Ochrona elektryczna instalacji fotowoltaicznych

Branża fotowoltaiczna w naszym kraju od trzech lat przeżywa „boom”. Technologia pozwalająca na przetwarzanie energii z promieniowana słonecznego na energię elektryczną do zasilenia instalacji wewnętrznej dzięki możliwości wykorzystania przez osoby prywatne i programowi dofinansowania cieszy się dużą popularnością. Wg danych, regularnie udostępnianych przez Instytut Energetyki Odnawialnej w raporcie „Rynek Fotowoltaiki w Polsce”, wzrost mocy zainstalowanej w roku 2020 wyniósł 200% w stosunku do roku 2019. Największy udział w rynku mają właśnie mikroinstalacje (czyli instalacje o łącznej mocy zainstalowanej nieprzekraczającej 50kW) – stanowiły 77% mocy zainstalowanej. Wyniki pierwszego kwartału tego roku w dalszym ciągu wskazują na dynamiczny przyrost nowych instalacji PV (ang. photovoltaics). Skumulowaną moc zainstalowaną w PV zależnie od wielkości instalacji przedstawiono poniżej.

Rysunek 1. Skumulowana moc zainstalowana w PV zależnie od wielkości instalacji wg IEO.

Montaż systemu PV jest kosztową inwestycją o prostej stopie zwrotu szacowanej na kilka lub kilkanaście lat. Dlatego kluczowym aspektem pozostaje trwałość elementów instalacji przynajmniej przez okres objęty zwrotem poniesionych nakładów. Każde uszkodzenie, a następnie związane z nim i konieczne do poniesienia koszty opóźniają moment osiągnięcia zysku. Ochrona instalacji PV to tak naprawdę ochrona podjętej inwestycji.

Nikogo nie trzeba przekonywać, że zjawisko wyładowania atmosferycznego może spowodować pożar, uszkodzenie budynku lub spalenie instalacji elektrycznej oraz uszkodzenie wszystkich włączonych do niej urządzeń, np. telewizora, komputera itp. Wyniki badań z kilku ostatnich lat wskazują na większą liczbę wyładowań na km² niż w danych normowych (średnia roczna gęstość wyładowań doziemnych wynosi odpowiednio 1,8 i 2,5 km²/rok). Wg danych pozyskanych z sieci komercyjnych np. PERUN wynika, że na terenie naszego kraju w roku 2019 r. średnia liczba doziemnych wyładowań atmosferycznych na 1 km² była zdecydowanie wyższa niż zakładana przez normę i sięgała miejscowo nawet 50-ciu uderzeń.

Z uwagi na fakt, że instalacje PV w Polsce są montowane w tysiącach sztuk, ale od stosunkowo niedawna to problem uszkodzeń spowodowanych wyładowaniem piorunowym jest prawie niezauważalny. Natomiast nasi zachodni sąsiedzi, którzy regularnie zajmują czołowe pozycje w Unii Europejskiej pod względem rocznego przyrostu nowych mocy w PV, w 2010 opublikowali raport ze statystykami przyczyn uszkodzeń instalacji PV. Wg danych niemieckich towarzystw ubezpieczeniowych najważniejszą przyczynę (z 26%) stanowią wyładowania atmosferyczne oraz przepięcia. Poniżej przedstawiono przyczyny wskazane w raporcie.

Rysunek 2. Najważniejsze przyczyny uszkodzeń instalacji PV.

To stanowisko potwierdza norma PN-EN 62305-2, która do przewidywanych zagrożeń zalicza wyładowanie piorunowe – bezpośrednie i pośrednie (zjawisko przepięcia). 

Poszukując wiarygodnych informacji nt sposobu zabezpieczenia oraz wymagań stawianych elementom mającym ochronić system PV przed skutkami wyładowań piorunowych i zjawiskiem przepięć warto odwołać się do norm technicznych obowiązujących w kraju. Wśród nich wyróżniamy:

•     PN-EN 62305 (wieloarkuszowa) Ochrona odgromowa,

•     PN-EN 62561 (wieloarkuszowa) Elementy urządzenia piorunochronnego (ang. lighting protecting system components - LPSC)

•     PN-EN 50539-11 Wymagania i badania dla ograniczników przepięć (ang. surge protection devices – SPD) w zastosowaniach fotowoltaicznych

•     PN-HD 60364-7-712 Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji -- Fotowoltaiczne (PV) układy zasilania

