Jaki ogranicznik przepięć do fotowoltaiki?

2024-10-07 Bartlomiej Jaworski

W Polsce do końca roku 2023 zostało zainstalowanych 1 403 875 mikroinstalacji wytwarzających energię elektryczną, a ich łączna moc zainstalowana wynosiła blisko 11,3 GW. Prawie 98 proc. instalacji tego typu było użytkowanych przez prosumentów, którzy eksploatowali 1 386 792 mikroinstalacji. Najwięcej, bo ponad 99,9 proc. (1 403 199) mikroinstalacji OZE w naszym kraju wykorzystywało energię promieniowania słonecznego (PV). Instalacje tego rodzaju odpowiadają także za zdecydowaną większość, odpowiednio 99,8 proc. i 11,3 GW, mocy zainstalowanej mikroinstalacji. Tak duża popularność instalacji fotowoltaicznych powinna iść w parze z bezpieczeństwem – odpowiednią i skuteczną ochroną przed przepięciami, zwarciem, czy pożarem. Poniższy tekst omawia w jaki sposób zabezpieczyć instalację fotowoltaiczną przed wpływem prądu piorunowego i przepięciami z pomocą ograniczników przepięć.

Co to jest instalacja fotowoltaiczna?

System fotowoltaiczny to elektrownia słoneczna, która z wykorzystaniem paneli fotowoltaicznych realizuje przemianę energii słonecznej w energię elektryczną. Do realizacji tego zadania konieczna jest budowa układu składającego się z generatora PV (panel lub zestaw paneli fotowoltaicznych), opcjonalnie magazynu energii wraz z regulatorem, oraz falownika (przekształtnik prądu stałego w przemienny o parametrach sieci elektroenergetycznej zasilającej budynek).

W przypadku instalacji prosumenckich, ograniczonej do budynków mieszkalnych, funkcjonują dwa systemy PV:

autonomiczne, niedołączane do sieci (OFF-GRID)
dołączane do sieci, rozproszone lub scentralizowane (ON-GRID)

Szczególne cechy instalacji fotowoltaicznej

Instalacja fotowoltaiczna PV jest instalacją specjalną, ponieważ:

Jest obwodem prądu stałego DC, a jego napięcie sięga niejednokrotnie poziomu średniego 1500V DC
Prąd stały DC jest mniej szkodliwy dla zdrowia w przypadku porażenia, ale bardziej niebezpieczny w przypadku zwarć. W momencie powstania jakiegokolwiek uszkodzenia izolacji instalacji czego skutkiem może być zwarcie, wtedy pali się łuk elektryczny, którego wartość energetyczna (cieplna) jest stała w czasie, co sprawia, że trudniej taki łuk zgasić w przeciwieństwie do łuku elektrycznego powstałego w obwodzie prądu przemiennego AC.
Istnieje silna zależność parametrów instalacji od warunków zewnętrznych takich jak temperatura, naświetlenie, zacienienie, pora dnia itd
Krotność prądu obciążenia modułu fotowoltaicznego od 1,15 In – 1,20 In jest już prądem zwarciowym, ale nie jest prądem udarowym, który mógłby zniszczyć moduł fotowoltaiczny PV. W momencie pojawienia się prądu zwarciowego Isc, zwarty moduł fotowoltaiczny nie wytwarza energii i cała instalacja fotowoltaiczna PV pracuje przy mniejszej wydajności obniżając jej efekt ekonomiczny.
Jest narażona na wszelkie przepięcia atmosferyczne i łączeniowe. Typowe prosumenckie instalacje fotowoltaiczne, a głównie moduły (panele) PV oraz falowniki są aparatami o niskiej wytrzymałości przepięciowej i odporności na prądy udarowe. Najczęściej znajdują się na dachach budynków łącznie z zewnętrzną instalacją odgromową (LPS – ang. Lightning Pro- tection System), której zadaniem jest przyjęcie wyładowania atmosferycznego i odprowadzenie prądu wyładowczego do uziemienia. Obecność zewnętrznej instalacji odgromowej (LPS) na budynku wymaga jednak zastosowania bardziej zaawansowanej ochrony przeciwprzepięciowej.

