Blixt- och överspänningsskydd för solcellssystem på taket

För närvarande är många solcellssystem installerade. Baserat på det faktum att egenproducerad elektricitet i allmänhet är billigare och ger en hög grad av eloberoende från elnätet, kommer solcellssystem att bli en integrerad del av elektriska installationer i framtiden. Dessa system är dock utsatta för alla väderförhållanden och måste motstå dem under årtionden.

Kablarna i solcellsanläggningar kommer ofta in i byggnaden och sträcker sig över långa avstånd tills de når nätanslutningspunkten.

Blixtnedladdningar orsakar fältbaserade och ledda elektriska störningar. Denna effekt ökar i förhållande till ökande kabellängder eller ledningsöglor. Överspänningar skadar inte bara solcellsmodulerna, växelriktarna och deras övervakningselektronik utan också enheter i byggnadsinstallationen.

Ännu viktigare, produktionsanläggningar för industribyggnader kan också lätt skadas och produktionen kan stoppas.

Om överspänningar injiceras i system som ligger långt från elnätet, vilket också kallas fristående solcellssystem, kan driften av utrustning som drivs av solenergi (t.ex. medicinsk utrustning, vattenförsörjning) störas.

Nödvändigheten av ett blixtskyddssystem på taket

Energin som släpps ut av ett blixtnedslag är en av de vanligaste orsakerna till branden. Därför är personligt skydd och brandskydd av yttersta vikt vid direkt blixtnedslag till byggnaden.

I designfasen av ett PV-system är det uppenbart om ett blixtskyddssystem är installerat på en byggnad. Vissa länders byggregler kräver att offentliga byggnader (t.ex. platser för församling, skolor och sjukhus) ska vara utrustade med ett blixtskyddssystem. Vid industriella eller privata byggnader beror det på deras läge, typ av konstruktion och användning om ett blixtskyddssystem måste installeras. För detta ändamål måste det avgöras om blixtnedslag kan förväntas eller kan få allvarliga konsekvenser. Strukturer som behöver skydd måste vara försedda med permanent effektiva blixtskyddssystem.

Enligt tillståndet för vetenskaplig och teknisk kunskap ökar inte installationen av solcellsmoduler risken för blixtnedslag. Därför kan begäran om blixtskyddsåtgärder inte härledas direkt från att det bara finns ett solcellssystem. Dock kan betydande blixtstörningar sprutas in i byggnaden genom dessa system.

Därför är det nödvändigt att bestämma risken som följer av ett blixtnedslag enligt IEC 62305-2 (EN 62305-2) och att ta hänsyn till resultaten från denna riskanalys vid installation av solcellsanläggningen.

Avsnitt 4.5 (Riskhantering) i tillägg 5 i den tyska DIN EN 62305-3-standarden beskriver att ett blixtskyddssystem konstruerat för klassen LPS III (LPL III) uppfyller de vanliga kraven för solcellssystem. Dessutom är adekvata åskskyddsåtgärder listade i den tyska VdS 2010-riktlinjen (Riskorienterad blixt- och överspänningsskydd) publicerad av tyska försäkringsföreningen. Denna riktlinje kräver också att LPL III och därmed ett blixtskyddssystem enligt klassen LPS III installeras för solcellssystem på taket (> 10 kW_p) och att överspänningsskyddsåtgärder vidtas. Som en allmän regel får solceller på taket inte störa de befintliga åskskyddsåtgärderna.

Nödvändigheten av överspänningsskydd för solcellssystem

I händelse av en blixturladdning induceras spänningar på elektriska ledare. Överspänningsskydd (SPD) som måste installeras uppströms om enheterna som ska skyddas på växelström, likström och datasida har visat sig vara mycket effektiva för att skydda elektriska system från dessa destruktiva spänningstoppar. Avsnitt 9.1 i CENELEC CLC / TS 50539-12-standarden (Urvals- och tillämpningsprinciper - SPD anslutna till solcelleanläggningar) kräver installation av överspänningsskyddsanordningar såvida inte en riskanalys visar att SPD inte behövs. Enligt standarden IEC 60364-4-44 (HD 60364-4-44) måste överspänningsskydd också installeras för byggnader utan externt blixtskyddssystem som kommersiella och industriella byggnader, t.ex. jordbruksanläggningar. Tillägg 5 i den tyska DIN EN 62305-3-standarden ger en detaljerad beskrivning av typerna av SPD och deras installationsplats.

