Jakie zabezpieczenia do fotowoltaiki?
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.
Spis treści
System Fotowoltaiczny (PV)
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)
Dlaczego Instalacja fotowoltaiczna PV jest instalacją specjalną?
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 PV oraz falowniki są aparatami o niskiej wy- trzymałości 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.
Architektura zabezpieczeń instalacji fotowoltaicznej (PV)
Typowa instalacja fotowoltaiczna składa się z modułów (paneli) połączonych ze sobą szeregowo w rzędy (łańcuchy), a same łańcuchy są ze sobą połączone równolegle. Wszystkie łańcuchy są przyłączone do falownika DC/AC, który zamienia prąd i napięcie DC na przemienne AC o częstotliwości sieciowej 50Hz. Architekturę instalacji obrazuje poniższy rysunek.
Zabezpieczenie przeciążeniowe i zwarciowe
Ponieważ w panelach PV prąd zwarciowy jest większy o (15-20%) w stosunku do prądu płynącego przy generacji największej mocy, zabezpieczenie zwarciowe lub przeciążeniowe staje się nieskuteczne. Sytuacja ulega radykalnej zmianie w przypadku zwarcia lub zacienienia chociaż jednego z paneli PV. Płynie wówczas prąd wsteczny przez uszkodzony lub zacieniony panel o wartości będącej sumą algebraiczną wszystkich prądów płynących w pojedynczych gałęziach połączonych równolegle. Sytuację tę obrazuje poniższy rysunek gdzie Isc to prąd zwarcia.
W celu ochrony narażonej, na przepływ dużych prądów w zacienionej lub uszkodzonej gałęzi, należy w biegunie dodatnim oraz biegunie ujemnym zainstalować rozłącznik, wyłącznik bądź podstawę bezpiecznikową wyposażoną w dedykowane wkładki topikowe o charakterystyce gPV, o parametrach zgodnych z wymaganiami normy PN-EN 60269-6.
Aby dobrać zabezpieczenie, musimy ustalić:
- Napięcie pracy Un. Ustalimy to znając napiecie modułu w stanie otwartym Uoc oraz liczbę modułów połączonych szeregowo w jednym łańcuchu. Przy zastosowaniu współczynnika korekcyjnego 20%, otrzymamy minimalne wymagane napięcie pracy zabezpieczenia
- Prąd roboczy In – odczytujemy z karty katalogowej modułu prąd zwarcia Isc i wymnażamy tę wartość przez współczynnik 1,4 (+40%), dobieramy najmniejszą wartość z typoszeregu
Wg zaleceń normy PN-EN 61730-2, gdy w instalacji PV występują tylko 2 rzędy modułów fotowoltaicznych PV, to nie ma potrzeby stosowania zabezpieczenia nadprądowego – bezpieczników cylindrycznych CH gPV lub wyłączników DC. Wynika to z tego, że prąd zwarcia Isc płynący z drugiego łańcucha jest na tyle niski, że nie uszkodzi paneli w „zdrowym” łańcuchu. W przypadku występowania większej liczby niż dwóch równolegle połączonych rzędów modułów PV, to dobrane zabezpieczenie – wkładkę topikową gPV lub wyłącznik DC należy zastosować zarówno w biegunie „+” (plus), jak i „-” (minus) wszystkich rzędów modułów fotowoltaicznych PV. Jednak z punktu widzenia bezpieczeństwa w obwodach prądu stałego DC, zaleca się stosowanie zabezpieczenia – bezpieczników topikowych lub wyłączników DC w obu rzędach.
Obliczanie parametrów zabezpieczeń PV
Zgodnie z normą PN-EN 61730-2 największa wartość prądu wstecznego nie może przekraczać wartości (2-2,6)ISC. Zatem zabezpieczenia instalowane w poszczególnych gałęziach muszą spełnić następujący warunek:
1,4 * Isc ≤ Ing ≤ 2,4 * Isc oraz Un ≥ 1,2* Uoctmin * n
Jeżeli system PV wymaga zabezpieczenia głównego (zabezpieczenia FA i FB na Rys.2), co występuje przy dużych mocach instalacji PV, bezpieczniki topikowe zabezpieczenia głównego powinny spełniać następujące wymagania:
Ing ≥ 1,5 * Lg oraz Un ≥ 1,2* Uoctmin * n
Ponadto dobierane bezpieczniki gałęziowe oraz główne muszą spełniać warunek wybiórczości, który zostanie spełniony gdy zostanie zachowany następujący warunek:
(I2twG / I2twg) ≥ 1,4
gdzie:
ISC – prąd zwarcia panelu PV
Ing – prąd znamionowy zabezpieczenia w gałęzi
InG – prąd znamionowy zabezpieczenia głównego
UOCTmin – napięcie obwodu otwartego przy najniższej zakładanej temperaturze pracy
Un – napięcie znamionowe bezpiecznika
I2twG – całka Joule’a bezpiecznika zabezpieczenia głównego
I2twg – całka Joule’a bezpiecznika zabezpieczenia instalowanego w pojedynczej gałęzi
n – liczba paneli PV połączonych szeregowo w jednym łańcuchu
Lg – liczba gałęzi wchodzących w skład generatora PV
Wyłącznik DC czy wkładka topikowa DC gPV? Co lepsze?