Wymogi prawne stawiane ochronie przed przepięciami instalacji fotowoltaicznej

Instalacja fotowoltaiczna jestem szczególnym rodzajem instalacji elektrycznej, zatem obowiązują ją te same przepisy co „zwyczajne” instalacje elektryczne. W Polsce zapewnienie ochrony przed przepięciami dla instalacji elektrycznych jest wymagane prawem. Wskazuje na to pośrednio Ustawa o prawie budowlanym z roku 1994 (wraz z późniejszymi zmianami) w kontekście ochrony odgromowej i przepięciowej.

W rozdziale 6, art. 61, ustęp 2 mówi o tym iż „Właściciel lub zarządca obiektu budowlanego jest obowiązany zapewnić dochowując należytej staranności, bezpieczne użytkowanie obiektu w razie wystąpienia czynników zewnętrznych odziaływujących na obiekt, związanych z działaniem człowieka lub sił natury, takich jak: wyładowania atmosferyczne, (…) w wyniku których następuje uszkodzenie obiektu budowlanego lub bezpośrednie zagrożenie takim uszkodzeniem, mogące spowodować zagrożenie życia lub zdrowia ludzi, bezpieczeństwa mienia lub środowiska.

Kolejnym aktem prawnym, który doprecyzowuje to zagadnienie jest Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (z późniejszymi zmianami).

Rozporządzenie to konkretyzuje wymaganą ochronę odgromową i przepięciową:

53 Ustęp 2: „Budynek należy wyposażyć w instalację chroniącą od wyładowań atmosferycznych.Obowiązek ten odnosi się do budynków wyszczególnionych w Polskiej Normie dotyczącej ochrony odgromowej obiektów budowlanych.”
180. Instalacja i urządzenia elektryczne, przy zachowaniu przepisów rozporządzenia, przepisów odrębnych dotyczących dostarczania energii, ochrony przeciwpożarowej, ochrony środowiska oraz bezpieczeństwa i higieny pracy, a także wymagań Polskich Norm odnoszących się do tych instalacji i urządzeń, powinny zapewniać: (…)
- ochronę przed porażeniem prądem elektrycznym, przepięciami łączeniowymi i atmosferycznymi,powstaniem pożaru, wybuchem i innymi szkodami.
183. Ustęp 1. W instalacjach elektrycznych należy stosować: (…)
- połączenia wyrównawcze główne i miejscowe, łączące przewody ochronne z częściami przewodzącymi innych instalacji i konstrukcji budynku
- urządzenia ochrony przeciwprzepięciowej

Instalacja fotowoltaiczna a piorunochron – analiza ryzyka

Zgodnie z obecnym stanem wiedzy technicznej montaż paneli fotowoltaicznych nie zwiększa ryzyka uderzenia pioruna w budynek, na którym są montowane. Natomiast musimy być świadomi, że poprzez panele i przewody łączące je z falownikiem i wchodzące do budynku, energia prądu piorunowego może przedostać się do instalacji odbiorczej i uszkodzić odbiorniki elektryczne. Dlatego należy ustalić ryzyko wystąpienia szkody spowodowanej uderzeniem pioruna, zgodnie z normą PN-EN 62305-2.

Uwaga ogólna – tam gdzie zgodnie z normą HD 60364-4-443 ochrona przed przepięciem dorywczym jest wymagana, powinna być stosowana również po stronie napięcia stałego DC.

Po stronie napięcia stałego DC należy zainstalować ogranicznik przepięć jeżeli jest spełniony warunek

L ≥ L_critgdzie

L – maksymalna długość trasy (m) miedzy falownikiem a punktami łączenia modułów PV różnych łańcuchów

L_crit(m) – zależne od typu instalacji o wyznaczane w oparciu o tabelę nr 1

Typ instalacji PV	Obiekty mieszkalne	Elektrownia PV na otwartej przestrzeni	Obiekty niemieszkalne
L_crit	115 / Ng	200 / Ng	450 / Ng
L ≥ L_crit	Wymagana jest ochrona przeciwprzepięciowa po stronie DC
L < L_crit	Nie wymagana jest ochrona przeciwprzepięciowa po stronie DC

Tabela nr 1 Oszacowanie krytyczne długości L_crit

Ng jest gęstością wyładowań doziemnych (wyładowanie/km²/rok) odpowiadającą lokalizacji lini zasilającej i przyłączonych obiektów. Wartość tę określamy na podstawie sieci lokalizacji wyładowań doziemnych dla miejsca instalacji