Kabeldragning av PV-system

Kablar måste dras på ett sådant sätt att stora ledningsöglor undviks. Detta måste observeras när DC-kretsarna kombineras för att bilda en sträng och vid sammankoppling av flera strängar. Dessutom får data eller sensorrader inte dirigeras över flera strängar och bilda stora ledningsslingor med stränglinjerna. Detta måste också beaktas när växelriktaren ansluts till nätanslutningen. Av denna anledning måste kraften (likström och växelström) och dataledningar (t.ex. strålningssensor, strömsövervakning) dirigeras tillsammans med potentialutjämningsledarna längs hela sin väg.

Jordning av solcellssystem

PV-moduler är vanligtvis fixerade på metallmonteringssystem. De levande PV-komponenterna på likströmssidan har dubbel eller förstärkt isolering (jämförbar med tidigare skyddsisolering) enligt kraven i IEC 60364-4-41-standarden. Kombinationen av många teknologier på modul- och inverterarsidan (t.ex. med eller utan galvanisk isolering) resulterar i olika jordningskrav. Dessutom är isoleringsövervakningssystemet integrerat i omformarna endast permanent effektivt om monteringssystemet är anslutet till jord. Information om det praktiska genomförandet ges i tillägg 5 till den tyska standarden DIN EN 62305-3. Metallunderstrukturen är funktionellt jordad om solcellssystemet är beläget i den skyddade volymen hos luftavslutningssystemen och separationsavståndet bibehålls. Avsnitt 7 i tillägg 5 kräver kopparledare med ett tvärsnitt på minst 6 mm² eller motsvarande för funktionell jordning (Figur 1). Monteringsskenorna måste också vara permanent sammankopplade med ledare med detta tvärsnitt. Om monteringssystemet är direkt anslutet till det externa blixtskyddssystemet på grund av att separationsavståndet s inte kan upprätthållas, blir dessa ledare en del av blixtens potentialutjämningssystem. Följaktligen måste dessa element kunna bära blixtströmmar. Minimikravet för ett blixtskyddssystem konstruerat för en klass av LPS III är en kopparledare med ett tvärsnitt på 16 mm² eller likvärdig. I det här fallet måste monteringsskenorna också vara permanent sammankopplade med ledare med detta tvärsnitt (figur 2). Den funktionella jordledningen / blixtens potentialutjämningsledare ska ledas parallellt och så nära likströms- och växelströmskablarna som möjligt.

UNI-jordningsklämmor (Figur 3) kan fästas på alla vanliga monteringssystem. De ansluter till exempel kopparledare med ett tvärsnitt på 6 eller 16 mm² och bar jordledningar med en diameter från 8 till 10 mm till monteringssystemet på ett sådant sätt att de kan bära blixtströmmar. Den integrerade kontaktplattan i rostfritt stål (V4A) säkerställer korrosionsskydd för aluminiummonteringssystem.

Separationsavstånd s enligt IEC 62305-3 (EN 62305-3) Ett visst separationsavstånd s måste hållas mellan ett blixtskyddssystem och ett PV-system. Den definierar det avstånd som krävs för att undvika okontrollerad övergång till intilliggande metalldelar till följd av ett blixtnedslag till det externa blixtskyddssystemet. I värsta fall kan en sådan okontrollerad flashover sätta eld på en byggnad. I detta fall blir skador på solcellssystemet irrelevant.

Kärnskuggor på solceller

Avståndet mellan solgeneratorn och det externa blixtskyddssystemet är absolut nödvändigt för att förhindra överdriven skuggning. Diffusa skuggor som kastas av till exempel luftledningar påverkar inte väsentligt solcellssystemet och avkastningen. När det gäller kärnskuggor kastas emellertid en mörk tydligt skisserad skugga på ytan bakom ett objekt, vilket ändrar strömmen som flyter genom PV-modulerna. Av denna anledning får solceller och tillhörande bypassdioder inte påverkas av kärnskuggor. Detta kan uppnås genom att hålla ett tillräckligt avstånd. Till exempel, om en luftavslutningsstång med en diameter på 10 mm avskärmar en modul, minskas kärnskuggan stadigt när avståndet från modulen ökar. Efter 1.08 m kastas endast en diffus skugga på modulen (Figur 4). Bilaga A till tillägg 5 till den tyska DIN EN 62305-3-standarden ger mer detaljerad information om beräkning av kärnskuggor.

