Google+

Mimo że decyzje i działania polskich organów państwowych nie traktują odnawialnych źródeł energii z należytą życzliwością, ich wykorzystanie, w szczególności pozyskiwanie energii z promieniowania słonecznego, w Polsce rozpowszechnia się. Stwarza to nowe i specyficzne wymagania co do prawidłowej, a przede wszystkim bezpiecznej pracy urządzeń elektrycznych. Firma NOARK Electric oferuje innowacyjne rozwiązania dedykowane do zabezpieczania instalacji PV.

Aparatura łączeniowa i zabezpieczeniowa

Istnieją trzy główne różnice pomiędzy przydomowymi aplikacjami fotowoltaicznymi a innym tradycyjnym systemem DC. Pierwsza z nich związana jest z wysokim napięciem, które najczęściej zawiera się w granicy 400–1000 V DC. Kolejna różnica wynika z faktu, iż prąd zwarciowy paneli jest bliski ich prądowi znamionowemu. Ostatnią i najważniejszą różnicą jest zmiana polaryzacji prądu płynącego przez wyłącznik lub przełącznik podczas nieprawidłowej pracy systemu fotowoltaicznego. Wymienione kwestie stawiają zupełnie nowe wymagania dotyczące projektowania, budowy i działania elementów DC, takich jak wyłączniki lub przełączniki. Jedną z ważniejszych części systemu fotowoltaicznego są urządzenia zabezpieczające i kontrolujące. Są to zabezpieczenia nadprądowe (wyłączniki, bezpieczniki), rozłączniki oraz ograniczniki przepięć. W większych aplikacjach fotowoltaicznych może być stosowany także system kontrolujący lub pomiarowy. Konfiguracja urządzeń zależy od rozmiaru systemu, liczby stringów (pasm, łańcuchów, w jakie zestawia się moduły), ich połączenia oraz innych wymagań. Urządzenia są zazwyczaj instalowane w specjalnych obudowach DC.

Ochrona przed przetężeniami prądowymi

Rys. 2 Rys. 2 Rys. 3 Rys. 3

Pierwszym zagadnieniem, które trzeba wziąć pod uwagę przy projektowaniu systemu fotowoltaicznego, jest cel stosowania urządzeń nadprądowych. Jest on różny przy zabezpieczaniu pojedynczego stringu oraz przy zabezpieczaniu wielu stringów jednocześnie.
Wprawdzie ochrona przewodów przed przeciążeniem i uszkodzeniem termicznym ma takie same zasady, jak w każdym innym systemie elektrycznym, jednak projektowanie zabezpieczeń przed skutkami zwarć ma zupełnie inną procedurę. Konieczne jest zainstalowanie zabezpieczeń prądowych do wszystkich poszczególnych stringów. Najważniejszymi parametrami przy doborze odpowiedniego urządzenia ochronnego jest prąd znamionowy oraz jego zwarciowa zdolność łączeniowa.
Typowe prądy zwarciowe w systemach fotowoltaicznych są tylko o ok. 10% większe od wartości znamionowych. Jest to zdecydowanie odmienne zjawisko, w porównaniu do jakiegokolwiek systemu DC lub AC. Utrudnia to znacznie zabezpieczenie paneli, ponieważ nie ma urządzeń zabezpieczających, które by szybko wyłączały takie prądy zwarciowe.
W oparciu o normę IEC 62548-1, powinno zostać zainstalowane urządzenie zabezpieczające panel lub string. W istocie istnieją dwa urządzenia służące do zabezpieczenia paneli i stringów, tj. wyłączniki nadprądowe oraz podstawy bezpiecznikowe z wkładką topikową.
Najbardziej niezawodnym sposobem ochrony obwodów PV są dedykowane wyłączniki nadprądowe DC. Jednak standardowe wyłączniki nadprądowe DC o stałej polaryzacji nie zapewniają wystarczającej ochrony i niezawodności systemu. Ze względu na możliwość zmiany polaryzacji w układach fotowoltaicznych, np. przy zakłóceniach, należy stosować aparaty niezależne od polaryzacji. W tym zakresie firma NOARK Electric oferuje swoją aparaturę typu Ex9BP-N i Ex9BP-H (rys. 1) odpowiednio dla zdolności zwarciowej 6 i 10 kA. Te rodzaje aparatów wykonane są na maksymalne napięcie 1000 V DC, co odpowiada liczbie czterech modułów wyłącznika (250 V na biegun). Prąd znamionowy aparatu może być dobrany w przedziale od 10 do 63 A, dla charakterystyk C oraz K.
Istnieją cztery główne zalety stosowania wyłączników nadprądowych Ex9BP do aplikacji PV firmy NOARK Electric. Po pierwsze – w przypadku zadziałania wyłączników mogą one zostać załączone ponownie bez żadnych dodatkowych kosztów, takich jak związane z kupnem nowej wkładki bezpiecznikowej. Kolejną zaletą tego typu aparatów jest możliwość dobudowy akcesoriów. Można zainstalować dodatkowe styki pomocnicze umożliwiające sygnalizację stanu położenia dźwigni oraz zdalne odłączanie systemu PV przez zastosowanie wyzwalaczy. Trzecią zaletą wyłączników nadprądowych jest spełnienie funkcji rozłączającej, a czwartą – możliwość obsługiwania przez osoby niewykwalifikowane, co ma szczególne znaczenie, gdy instalacje znajdują się na dachach budynków mieszkalnych.