UWAGA: Jeśli trasy przebiegu przewodów są ekranowane zgodnie z PN-EN 62305-4, długość L można zmniejszyć o długość ekranowanych przewodów

Ochrona przeciwprzepięciowa instalacji fotowoltaicznej

Moduły PV umieszczone na zewnątrz obiektu – najczęściej na dachu, narażone są na przepięcia spowodowane wyładowaniami atmosferycznymi, przepięciami łączeniowymi i wnikaniem prądu wyładowczego do wnętrza budynku. W zależności od ich położenia, moduły fotowoltaiczne PV powinny być chronione przed bezpośrednim wyładowaniem atmosferycznym za pomocą zewnętrznej instalacji odgromowej (LPS).

Ograniczniki przepięć w instalacjach fotowoltaicznych (PV) należy tak dobierać, aby zapewniony poziom ochrony był niższy niż maksymalne napięcie wytrzymywane przez falowniki i moduły PV. Ograniczniki przepięć chronią instalację PV przed przepięciami komutacyjnymi lub pochodzącymi od wyładowań atmosferycznych bezpośrednich i pośrednich.

W przypadku kiedy nie została przeprowadzona analiza ryzyka oraz rozpływu prądów wyładowczych zgodnie z normą PN-EN 62305-2 w chronionej instalacji, należy przyjąć dla dobieranego ogranicznika znamionowy prąd wyładowczy I_imp = min. 12,5 kA dla ogranicznika Typu 1 lub Typu 1 + 2 oraz prąd znamionowy In = min. 5 kA dla ogranicznika Typu 2. Kolejnym krokiem jest ustalenie liczby i miejsca montażu ograniczników przepięć.

UWAGA: Jeżeli falownik zawiera ogranicznik przepięć po stronie DC, można uznać, że spełniona jest funkcja ochrony przed przepięciami tylko wtedy, gdy producent falownika stwierdzi, że jest to wystarczająca ochrona. Warystory znajdujące się w falowniku nie są uznawane za ogranicznik przepięć.

Algorytm doboru ogranicznika przepięć przedstawia poniższa tabela:

Czy jest LPS?	Czy zachowano odstępy izolacyjne „s” od LPS?	Odległość pomiędzy modułami PV i falownikiem	SPD DC moduły PV	SPD DC falownik	SPD AC
tak	tak	< 10 m	–	Typ 2	Typ 1
	tak	> 10 m	Typ 2	Typ 2
	nie	< 10 m	–	Typ 1
	nie	> 10 m	Typ 1	Typ 1
nie	–	< 10 m	–	Typ 2	Typ 2
nie	–	> 10 m	Typ 2	Typ 2	Typ 2

Tabela 1 Algorytm doboru ograniczników przepięć w instalacji PV

To jaki typ ogranicznika przepięć zastosujemy, oraz ile sztuk zależy od:

czy instalacja posiada zewnętrzny LPS (ang. Lightning Protection System) lub inaczej instalację odgromową i czy są zachowane odstępy separacyjne
ile wynosi odległość przewodów między inwerterem a modułami PV

W przypadku odległości generatora PV (paneli PV) od falownika (liczonej wzdłuż przewodu) większej od 10 m, należy ograniczniki przepięć DC instalować przy generatorze PV oraz przy zaciskach falownika.

Dobór parametrów ogranicznika przepięć

Aby ustalić znamionowe długotrwałe napięcie pracy ogranicznika Uc , na początku należy odczytać z karty katalogowej dobranych paneli napięcie jałowe modułu. Musimy też znać liczbę paneli w jednym łańcuchu. Na koniec musimy uwzględnić współczynniki korekcyjne. W przypadku braku informacji o spodziewanej minimalnej temperaturze w miejscu instalacji lub braku informacji o współczynniku temperaturowym modułu PV, przyjmuje się współczynnik 1,2.
Zgodnie z normą PN-EN 61643-31 napięcie UC wyznacza się z zależności:

Uc ≥ 1,2* Vocstc * N
Gdzie:
Vocstc = napięcie jałowe modułu PV odczytywane z danych katalogowych panelu
N- liczba modułów PV połączonych szeregowo w jednym rzędzie (łańcuchu)

Przykłady doboru ogranicznika przepięć do instalacji PV

Przykład # 1

Instalacja fotowoltaiczna dachowa w domu jednorodzinnym bez instalacji odgromowej, odległość między panelami a inwerterem powyżej 10m

Napięcie jałowe V_OCSTC dobranego panelu wynosi 38,6V. Instalacja składa się z dwóch łańcuchów PV, w każdym po 19 paneli PV.

