WSTĘP
Pożary instalacji fotowoltaicznych, to temat, którym firmy nie lubią się dzielić z użytkownikami. W czasie szkoleń często dowiadujemy się, że ich ilość jest znacząco mała w porównaniu do wszystkich przyczyn pożarów. Przytaczane dane statystyczne zwykle dotyczą jednak innych krajów, jak Niemcy, czy Wielka Brytania. W Polsce nie prowadzi się szczegółowych badań dotyczących pożarów instalacji PV. Statystyki Komendy Głównej Straży Pożarnej dotyczą wszystkich zjawisk pożarowych, jakie wystąpiły w danym okresie. Instalacje fotowoltaiczne, według przepisów pożarnictwa, zaliczane są natomiast do instalacji elektrycznych. Podawane są więc statystyki dotyczące pożarów w tego typu instalacjach i trudno jednoznacznie stwierdzić, co było przyczyną wybuchu pożaru? Jeśli przyjrzeć się takim statystykom, to według KGPSP, w roku 2022 wybuchło w Polsce 135968 pożarów, w tym 32320 dotyczyło budynków mieszkalnych. W roku 2019 pożarów budynków mieszkalnych było 31994, w tym 18% stanowiły pożary spowodowane zwarciem w instalacji elektrycznej. Daje to w sumie 5773 zdarzeń. Jeśli przyjąć ten wskaźnik, w 2022 roku, zdarzeń takich było ponad 5800. Trudno jednocześnie powiedzieć, ile z nich dotyczyło stricte fotowoltaiki. Według KGPSP zdecydowana większość takich pożarów była wynikiem przestarzałych instalacji, do których podłączano nowe obciążenia, bez odpowiednich zabezpieczeń.
Rzetelne informacje na temat zwarć w instalacjach PV i związanych z tym pożarów, przytacza niemiecki instytut Fraunhofera. Według danych instytutu, w ciągu 20 lat wystąpiło w 1,4mln instalacji około 350 pożarów, co stanowi 0,025%. W WB grupa BRE National Solar Center przeprowadziła kilkuletnie badania zjawisk pożarowych. Wzięto pod lupę 80 takich zdarzeń, co stanowiło wówczas 0,008% wszystkich instalacji PV w kraju. W przypadku 72,5% stwierdzono bezpośrednia przyczynę po stronie instalacji PV. W sumie było to 58 pożarów na około 1 milion instalacji- wskaźnik 0,0058%.
Na stronie opisywałem już podobne zdarzenia we Włoszech. Ilość pożarów wzrastała tam gwałtownie wraz z nowymi instalacjami, ale tylko do roku 2012, po czym zaczęła maleć. Było to związane ze wzrostem świadomości monterów i wymagań ze strony firm ubezpieczeniowych. W naszym kraju system certyfikowania instalatorów PV i szereg przepisów zdecydowanie pozytywnie wpływa na bezpieczeństwo takich instalacji. Pomimo to, zagrożenia takie będą występowały i dlatego warto się im bliżej przyjrzeć. Artykuł powstał w oparciu o kolejny, bardzo dobry webinar firmy Fronius pod numerem #92.
Przyczyny pożarów instalacji fotowoltaicznych
Generalnie mówiąc o zagrożeniu pożarowym jakiejkolwiek instalacji możemy od razu wymienić trzy grupy przyczyn: błędy na etapie projektowania, wykonawstwa i eksploatacji. Pierwsza grupa błędów jest coraz rzadsza, z uwagi na coraz lepsze przygotowanie projektantów i ich wiedzę praktyczną, a także wymagające przepisy bezpieczeństwa tego typu instalacji. Poniżej w tabeli przedstawiam najczęstsze (według danych zebranych przez Fronius) przyczyny zdarzeń pożarowych w instalacjach PV.