Rys. 4 Rys. 4 Rys. 5 Rys. 5

Kolejnym podstawowym urządzeniem do ochrony systemów PV są podstawy bezpiecznikowe z cylindryczną wkładką bezpiecznikową. W ofercie NOARK Electric jest to pozycja typu Ex9FP (rys. 2). Zaletą stosowania podstaw bezpiecznikowych Ex9FP jest ich niski koszt produkcji. Kolejnym atutem tego urządzenia jest niewielka ilość miejsca potrzebna do zainstalowania aparatu. W przypadkach, w których jest wymagane rozłączanie obu biegunów w stringu, należy stosować podstawy bezpiecznikowe dwubiegunowe. Należy jednak pamiętać, że podstawy bezpiecznikowe z cylindrycznymi wkładkami bezpiecznikowymi nie są rozłącznikami izolacyjnymi, tj. ich kategoria pracy to DC-20 (łączenie bez obciążenia). W przypadku, gdy to urządzenie powinno spełniać dodatkowo rolę rozłącznika, zgodnie z normą HD 60364-7-712:2005, konieczne jest zastosowanie dodatkowego urządzenia – rozłącznika izolacyjnego. Jego zadaniem będzie rozłączanie części systemu fotowoltaicznego wcześniej, niż podstawa bezpiecznikowa. Kolejną kwestią jest to, że wszystkie podstawy bezpiecznikowe z cylindrycznymi wkładkami przeznaczone są do stosowania i obsługiwania przez osoby wykwalifikowane elektrycznie.
W stringach mogą znajdować się także wspomniane rozłączniki izolacyjne. W przypadku, kiedy w stringu znajduje się już wyłącznik nadprądowy Ex9BP, nie ma konieczności stosowania osobnego rozłącznika izolacyjnego, gdyż wyłączniki te mogą służyć także do rozłączania obwodu. W przeciwnym razie rozłącznik izolacyjny musi być zainstalowany i powinien być on także niespolaryzowany. Firma NOARK Electric ma w swojej ofercie serię rozłączników izolacyjnych DC typu Ex9IP (rys. 3). Są to aparaty do maksymalnego napięcia 1000 V DC (analogicznie jak w wyłącznikach nadprądowych – 250 V na biegun), do prądu znamionowego 63 A. Jego kategoria użytkowania to DC-22B.

Ochrona przeciwprzepięciowa i odgromowa

Rys. 6 Rys. 6. Fot. Kaco

Każdy system fotowoltaiczny jest narażony na wyładowania atmosferyczne i przepięcia, dlatego konieczne jest stosowanie ograniczników przepięć. Oprócz odpowiedniej klasy ogranicznika i prawidłowo dobranych parametrów, ważne jest, aby dobrać ogranicznik przepięć przeznaczony do odpowiedniej konfiguracji systemu fotowoltaicznego (system fotowoltaiczny uziemiony lub nieuziemiony).
Firma NOARK Electric wprowadziła do oferty ograniczniki przepięć dedykowane do instalacji PV uziemionych i nieuziemionych serii Ex9UEP typu II (rys. 4). Użytkownik może wybrać spośród dwóch rodzajów ograniczników: na napięcie Ucpv równe 600 V DC (wykonanie o szerokości dwóch modułów) oraz 1200 V DC (wykonanie o szerokości trzech modułów). Możliwa jest optyczna sygnalizacja przepalenia wkładki, wymiana jej bez konieczności odłączania podstawy urządzenia oraz zrealizowanie zdalnej sygnalizacji z wykorzystaniem opcjonalnego styku pomocniczego. Dla skutecznej ochrony instalacji nieuziemionych, które w Europie są najbardziej powszechne, ograniczniki przepięć należy podłączyć do uziemienia. Jest to zasadnicza różnica między aplikacjami uziemionymi a nieuziemionymi. Schematy podłączenia ograniczników przepięć DC serii Ex9UEP do instalacji nieuziemionej zostały przedstawione na rysunku 5.