Speciella överspänningsskyddsanordningar för likströmssidan av solcellssystem

U / I-egenskaperna hos solcellströmskällor skiljer sig väldigt mycket från konventionella likströmskällor: De har en icke-linjär karaktäristik (figur 5) och orsakar långvarig uthållighet av antända bågar. Denna unika karaktär hos solcellsströmskällor kräver inte bara större solcellsbrytare och solcellssäkringar, utan också en brytare för den överspänningsskyddande anordningen som är anpassad till denna unika natur och klarar av att hantera solströmmar. Tillägg 5 i den tyska standarden DIN EN 62305-3 (underavsnitt 5.6.1, tabell 1) beskriver valet av adekvata SPD.

För att underlätta valet av typ 1 SPD, visar tabell 1 och 2 erforderlig blixtimpulsströmförmåga I_imp beroende på klassen LPS, ett antal nedledare för de externa blixtskyddssystemen samt SPD-typen (spänningsbegränsande varistorbaserad avledare eller spänningsomkopplande gnistgap-baserad avledare). SPD: er som uppfyller tillämplig EN 50539-11-standard måste användas. Underavsnitt 9.2.2.7 i CENELEC CLC / TS 50539-12 hänvisar också till denna standard.

Typ 1 DC-avledare för användning i solcellssystem:

Multipol typ 1 + typ 2 kombinerad likströmsavledare FLP7-PV. Denna likströmsomkopplare består av en kombinerad frånkopplings- och kortslutningsanordning med Thermo Dynamic Control och en säkring i förbikopplingsvägen. Denna krets kopplar säkert bort avledaren från generatorspänningen i händelse av överbelastning och släcker på ett tillförlitligt sätt DC-bågar. Således tillåter det att skydda solcellsgeneratorer upp till 1000 A utan en extra säkerhetskopia. Denna avledare kombinerar en blixtavledare och en överspänningsavledare i en enda enhet, vilket säkerställer ett effektivt skydd av terminalutrustningen. Med sin urladdningskapacitet I_Totalt på 12.5 kA (10/350 μs) kan den användas flexibelt för de högsta klasserna av LPS. FLP7-PV finns för spänningar U_CPV på 600 V, 1000 V och 1500 V och har en bredd på endast 3 moduler. Därför är FLP7-PV den perfekta typ 1 kombinerade avledaren för användning i solcellssystem.

Spänningsomkopplande gnistgap-baserade SPD-typ 1, till exempel FLP12,5-PV, är en annan kraftfull teknik som möjliggör urladdning av partiella blixtströmmar vid likströms-PV-system. Tack vare gnistgapsteknologin och en likströmsutrotningskrets som gör det möjligt att effektivt skydda nedströms elektroniska system har denna avledarserie en extremt hög blixtströmskapacitet I_Totalt på 50 kA (10/350 μs) vilket är unikt på marknaden.

Typ 2 likströmsavledare för användning i solcellssystem: SLP40-PV

Pålitlig drift av SPD i likströms PV-kretsar är också oumbärlig när man använder överspänningsskydd av typ 2. För detta ändamål har SLP40-PV-serien överspänningsavledare också en felsäker Y-skyddskrets och är också ansluten till PV-generatorer upp till 1000 A utan ytterligare reservsäkring.

De många tekniker som kombineras i dessa avledare förhindrar skador på den överspänningsskyddande anordningen på grund av isoleringsfel i PV-kretsen, risken för brand av en överbelastad avledare och sätter avledaren i ett säkert elektriskt tillstånd utan att störa driften av PV-systemet. Tack vare skyddskretsen kan spänningsbegränsande egenskaper hos varistorer användas fullt ut även i likströmskretsarna i solcellssystem. Dessutom minimerar den permanent aktiva överspänningsskyddsenheten många små spänningstoppar.

Val av SPD enligt spänningsskyddsnivån U_p

Driftspänningen på likströmssidan på solcellssystem skiljer sig från system till system. För närvarande är värden upp till 1500 V likström möjliga. Följaktligen skiljer sig även den dielektriska styrkan hos terminalutrustningen. För att säkerställa att solcellssystemet är tillförlitligt skyddas spänningsskyddsnivån U_p till SPD måste vara lägre än den dielektriska hållfastheten för PV-systemet som den ska skydda. CENELEC CLC / TS 50539-12-standarden kräver att Up är minst 20% lägre än PV-systemets dielektriska hållfasthet. SPD: er av typ 1 eller typ 2 måste vara energikoordinerade med terminalutrustningens ingång. Om SPD: er redan är integrerade i terminalutrustning garanteras tillverkaren samordning mellan SPD typ 2 och terminalutrustningens ingångskrets.