| Komponent | Możliwa przyczyna wystąpienia łuku elektrycznego |
|---|---|
| Wtyczka DC | – wtyczka słabo zaciśnięta na miejscu instalacji – niedopasowanie wtyczek DC – wtyczki nie włożone całkowicie – wtyczka mechanicznie uszkodzona lub skorodowana z powodu niewłaściwej instalacji, warunków atmosferycznych, ugryzień zwierząt lub błędów w produkcji – wtyczka słabo zaciśnięta na etapie produkcji |
| Zaciski śrubowe w rozdzielnicy lub falowniku (po stronie prądu stałego) | – styk został niedokładnie dokręcony, kabel niewystarczająco głęboko włożony – niedowymiarowane, ułożone zbyt blisko siebie przewody – kabel zaciśnięty na izolacji |
| Połączenie lutowane (w module) | – złe podłączenie lutowia, starzenie z powodu naprężeń mechanicznych / termicznych |
| Dioda by-pass | – przepięcie z powodu wyładowań elektrycznych w czasie burzy lub przepięcia łączeniowe w systemie – długotrwałe działanie przeciążenia termicznego |
| Moduł | -uszkodzenia ogniw (mikropęknięcia, …), powstałe na etapie produkcji, transportu, czy montażu (np. chodzenie po panelach) -zerwane złącza ogniw – pęknięcie ogniwa / pęknięcie szkła (grad, działanie celowe osób trzecich) |
| Bezpieczniki DC | – nieprawidłowo dobrane bezpieczniki – niewłaściwa instalacja |
| Kabel DC | – długotrwałe działanie związana z pogodą (promieniowanie UV, wilgotność, zmiana temperatury, …), brak osłony w postaci peszla, -uszkodzenie spowodowane niewłaściwą instalacją (załamanie, naprężenia w czasie montażu) – ugryzienia zwierząt (kuny, kawki, itp.) |
| Wyłącznik prądu stałego | – nieodpowiedni dla instalacji DC |
| Skrzynka przyłączeniowa | – złe połączenie lutowane – starzenie się z powodu stresu mechanicznego / termicznego |
| Ogólne błędy instalacji | – niewłaściwy stopień ochrony IP puszek, falownika (wilgotność, kurz) |
W powyższej tabeli wyróżniłem pierwsza pozycję, jako najczęstszą przyczynę powstawania łuków elektrycznych i na niej ostatecznie się skupię.
Łuk elektryczny w instalacjach PV
Zapłon w instalacji elektrycznej w zdecydowanej większości przypadków jest wynikiem łuku elektrycznego, którego temperatura może sięgać 10000-15000K. Łuk elektryczny, to zjawisko wywołane jonizacją powietrza, wywołaną wystąpieniem przerwy elektrycznej pomiędzy dwoma elementami będącymi pod wysokim napięciem. Jonizacja przekształca się w przepływ plazmy o bardzo wysokiej energii i temperaturze. Zjawisko łuku w instalacji PV może mieć charakter szeregowy, równoległy lub doziemny. Łuki szeregowe występują w miejscach połączeń (głównie złączki MC4), lub na uszkodzonym kablu. Łuki równoległe, to wyładowania występujące pomiędzy dwoma przewodami (plusowym i minusowym). Łuki doziemne są wynikiem przeskoku iskry elektrycznej między przewodem, a elementem uziemiającym i związane są z uszkodzeniem izolacji.
Rys. Rodzaje i miejsce występowania łuków elektrycznych (rys. globenergia.pl)
Wysoka temperatura łuku powoduje stopienie, a potem zwykle zapłon tworzywowych elementów instalacji. Izolacje przewodów elektrycznych, rury osłonowe peszla, jak i osłony złącz MC4 są niestety łatwopalne. Zapalona izolacja może przenieść następnie ogień na panele PV i zapalić na nich folię ochronną. Pożar rozprzestrzenia się wtedy na cały dach i stanowi zagrożenie dla jego konstrukcji.
