Niezawodność instalacji w przypadku wyładowań atmosferycznych i przepięć

Jeśli chcemy, aby instalacja fotowoltaiczna działała bezpiecznie i niezawodnie przez wiele lat, należy starannie dobrać wszystkie elementy instalacji elektrycznej

Skuteczna ochrona instalacji fotowoltaicznych

Jeśli chcemy, aby instalacja fotowoltaiczna działała bezpiecznie i niezawodnie przez wiele lat, należy starannie dobrać wszystkie elementy instalacji elektrycznej. Ważnym czynnikiem
w przypadku wszystkich instalacji fotowoltaicznych – czy to instalacje na dachach domów jednorodzinnych, systemy wyspowe lub instalacje na otwartych powierzchniach - jest profesjonalna ochrona przed prądami piorunowymi i przepięciami.

Odpowiednie odgromniki i ochronniki przeciwprzepięciowe przyczyniają się do wzrostu bezpieczeństwa osób i urządzeń. Poza tym wzrasta niezawodność urządzeń, ograniczająca zbędne inwestycje i koszty naprawy. Dzięki takim aparatom, znajdującym zastosowanie w instalacjach fotowoltaicznych, można uchronić drogie komponenty przed awarią.
Aby pomóc w tym zakresie Phoenix Contact oferuje sprawdzone elementy chroniące przed wyładowaniami atmosferycznymi i przepięciami przepięciowej do takich aplikacji.

Nacisk na mniejsze koszty i wysoką niezawodność

Branża fotowoltaiczna w Europie przeżywa ciężki okres – w znacznym stopniu zredukowano liczne środki pomocowe. Rosnący nacisk na cięcie kosztów ustawicznie zmusza podmioty działające w tej branży do przemyśleń w zakresie zmniejszania kosztów podczas doboru komponentów. Ze względu na koszty instalatorzy urządzeń fotowoltaicznych często nie proponują odgromników i ochronników przeciwprzepięciowych w instalacjach budynków lub instalacjach polowych, aby tylko dostać zlecenie na walczącym o cenę rynku fotowoltaicznym. Końcowy klient często nie potrafi ocenić niebezpieczeństw i zagrożeń spowodowanych możliwym bezpośrednim lub pośrednim oddziaływaniem wyładowań. Dlatego też klient często decyduje się na korzystniejszą ofertę
i zapomina o tym, że instalacja fotowoltaiczna powinna się możliwie szybko zamortyzować i wytwarzać prąd z energii słonecznej przez okres dłuższy niż 20 lat. A przecież to wysoka niezawodność jest warunkiem zabezpieczenia inwestycji, jej zwrotu i ekonomicznego sukcesu.

Instalacja w budynku a systemy fotowoltaiczne

Mimo wielokrotnie zapowiadanego „kryzysu fotowoltaicznego“ również w Niemczech nadal instaluje się nowe systemy fotowoltaiczne – w tym liczne instalacje dachowe. W przypadku instalacji dachowych chodzi często o integrację z istniejącym systemem elektrycznym budynku. W tym przypadku chodzi o to, aby montaż instalacji fotowoltaicznej nie wytrącił z równowagi istniejącego systemu.

Instalacja w budynku - typową instalację fotowoltaiczną na dachu należy zintegrować z całym systemem przy użyciu zewnętrznych odgromników i ograniczników przepięć.

Integracja instalacji fotowoltaicznej jest podstępna i niesie ze sobą zagrożenia w przypadku niewłaściwego zaprojektowania lub niewłaściwej koncepcji ochrony. W takim przypadku można wyobrazić sobie kilka scenariuszy, przed którymi należałoby uchronić instalację fotowoltaiczną. Jeśli w budynku istnieje zewnętrzny system ochrony odgromowej, wówczas przewodów nie należy układać równolegle do instalacji piorunochronnej. Ponieważ w razie wyładowania atmosferycznego prąd piorunowy szuka sobie drogę do ziemi o jak najmniejszej impedancji poprzez zewnętrzną instalację piorunochronną. W trakcie powstaje silne pole elektromagnetyczne, mogące indukować przepięcia w położonych w pobliżu przewodach. Takie chwilowe podniesienie napięcia może zniszczyć podłączone urządzenia lub komponenty a w najgorszym przypadku spowodować pożar.

Po stronie napięcia zmiennego falownik najczęściej łączony jest z przewodem ochronnym.
W wyniku tego powstaje połączenie galwaniczne poprzez przewód ochronny z istniejącą instalacją w budynku. Dla zapewnienia ochrony pozostałych obwodów AC należy zastosować klasyczne ograniczniki przepięć.
Jeśli instalacja fotowoltaiczna oraz instalacja w budynku nie są w dostatecznym stopniu zabezpieczone przed działaniem wyładowań atmosferycznych, wówczas może dojść do uszkodzenia lub wręcz całkowitego zniszczenia wszystkich urządzeń podpiętych do głównych szyn wyrównania potencjałów (PE) w zależności od rozkładu tego prądu w budynku.

W praktyce z przyczyn ekonomicznych moduły fotowoltaiczne układane są najczęściej na całej powierzchni dachu. W trakcie układania często nie są zachowane odstępy separacyjne „s“ między ramami modułów, a zewnętrzną instalacją piorunochronną.

Zwiększa to zagrożenie przebicia między ramami modułów a instalacją piorunochronną przebiegającą w pobliżu. Powoduje to przepływ znacznego prądu do ziemi przez ramę paneli i metalowe rusztowanie. Wówczas dochodzi nie tylko do punktowego przegrzania komórki w module - z angielska zwanego hotspotem -, lecz również do sprzężenia przepięć na modułach fotowoltaicznych, które jeśli to przekracza  ich wytrzymałość izolacyjną, może je uszkodzić. W takim przypadku zaleca się zachowanie odstępów separacyjnych jak i połączenie ram modułów z oddzielnym potencjałem ziemi ze względu na zabezpieczeniem przed porażeniem.

