Wiadomości wstępne
Rodzaje zabezpieczeń prądowych i miejsca ich montażu zostały omówione w dziale budowy instalacji fotowoltaicznych „zabezpieczenia prądowe”. Poniżej zostanie scharakteryzowana zasada ich doboru.
Dobór bezpieczników
Zgodnie z normą IEC 61730-2 największa dopuszczalna wartość prądu wstecznego dla modułów PV wynosi 2-2,6 Isc (Isc – prąd zwarciowy modułu). Prąd taki występuje praktycznie już przy trzech równolegle połączonych modułach. Prądy wsteczne powodują przyrost temperatury modułu lub jego części i w skrajnym przypadku mogą doprowadzić do jego termicznego zniszczenia, a także pojawienia się łuku elektrycznego DC. Zabezpieczeniem przed przepływem prądów wstecznych są bezpieczniki dedykowane do instalacji PV, o krótkim czasie zadziałania i charakterystyce gPV. 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.. W praktyce zasada ta skorygowana jest jeszcze temperaturą w jakiej pracuje instalacja inną niż 20ºC. Dobierając prąd znamionowy wkładki In do ochrony łańcucha PV staramy się dobrać go tak, aby było spełnione równanie:
gdzie:
Isc – prąd zwarciowy modułu PV podawany przez producenta
In – prąd znamionowy bezpiecznika
K- współczynnik temperaturowy (tabela)
W literaturze (Bogdan Szymański „Instalacje fotowoltaiczne”) można też spotkać nieco inny zakres doboru bezpieczników według zależności
Gdzie:
Irew – wartość prądu rewersyjnego podawanego przez producenta paneli (maximum fuse rating [A])
Przy wyborze poziomu napięcia znamionowego bezpiecznika musi być spełniona zależność:
gdzie:
Un – napięcie znamionowe bezpiecznika
Uoc – napięcie obwodu otwartego modułu PV podawane przez producenta
n- ilość paneli w stringu
Tabela. Wartość współczynnika temperaturowego K
Dobór ograniczników przepięć
Zasady stosowania ochrony przeciwprzepięciowej różnią się w zależności od zastosowanej ochrony odgromowej. Mamy tutaj co najmniej trzy przypadki (tekst: Maciej Dolata)
A. Instalacja PV bez ochrony odgromowej
Jest to przypadek, w którym nie występuje ryzyko bezpośredniego wyładowania atmosferycznego w budynek i system PV, więc należy stosować tylko ograniczniki przepięć typu II (klasy C). Po stronie DC, SPD powinien być zainstalowany na wejściu inwertera, jak najbliżej niego. Jeżeli odległość między panelami, a inwerterem jest większa niż 10 m, to należy zastosować dwa ograniczniki przepięć – na wejściu inwertera, oraz przy panelach. Po stronie DC stosuje się SPD dedykowane dla systemów fotowoltaicznych. Po stronie AC inwertera stosuje się ograniczniki przepięć dedykowane dla odpowiedniej sieci prądu przemiennego. Jeżeli odległość między rozdzielnicą główną budynku, a inwerterem jest większa niż 10 m, należy zastosować dwa SPD. Jeżeli ta odległość jest mniejsza – wystarczy jeden SPD.
Rys. Budynek bez instalacji odgromowej 1- SPD typu 2 (klasy C) dedykowany do systemów PV, 2,3-SPD typu 2 (klasy C) do AC, na napięcia 230/400V (rys. magazyn Instalatora)
B. System fotowoltaiczny zainstalowany na dachu z urządzeniem piorunochronnym
System fotowoltaiczny powinien być zainstalowany na dachu z urządzeniem piorunochronnym, przy zachowaniu bezpiecznych odstępów izolacyjnych między elementami systemu PV, a elementami urządzenia piorunochronnego. Odstęp ten na rysunkach określa sie jako „S” i liczony jest według normy PN-EN 62305-3 zgodnie z p. 6.3).
Rys. Zabezpieczenia dla budynku z instalacja odgromową i zachowanym odstępem izolacyjnym. 1- SPD typu 2 (klasy C) dedykowany do systemów PV, 2-SPD typu 2 (klasy C) do AC, na napięcia 230/400V, 3- kombinowany SPD typu 1+2 (klasa B+C) do AC na napięcia 230/400V (rys. Magazyn Instalatora)
Rys. Sytuacja jw. ale inwerter znajduje się w pobliżu licznika (na rysunku ozn. złącze) stąd po stronie AC mamy tylko jeden ogranicznik przepięć. (rys. Bogdan Szymański)
Może się jednak zdarzyć, że zachowanie bezpiecznych odstępów nie jest możliwe, lub dach jest wykonany z metalu (np. z blachy). Dla tych dwóch przypadków, zasady stosowania SPD różnią się. Jeżeli odstęp izolacyjny jest zachowany, to zasady instalowania SPD po stronie DC są identyczne jak w przypadku gdy budynek nie jest wyposażony w urządzenie piorunochronne. Odpowiedni poziom ochrony zapewnią
więc ograniczniki przepięć typu 2 (C) po stronie DC (generatora fotowoltaicznego) i AC (instalacji elektrycznej niskiego napięcia) podłączone przewodem ochronnym o przekroju min. 6 mm2 do szyny wyrównawczej.) Jeżeli jednak odstępy izolacyjne nie są zachowane lub dach jest wykonany z metalu, to wykonuje się dodatkowe połączenia wyrównawcze między obudową paneli a układem zwodów. Ze względu na możliwość oddziaływania na instalację wewnątrz budynku części prądu piorunowego, po stronie DC należy zastosować SPD typu 1 i 2 (klasy B + C) oraz typu 2 (klasy C) po stronie AC. Ogranicznik przepięć typu 1 należy podłączyć przewodem o przekroju min. 16 mm2 do szyny wyrównawczej.