Zarówno wyłączniki jak i podstawy bezpiecznikowe wyposażone we wkładki topikowe mogą być stosowane w celu zapewnienia ochrony przed zwarciem i przeciążeniem. Podstawy bezpiecznikowe nie zapewniają funkcji rozłącznika. Tak więc, kiedy są wykorzystywane bezpieczniki, powinny również
być stosowane rozłączniki, by odłączyć bezpieczniki od przekształtnika w celu umożliwienia bezpiecznej wymiany wkładki. Dlatego rozdzielnica DC wyposażona w podstawy bezpiecznikowe DC z wkładkami topikowymi gPV powinna być wyposażona w rozłącznik główny DC. Wyłączniki DC zapewniają dokładną regulację i większą dokładność niż bezpieczniki, umożliwiając zastosowanie kabli, zwłaszcza kabli w panelach PV, o mniejszym przekroju niż w przypadku zastosowania bezpieczników. Wyłączniki DC mogą też być manewrowane pod obciążeniem, a podstawy bezpiecznikowe nie.
Przykłady doboru zabezpieczeń zwarciowych i przeciążeniowych do instalacji fotowoltaicznych
Przykład nr 1 Zabezpieczenie wkładkami topikowymi gPV
Założenia:
- Panel model JAM54S31 firmy JA SOLAR o mocy 380W.
- Napięcie jałowe Voc = 36,58V DC.
- Prąd zwarciowy Isc = 13,44 A
- Instalacja składa się z 4 łańcuchów, w każdym po 20 paneli.
Obliczenie napięcia w jednym łańcuchu:
USTRING = Voc * liczba paneli połączonych szeregowo = 36,58V * 20 = 731,6 V
Wyznaczenie wymaganego minimalnego napięcia pracy Un zabezpieczenia pojedynczego łańcucha:
Un = 1,2 * USTRING = 1,2 * 731,6V = 877,92V DC
Wniosek: Zatem zabezpieczenie powinno mieć napięcie pracy conajmniej 877,92V DC.
Wyznaczenie prądu znamionowego zabezpieczenia wkładki topikowej pojedynczego łańcucha
1,4 x 13,44 ≤ Ing ≤ 2,4 x 13,44
18,816A ≤ Ing ≤ 32,256 A
Finalny dobór: wkładka topikowa rozmiar 10×38 charakterystyka gPC o napieciu 1000VDC i prądzie ciągłym 20A, model: PV-20A10F lub produkt zamienny
Przykład nr 2 Zabezpieczenie wkładkami topikowymi gPV
Założenia:
- Panel model JAM54S31 firmy JA SOLAR o mocy 380W.
- Napięcie jałowe Voc = 36,58V DC.
- Prąd zwarciowy Isc = 13,44 A
- Instalacja składa się z 2 łańcuchów, w każdym po 10 paneli.
Obliczenie napięcia w jednym łańcuchu:
USTRING = Voc * liczba paneli połączonych szeregowo = 36,58V * 10 = 365,8 V
Wyznaczenie wymaganego minimalnego napięcia pracy Un zabezpieczenia pojedynczego łańcucha:
Un = 1,2 * USTRING = 1,2 * 365,8V = 438,96V DC
Wniosek: Zatem zabezpieczenie powinno mieć napięcie pracy conajmniej 438,96V DC.
Wyznaczenie prądu znamionowego zabezpieczenia wkładki topikowej pojedynczego łańcucha
1,4 x 13,44 ≤ Ing ≤ 2,4 x 13,44
18,816A ≤ Ing ≤ 32,256 A
Finalny dobór: wkładka topikowa rozmiar 10×38 charakterystyka gPC o napięciu 1000VDC i prądzie ciągłym 20A, model: PV-20A10F lub produkt zamienny
Przykład nr 3 Zabezpieczenie wyłącznikiem nadprądowym DC
Założenia:
- Panel model JAM54S31 firmy JA SOLAR o mocy 380W.
- Napięcie jałowe Voc = 36,58V DC.
- Prąd zwarciowy Isc = 13,44 A
- Instalacja składa się z 2 łańcuchów, w każdym po 13 paneli.
Obliczenie napięcia w jednym łańcuchu:
USTRING = Voc * liczba paneli połączonych szeregowo = 36,58V * 13 = 475,54 V
Wyznaczenie wymaganego minimalnego napięcia pracy Un zabezpieczenia pojedynczego łańcucha:
Un = 1,2 * USTRING = 1,2 * 475,54V = 570,648V DC ~ 570,65V DC
Wniosek: Zatem zabezpieczenie powinno mieć napięcie pracy conajmniej 571V DC.
Wyznaczenie prądu znamionowego zabezpieczenia wkładki topikowej pojedynczego łańcucha
1,4 x 13,44 ≤ Ing ≤ 2,4 x 13,44
18,816A ≤ Ing ≤ 32,256 A
Finalny dobór: wyłącznik nadprądowy DC, napięcie znamionowe 800VDC, prąd ciągły 20A model A9N61652
Więcej o doborze wyłączników nadprądowych dowiesz się tu: https://kanalelektryczny.pl/budowa-i-zasada-dzialania-wylacznikow-nadpradowych/
Literatura
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.
