Wstęp
Każda instalacja PV, nawet prawidłowo zaprojektowana narażona jest na awarię, której źródłem mogą być czynniki wewnętrzne lub zewnętrzne, np.błąd montażowy, wiatr, zwierzęta, celowy wandalizm, wada ukryta urządzeń, jak i zakłócenia w pracy samej sieci EE. Z uwagi na wysoki koszt systemów PV i długą stopę zwrotu inwestycji należy zapewnić jej odpowiednią ochronę, szczególnie najdroższych elementów, jak falowniki. Także uszkodzenie pojedynczego panelu PV, choć samo w sobie nie stanowi wielkiego wydatku, może skutkować zakłóceniem pracy całego systemu. Wymiana panelu pociąga często ze sobą konieczność rozebrania dużego fragmentu instalacji, powoduje też niedopasowanie prądowe z pozostałymi panelami w stringu. Projektant powinien więc przewidzieć wszystkie zagrożenia systemu wprowadzając w poszczególnych obszarach odpowiednie zabezpieczenia prądowe. Poniżej zostaną omówione rodzaje zagrożeń i systemy zabezpieczeń. Dobór elementów omówiony zostanie w osobnym dziale (projektowanie zabezpieczeń prądowych).
Instalacja PV podłączona do zewnętrznej sieci elektroenergetycznej narażona jest w kilku obszarach:
– instalacji prądu stałego pomiędzy modułami a falownikiem (np. powstawanie prądów zwarciowych spowodowanych zacienieniem modułów)
– w instalacji prądu przemiennego w miejscu przyłączenia falownika do sieci (np. z powodu wzrostu napięcia w miejscu przyłączenia falownika, wahań napięcia w sieci)
– jeśli istnieje sieć niskonapięciowa, do której podłączone są np. czujniki, sterowniki
Z uwagi na powyższe w instalacji PV projektuje się:
– bezpieczniki I-ego i II-ego poziomu
– ograniczniki przepięć
– instalację uziemiającą
– instalację odgromową
W instalacjach PV występują też inne zabezpieczenia wchodzące w skład samych elementów, jak np. diody bocznikujące. Poniżej na przykładowym schemacie zaznaczono najważniejsze z nich.
Rys. Przykładowy schemat instalacji PV i miejsca montażu zabezpieczeń.
3.4.5.2 Bezpieczniki
Przy łączeniu równoległym paneli fotowoltaicznych w łańcuchy (ang. string), zacienienie jednego z paneli powoduje, że cały prąd płynący w pozostałych łańcuchach przepływa przez łańcuch z zacienionym modułem. Jest to tzw. prąd wsteczny lub inaczej też „rewersyjny”. Jego wartość zależy od ilości równolegle połączonych łańcuchów i jest równa:
gdzie:
In – wartość prądu rewersyjnego
n- ilość równolegle połączonych łańcuchów
Isc – wartość prądu zwarcia modułu
Rys. Przykład przepływu prądu wstecznego przy jednym zacienionym module (kolor pomarańczowy)
Większość modułów oferowanych na rynku jest w stanie wytrzymać prąd rewersyjny rzędu 1,5-2 Isc, dlatego konieczność ochrony pojawia się najczęściej dopiero przy trzech i więcej łańcuchach połączonych równolegle. Zabezpieczenie przed prądem wstecznym stanowi tutaj bezpiecznik z wkładką topikową. Wkładki topikowe o charakterystyce gPV (do ochrony fotowoltaiki) zostały tak zaprojektowane, aby sprawnie wyłączać już niewielkie przeciążenia, które mogłyby uszkodzić moduły fotowoltaiczne. Według
zaleceń normy IEC 60269-6 wkładka topikowa ma nie zadziałać dla prądu 1,13 In, natomiast ma się przepalić w określonym czasie dla prądu o wartości 1,45 In. Wkładki topikowe o innych charakterystykach niż gPV lub gR/gPV nie nadają się do ochrony modułów fotowoltaicznych. Wyłączniki nadprądowe DC można używać tylko do zabezpieczania falowników DC/AC, nie należy ich stosować do ochrony modułów fotowoltaicznych, gdyż w przypadku zwarcia w module może pojawić się prąd wsteczny płynący w drugą stronę i cewka elektromagnetyczna w wyłączniku może nie zadziałać.
Fot. Wkładki topikowe cylindryczne.