Rys. Ograniczniki przepięć dla budynku gdzie nie jest zachowany odstęp izolacyjny „s” pomiędzy panelami PV a urządzeniem LPS.
Aby jeszcze lepiej wyjaśnić zasady doboru klas dla ograniczników przepięć posłużymy sie poniższym rysunkiem.
Rys. Ogólny schemat systemu modułów fotowoltaicznych i ochrony przeciwprzepięciowej; A – AC rozdzielnica pomiarowa (z licznikiem); B – DC rozdzielnica (przed przekształtnikiem); C – AC wyjście przekształtnika; D – PV rozdzielnica pomiędzy modułami PV a przekształtnikiem
System PV bez zewnętrznej instalacji odgromowej. W punktach A i B należy instalować ograniczniki typu 2 bez względu na odległości d1 i d2
– gdy d1 > 10 m, to w punkcie C należy dodać SPD typu 2;
– gdy d2 > 10 m, to w punkcie D należy dodać SPD typu 2.
System PV z izolowanym systemem zewnętrznej ochrony odgromowej. Pomiędzy instalacją odgromową a modułami PV zachowane są odległości S wg normy IEC62305. W punkcie A bez względu na odległości d1 i d2 należy instalować ogranicznik typu 1, a w punkcie B ogranicznik typu 2.
– gdy d1 > 10 m, to w punkcie C należy dodać SPD typu 2;
– gdy d2 > 10 m, to w punkcie D należy dodać SPD typu 2.
System PV z nieizolowanym systemem zewnętrznej ochrony odgromowej. Moduły PV i instalacja odgromowa są ze sobą połączone lub nie są niezachowane odległości S. W każdym przypadku bez względu na odległości muszą być zainstalowane w punkcie A ograniczniki typu 1, a typ ogranicznika w punkcie B zależy od odległości d2:
– gdy d2 < 10 m, to w punkcie B trzeba zastosować SPD typu 2;
– gdy d2 > 10 m, to w punkcie B trzeba zastosować SPD typu 1, a w punkcie D należy dodać typ 1;
– gdy d1 > 10 m, to w punkcie C należy dodać SPD typu 2.
Projektowanie instalacji odgromowej
W przeciwieństwie do kolektorów dachowych, które nie mają jasno określonych przepisów ochrony przed wyładowaniami atmosferycznymi, panele fotowoltaiczne w procesie projektowania powinny uwzględniać następujące przepisy prawne:
PN-EN 61173:2002 „Ochrona przepięciowa fotowoltaicznych (PV) systemów wytwarzania mocy elektrycznej – przewodnik”. Norma ta określa szczegółowe zasady jakie powinna spełniać instalacja odgromowa systemów
fotowoltaicznych;
PN-EN 62305-1:2011 „Ochrona odgromowa – Część 1: Zasady ogólne”. Podano w niej ogólne wymagania, które należy spełnić w celu ochrony obiektu
budowlanego zawierającego instalacje, wyposażenie oraz osoby obsługi obiektu przed udarem piorunowym;
PN-EN 62305-2:2012 „Ochrona odgromowa – Część 2: Zarządzanie ryzykiem”. Obejmuje ona procedurę przeznaczoną do obliczania ryzyka wyładowania w obiektach budowlanych lub w instalacjach przez doziemne wyładowania piorunowe, która pozwala na dobór właściwych środków ochrony, aby
zredukować to ryzyko do poziomu nie przekraczającego wartości progowej;
PN-EN 62305-3:2011 „Ochrona odgromowa – Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenia życia”. Dokument ten określa wymagania dotyczące ochrony obiektów budowlanych przed fizycznymi uszkodzeniami za pomocą urządzeń piorunochronnych (LPS, ang. Lightning Protection System) i istot
żywych przed porażeniem napięciem dotykowym i krokowym w pobliżu LPS. Zawiera także szczegółowe wymagania dotyczące minimalnych wymiarów poszczególnych elementów urządzenia piorunochronnego w zależności od zastosowanego materiału;
PN-EN 62305-4:2011 „Ochrona odgromowa – Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach”. Zawiera ona informacje dotyczące projektowania, instalacji, sprawdzania, konserwacji i badania urządzeń ochronnych LEMP systemu (LPMS) dotyczących urządzeń elektrycznych i elektronicznych w obiektach budowlanych, zdolnych do obniżania ryzyka ciągłych uszkodzeń
spowodowanych piorunowym udarem elektromagnetycznym;
PN-HD 60364-7-712:2007 „Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych – Część 7-712: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji – Fotowoltaiczne (PV) układy zasilania”. Dokument dotyczy elektrycznych instalacji fotowoltaicznych układów zasilania, łącznie z modułami prądu przemiennego.