Zasady i kryteria doboru zabezpieczeń

Rys. 7 Rys. 7

Najczęstszym powodem zwarcia paneli lub stringu jest przebicie elektryczne. Uszkodzony panel lub string nie produkuje wtedy energii elektrycznej, natomiast przewodzi prąd elektryczny (praca instalacji w przypadku zwarcia w jednym ze stringów – rys. 6). Moc wyjściowa inwertera jest wtedy najczęściej zerowa, ponieważ napięcie jest zbyt niskie i nie mieści się w zakresie napięć, w których inwerter może poprawnie pracować. Kolejnym problemem, zwłaszcza w przypadku dużej liczby połączeń równoległych stringów (prądy stringów się sumują), jest duże przeciążenie przewodów łączących uszkodzony string z innymi. Prąd znamionowy i charakterystyka wyzwalania urządzenia zabezpieczającego zależy od parametrów paneli w danym stringu. Zabezpieczenia z jednej strony muszą prawidłowo chronić instalację, a z drugiej umożliwiać jej pracę w przypadku braku zakłóceń. Głównym parametrem panelu jest prąd w punkcie mocy maksymalnej Impp. Wartość tego prądu musi być mniejsza od wartości prądu zadziałania urządzenia ochronnego. Istnieją dwie metody pozwalające na odpowiedni dobór zabezpieczenia. Pierwsze rozwiązanie podane jest w normie IEC 62548-1, która określa, że prąd zadziałania wyłącznika powinien zawierać się w przedziale 1,4–2,0-krotności prądu zwarcia Isc panelu. Aby spełnić takie wymaganie, należy znać charakterystykę czasowo-prądową zastosowanego urządzenia zabezpieczającego. Drugie rozwiązanie pochodzi wprost od producentów paneli fotowoltaicznych. W danych technicznych producenta danego panelu określona jest maksymalna wartość prądu bezpiecznika, jakim może być zabezpieczony panel. Związane jest to z maksymalnym dopuszczalnym prądem diod blokujących połączonych wewnątrz panelu. Przykładowo w celu zabezpieczenia polikrystalicznego panelu fotowoltaicznego o parametrach: moc w punkcie mocy maksymalnej Pmpp = 240 Wp, prąd w punkcie mocy maksymalnej Impp = 8,2 A, prąd zwarciowy Isc = 8,62 A, maksymalna wartość prądu bezpiecznika 15 A (dane techniczne panelu fotowoltaicznego CHSM6610P firmy Astronergy). Jednym ze sposobów ochrony będzie zastosowanie wyłącznika nadprądowego. Norma PN-EN 60947-2, zgodnie z którą wyłączniki powinny być wykonane i przetestowane, określa prąd niezadziałania Inf = 1,05 × In oraz prąd zadziałania If = 1,30 × In. Na podstawie normy IEC 62548-1 podane zostały dwa równania:

  • Inf ≥ 1,4 × Isc
  • If ≤ 2,0 × Isc>/sub>

Dla prądu znamionowego In wyłącznika:
In ≥ (1,4 x Isc)/1.05
oraz
In ≤ (2,0 x Isc)/1,3

Rys. 8 Rys. 8

Oznacza to, że dla panelu o mocy szczytowej 240 Wp zalecany prąd znamionowy wyłącznika wynosi 11,49 A ≤ In ≤ 13,26 A. Można również zastosować wyłącznik o mniejszym prądzie znamionowym. Jednak w celu uniknięcia niechcianych wyzwoleń należy spełnić warunek Inf > Isc (wartość prądu Isc może zostać również osiągnięta podczas normalnej pracy w czasie załączania trackerów inwertera). Należy dodatkowo uwzględnić pewien zakres tolerancji prądu. W każdym przypadku wartość prądu znamionowego wyłącznika musi być mniejsza od podanej maksymalnej wartości prądu zabezpieczenia bezpiecznikiem. Prawidłowa praca paneli fotowoltaicznych została przedstawiona na rysunku 7.

Podsumowanie

Rys. 9 Rys. 9

Fotowoltaika rozwija się bardzo dynamicznie, a Polska dysponuje jednymi z najlepszych warunków do wykorzystywania energii słonecznej w tej części Europy. Wszystkie przedstawione w artykule aspekty sprawiają, że aplikacje fotowoltaiczne znacznie różnią się od innych systemów AC lub DC, co sprawia, że niezbędne jest fachowe podejście i wiedza techniczna w celu poprawnego zabezpieczenia takiej instalacji. Dlatego też tak ważnym elementem systemów fotowoltaicznych jest aparatura zabezpieczająca. Firma NOARK Electric bazując na doświadczeniu uzyskanym w innych krajach Europy i świata, gdzie fotowoltaika jest jednym z podstawowych źródeł energii, wprowadziła sprawdzone rozwiązania do zabezpieczania systemów PV na rynek Polski. Cała aparatura do zabezpieczenia aplikacji fotowoltaicznych objęta jest 5-letnią gwarancją, tak jak wszystkie pozostałe aparaty. Karty katalogowe, instrukcje montażu, deklaracje zgodności dostępne są w języku polskim na stronie internetowej.

zabezpieczenia-instalacji-fotowoltaicznych

Grzegorz Waligórski
Marketing Manager
– NOARK Electric Sp. z o.o.