Applikationsexempel:

Byggnad utan externt blixtskyddssystem (situation A)

Figur 12 visar överspänningsskyddskonceptet för ett solcellssystem installerat på en byggnad utan externt blixtskyddssystem. Farliga stötar kommer in i PV-systemet på grund av induktiv koppling till följd av närliggande blixtnedslag eller resor från strömförsörjningssystemet genom serviceingången till konsumentens installation. Typ 2 SPD: er ska installeras på följande platser:

- DC-sidan av modulerna och växelriktarna

- växelriktarens växelström

- Huvudfördelningskort för lågspänning

- Kabelanslutna kommunikationsgränssnitt

Varje likströmsingång (MPP) på växelriktaren måste skyddas av en överspänningsskyddsanordning typ 2, till exempel SLP40-PV-serien, som på ett tillförlitligt sätt skyddar likströmmen på sidan av solceller. CENELEC CLC / TS 50539-12-standarden kräver att en extra typ 2-DC-avledare installeras på modulsidan om avståndet mellan växelriktarens ingång och PV-generatorn överstiger 10 m.

Omformarnas växelströmsutgångar är tillräckligt skyddade om avståndet mellan solcellsomvandlare och installationsplatsen för typ 2-avledaren vid nätanslutningspunkten (lågspänningsinmatning) är mindre än 10 m. Vid större kabellängder måste ytterligare en överspänningsskyddsenhet av typ 2, till exempel SLP40-275-serien, installeras uppströms om växelriktaren ingången till växelriktaren enligt CENELEC CLC / TS 50539-12.

Dessutom måste en överspänningsskyddsenhet av typ 2 SLP40-275-serien installeras uppströms mätaren för lågspänningsmatningen. CI (Circuit Interruption) står för en koordinerad säkring integrerad i skyddsbanan för avledaren, vilket gör att avledaren kan användas i växelströmmen en krets utan ytterligare reservsäkring. SLP40-275-serien finns för alla lågspänningssystemkonfigurationer (TN-C, TN-S, TT).

Om växelriktare är anslutna till data och sensorledningar för att övervaka avkastningen krävs lämpliga överspänningsskydd. FLD2-serien, som har terminaler för två par, till exempel för inkommande och utgående datalinjer, kan användas för datasystem baserat på RS 485.

Byggnad med externt blixtskyddssystem och tillräckligt separationsavstånd s (situation B)

Figur 13 visar överspänningsskyddskonceptet för ett PV-system med externt blixtskyddssystem och tillräckligt separationsavstånd mellan PV-systemet och det externa blixtskyddssystemet.

Det primära skyddsmålet är att undvika skador på personer och egendom (byggnadsbrand) till följd av ett blixtnedslag. I detta sammanhang är det viktigt att PV-systemet inte stör det externa blixtskyddssystemet. Dessutom måste solcellssystemet skyddas från direkta blixtnedslag. Detta innebär att PV-systemet måste installeras i den skyddade volymen i det externa blixtskyddssystemet. Denna skyddade volym bildas av luftavslutningssystem (t.ex. luftavslutningsstänger) som förhindrar direkta blixtnedslag till solcellsmoduler och kablar. Metoden för skyddsvinkel (Figur 14) eller rullande sfärmetod (Figur 15) som beskrivs i avsnitt 5.2.2 i standarden IEC 62305-3 (EN 62305-3) kan användas för att bestämma denna skyddade volym. Ett visst separationsavstånd s måste upprätthållas mellan alla ledande delar i PV-systemet och blixtskyddssystemet. I detta sammanhang måste kärnskuggor förhindras genom att till exempel upprätthålla ett tillräckligt avstånd mellan luftavslutningsstängerna och PV-modulen.

Blixtens potentialutjämning är en integrerad del av ett blixtskyddssystem. Det måste implementeras för alla ledande system och ledningar som går in i byggnaden som kan ha blixtströmmar. Detta uppnås genom direktanslutning av alla metallsystem och indirekt anslutning av alla energisystem via blixtströmavledare typ 1 till jordavslutningssystemet. Blixtens potentialutjämning bör implementeras så nära ingången till byggnaden som möjligt för att förhindra att partiella blixtströmmar kommer in i byggnaden. Nätanslutningspunkten måste skyddas av en multipol gnistgap-baserad typ 1 SPD, till exempel en typ 1 FLP25GR kombinerad avledare. Denna avledare kombinerar en blixtströmavledare och en överspänningsavledare i en enda enhet. Om kabellängderna mellan avledaren och växelriktaren är mindre än 10 m, tillhandahålls tillräckligt skydd. Vid större kabellängder måste ytterligare överspänningsskydd av typ 2 installeras uppströms om växelströmens ingång enligt CENELEC CLC / TS 50539-12.