Dodatkowo elementy instalacji odgromowej powinny spełniać wymagania określone w normach od PN-EN 62561-1:2012 do PN-EN 62561-7:2012 „Elementy urządzenia piorunochronnego (LPCS)”.
Oprócz obowiązujących aktów prawnych, pewnymi wyznacznikami dla inwestorów mogą być także standardy wypracowane w innych krajach, jak np. w Niemczech (oczywiście z zachowaniem obowiązującego prawa danego kraju, w którym zlokalizowana będzie instalacja PV) oraz wymagania firm
ubezpieczeniowych lub banków. W przypadku instalacji fotowoltaicznych o mocy znamionowej powyżej 10 kW ubezpieczyciele wymagają instalacji odgromowej wykonanej w III poziomie ochrony oraz wewnętrznej ochrony przeciwprzepięciowej. W przypadku instalacji wolnostojących natomiast konieczne jest zastosowanie urządzeń ochrony przeciwprzepięciowej i systemu wyrównania potencjałów.
Układ zwodów określa się na podstawie jednej z trzech metod:
– metoda oczkowa (właściwa dla powierzchni płaskich),
– metoda kąta ochronnego (właściwa dla budynków o prostych kształtach),
– metoda toczącej się kuli (właściwa w każdym przypadku).
Wykorzystując metodę toczącej się kuli, strefę bezpieczeństwa określa się poprzez wirtualne toczenie się kuli o odpowiednim promieniu po powierzchni instalacji. W miejscach na płaszczyźnie elementów instalacji, w których nie dochodzi do ich dotyku przez kulę, nie zachodzi zagrożenie bezpośredniego uderzenia pioruna. Dla III poziomu ochrony promień kuli (r) powinien wynosić 45 m.
Rys. Wyznaczanie strefy ochronnej instalacji odgromowej dla instalacji fotowoltaicznej na
dachu za pomocą metody toczącej się kuli oraz metody kąta ochronnego [1, 5]:
r – promień kuli [m], h1 – długość (wysokość) zwodu pionowego [m], h2 – odległość najwyżej
położonego punktu dachu od powierzchni ziemi [m]
Strefę bezpieczeństwa za pomocą metody kąta ochronnego określa wirtualne pole stożka wyznaczone przy danym kącie α. Kąt ten zależy od wysokości zwodu „h” i klasy ochrony.
Rys. Sposób określania kąta w zależności od wysokości zwodu h i klasy ochrony
Rys. Metoda toczącej się kuli dla dachu płaskiego.
Rys. Metoda toczącej się kuli dla rozległego dachu płaskiego o wielu zwodach pionowych. (rys. elektro.info)
Projektanci systemów PV i systemów ochrony odgromowej muszą uzgodnić ze sobą wiele aspektów. Projektant instalacji fotowoltaicznej chciałby jak najbardziej wykorzystać powierzchnię dachu pod montaż paneli PV. Z kolei, planując urządzenia piorunochronne, należy zapewnić bezpieczny odstęp izolacyjny pomiędzy elementami LPS (ang. Lightning Protection System) a panelami PV. W przypadku braku wzajemnej komunikacji i koordynacji prac mogą pojawić się problemy związane z bezpieczną eksploatacją instalacji.
Stosowany odstęp pomiędzy elementami systemu PV a instalacją odgromową konieczny jest ze względu na zabezpieczenie elementów instalacji fotowoltaicznej przed przeskokami iskrowymi czy łukami elektrycznymi od zwodów pionowych i poziomych instalacji odgromowej. Wymagane odstępy izolacyjne wyznacza się zgodnie z normą PN-EN 62305-3:2011 na podstawie wzoru.
gdzie:
S – minimalny odstęp izolacyjny [m],
l – długość mierzona wzdłuż przewodu zwodu lub przewodu odprowadzającego od punktu rozpatrywanego
zbliżenia do punktu najbliższego połączenia wyrównawczego [m],
ki, kc, km –współczynniki, których wartości zestawiono w tabeli
Z reguły wystarczający odstęp izolacyjny S wynosi od 0,5 do 1 m. Problem pojawia się w sytuacji, gdy nie można zapewnić wymaganego odstępu pomiędzy elementami instalacji PV i odgromowej, np. z powodu stalowej konstrukcji dachu lub jego pokrycia albo pełnego wypełnienia powierzchni dachu przez
panele PV. W celu zabezpieczenia paneli fotowoltaicznych przed przeskokami ładunków elektrycznych z instalacji odgromowej należy wykonać połączenia wyrównawcze pomiędzy metalowymi ramkami paneli za pomocą układu zwodów.