Zwykle wkładki topikowe cylindryczne mają wymiary 10×38 mm do
1000V DC i przeznaczone są dla na prądów od 1 do 30A. Te wkładki topikowe instaluje się w specjalnych modułowych podstawach rozłączalnych 1 lub 2-bieg. o szerokości modułu 17,5 mm, montowanych na szynie TH35. Podstawy te, zwane popularnie rozłącznikami modułowymi, dostosowane są do napięcia do 1000V DC i mogą być wyposażone we wskaźnik zadziałania wkładki w formie diody LED. Ze względu na specyfikę prądu stałego o stosunkowo dużym napięciu podstawy/rozłączniki te zwykle należą do kategorii DC20B tzn. nie należy ich załączać/rozłączać pod obciążeniem. W ofercie są też wkładki cylindryczne o wymiarach 10×85 mm na 1500V DC w zakresie prądów od 2 do 16A i na 1200V DC na prądy 20 i 25A, które montuje się w specjalnych klipsach.
Wkładki topikowe cylindryczne stanowią tzw. bezpieczniki I poziomu – mają za zadanie wyłączać prądy zwarciowe w obszarze paneli, dlatego należy je instalować jak najbliżej ostatniego w stringu panelu PV, przy czym montaż powinien być zarówno po stronie „minusa” jak i „plusa”.
Ryc. Podstawka rozłączalna Z10-TL do wkładek topikowych 10×30 gPV.
Poziom zabezpieczeń II, główny instalacji PV występuje bezpośrednio przed falownikiem. Stosowane są tutaj wkładki topikowe PV DC pracujące na prądzie stałym i napięciu 750V- 1100V. Wkładki umieszczane są w podstawach bezpiecznikowych i umożliwiają szybkie odłączenie falownika od całej tablicy PV. Instaluje się je zarówno w biegunie „+” jak i „-„.
Duże instalacje PV mogą mieć zdecentralizowany system wielu małych falowników lub też jeden centralny
falownik PV o mocy nawet kilkuset [kVA]. W takim przypadku łączy się równolegle wiele łańcuchów modułów fotowoltaicznych i wówczas występują prądy nawet do kilkuset A. W tym zakresie firma JEAN MÜLLER oferuje wkładki topikowe o charakterystyce gPV o wielkości znormalizowanej NH1 od 32 do 160A na 750V i 1000V DC oraz wkładki NH, ale o wydłużonym korpusie – są to wkładki NH1xl, NH2xl i NH3xl do 450A na 1100V DC i do 350A na 1500V DC. Wkładki te można instalować w 1-bieg. podstawach, rozłącznikach (do 630A i napięciu 1000-1200V DC, kategoria użytkowa DC20B) oraz w specjalnych 2-bieg. listwach bezpiecznikowych na napięcie do 1500V DC na system szyn zbiorczych o rozstawie 370 mm. To ostatnie rozwiązanie jest szczególnie atrakcyjne, bo umożliwia budowanie kablowych szaf rozdzielczych w obudowach poliestrowych oraz rozdzielnic na napięcie 1100V i 1500V DC o mocy nawet do 1 MW. Rozwiązania te są proste w konstrukcji i stosunkowo tanie.
Fot. Wkładki topikowe 750, 1000 i 1500V, dla zabezpieczeń II poziomu
Fot. Dwubiegowe listwy rozdzielcze dla dużych instalacji fotowoltaicznych zamontowane w sposób zbiorczy w jednej szafce. Rozwiązanie dla wkładek 1500V.
3.4.5.3 Ograniczniki przepięć
Ochrona przeciwprzepięciowa instalacji fotowoltaicznych stanowi uzupełnienie ochrony odgromowej i ma na celu zabezpieczenie instalacji przed skutkami przepięć w sieci elektroenergetycznej wywołanymi awariami w sieci lub będących skutkami uderzenia pioruna. Przepięcia od uderzeń piorunów występują nawet w odległościach 1km od instalacji. Ogólne zasady stosowania ochrony przeciwprzepięciowej dla systemów fotowoltaicznych zawiera norma PN-EN 61173:2002. Ochrona przepięciowa fotowoltaicznych (PV) systemów wytwarzania mocy elektrycznej. Przewodnik.
Szczegółowe zasady stosowania ochrony przeciwprzepięciowej zawierają normy:
PN-IEC 61643-1.Urządzenia ograniczające przepięcia dołączone do sieci rozdzielczych niskiego napięcia. Wymagania techniczne i metody badań.