Norma PN-EN 62305-3 wyróżnia dwie funkcje: projektową - projektanta ochrony odgromowej jako „specjalistę kompetentnego i wykwalifikowanego w zakresie projektowania LPS” i wykonawczą – wykonawcę ochrony odgromowej jako „osobę kompetentną i wykwalifikowaną w zakresie instalowania LPS”. Funkcje projektanta ochrony odgromowej z uwagi na brak wydzielonego zakresu w ramach uprawnień budowlanych przejęli projektanci-elektrycy. W charakterze wykonawcy ochrony odgromowej występują głównie firmy elektryczne, ogólnobudowlane i dekarskie po krótkim przeszkoleniu swoich pracowników. W wielu przypadkach podstawowe przeszkolenie wystarczy dla prawidłowego wykonania urządzenia piorunochronnego pod warunkiem, że dokumentacja projektowa będzie sporządzona z należytą starannością. Osobiście polecam jednak konsultacje i skorzystanie z usług firm, których działalność jest związana wyłączenie z tym zakresem. Budniok Technika jest firmą zajmującą się ochroną elektryczną obiektów.

Najważniejsze elementy dobrze zaprojektowanej ochrony instalacji PV obejmują:

•     instalacje odgromową – ochronę zbudowaną o metodę np. kąta ochronnego lub toczącej się kuli i zachowanie odstępu izolacyjnego, 

•     uziemienie i połączenie wyrównawcze, 

•     dobór odpowiednich SPD, 

•     minimalizację pętli indukcyjnej.  

Poniżej krótko przedstawiono najważniejsze informacji nt. każdego z elementów.

Na instalację odgromową składa się zastosowanie zwodów pionowych zwanych potocznie franklinami, sztycami czy iglicami i masztów lub wygiętego pod odpowiednim kątem zwodu niskiego, oraz zwody poziome i przewody odprowadzające, aż do złącza kontrolnego. Zależnie od lokalizacji elementów instalacji PV, klasy LPS i wybranej metody (kąta ochronnego lub toczącej się kuli) dobieramy wysokość zwodu pionowego tak, aby system PV znalazł się w tzn. „strefie ochrony” (strefa LPZ0_B oznacza brak wyładowania bezpośredniego, częściowy lub indukowany prąd pioruna). Od strony materiałowej informacje na temat wymagań stawianych elementom instalacji oraz ich trwałości znajdują się w normie PN-EN 62561.

Dodatkowym argumentem przemawiającym za zastosowanie zwodów pionowych i zarazem lokalizacją paneli PV w strefie chronionej jest zapis normy PN-EN 62305-3: „wszystkie urządzenia dachowe z materiału izolacyjnego lub przewodzącego, które zawierają wyposażenie elektryczne i/lub służące przetwarzaniu informacji, powinny się znajdować w przestrzeni ochronnej układu zwodów”.

Niezwykle ważnym zagadnieniem jest separacja elektryczna zewnętrznego LPS od instalacji PV. Ochroni ona elementy metalowe przed tzn. „przeskokiem iskry”. Każdorazowo obliczenie wymaganego odstępu separacyjnego wykonuje się w oparciu o zapisy punktu 6.3. i załącznik C normy PN-EN 62305-3. Poniżej przedstawiono szkic obrazujący zastosowanie metodę kąta ochronnego i zachowanie odstępu separacyjnego (S). Należy pamiętać, że nawet gdy nie ma możliwości zachowania odstępu separacyjnego jest rozwiązanie w postaci elementów izolowanych (maszty, przewody niskoimpedancyjne pełniące funkcję separatora itp).

Rysunek 3. Ochrona odgromowa paneli poprzez zastosowanie zwodu pionowego i zachowanie odstępu separacyjnego

Uziemienie i połączenia wyrównawcze stanowią ważny element bezpieczeństwa instalacji fotowoltaicznej. Ich zadaniem jest bezpieczne rozproszenie prądy piorunowego w gruncie i wyrównanie różnic potencjału między elementami podłączonymi. Konieczność podłączenia modułu do systemu uziemiającego regulują wytyczne producentów. Natomiast zawsze należy uziemić system mocowania paneli. Jednocześnie warto zaznaczyć, że nieuziemiony moduł jest urządzeniem bezpiecznym elektrycznie w normalnych warunkach pracy. Uziemione połączenie wyrównawcze poprawia bezpieczeństwo pracy instalacji fotowoltaicznej w szczególnych sytuacjach, jak uszkodzenie modułu czy w trakcie wyładowań atmosferycznych w pobliżu instalacji. Przy wykonywaniu połączenia wyrównawczego należy pamiętać, że wszystkie uziemienia po stronie DC i AC powinny być wspólne. Od strony materiałowej informacje na temat wymagań stawianych elementom instalacji oraz ich trwałości znajdują się w normie PN-EN 62561.