Varje likström ingången på växelriktaren måste skyddas av en typ 2 PV-avledare, till exempel SLP40-PV-serien (Figur 16). Detta gäller även transformatorlösa enheter. Om växelriktarna är anslutna till datalinjer, till exempel för att övervaka avkastningen, måste överspänningsskyddsenheter installeras för att skydda dataöverföringen. För detta ändamål kan FLPD2-serien tillhandahållas för ledningar med analoga signal- och databussystem såsom RS485. Den detekterar driftsspänningen för den användbara signalen och justerar spänningsskyddsnivån till denna driftspänning.

Högspänningsresistent, isolerad HVI-ledare

En annan möjlighet att upprätthålla separationsavstånden är att använda högspänningsresistenta, isolerade HVI-ledare som gör det möjligt att bibehålla ett separationsavstånd s upp till 0.9 m i luft. HVI-ledare kan komma i direkt kontakt med PV-systemet nedströms tätningsändområdet. Mer detaljerad information om tillämpning och installation av HVI-ledare finns i denna Lightning Protection Guide eller i relevanta installationsinstruktioner.

Byggnad med externt blixtskyddssystem med otillräckliga separationsavstånd (situation C)

Om takläggningen är gjord av metall eller bildas av solcellssystemet, kan separationsavståndet inte bibehållas. Metallkomponenterna i PV-monteringssystemet måste anslutas till det externa blixtskyddssystemet så att de kan bära blixtströmmar (kopparledare med ett tvärsnitt på minst 16 mm² eller likvärdig). Detta innebär att blixtens potentialpotential också måste implementeras för de PV-ledningar som kommer in i byggnaden från utsidan (Figur 17). Enligt tillägg 5 i den tyska standarden DIN EN 62305-3 och standarden CENELEC CLC / TS 50539-12 måste likströmsledningar skyddas av en typ 1 SPD för solcellssystem.

För detta ändamål används en typ 1 och typ 2 FLP7-PV kombinerad avledare. Blixtens potentialutjämning måste också implementeras i lågspänningsinmatningen. Om PV-omriktaren / -omvandlarna är placerade mer än 10 m från den typ 1 SPD som är installerad vid nätanslutningspunkten, måste en ytterligare typ 1 SPD installeras på växelriktarens (AC) sidor (t.ex. typ 1) + typ 2 FLP25GR kombinerad avledare). Lämpliga överspänningsskyddsanordningar måste också installeras för att skydda relevanta datalinjer för avkastningsövervakning. FLD2-serien överspänningsskydd används för att skydda datasystem, till exempel baserat på RS 485.

PV-system med mikroinverterare

Microinverters kräver ett annat överspänningsskyddskoncept. För detta ändamål är likströmsledningen för en modul eller ett par moduler direkt ansluten till den lilla omformaren. I denna process måste onödiga ledarslingor undvikas. Induktiv koppling till sådana små likströmskonstruktioner har vanligtvis endast en låg energisk förstörelsepotential. Den omfattande kabeln till ett solcellssystem med mikroomvandlare finns på växelsidan (Figur 18). Om mikroomvandlaren är direkt monterad på modulen får överspänningsskydd endast installeras på växelsidan:

- Byggnader utan externt blixtskyddssystem = typ 2 SLP40-275 avledare för växel / trefasström i närheten av mikroinverterarna och SLP40-275 vid lågspänningsinmatningen.

- Byggnader med externt blixtskyddssystem och tillräckligt separationsavstånd s = typ 2-avledare, till exempel SLP40-275, i närheten av mikroomvandlare och blixtström som bär typ 1-avledare vid lågspänningsinmatningen, till exempel FLP25GR.

- Byggnader med externt blixtskyddssystem och otillräckligt separationsavstånd s = typ 1-avledare, till exempel SLP40-275, i närheten av mikroinverterare och blixtström som bär typ 1 FLP25GR-avledare vid lågspänningsinmatningen.

Oberoende av vissa tillverkare har mikroinverterare dataövervakningssystem. Om data moduleras till växelströmsledningarna via mikroinverterarna måste en överspänningsskyddsenhet finnas på de separata mottagningsenheterna (dataexport / databehandling). Detsamma gäller gränssnittsanslutningar med nedströms bussystem och deras spänningsförsörjning (t.ex. Ethernet, ISDN).

Solkraftsgenereringssystem är en integrerad del av dagens elsystem. De bör vara utrustade med tillräcklig blixt- och överspänningsavledare, vilket säkerställer långvarig felfri drift av dessa elkällor.