PN-IEC-60364-4-442.Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed przepięciami .Ochrona instalacji niskiego napięcia przed przejściowymi przepięciami i uszkodzeniami przy doziemieniach w sieciach wysokiego napięcia.
PN-IEC 60364-4-443:1999, Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przed przepięciami. Ochrona przed przepięciami atmosferycznymi i łączeniowymi.
PN-HD 60364-7-712:2007 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Część 7-712: Wytyczne dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Fotowoltaiczne (PV) układy zasilania.
W celu zabezpieczenia systemów fotowoltaicznych i podłączonych do nich urządzeń elektronicznych przed przepięciami i sprzężeniami, stosuje się specjalne ograniczniki przepięć (SPD- Surge Protection Device) przeznaczone do systemów fotowoltaicznych po stronie napięcia stałego oraz standardowe ograniczniki przepięć po stronie prądu przemiennego. W instalacjach prądu stałego nie występuje „przejście prądu przez zero”, przez co utrudnione jest gaszenie prądów zwarciowych. Dobór niewłaściwych ograniczników przepięć może stwarzać zagrożenie pożarowe dla urządzeń elektrycznych i elektronicznych.
Rodzaje ograniczników
Ograniczniki przepięć typu 1 (klasy B) zabezpieczają przed bezpośrednim i bliskim uderzeniem pioruna.
Ograniczniki przepięć typu 2 (klasy C) zabezpieczają większość odbiorników elektrycznych przed przepięciami komutacyjnymi i przepięciami zredukowanymi przez ograniczniki przepięć typu 1
Fot. Ograniczniki przepięć typu 2, po lewej firmy DEHN, po prawej DEHNcombo z systemem SCI
Ograniczniki przepięć typu 3 (klasy D) dodatkowo zabezpieczają szczególnie czułe i kosztowne urządzenia elektryczne i elektroniczne.
Zestawy ograniczników przepięć typu 1+2 (klasy B+C)
Obecnie w systemach PV po stronie DC coraz częściej stosowane są specjalne dedykowane ograniczniki przepięć z systemem SCI (Short Circuit Interruption), z trzystopniowym systemem przełączeniowym prądu stałego. Zasada działania poniżej.
Rys. Schemat działania ogranicznika przepięć z systemem SCI.
Ze względu na swoją budowę wewnętrzną SPD dzielą się na trzy rodzaje (norma 61643-12 pkt 5.3.2 oraz
Aneks A wskazujący różne sposoby gaszenia fali udaru kombinowanego):
• ucinające – tutaj stosuje się głównie iskierniki gazowe (zwane też gazowane), dawniej iskierniki powietrzne;
• ograniczające – np. warystory, specjalne diody;
• złożone – np. połączenie iskiernika gazowego i warystora jak w technologii VG.
Do elementów ucinających napięcie, o nieciągłej charakterystyce napięciowo-prądowej, należą iskierniki
powietrzne, zastępowane sukcesywnie przez iskierniki gazowe i rury wyładowcze GDT. Iskierniki gazowe przypominają swoją budową lampy neonowe (w ceramicznej rurce między 2 elektrodami znajduje się gaz szlachetny, przykładowo może to być neon czy argon). Przy normalnym napięciu pracy iskiernik zachowuje się jak izolator, gdyż ma dużą impedancję (iskierniki gazowe GSG firmy CITEL mają oporność >10 GΩ) – prąd nie płynie. Dopiero powstały w wyniku udaru napięciowego wzrost napięcia powyżej ustalonego progu zadziałania (napięcia zapłonu) powoduje gwałtowne wyładowanie – prąd udarowy jest odprowadzany przy stosunkowo niskim napięciu. Zaletą ich jest skuteczność i zdolność do odprowadzania dużych prądów udarowych, wadą powstawanie prądu następczego, który może powodować szkody.
