Dobór ograniczników przepięć do ochrony instalacji fotowoltaicznych

fot. Ogranicznik DS60VGPV firmy CITEL

Instalacja fotowoltaiczna ze względu na swoją budowę i usytuowanie jest poważnie narażona na przepięcia powstałe w wyniku bezpośredniego uderzenia pioruna lub indukowanych przepięć, spowodowanych pobliskimi wyładowaniami atmosferycznymi.

Ich intensywność uzależniona jest od położenia (zwykle więcej jest w górach niż nad morzem), dla Polski zakłada się średnio w każdym roku ok. 2 uderzeń pioruna na 1 km². Zarówno panele fotowoltaiczne, jak też falowniki DC/AC, są bardzo czułe na przepięcia i łatwo mogą ulec uszkodzeniu. Dlatego każda instalacja fotowolta­iczna musi być zabezpieczona specjalnymi ogranicznikami przepięć przed przepięciami, natomiast tylko niektóre instalacje wymagają ochrony specjalnymi wkładkami topikowymi przed zwarciami.

Jeżeli przy projektowaniu nie udało się zachować właściwych odstępów pomiędzy instalacją odgromową a instalacją fotowoltaiczną (zwykle powyżej 0,5 m, co wynika z wyliczeń) lub np. instalacja fotowoltaiczna jest zainstalowana na dachu pokrytym metalową dachówką, należy wówczas zastosować ograniczniki typu 1+2, czyli np. DS60VGPV firmy CITEL. Należy również połączyć (w celu wyrównania potencjałów) elementy zewnętrznej instalacji odgromowej z konstrukcją nośną i ramami instalacji PV. Zachowanie odległości między instalacjami oznacza, że nie mogą się bezpośrednio krzyżować - jeżeli jest to konieczne, to należy np. przeprowadzić instalację odgromową na wspornikach o określonej wysokości powyżej instalacji fotowoltaicznej. Powinno się także unikać kładzenia obu instalacji równolegle w niewielkiej odległości od siebie, aby odprowadzany przez instalację odgromową prąd piorunowy nie wzbudził przez oddziaływanie pola elektromagnetycznego zbyt dużego prądu w instalacji fotowoltaicznej.

Jeżeli instalacja fotowoltaiczna nie jest zabezpieczona instalacją odgromową lub udało się zachować właściwe odległości pomiędzy instalacją odgromową a fotowoltaiczną, to wg normy minimum co należy zastosować to ograniczniki przepięć typu 2, jak np. DS50VGPVS lub DS50PYS firmy CITEL. Stosowanie ograniczników typu 2 zamiast 1+2 jest pewnym kompromisem z powodu niższych kosztów, gdyż ograniczniki te chronią instalację fotowoltaiczną wyłącznie przed przepięciami indukowanymi - w przypadku bezpośredniego uderzenia pioruna w taką instalację fotowoltaiczną nie zapewnią one wystarczającej ochrony.

Bardzo ważny jest właściwy dobór ogranicznika do napięcia DC występującego w sieci fotowoltaicznej. Należy pamiętać, że napięcie wytwarzane przez panele fotowoltaiczne, które jest podawane w dokumentacji technicznej, zwykle odnosi się do temperatury 25°C, w przypadku pracy w zimie należy zastosować odpowiednie współczynniki korekcyjne, gdyż przy temperaturze -20°C napięcie może być o ok. 20% wyższe. Ograniczniki przepięć należy dobrać w ten sposób, aby zapewniony poziom ochrony był niższy niż maksymalne napięcie wytrzymywane przez panele fotowoltaiczne i falownik DC/AC. Firma CITEL oferuje bardzo szeroką ofertę ograniczników dla fotowoltaiki na prąd DC, zarówno typu 1+2 jak i 2 - od 100 do 1500 V DC, z czego najbardziej typowe są w zakresie 500-1000 V DC.

Przy wyborze ograniczników przepięć do ochrony fotowoltaiki występuje jeszcze kilka zagadnień, o których warto wspomnieć. Ograniczniki przepięć typu 1+2 dla fotowoltaiki powinny być zbudowane na bazie iskierników gazowych, ponieważ technologia ta umożliwia dużo lepsze odprowadzanie prądów udarowych niż same warystory. W przypadku ograniczników typu 2, zbudowanych na bazie warystorów, występuje przepływ początkowo małego, ale z czasem coraz większego prądu upływu pomiędzy biegunem „+” oraz „-” a ziemią. Taki prąd występuje również w przypadku prądu przemiennego, natomiast w obwodach prądu stałego jego szkodliwe oddziaływanie na warystor jest wielokrotnie większe, powodując zbyt szybkie starzenie się warystora. Można temu zapobiec stosując ograniczniki przepięć 3-modułowe o połączeniach typu Y, gdzie obok 2 warystorów w środkowym wspólnym module zostaje zastosowany iskiernik gazowy uniemożliwiający przepływ prądu upływu jak np. DS50PVS-1000G/51 firmy CITEL.

Kolejnym zagadnieniem jest liczba modułów w ogranicznikach do zabezpieczania instalacji fotowoltaicznej. Tańszym, ale technicznie gorszym rozwiązaniem są 2 moduły do zabezpieczania „+” i „-”. W przypadku zwarcia, np. w wyniku uszkodzenia izolacji kabla, nastąpi trwałe uszkodzenie 1 modułu ogranicznika. Można tego uniknąć stosując wykonanie 3-biegunowe w układzie połączeń Y.

Ostatnim tematem jest kwestia usytuowania ogranicznika przepięć - powinien on znajdować się w pobliżu chronionego obiektu. Jeżeli długość przewodu pomiędzy panelami fotowoltaicznymi a falownikiem DC/AC nie przekracza 10 m - wystarczy zainstalować 1 ogranicznik w danym łańcuchu. Jeżeli natomiast długość kabla jest większa, to przy panelach instalujemy ogranicznik typu 1+2 lub 2 (w zależności od wyliczeń) oraz drugi ogranicznik typu 2 w pobliżu falownika. Należy pamiętać również o zainstalowaniu ograniczników AC do ochrony drugiej strony falownika przed przepięciami lub uderzeniami pioruna od strony, np. napowietrznych przewodów nn.

Istotnym elementem ochrony jest (w przypadku dużych instalacji) zabezpieczenie przewodów komunikacyjnych i sterowniczych specjalnymi ogranicznikami przepięć, np. DLA... lub DLU... - jest tu bardzo dużo wykonań w zależności od napięcia (6,12,24 V DC itd.) i systemu transmisji danych (RS485, RS422, Profibus, LONWork, CANopen-Bus itd). Warto też pamiętać o zabezpieczeniu ogranicznikami przepięć komputera sterującego oraz np. kamer monitoringu. W tej dziedzinie firma CITEL oferuje bardzo szeroką paletę produktów. 

Właściwe zabezpieczenie przed przepięciami instalacji fotowoltaicznej pozwoli na jej użytkowanie przez wiele lat i pomoże ustrzec się przed potencjalnymi dużymi stratami.