Łuki szeregowe – stanowią około 80% wszystkich łuków elektrycznych. Niemal wszystkie przypadki mają związek ze złączami po stronie DC, zwanymi popularnie MC4. Bardzo niewielki procent stanowią łuki na uszkodzonych mechanicznie przewodach.
Dlaczego złącza po stronie DC (prądu stałego) są takim problemem? Przecież wystarczy krótki pokaz i każdy monter bez problemu je wykona. Czy na pewno?
Ćwiczę te połączenia z uczniami, chociaż to złączka jednorazowego użytku, raz zaciśnięta nie da się odtworzyć i powtórnie wykorzystać. Nie mogę więc zaciskać ich zbyt wiele, zwykle każdy zrobi to dwa razy: pierwszy raz w mojej obecności, pod nadzorem, drugi – samodzielnie. Wniosek? Co trzecie złącze jest źle wykonane. Najczęstszy błąd, to zbyt płytko wsunięta tulejka. Pojęcie charakterystycznego „kliknięcia” w czasie wsuwania nie do wszystkich dociera. Jedni je słyszą i czują, inni nie. To indywidualne wrażenie zmysłowe.
Fot. Oryginalne connectory firmy Stäubli, od lewej MC4 i MC4-Evo2.
A to nie jedyny problem złącz MC4. Zacznijmy od tego, że złączki te (zwane też konektorami), mają oryginalnego producenta i jest nim firma Stäubli. Złącza MC4 tej firmy posiadają gwarancję jakości, co zapewnia im odpowiednią wytrzymałość na skurcz, powtarzalność, niską rezystancję i precyzję wykonania. Na rynku jest poza tym ponad 200 firm produkujących złącza kompatybilne. Markę Stäubli MC4 polecają między innymi producenci tacy jak: Solarwatt, SunPower, Meyer Burger, REC, Selfa, Hyundai, Trina Solar, Canadian Solar, Solaredge, Enphase, SMA, Fronius, First Solar. Nie znaczy to jednoczenie, że wymienieni producenci nie stosują w swoich wyrobach złącz innych firm. Każda szanująca się marka prowadzi własne badania i bierze za nie odpowiedzialność, udzielając wieloletniej gwarancji. Poniżej przedstawiam ranking konektorów (źr. https://fotowoltaikaonline.pl/zlacze-mc4)
Wymienione w tabeli złączki można śmiało stosować w każdej instalacji. Jak widać, na samej górze znajdziemy złącza Staubli. Są one najlepsze, ale i najdroższe, dlatego wielu producentów, chcąc obniżyć cenę paneli, stosuje tańsze złącza innych producentów. Jeśli wśród nich znajdziemy powyższe, nie należy się obawiać o ich jakość.
Powiedzmy sobie szczerze, stosując złącza innych producentów, nie wymienionych w tabeli, nie zejdziemy zbytnio z jakości pod warunkiem spełnienia czterech wymogów:
- nigdy nie łączmy ze sobą złączek dwóch różnych firm, mogą nie być do końca kompatybilne i powstałe połączenie będzie miało inną wytrzymałość i rezystancję
- do zaciskania tulejek używajmy tylko oryginalnych narzędzi
- złączki dokręcajmy kluczami przed zamocowaniem w instalacji
- nigdy nie napinajmy przewodów w czasie montażu, kabel powinien być położony zawsze z pewnym naddatkiem zapewniającym skurcz termiczny
Pierwszy problem dotyczy głównie złącz końcowych w instalacji. Przy łączeniu paneli, złącza pomiędzy panelami będą zawsze kompatybilne, bo będą pochodzić od jednego producenta. Jednak w przypadku ostatnich złącz zarabianych na przewodach łączących tablicę PV z falownikiem już tak nie jest (rys.)
