Zabezpieczenia topikowe specjalne i przeciwprzepięciowe nowej generacji dla instalacji fotowoltaicznych PV

Na schemacie elektrycznym (rys. 1) pokazano zestaw połączonych łańcuchów modułów fotowoltaicznych PV, w których można uzyskać napięcie wyjściowe układu do 1500 V DC. Napięcie to nie jest ciągle jednakowe i nie jest też tak duże w przypadku, kiedy promienie słoneczne nie oświetlają modułów fotowoltaicznych PV. Każdy moduł fotowoltaiczny generuje prąd wyjściowy od 6 A do ok. 10 A, w zależności od typu modułu PV. Aby osiągnąć wyższe prądy obciążenia, a tym samym wyższą moc zestawu, łączy się większą liczbę łańcuchów modułów PV równolegle. Elektrownie słoneczne różnią się zasadniczo od innych źródeł energii. Ich prąd zwarciowy Isc jest tylko o około 15 – 20% większy od ich prądu znamionowego. W związku z tym w tego typu instalacjach bezcelowe jest stosowanie popularnych bezpieczników topikowych lub wyłączników nadprądowych wymagających do zadziałania kilkakrotnie większego prądu niż znamionowy.

W instalacji fotowoltaicznej zacienienie (nawet częściowe) jednego z modułów PV lub uszkodzenie przewodów łączących moduły powoduje w tym rzędzie stan zwarcia i przepływ prądu zwarciowego wstecznego Isc będącego sumą prądów pochodzących z innych łańcuchów modułów PV połączonych równolegle. W celu uniknięcia powyższych zagrożeń, w instalacji fotowoltaicznej PV stosuje się dwa poziomy ochrony za pomocą bezpieczników topikowych.

Pierwszy poziom bezpieczników topikowych

Pierwszy poziom bezpieczników topikowych (rys. 1) – stosowany szczególnie do wyłączania prądów zwarciowych DC w obszarze modułów PV – w bezpośredniej ich bliskości, specjalnie zaprojektowanych i zbadanych bezpieczników topikowych cylindrycznych CH10×38 mm DC (rys. 2), CH14×51 mm oraz CH10×85 mm o charakterystyce czasowo-prądowej gPV.

Wymienione powyżej bezpieczniki topikowe cylindryczne CH pracują w rozłącznikach bezpiecznikowych PCF DC lub podstawach rozłączalnych EFH na napięcie znamionowe 900 V, 1000 V i 1500 V DC.

Poziom pierwszy bezpieczników umożliwia fizyczne i elektryczne odłączenie każdego pojedynczego rzędu modułów PV. Rozłącznik PCF, jak i podstawa EFH są zainstalowane zarówno w biegunie +, jak i w biegunie – obwodu łańcucha modułów PV. Bezpieczniki te mają specjalną charakterystykę czasowo-prądową t-I przypominającą charakterystykę gR bezpieczników Ultra-Quick do zabezpieczania elementów półprzewodnikowych. Ich znamionowe całki Joule’a przedłukowe i wyłączania są bardzo niskie. Szczegółowe dane techniczne bezpieczników cylindrycznych CH10×38 mm gPV zostały zawarte w tabeli 1. Aby prawidłowo dobrać bezpieczniki cylindryczne CH 10×38 mm DC do zabezpieczenia łańcucha modułów PV, należy znać znamionowy prąd zwarciowy (I_sc) modułu PV i jego napięcie w stanie nieobciążonym (przy otwartym obwodzie) (U_oc) oraz liczbę zastosowanych modułów PV w jednym łańcuchu. Według normy PN-EN 50539-11, gdy w instalacji PV występują tylko dwa łańcuchy modułów PV, nie ma potrzeby stosowania bezpieczników cylindrycznych CH gPV do ich zabezpieczenia. W przypadku występowania większej liczby równolegle połączonych łańcuchów paneli PV prąd znamionowy (I_nb) wkładki topikowej CH gPV DC do zabezpieczenia jednego łańcucha modułów PV wyznacza się z zależności:

Natomiast napięcie znamionowe U_nb wkładki CH 10 DC wyznacza się z zależności:

