Google+

Dla zapewnienia prawidłowej pracy, a co najważniejsze, bezpieczeństwa instalacji fotowoltaicznej kluczową rolę odgrywają odpowiednie zabezpieczenia nie tylko paneli, ale i pozostałych elementów systemu wytwarzania energii elektrycznej.

Fot. 1. Systemy fotowoltaiczne są nieodzownym elementem nowoczesnych i energooszczędnych instalacji zasilania. Fot.: ViessmannFot. 1. Systemy fotowoltaiczne są nieodzownym elementem nowoczesnych i energooszczędnych instalacji zasilania. Fot.: Viessmann

Budowa typowej wkładki topikowej jest prosta. Dla zapewnienia dobrego przewodzenia prądu styki nożowe wykonuje się z miedzi i mosiądzu. Dodatkowo pokryte są one warstwą srebra i niklu. Korpusy wkładki wykonywane są z pełnowartościowego steatytu. Podkreślić należy, że materiał ten cechuje się bardzo dobrą odpornością na obciążenia termiczne. Wewnątrz korpusu umieszczony jest element topikowy z miedzi, przymocowany do wewnętrznej części styku. Oprócz tego wnętrze korpusu ceramicznego wypełnione jest piaskiem kwarcowym. Pokrywy produkuje się z aluminium. W przypadku wkładek, które zastosowanie znajdują np. w górnictwie, materiał na pokrywy stanowi stal. Przydatne rozwiązania w dostępnych na rynku wkładkach topikowych stanowią wskaźniki zadziałania, które umiejscowione są w przedniej części korpusu wkładki.
Nie ma wątpliwości co do tego, że bezpieczniki AC i DC różnią się między sobą w szczególności jeżeli chodzi o elementy topikowe. Wystarczy tylko wziąć pod uwagę zdolność w zakresie wyznaczania prądów przemiennych lub stałych. Przykładowo przy prądzie przemiennym w bezpieczniku AC wartość prądu ponad dziesięć razy w ciągu jednej sekundy osiąga wartość zerową i w tym punkcie możliwość przerwania (zgaszenia) łuku elektrycznego jest ułatwiona. Z kolei zdecydowanie trudniej przebiega przerywanie prądu stałego. Zjawisko w tym zakresie w dużej mierze wynika z faktu, że prąd płynie tylko w jednym kierunku i praktycznie nigdy nie osiąga wartości zerowej, która sprzyja zgaszeniu łuku elektrycznego.
Element topikowy, który znajduje zastosowanie w bezpiecznikach DC musi być tak dobrany aby mógł wyznaczyć zbyt duży prąd w obwodzie i w możliwie najkrótszym czasie zgasić łuk elektryczny. Bezpieczniki znajdujące zastosowanie w obwodach prądu stałego muszą uwzględniać szereg wzajemnych, a zarazem zgodnych właściwości w porównaniu z bezpiecznikami AC. Na rynku oferowane są bezpieczniki oznaczone jako AC i DC z podanymi wartościami napięć znamionowych.

Poziomy zabezpieczeń

Fot. 2. Typowe wkładki topikowe oraz współpracujące z nimi rozłączniki, przeznaczone do
ochrony ogniw fotowoltaicznych, projektowane są na napięcie 900 V i 1000 V DC. Fot.: SIBAFot. 2. Typowe wkładki topikowe oraz współpracujące z nimi rozłączniki, przeznaczone do ochrony ogniw fotowoltaicznych, projektowane są na napięcie 900 V i 1000 V DC. Fot.: SIBA

Specjaliści zwracają uwagę na dwa poziomy zabezpieczeń uzyskane poprzez bezpieczniki topikowe. Stąd też poziom I ma za zadanie wyłączanie prądów zwarciowych DC w obszarze paneli w miejscu położonym możliwie najbliżej paneli fotowoltaicznych. W tym celu zastosować można chociażby specjalnie zaprojektowane i badane bezpieczniki topikowe cylindryczne (np. CH 10 DC z oferty firmy Eti Polam), które montowane są w rozłączniku. Co zatem zyskuje się stosując poziom I zabezpieczeń? Przede wszystkim istotne jest fizyczne i elektryczne odłączenie każdego pojedynczego panelu. Należy pamiętać, aby rozłącznik był zainstalowany zarówno w biegunie „+”, jak i „-” obwodu łańcucha paneli.
Nie mniej ważny jest poziom II zabezpieczeń uzyskany poprzez bezpieczniki topikowe. Poziom ten stanowi ochronę główną instalacji fotowoltaicznej a zabezpieczenia zazwyczaj instaluje się w pobliżu zacisków wejściowych przekształtnika. Istotną rolę odgrywa elektryczne połączenie z rozłącznikami pierwszego poziomu. Do montażu bezpieczników przeznaczone są podstawy bezpiecznikowe. I tu też należy pamiętać, aby bezpiecznik był zainstalowany zarówno na biegunie „+” jak i „-” przekształtnika. Trzeba sprawdzić, czy przekształtnik jest uziemiony, a jeżeli przewidziano uziemienie bezpiecznik instaluje się wyłącznie na jednym biegunie.