Rys. Po lewej – dwa potencjalnie niekompatybilne połączenia przy szeregowym łączeniu paneli, u dołu – 2xn+2 niekompatybilnych połączeń, przy zastosowaniu pod panelami optymalizatorów mocy (rys. Fronius)
Jak sobie z tym problemem radzić? Można zamówić u sprzedawcy kilka złączek więcej kompatybilnych z zarobionymi na panelach. Niektóre firmy od razu dodają takie nadmiarowe złączki w zestawie. Możemy też (wykorzystując dane ze specyfikacji paneli) dokupić brakujące złączki. Jeśli jednak producent takich danych nie podaje? W tym ostatnim przypadku najbezpieczniej będzie uciąć ostatnie złączki i zarobić je jeszcze raz. Aby udowodnić, że problem istnieje i nie należy go lekceważyć, przytaczam zdjęcia termiczne złączek kompatybilnych i niekompatybilnych. Widać wyraźnie skokowy wzrost temperatury dla złączek o nieznanej rezystancji. Tak wysoki przyrost temperatury jest już niebezpieczny dla wytrzymałości połączenia.
Fot. Zdjęcia termiczne różnych złącz MC4. U góry złącze o nieznanej kompatybilności. (źr. Staubli)
Problem wytrzymałości zacisków, to efekt używania nieodpowiednich do tego celu narzędzi. Złącza MC4 wymagają specjalistycznych zaciskarek ręcznych. Zarówno siła docisku, jak i profil takiego zacisku, zapewnia wymaganą wytrzymałość na skurcz, która według normy PN-EN 60352-2 wynosi dla złącza o przekroju 4mm2 minimum 310N.
Ryc. Prawidłowo i nieprawidłowo zaciśnięte złącze MC4 (mat. firmy Staubli)
Przy stosowaniu zaciskarki do złącz MC, tworzy się na tulejce charakterystyczna nereczka, a wytrzymałość tak wykonanego połączenia znacznie przekracza normę (tutaj 454N). Przy stosowaniu przypadkowych narzędzi, np. zwykłych kombinerek, siła docisku jest często zbyt niska i przy silnym skurczu może nastąpić wyrwanie kabla ze złącza.
Fot. Stopione i w rezultacie przerwane złącze.
Łuki równoległe – są zdecydowanie rzadszym zjawiskiem. Aby doszło do wyładowania między dwoma kablami (plusowym i minusowym), lub pomiędzy kablem, a metalowym elementem konstrukcji dachu, musi dojść do jego fizycznego uszkodzenia. Zniszczenie izolacji to zwykle efekt działania zwierząt. Uszkodzenia izolacji wskutek działanie czynników atmosferycznych są natomiast efektem ewidentnych błędów montażowych, np.:
- montażu kabli bez osłony (kable powinny być skryte pod panelami, a na pozostałym odcinku prowadzone w peszlu, szynie, rurce ochronnej, itp.)
- napinania kabli między dwoma panelami (długości kabli zarobionych w puszce przyłączeniowej paneli są ograniczone, przy zbytnim oddaleniu dwóch rzędów paneli przejście pomiędzy rzędami może wymuszać naprężenie kabla)
- za mały promień gięcia kabli w miejscu omijania przeszkód, tworzenia pętli, itp.
Uszkodzona izolacja ma zmniejszoną rezystancję i przy dużych wartościach napięcia może ulec przebiciu. W skrajnym przypadku dochodzi do powstania łuku elektrycznego i pożaru.
Fot. Zniszczone pokrycie dachu wskutek łuku równoległego pomiędzy uszkodzonym kablem, a blachą.
Uszkodzeniom kabli przez zwierzęta można zapobiegać stosując siatki w newralgicznych miejscach. Dotyczy to szczególnie dachów w pobliżu gołębników. Gniazdowanie pod panelami jest dość powszechne, a znajdujące się w takich miejscach kable mogą stanowić dla ptaków przeszkodę. Siatki powinny też skutecznie zniechęcić kuny, dla których przegryzienie kabla nie stanowi żadnego problemu.
Fot. Panele solidnie zabezpieczone siatką przed gołębiami.