Napięcie w łańcuchu PV wynosi: = 38,6 * 19 = 733,4 V DC

Uc ≥ 1,2 * V_OCSTC

Uc ≥ 880,08 V

Oznacza to, że należy dobrać ogranicznik po stronie DC o napięciu Uc najbliższym tej wartości spełniającym warunek np. popularna konfiguracja to ogranicznik na napięcie Uc = 1000V DC.

Warto przy okazji wspomnieć, że przy wyznaczaniu wymaganego napięcia korzystamy ze współczynnika korekcyjnego 1,2 ponieważ przy niskich temperaturach napięcie na zaciskach nieobciążonego modułu PV może wzrosnąć nawet o 20% i przekroczyć znamionowe napięcie ogranicznika.

W przypadku braku instalacji odgromowej, dobrano typ 2 ogranicznika przepięć. Odległość paneli PV od falownika wynosi powyżej 10m bieżących, zatem zamontowano dwa ograniczniki przepięć – jeden przy panelach, a drugi przy zaciskach falownika.

Finalny dobór: 2szt SPD typ 2 napięcie 1000VDC

Przykład # 2

Instalacja fotowoltaiczna dachowa w domu jednorodzinnym z instalacją odgromową, zachowane odstępy separacyjne, odległość między panelami a inwerterem powyżej 10m

Napięcie jałowe V_OCSTC dobranego panelu wynosi 46V. Instalacja składa się z dwóch łańcuchów PV, w każdym po 10 paneli PV.

Napięcie w łańcuchu PV wynosi: = 46 * 10 = 460 V DC

Uc ≥ 1,2 * VOCSTC

Uc ≥ 552 V

Oznacza to, że należy dobrać ogranicznik po stronie DC o napięciu Uc najbliższym tej wartości spełniającym warunek np. popularna konfiguracja to ogranicznik na napięcie Uc = 600V DC.

W przypadku zamontowanej instalacji odgromowej ale zachowanych odstępach separacyjnych, dobrano typ 2 ogranicznika przepięć. Odległość paneli PV od falownika wynosi powyżej 10m bieżących, zatem zamontowano dwa ograniczniki przepięć – jeden przy panelach, a drugi przy zaciskach falownika.

Finalny dobór: 2 szt SPD typ 2 napięcie 600VDC

Przykład # 3

Instalacja fotowoltaiczna dachowa w domu jednorodzinnym z instalacją odgromową, niezachowane odstępy separacyjne, odległość między panelami a inwerterem poniżej 10m

Napięcie jałowe V_OCSTC dobranego panelu wynosi 43V. Instalacja składa się z dwóch łańcuchów PV, w każdym po 15 paneli PV.

Napięcie w łańcuchu PV wynosi: = 43 * 10 = 645 V DC

Uc ≥ 1,2 * VOCSTC

Uc ≥ 774 V

Oznacza to, że należy dobrać ogranicznik po stronie DC o napięciu Uc najbliższym tej wartości spełniającym warunek np. popularna konfiguracja to ogranicznik na napięcie Uc = 800V DC lub 1000V DC

W przypadku zamontowanej instalacji odgromowej i niezachowanych odstępach separacyjnych, dobrano typ 1 ogranicznika przepięć. Odległość paneli PV od falownika wynosi poniżej 10m bieżących, zatem zamontowano jeden ograniczniki przepięć po stronie DC przy zaciskach falownika.