Cechy wkładek topikowych

Typowe wkładki topikowe oraz współpracujące z nimi rozłączniki, przeznaczone do ochrony ogniw fotowoltaicznych, projektowane są na napięcie 900 V i 1000 V DC. Istotną rolę odgrywa specjalna charakterystyka czasowo-prądowa t-I zbliżona do charakterystyki gR bezpieczników odpowiedzialnych za zabezpieczanie elementów półprzewodnikowych. Należy podkreślić, że ich znamionowe całki Joule’a przedłukowe i wyłączania cechują bardzo niskie wartości.
Z kolei wkładki topikowe będące zabezpieczeniem głównym instalacji fotowoltaicznej cechuje napięcie znamionowe DC 750 V – 1100 V. Są one umieszczane w podstawach bezpiecznikowych lub rozłącznikach, dzięki czemu zyskuje się szybkie odłączenie przekształtnika od instalacji paneli fotowoltaicznych a więc całego obwodu prądu stałego.

Fot. 3. Specjaliści zwracają uwagę na dwa poziomy zabezpieczeń uzyskane poprzez bezpieczniki
topikowe. Fot.: ETI POLAMFot. 3. Specjaliści zwracają uwagę na dwa poziomy zabezpieczeń uzyskane poprzez bezpieczniki topikowe. Fot.: ETI POLAM

Przykłady doboru bezpieczników

Warto przeanalizować wybór przykładowych bezpieczników topikowych. W przypadku bezpieczników CH 10 PV firmy Etipolam definiując instalację fotowoltaiczną należy określić parametr Isc (prąd zwarciowy- panel), ilość paneli oraz ilość rzędów paneli. Jeżeli ilość paneli jest większa od 2 należy uwzględnić bezpiecznik PV w rzędzie paneli In = 1,5 × Isc. Istotną rolę odgrywa również bezpiecznik PV w rzędzie paneli Un = 1,2 × Un × ilość paneli. Należy przy tym pamiętać aby zastosować bezpiecznik PV w rzędach paneli do obu biegunów („+” i „-” ) W przypadku, gdy ilość rzędów paneli nie przekracza 2 zabezpieczenie PV nie jest wymagane, a jeżeli układ jest zbudowany z trzech lub więcej rzędów paneli solarnych połączonych równolegle należy uwzględnić w każdym rzędzie zabezpieczenie za pomocą odpowiedniego bezpiecznika PV.
Należy podkreślić, że systemy fotowoltaiczne z mniej niż trzema rzędami paneli solarnych nie generują takiego poziomu prądów udarowych, które mogą uszkodzić przewody lub panele. Zazwyczaj celem zabezpieczania przed przetężeniem przewodów i paneli fotowoltaicznych jednego rzędu paneli solarnych używa się 2 bezpieczników PV (biegun „+” i biegun „-”). Jeżeli dojdzie do uszkodzenia bezpieczniki odcinają uszkodzony rząd paneli, a pozostałe rzędy paneli mogą kontynuować proces wytwarzania energii elektrycznej.

Fot. 4. Element topikowy, który znajduje zastosowanie w bezpiecznikach DC musi być tak
dobrany aby mógł wyznaczyć zbyt duży prąd w obwodzie i w możliwie najkrótszym
czasie zgasić łuk elektryczny. Fot.: Jean MüllerFot. 4. Element topikowy, który znajduje zastosowanie w bezpiecznikach DC musi być tak dobrany aby mógł wyznaczyć zbyt duży prąd w obwodzie i w możliwie najkrótszym czasie zgasić łuk elektryczny. Fot.: Jean Müller