Najważniejszym i najdroższym elementem systemu PV jest falownik (inwerter). Dlatego też na jego ochronę należy położyć największy nacisk. Dobór ogranicznika po stronie DC jest uzależniony od wartości napięcia jałowego łańcucha PV w warunkach STC (ang. standard test cell) zgodnie z poniższym wzorem

1,2 x U_{OC STC} ≤ U_CPV

gdzie:

U_CPV – maksymalne napięcie ciągłej pracy ogranicznika

U_{OC STC} – napięcie jałowe łańcucha PV w warunkach STC

Dobór odpowiedniego typu ogranicznika można sprawdzić do dwóch przypadków:

1. jeżeli zachowany jest odstęp separacyjny to:

a.   instaluje się ogranicznik typu 2,

b. jeżeli odległość między panelami (skrzynką przyłączeniową), a inwerterem jest większa niż 10 m – ogranicznik instaluje się dodatkowo przed falownikiem.

2. jeżeli nie jest zachowany jest odstęp separacyjny to:

a.   instaluje się ogranicznik typu 1+2,

b. niezależnie od odległością między panelami (skrzynką przyłączeniową), a inwerterem dodatkowy ogranicznik instaluje się także przed falownikiem.

Ostatnim z podstawowych sposobów ochrony instalacji PV jest minimalizacja pętli indukcyjnej.             Aby zminimalizować wyindukowane napięcie podczas uderzenia pioruna, należy poprowadzić trasy przewodów modułów PV w taki sposób, aby tworzyły jak najmniejsze pole powierzchni. Poniższy rysunek obrazuje to zagadnienie.

Rysunek 4. Ochrona odgromowa paneli poprzez minimalizację pętli indukcyjnej

W praktyce elementy ochrony możemy przedstawić w oparciu o dwie sytuacje:

a. gdy odstęp separacyjny między panelami, a systemem LPS nie jest zachowany,

b. gdy odstęp separacyjny między panelami, a systemem LPS jest zachowany lub też brak jest instalacji LPS. Obie sytuacje przedstawiają dwa kolejne rysunki.

Rysunek 5. Elementy ochrony paneli PV w sytuacji, gdy odstęp separacyjny między panelami,
a systemem LPS nie jest zachowany

Rysunek 6. Elementy ochrony paneli PV w sytuacji, gdy odstęp separacyjny między panelami,
a systemem LPS jest zachowany lub w sytuacji, gdy brak instalacji LPS

Podsumowując możemy przedstawić następujące wnioski:

1.  Przyrost nowych instalacji PV jest dynamiczny.

2.   Ochrona instalacji PV to ochrona podjętej inwestycji.

3. Istnieją na rynku rozwiązania i produkty zwiększające bezpieczeństwo instalacji PV.

Budniok Technika jest firmą zajmującą się ochroną elektryczną obiektów. Działamy na wszystkich etapach realizacji inwestycji, a na naszą ofertę składają się realizacje dostaw, konsultacje i doradztwo, projektowanie i wykonawstwo. Wszystkie działania wyłączenie z zakresu bezpieczeństwa elektrycznego obiektów.

W razie pytań zapraszamy do kontaktu:

  e-mailowego:   biuro@budniok.com.pl

 telefonicznego:

        Wojciech Szczepańczyk  +48 507 010 945 (doradztwo handlowe)                            

        Kamil Błażyca +48 519 100 602 (doradztwo techniczne)

Istnieje możliwość doboru niezbędnych elementów indywidualnie po przesłaniu dokumentacji projektowej.

LITERATURA:

1.Raport Instytutu Energetyki Odnawialnej pt. „Rynek Fotowoltaiki w Polsce 2021”

2.http://www.inzynierbudownictwa.pl/technika,materialy_i_technologie,artykul,ochrona_odgromowa_i_przepieciowa_instalacji_fotowoltaicznej,7874 [dostęp 17.12.2019 r.]

3.Katalog SALTEK s.r.o. pt. „Rozwiązanie. Systemy fotowoltaiczne. Ochrona przed przepięciami” 08/2018

ARTYKUŁ SPONSOROWANY

Autor: Kamil Błażyca, Inżynier produktu w firmie Budniok Technika