Warystor jest elementem półprzewodnikowym, który przy znamionowym napięciu jest prawie izolatorem, natomiast w miarę wzrostu napięcia w sposób ciągły maleje jego impedancja i staje się on coraz lepszym przewodnikiem. Przy włączeniu do obwodu przy napięciu znamionowym pojawia się niestety niewielki prąd upływu (zwykle w pierwszych tygodniach użytkowania poniżej 1mA), co powoduje pewne małe straty mocy (w skali roku są to jednak zauważalne koszty). Ten prąd upływu oraz kolejne zadziałania ogranicznika pod wpływem przepięć wpływają na proces starzenia się warystora, co objawia się coraz większym prądem upływu i może doprowadzić nawet do przebicia (zwarcia). Dlatego zgodnie z normami IEC, ograniczniki przepięć wyposażone są w wewnętrzne systemy ochronne i zewnętrzne urządzenia odłączające, które w przypadku wystąpienia usterki zapewniają rozłączenie obwodu i zapobiegają zwarciu w ograniczniku.
W Niemczech zaleca się kontrolę modułów warystorowych nie rzadziej niż co 4 lata. Należy również sprawdzić SPD po każdym zadziałaniu w wyniku uderzenia pioruna. Praktyka pokazuje, że ograniczniki warystorowe zainstalowane w chłodnym, suchym miejscu mogą dobrze działać dużo dłużej niż zainstalowane w skrzynce wystawionej na działanie słońca w instalacji fotowoltaicznej. Należy też pamiętać, że proces starzenia się warystorów w przypadku prądu stałego przebiega dużo szybciej niż w przypadku prądu przemiennego.
Ograniczniki przepięć typu złożonego w technologii VG zawierają elementy zarówno typu ucinającego, jak i ograniczającego napięcie
Ze względu na ryzyko awarii ograniczników przepięć niezbędne są następujące urządzenia odłączające:
– wewnętrzne termiczne urządzenie odłączające (zwane bezpiecznikiem termicznym), które w przypadku
wystąpienia usterki odłącza ogranicznik przepięciowy od sieci. Użytkownik zostaje w tym przypadku poinformowany przez miejscowy i ewentualnie zdalny układ sygnalizacji błędów ogranicznika o konieczności wymiany określonego modułu ochronnego,
– zewnętrzne elektryczne urządzenie odłączające, najczęściej bezpiecznik topikowy albo wyłącznik nadprądowy, które odłączają ogranicznik przepięciowy od sieci w przypadku wystąpienia zwarcia. Ograniczniki przepięć w technologii VG nie wymagają dobezpieczenia wkładką topikową, gdyż zainstalowany szeregowo iskiernik gazowy w czasie normalnej pracy sieci stanowi wystarczającą przerwę w obwodzie.
Ograniczniki przepięć dla fotowoltaiki
Pojedyncze panele fotowoltaiczne wytwarzają prąd stały przy stosunkowo niewielkim napięciu rzędu
30-40V. Łącząc je szeregowo podnosimy napięcie do wartości kilkuset woltów DC, a czasem nawet więcej, gdyż na rynku są dostępne falowniki do 1200 czy 1500V DC. Do ochrony instalacji PV konstruuje się specjalne ograniczniki przepięć, zwykle są one dostosowane do napięć znamionowych w zakresie od 500 do 1500V DC, ale istnieją też wykonania na mniejsze napięcia. W zależności od konstrukcji i usytuowania instalacji fotowoltaicznej, długości przewodów, ich ułożenia oraz obecności instalacji odgromowej dokonuje się obliczeń i na tej podstawie podejmuje decyzję, czy należy zastosować ograniczniki przepięć typu 1+2, czy też wystarczy tylko typ 2.
Jeżeli wykonujemy instalację fotowoltaiczną na dachu, to zgodnie z wymogami aktualnych przepisów każdy
obiekt budowlany, w tym również obiekty z systemami PV umieszczonymi na dachu, należy chronić przed
skutkami wyładowań atmosferycznych bezpośrednich i pobliskich, jeżeli ryzyko wystąpienia szkód piorunowych, wyznaczone zgodnie z zaleceniami normy PN-EN 62305-2 (norma dotycząca zarządzania ryzykiem przy ochronie odgromowej) jest większe niż ryzyko tolerowane. W takim przypadku najczęściej zagrożony obiekt budowlany, a więc i zainstalowane na nim systemy PV, chroni się przed bezpośrednim uderzeniem pioruna za pomocą układu zwodów (LPS) tworzących strefę ochronną o takich rozmiarach, aby całość urządzeń zamontowanych na dachu mieściła się wewnątrz tej strefy.