Finalny dobór: SPD typ 1 napięcie 800VDC lub SPD typ 1 napięcie 1000VDC

UWAGI praktyczne:

Występowanie braku zachowania odstępów separacyjnych często zachodzi, gdy moduły PV zamontowane są na dachu z pokryciem przewodzącym, np. blachodachówką.
Najpopularniejsze modele ograniczników to Typ 1+2 i Typ 2. Zatem najczęściej w przypadku występowania instalacji odgromowej stosuje się Typ 1+2 a nie Typ 1. Wynika to z ekonomicznego aspektu – rozwiązanie Typ 1+2 jest w podobnej cenie co Typ 1, a oferuje szerszy zakres ochrony
Często w segmencie instalacji prosumenckich bywa tak, że projekt techniczny instalacji PV jest wykonywany bez oględzin instalacji. Zatem projektujący zakłada najgorsze warunki pracy i dobiera kompleksowy ogranicznik Typu 1+2
W instalacjach PV występują prądy zwarciowe o niskiej wartości dlatego nie dobezpiecza się ograniczników przepięć po stronie DC

Wymagania montażowe stawiane ogranicznikom przepięć zgodnie z PN-HD 60364-7-712

Jeżeli ograniczniki przepięć montowane są zarówno w różnych rozdzielnicach, należy zminimalizować odległość między nimi.
Przewody łączące ogranicznik przepięć po stronie AC i DC z głównym zaciskiem uziemiającym powinny mieć minimalny przekrój:
1. 6 mm²CU dla ograniczników Typu 2
2. 16 mm²CU dla ograniczników Typu 1
Zaciski należy dokręcać odpowiednim momentem obrotowym

Bilbliografia

Ustawy i rozporządzenia

Ustawa z dnia 7 lipca 1994 roku Prawo budowlane [Dz. U. z 2013 roku poz. 1409 z późniejszymi zmianami]
Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2012 roku, w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [Dz. U. z 2015 roku poz. 1422]

Publikacje

Wiatr, M. Orzechowski –Poradnik projektanta Elektryka – DW MEDIUM 2012
wydanie V
T. Sarniak – Budowa i eksploatacja systemów fotowoltaicznych – MEDIUM 2015
Sarniak M. Podstawy fotowoltaiki. Warszawa : Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2008.
W. Sowa, K. Wincencik – Ochrona Odgromowa Systemów Fotowoltaicznych -Medium 2014

www.eaton.eu – dostęp 02.04.2020

https://kanalelektryczny.pl/ogranicznik-przepiec-budowa-i-zasada-dzialania/ – dostęp 06.10.24

https://kanalelektryczny.pl/rynek-fotowoltaiki-w-polsce-raport-ure-za-2023/ – dostęp 06.10.24

Normy

N SEP E 002 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Instalacje elektryczne w budynkach mieszkalnych. Podstawy planowania.

PN-HD 60364-7-712:2016-05 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Cześć 7-712: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Fotowoltaiczne (PV) układy zasilania.

PN-HD 60364-4-41: 2009 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Część 4-41. Ochrona przed porażeniem elektrycznym.

PN-IEC 60364-5-523:2001 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Obciążalność prądowa długotrwała przewodów.

N SEP-E 005 Dobór przewodów elektrycznych do zasilania urządzeń przeciwpożarowych, których funkcjonowanie jest niezbędne w czasie pożaru.

PN-EN 61643-31:2019-07 Low voltage surge protection devices – Part 31: Requirements and test methods for SPD for photovoltaic installations

PN-EN 60269-6:2011 Bezpieczniki topikowe niskiego napięcia. Część 6. Wymagania dotyczące wkładek topikowych do zabezpieczania fotowoltaicznych systemów energetycznych.

IEC 61730-2:2016 Photovoltaic (PV) module safety qualification – Part 2: Requirements for testing

PN-EN 61730-2:2007/A1:2012 Ocena bezpieczeństwa modułu fotowoltaicznego (PV). Część 2. Wymagania dotyczące badań.

PN-EN IEC 60904-3:2019-09 Photovoltaic elements – Part 3: Principles for measuring photovoltaic (PV) elements for terrestrial applications using the solar standard spectral characteristics

PN-EN 62305-1:2011 Ochrona odgromowa. Część 1. wymagania ogólne.

PN-EN 62305-2: 2011 Ochrona odgromowa. Część 2. Zarzadzanie rysikiem.

PN-EN 62305-3:2011 Ochrona odgromowa. Część 3. Uszkodzenia fizyczne obiektów budowlanych i zagrożenie życia.

Kanał elektryczny