Ochrona urządzeń fotowoltaicznych

Obecnie urządzenia na otwartych powierzchniach
w pierwszym rzędzie mają być rentowne - maksymalny zysk i wysokie przychody z odsetek są w tym przypadku naczelnym celem. Aby zmniejszyć koszty urządzeń należy dążyć do zwiększenia ich niezawodności i minimalizacji wskaźnika przestojów. W tym celu należy starannie dobrać wszystkie komponenty i fachowo je zainstalować. W tym bowiem przypadku komponenty fotowoltaiczne są wystawione na działanie wszelkich wpływów atmosferycznych .

Wydajna instalacja polowa – skrzynka do podłączenia generatora musi wraz ze zintegrowanymi w niej elementami ochronnymi być odporna na czynniki pogodowe.

Dlatego dla zapewnienia bezpiecznej eksploatacji i długoterminowej niezawodności układu fotowoltaicznego zaleca się zainstalowanie urządzeń chroniących przed przepięciami, które zaprojektowano zgodnie z obowiązującą normą dotyczącą urządzeń do ochrony przed przepięciami stosowanych w instalacjach fotowoltaicznych. Ze względu na wrażliwe aparaty elektroniczne, które
w dużej ilości montuje się również w skrzynce podłączeniowej generatora, należy też zadbać o dostateczną ochronę danych jak i modułów komunikacyjnych, podobnie jak w przypadku instalacji w budynku. Dla większości małych instalacji wystarczy ogranicznik przepięć typu 2, który instaluje się bezpośrednio na wejściu DC falownika.

Po zapewnieniu skutecznej ochrony po stronie prądu stałego i zmiennego należy zabezpieczyć również przewody falownika służące do transmisji danych i komunikacji.

Odpowiednie rozwiązanie dla „ochrony przez 24 godziny na dobę“

Niezależnie do tego, czy istnieje zewnętrzny system ochrony odgromowej czy nie, po stronie napięcia zmiennego należałoby dobrać niezbędne elementy zabezpieczające. Jeśli budynek lub instalacja na otwartej przestrzeni nie posiada zewnętrznego systemu ochrony odgromowej, wówczas falownik lub skrzynkę podłączeniową generatora należałoby zabezpieczyć odgromnikiem typu 2 na bazie warystorów. Jeśli przewody między modułami fotowoltaicznymi a falownikiem po stronie napięcia stałego są dłuższe niż 10 m, sprzężone przepięcia mogą w wyniku efektów oscylacyjnych przekroczyć wytrzymałość izolacyjną modułu fotowoltaicznego i ją uszkodzić. Dlatego
w niniejszym przypadku zaleca się umieszczenie bezpośrednio przy module kolejnego zabezpieczenia przed przepięciami.

Natomiast jeśli istnieje zewnętrzny system ochrony odgromowej, wówczas na wejściu do budynku należałoby zainstalować odgromnik typu 1 lub w skrzynce podłączeniowej generatora, a po stronie AC przed falownikiem ogranicznik przepięć typu 2. W zależności od wyboru w tym miejscu mogą spełnić swoją rolę również odgromnik i ogranicznik przepięć typu 1/2. Phoenix Contact oferuje specjalne dla takich wymogów urządzenia odgromowe i zabezpieczające przed przepięciami typu 1/2 lub typu 2 dostosowane po stronie DC instalacji fotowoltaicznej – za każdym razem do napięcia 600,1000, 1500 V DC.
Dla zastosowań z dwoma MPP trackerami (MPP = Regulacja Maximum Power Point) opracowano nowe rozwiązanie z dwoma odseparowanymi wejściami plus i jednym wspólnym minus. Rozwiązanie to wiąże się nie tylko ze znacznym obniżeniem kosztów, lecz również, ze względu na niewielkie rozmiary, umożliwia użytkownikowi umieszczenie w swoich urządzeniach - na przykład w falowniku, czy także w skrzynce przyłączeniowej generatora.

Kompaktowe ograniczniki przepięć dla ochrony dwóch MPP trackerów w wykonaniu firmy Phoenix Contact są niedrogie i nie wymagają wiele miejsca.

Kompletna ochrona jest tak samo ważna w przypadku danych jak i modułów komunikacji - również ten aspekt należałoby uwzględnić podczas planowania. Bowiem to tu może łatwo dojść do sprzęgania przepięć, uszkadzających falowniki lub jednostkę analityczną. Również w tym przypadku Phoenix Contact oferuje w zależności od interfejsu dopasowane urządzenie ochronne.

Podsumowanie

Bez względu na to, czy mamy do czynienia z urządzeniami dachowymi na domach jednorodzinnych, systemami wyspowymi lub urządzeniami na otwartych przestrzeniach, zawsze istotne będzie fachowe zainstalowanie urządzeń do ochrony odgromowej i przed przepięciami przy zachowaniu aktualnych norm i przepisów.

Dlatego dla zapewnienia bezpiecznej eksploatacji instalacji fotowoltaicznej już na etapie projektowym należy uwzględnić elementy ochrony odgromowej i przepięciowej. Dla każdego zakresu zastosowania począwszy od modułu a kończąc na falowniku po stronie napięcia stałego lub zaczynając od falownika, a kończąc na sieci AC istnieją jednolite urządzenia do ochrony odgromowej i przepięciowej.

Do tego należy zwracać szczególną uwagę na wrażliwą elektronikę, coraz częściej stosowaną w systemach fotowoltaicznych. Bowiem zadaniem niniejszej elektroniki jest szybkie rozpoznanie awarii instalacji fotowoltaicznej.