, ktoré môžu viesť bleskové prúdy. To sa dosiahne priamym pripojením všetkých kovových systémov a nepriamym pripojením všetkých systémov napájaných cez zvodiče bleskových prúdov typu 1 k uzemňovaciemu systému. Bleskové vyrovnanie potenciálov by sa malo realizovať čo najbližšie k vstupnému bodu do budovy, aby sa zabránilo vstupu čiastočných bleskových prúdov do budovy. Miesto pripojenia do siete musí byť chránené viacpólovým SPD typu 1 na báze iskier, napríklad kombinovaným zvodičom FLP1GR typu 25. Tento zvodič kombinuje zvodič bleskového prúdu a zvodič prepätia v jednom prístroji. Ak sú dĺžky káblov medzi zvodičom a meničom menšie ako 10 m, je zabezpečená dostatočná ochrana. V prípade väčších dĺžok káblov musia byť pred vstupom striedavého prúdu nainštalované ďalšie prepäťové ochrany typu 2 podľa CENELEC CLC / TS 50539-12.
Každý dc musí byť vstup meniča chránený FV zvodičom typu 2, napríklad sériou SLP40-PV (obrázok 16). To platí aj pre beztransformátorové zariadenia. Ak sú meniče pripojené k dátovým linkám, napríklad na sledovanie výťažnosti, musia byť na ochranu dátového prenosu nainštalované prepäťové ochrany. Z tohto dôvodu je možné poskytnúť série FLPD2 pre linky so systémami analógového signálu a dátových zberníc, ako je RS485. Zistí prevádzkové napätie užitočného signálu a nastaví úroveň ochrany napätia na toto prevádzkové napätie.
Izolovaný vodič HVI odolný voči vysokému napätiu
Ďalšou možnosťou na udržanie separačných vzdialeností je použitie vysokonapäťových izolovaných HVI vodičov, ktoré umožňujú udržiavať na vzduchu separačnú vzdialenosť s až 0.9 m. Vodiče HVI môžu priamo kontaktovať FV systém za koncovým rozsahom utesnenia. Podrobnejšie informácie o aplikácii a inštalácii vodičov HVI sú uvedené v tejto príručke ochrany pred bleskom alebo v príslušných pokynoch k inštalácii.
Budova s vonkajším systémom ochrany pred bleskom s nedostatočnými separačnými vzdialenosťami (situácia C)
Ak je strešná krytina vyrobená z kovu alebo je tvorená samotným FV systémom, nie je možné dodržať rozstupovú vzdialenosť s. Kovové komponenty FV systému musia byť pripojené k vonkajšiemu systému ochrany pred bleskom tak, aby uniesli bleskové prúdy (medený vodič s prierezom najmenej 16 mm2 alebo ekvivalent). To znamená, že bleskové vyrovnanie potenciálov musí byť realizované aj pre FV vedenia vstupujúce do budovy zvonku (obrázok 17). Podľa doplnku 5 nemeckej normy DIN EN 62305-3 a normy CENELEC CLC / TS 50539-12 musia byť jednosmerné vedenia pre FV systémy chránené SPD typu 1.
Na tento účel sa používa kombinovaný zvodič FLP1-PV typu 2 a typu 7. Pri napájaní nízkym napätím musí byť tiež implementované vyrovnanie potenciálov blesku. Ak sú FV invertory umiestnené viac ako 10 m od SPD typu 1 nainštalovaného v mieste pripojenia k sieti, musí byť na AC strane striedača (invertorov) nainštalovaný ďalší SPD typu 1 (napr. + kombinovaný zvodič typu FLP1GR typu 2). Musia byť tiež nainštalované vhodné prepäťové ochranné zariadenia na ochranu príslušných dátových vedení na monitorovanie výťažnosti. Prepäťové ochrany série FLD25 sa používajú na ochranu dátových systémov, napríklad na báze RS 2.
FV systémy s mikroinvertormi
Mikroinvertory vyžadujú iný koncept ochrany proti prepätiu. Za týmto účelom je dc vedenie modulu alebo dvojice modulov priamo spojené s malým meničom. V tomto procese sa musí zabrániť zbytočným vodičovým slučkám. Induktívne spojenie do tak malých štruktúr ss má zvyčajne iba nízky potenciál deštrukcie. Rozsiahla kabeláž FV systému s mikroinvertormi je umiestnená na strane striedavého prúdu (Obrázok 18). Ak je mikroinvertor namontovaný priamo na module, môžu sa prepäťové ochrany inštalovať iba na strane striedavého prúdu:
- Budovy bez externého systému ochrany pred bleskom = zvodiče blesku SLP2-40 typu 275 pre striedavý / trojfázový prúd v tesnej blízkosti mikroinvertorov a SLP40-275 pri nízkonapäťovom napájaní.
- Budovy s externým systémom ochrany pred bleskom a dostatočnou separačnou vzdialenosťou zvodiče zvodiča typu 2, napríklad SLP40-275, v tesnej blízkosti mikroinvertorov a zvodičov bleskových prúdov typu 1 pri nízkonapäťovom napájaní, napríklad FLP25GR.
- Budovy s externým systémom ochrany pred bleskom a nedostatočnou separačnou vzdialenosťou zvodiče blesku s = typ 1, napríklad SLP40-275, v tesnej blízkosti mikroinvertorov a zvodičov bleskov typu 1 FLP25GR pri nízkonapäťovom napájaní.
Nezávisle od konkrétnych výrobcov majú mikroinvertory systémy na monitorovanie údajov. Ak sú údaje modulované na striedavé vedenie prostredníctvom mikroinvertorov, musí byť na samostatných prijímacích jednotkách zabezpečené prepäťové ochranné zariadenie (export / spracovanie údajov). To isté platí pre prepojenia rozhraní s následnými systémami zbernice a ich napájaním (napr. Ethernet, ISDN).
Solárne systémy na výrobu energie sú neoddeliteľnou súčasťou dnešných elektrických systémov. Mali by byť vybavené primeraným bleskovým prúdom a zvodičmi prepätia, čím sa zabezpečí dlhodobá bezchybná prevádzka týchto zdrojov elektrickej energie.