Drugi poziom bezpieczników topikowych

Drugi poziom bezpieczników topikowych – zabezpieczenie główne PV (rys. 1) jest zwykle umiejscowiony w pobliżu zacisków wejściowych falownika DC/AC i elektrycznie połączony z bezpiecznikami 1. poziomu. Wkładki topikowe NH gPV DC są przystosowane do prądu stałego na napięcie znamionowe DC od 750 V do 1500 V (rys. 3) i umieszczone w podstawach bepiecznikowych lub rozłącznikach, które umożliwiają bezpieczne i szybkie odłączenie przekształtnika od modułów PV i całego obwodu prądu stałego.

Aby prawidłowo dobrać bezpieczniki NH gPV DC do zabezpieczenia głównego modułów PV, należy znać znamionowy prąd zwarciowy (I_sc) modułu PV i jego napięcie znamionowe obwodu otwartego (U_np) oraz liczbę wszystkich zastosowanych modułów PV. Prąd znamionowy wkładki PV DC do zabezpieczenia wszystkich łańcuchów modułów PV wyznacza się z zależności:

Natomiast napięcie znamionowe U_nb wkładki PV DC wyznacza się z zależności:

Bezpieczniki PV DC montuje się w rozłącznikach bezpiecznikowych DC lub podstawach bezpiecznikowych DC i instaluje zarówno w biegunie + jak i w biegunie – obwodu DC przekształtnika (rys. 1). Jeżeli jeden z biegunów DC przekształtnika jest uziemiony, bezpiecznik gPV DC instaluje się tylko w jednym biegunie. Zakres prądów znamionowych bezpieczników NH gPV Inb = 32 A – 450 A w wielkościach: 0, 1C, 1, 2, 3 oraz 1XL, 2XL i 3L. Znamionowa zdolność zwarciowa: 10 kA. Szczegółowe dane techniczne bezpieczników NH gPV 1100 V DC zostały zamieszczone w tabeli 2.

Zabezpieczenia przed przepięciem

Instalacje fotowoltaiczne PV zawierają zazwyczaj urządzenia i aparaty o niskiej wytrzymałości przepięciowej i odporności na prądy udarowe. Moduły PV umieszczone na zewnątrz obiektu, najczęściej na dachu, narażone są na przepięcia spowodowane bliskimi wyładowaniami atmosferycznymi, przepięcia łączeniowe i wnikanie prądu wyładowczego do wnętrza budynku. W zależności od ich położenia, moduły PV powinny być chronione przed bezpośrednim wyładowaniem atmosferycznym za pomocą zewnętrznej instalacji odgromowej. Ochronę instalacji fotowoltaicznej PV przed przepięciami zapewniają ograniczniki przepięć ETITEC M T12 PV (Typ 1,2) (rys. 4) oraz ­ETITEC M T2 PV (Typ 2) (rys. 5). Ograniczniki przepięć ETITEC M T12 PV (Typ 1,2) przeznaczone są do montażu w instalacji obiektu wyposażonego w zewnętrzną instalację odgromową, natomiast ograniczniki ­ETITEC M T2 PV do instalacji w obiektach bez zewnętrznej instalacji odgromowych.

Kiedy w zainstalowanym systemie modułów fotowoltaicznych PV odległość pomiędzy zestawem modułów PV a falownikiem przekracza 10 m, należy zamontować dwa ograniczniki przepięć – w bliskiej odległości od falownika i również w bliskiej odległości od zestawu modułów PV. Jeżeli odległość ta jest mniejsza, można zastosować tylko jeden ogranicznik, jak najbliżej modułów PV. Najważniejsze dane techniczne ograniczników przepięć przeznaczonych do instalacji fotowoltaicznych ETITEC M PV zawarte są w tabelach 3 i 4.