Przy doborze wkładek topikowych Jean Müller napięcie znamionowe wkładki topikowej jest odpowiednio określane w stosunku do najniższej spodziewanej temperatury na zewnątrz. Dla temperatury -25°C przy standardowych warunkach testowych obowiązuje Un=1,2 × UOC MOD. Z kolei przy określeniu prądu znamionowego wkładki topikowej typu PV obowiązuje odpowiednio zapis normy IEC 60269‑6: In ≥ 1,4 × Isc (ISC MOD względnie ISC ARRAY) przy czym brana jest pod uwagę temperatura otoczenia (współczynnik korekcyjny 0,945 ‑ 1), a współczynniki odbiegające od tej normy można odczytać z wykresu. Kluczową rolę odgrywa podwyższone naświetlenie 1200 W/m2 (1,2) oraz cykliczne (0,9 ‑ 1). Poza tym dla szeregu bezpieczników obowiązuje zasada In ≤ 0,9 × I MOD_ REVERSE, jeżeli jest podana wytrzymałość na prąd zwrotny modułu.
Do ochrony kabli, jeżeli inne źródła energii (np. akumulatory) mogą generować prądy przetężeniowe, powinna zostać uwzględniona dodatkowo zależność dotycząca obciążenia prądowego zastosowanych kabli In ≤ Iz.

Inne zabezpieczenia

Na rynku oferowane są wyłączniki kompaktowe (np. Ex9MD firmy Noark Electric) zaprojektowane z myślą o pracy w instalacjach fotowoltaicznych o prądach przekraczających 63 A. Najmniejsza seria aparatów jest dostępna na wartości prądu znamionowego od 16 A do 125 A. Specjalną serię przewidziano dla zakresów prądowych mieszczących się pomiędzy 125 a 250 A. Odpowiednie wyłączniki znajdują również zastosowanie w przypadku prądów osiągających do 400 A.
Do wszystkich wyłączników dostępne są akcesoria wewnętrzne, takie jak wyzwalacze wzrostowe i podnapięciowe, styki pomocnicze oraz styki pomocnicze zadziałania. Warto również zwrócić uwagę na akcesoria zewnętrzne w postaci napędów obrotowych bezpośrednich oraz drzwiowych, a także napędów silnikowych, osłon końcówek zacisków zarówno w wykonaniu krótkim jak i długim. Oferowane są również elastyczne przegrody separujące.
Modułowe ograniczniki przepięć (np. OBV26PV firmy Fotton), które zaprojektowano z myślą o pracy w instalacjach fotowoltaicznych, zapewniają ochronę przed przepięciami łączeniowymi pochodzącymi od wyładowań atmosferycznych pośrednich lub bezpośrednich. Ograniczniki tego typu znajdują zastosowanie zarówno w obiektach wyposażonych w instalację odgromową, jak i funkcjonujących bez instalacji odgromowych. Typowy ogranicznik cechuje się klasą B+C - tym samym spełnia wymogi klas I i II. Maksymalne napięcie pracy ciągłej wynosi 1060 V DC przy poziomie napięcia ochrony nie przekraczającym 2,5 kV. Prąd próbny (10/350) Ipeak wynosi z kolei 8 kA, a prąd maksymalny (8/20) Imax osiąga 40 kA przy prądzie próbnym (8/20) In wynoszącym 20 kA. W zakresie parametrów istotną rolę odgrywa dobezpieczenie 125 AgL. Czas odpowiedzi nie przekracza 25 ns.

Rys. 1. Miejsce zastosowania wkładek.Rys. 1. Miejsce zastosowania wkładek.

Podsumowanie

Do konieczności zabezpieczania instalacji fotowoltaicznej nikogo nie trzeba przekonywać. Należy pamiętać, że napięcie na nieobciążonych zaciskach zestawu paneli ma wartość znamionową również podczas niewielkiego nasłonecznia. Jedynie prąd jest zależny w sposób liniowy od nasłonecznienia promieniami. Stąd też warto zwrócić uwagę na ryzyko porażenia elektrycznego.
Jeżeli dojdzie do zacienienia jednego z paneli to w tym panelu dochodzi do zwarcia, a co za tym idzie, przepływu prądu zwarciowego Isc. Stanowi on sumę prądów pochodzących z innych łańcuchów paneli PV. Z kolei w przypadku uszkodzenia wewnętrznego falownika niejednokrotnie dochodzi do przepływu prądu zwarciowego, pochodzącego zazwyczaj z głównej sieci zasilającej, do układu paneli PV. Odrębne zabezpieczenie stanowi ochrona systemów fotowoltaicznych przed przepięciami, które pochodzą od wyładowań atmosferycznych zarówno pośrednich jak i pośrednich. Rozwiązania tego typu bazują na specjalnych ogranicznikach przepięć.

Damian Żabicki

Literatura:
Materiały informacyjne firm Eti Polam i Jean Müller.

Megger przyrządy pomiarowe nr 1 na świecie - niezawodne w każdych warunkach - gwarantowana wiarygodność i powtarzalność pomiarów - ...mierzymy od 1889 roku