Metody ochrony układów PV i ograniczników przepięć przed skutkami zwarcia
Tańszym, ale technicznie gorszym rozwiązaniem są 2-modułowe ograniczniki przepięć dla fotowoltaiki do
zabezpieczania biegunów dodatniego i ujemnego, pokazanym poniżej na schemacie nr 1:
Podczas normalnej pracy sieci występuje napięcie 500V DC na biegunie dodatnim i 500V DC na biegunie
ujemnym, a sumaryczne napięcie wyjściowe generatora wynosi 1000V. Moduły w ograniczniku przepięć
są dobrane do takiego właśnie napięcia znamionowego – 500V DC. W przypadku zwarcia np. w wyniku uszkodzenia izolacji kabla, na biegunie, gdzie wystąpiło zwarcie, pojawi się napięcie 0V, a na drugim natomiast 1000V DC. Ponieważ moduł SPD był dobrany do napięcia 500V, a nie 1000V DC, nastąpi trwałe uszkodzenie tego ogranicznika. Można tego uniknąć, jeżeli zastosujemy wykonanie 3-biegunowe w układzie połączeń „Y”, gdyż trzeci dodatkowy moduł podłączony szeregowo względem uziemienia również jest na 500V DC, czyli w sumie SPD wytrzyma spadek napięcia 1000V DC, zostało to pokazane na schemacie nr 2.
Wadą rozwiązania ze wspólnym warystorem jest występowanie prądu upływu i prądu roboczego. Jeżeli zamiast warystora we wspólnym module zastosujemy iskiernik gazowy, to wówczas nie wystąpi prąd upływu, jedynie prąd roboczy czyli przepływ małego szkodliwego między biegunem dodatnim i ujemnym. Optymalnym rozwiązaniem jest technologia VG przedstawiona na schemacie nr 3, gdyż iskierniki gazowe zapobiegają powstaniu zarówno prądu upływu jak i prądu roboczego.
3.4.5.4 Rozłączniki
Stosowane są na ogół po obu stronach falownika, czyli zarówno w obwodzie prądu stałego jak i przemiennego. Pełnią rolę izolacji falownika na wypadek prac serwisowych, wymiany elementów, itp. Na rynku znajdziemy całą gamę rozłączników. Na uwagę zasługują tutaj konstrukcje firmy ABB dedykowane fotowoltaice, jak rozłączniki OTDC 16-32A czy większe OTDC 100-250A.
Fot. Rozłączniki OTDC 16-32A
Do przerwania prądu w rozłącznikach
OTDC wykorzystywana jest elektromagnetyczna siła Lorentza powodująca wyciągnięcie
i przerwanie łuku. W aparatach większych siła elektromagnetyczna ma wystarczającą
wartość, by umożliwić przerwanie prądu. W rozłącznikach mniejszych powiększa się siłę Lorentza wprowadzając dodatkowe pole magnetyczne wewnątrz komór łukowych. Aparaty mają symetryczną konstrukcję, która umożliwia łączenie niezależne od polaryzacji, więc rozłącznik działa jednakowo w obie strony. 
Fot. Rozłączniki ABB OTVC do dużych systemów PV dla prądów 100-800A.
Rozłączniki OTDC 100… A DC są jedynymi tego typu aparatami na rynku z widoczną przerwą zrealizowaną przez duże okna w obudowie, które pozwalają sprawdzić położenie styków głównych aparatu. Działanie rozłącznika nie jest wrażliwe na skoki napięcia, a przełączanie odbywa się z prędkością niezależną od operatora (szybkie
załączenie i rozłączenie).
Funkcje izolowania i rozłączania w kategorii użytkowania DC22B możemy zrealizować
stosując Tmaxy PV – pierwszą rodzinę kompaktowych rozłączników dedykowanych
do segmentu PV na napięcie znamionowe łączeniowe Ue do 1100 V DC i zakres prądowy od 160 do 1600 A. Stosując Tmaxy PV możemy zrealizować funkcję sterowania zdalnego przy użyciu napędu silnikowego.
Fot. Rozłączniki: po lewej Tmax T1D dla prądu max 160A, po prawej DC IP65 firmy EATON
Rozłączniki izolacyjne mogą mieć wykonanie w wersji wewnętrznej, do zamocowania tylko wewnątrz budynku w suchych pomieszczeniach, jak i wykonanie zewnętrze w klasie ochrony IP65. Ten ostatni typ rozłączników posiada najczęściej od razu wejścia typu MC4 pojedyncze lub podwójne.