Tak jak w przypadku doboru zabezpieczenia przetężeniowego, również w przypadku doboru ograniczników przepięć przy określaniu ich znamionowego maksymalnego napięcia pracy długotrwałej U_C wymagane jest wzięcie pod uwagę odpowiednich współczynników korekcyjnych. Według normy EN 50539 oraz zaleceń większości producentów ograniczników przepięć (SPD) znamionowe napięcie U_C ogranicznika do zabezpieczenia całego rzędu ograniczników wylicza się z zależności:

gdzie:

U_{oc STC} – napięcie tzw. jałowe na zaciskach nieobciążonego modułu PV lub całego rzędu szeregowo połączonych modułów PV zmierzone w warunkach normalnych testu STC (open circuit fvoltage under Standard Test Conditions). Warunki normalne testu są zdefiniowane w normie PN-EN 60904-3. Parametr ten można znaleźć w danych technicznych producenta danego modułu PV i wynika z wymagań normy EN 60904-3 – (przy gęstości strumienia świetlnego 1000 W/m², rozkładzie widmowym AM 1.5, i temperaturze modułu PV 25 ±2°C);

N – liczba modułów PV połączonych szeregowo w jednym rzędzie.

Przykład obliczeniowy.

Według danych technicznych producenta modułów PV podano: Uoc stc = 36 V, w całym rzędzie mamy N = 24 moduły PV, to znaczy, że:

a więc

Używając współczynnika korekcyjnego, otrzymamy wymaganą wartość Uc ogranicznika (SPD) do ochrony pierwszego rzędu modułów PV:

Oznacza to, że ogranicznika (SPD) o napięciu U_c = 1000 V nie można zastosować; należy użyć ogranicznika o najbliższym napięciu U_c, tj. U_c = 1100 V lub 1500 V.

Napięcie U_OC na zaciskach nieobciążonego modułu PV podane jest dla temperatury 25˚C, a moduły PV mają charakterystykę napięciową z ujemnym współczynnikiem temperaturowym, co oznacza, że w niższych temperaturach (zima) napięcie na zaciskach nieobciążonego modułu PV może wzrosnąć nawet o 20% i przekroczyć znamionowe napięcie U_OC ogranicznika.

Podobnie może się zdarzyć także w przypadku awarii falownika bez wbudowanego transformatora separacyjnego. Może nastąpić przedostanie się napięcia (udar) ze strony AC na stronę DC. Na stronie DC przekształtnika może się pojawić suma napięć U_DC+U_AC, która szybko przekroczy wartość napięcia trwałej pracy ogranicznika – U_C, a tym samym zniszczony zostanie ogranicznik (SPD) na skutek przegrzania.

Bardzo dużą uwagę należy przyłożyć do prowadzenia instalacji. Kable do instalacji solarnych mają zwykle podwójną izolację, ale przy nieuważnym układaniu instalacji może ona zostać łatwo uszkodzona. Elektrownię fotowoltaiczną buduje się na okres ok. 20 lat i więcej, dlatego wszystkie jej części składowe w czasie okresu funkcjonowania powinny działać bez zarzutu. Przewody należy dobrze zamocować, a złącza konektorowe nie powinny być obciążone ciężarem przewodów. Z biegiem czasu złącza mogą się poluzować i stracą prawidłowy styk, w konsekwencji może dojść do zapalenia się trwałego łuku elektrycznego DC i zniszczenia połączenia.

Drugim bardzo szkodliwym zjawiskiem jest powstawanie przepięć, które są indukowane w pętlach przewodów solarnych tworzących rzędy modułów PV.

Artykuł opublikowany pierwotnie w magazynie „elektro.info”

Literatura

1. PN-EN 50539-11:2013-06 Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia. Urządzenia ograniczające przepięcia do zastosowań specjalnych z włączeniem napięcia stałego. Część 11: Wymagania i badania dla SPD w zastosowaniach fotowoltaicznych

2. PN-HD 60364-7-712:2016-05 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 7-712: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Fotowoltaiczne (PV) układy zasilania

3. PN-EN 60904-3 Elementy fotowoltaiczne. Część 3: Zasady pomiaru elementów fotowoltaicznych (PV) do zastosowań naziemnych z wykorzystaniem wzorcowej charakterystyki widmowej promieniowania słonecznego

4. Katalog produktów Green Protect 2019 Ed. 1 firmy ETI Polam Sp. z o.o. w Pułtusku