Z życia hurtowni Alfa Elektro

Aktualności

Sieć hurtowni sprzętu elektrycznego Alfa Elektro rozwija się w zawrotnym tempie. Aby  ułatwić Państwu nadążanie za tempem zmian zachodzących w naszej firmie, przygotowaliśmy dział aktualności. Znajdują się tutaj wszystkie najważniejsze informacje, dotyczące bieżącej działalności naszych placówek na terenie całego kraju. Zapraszamy do lektury!


Eti - Zabezpieczenie instalacji fotowoltaicznych PV przed przepięciami

Problematyka zabezpieczeń przeciwprzepięciowych elektrowni fotowoltaicznych PV w praktyce.

Zabezpieczenie instalacji fotowoltaicznych PV przed przepięciami

Ochrona przeciwprzepięciowa to kolejny bardzo ważny rodzaj ochrony, którą należy zastosować do  systemu modułów fotowoltaicznych PV. Najczęściej występujące niebezpieczne przepięcia w systemach PV to przepięcia pochodzenia  atmosferycznego jak i łączeniowego występujące w pętlach szeregowo połączonych modułów fotowoltaicznych PV. Na wahania napięcia w systemie modułów PV znacząco wpływają również zmienne warunki zewnętrzne a zwłaszcza  tempraturowa samych modułów PV.  Przy doborze poziomu ochrony przed przepięciami, jak również przy wyborze typu ochrony przeciwprzepięciowej - Typ 1 (T1) lub Typ 2 (T2), istnieją pewne wytyczne, które zostaną zaprezentowane w niniejszym artykule.

 

Prawidłowy dobór ograniczników przepięć (SPD) a zwłaszcza ich napięcia trwałej pracy UC  oraz konsekwencje niewłaściwego podejścia.

Tak jak w przypadku doboru zabezpieczenia przetężeniowego, również w przypadku ochrony przeciwprzepięciowej, przy określaniu UC (maksymalne napięcie napięcie trwałej pracy) ogranicznika przepięć wymagane jest branie pod uwagę odpowiednich współczynników korekcyjnych. Wg normy EN 50539 oraz wg zaleceń większości producentów ograniczników przepięć (SPD ) wymagane napięcie  UC ogranicznika określone jest zależnością:

       Uc ≥ 1,2 x Uoc stc x N

Uoc stc – jest to napięcie na zaciskach nieobciążonego modułu PV (przy jego otwartych stykach), w warunkach normalnych testu (Open Circuit voltage under Standard Test Conditions). Warunki normalne testu są zdefiniowane w normie PN-EN 60904-3.

N – liczba modułów PV połączonych szeregowo w jednym rzędzie.

EN 60904-3 - (Natężenie promieniowania słonecznego  - 1000 W/m2, rozkład widmowy AM 1.5, temperatura modułu (otoczenia) 25°C ± 2°C).  

Uoc stc  - parametr ten można znaleźć  w danych technicznych producenta modułów  PV.

Przykład:

Wv danych technicznych producenta modułów PV podano: Uocstc = 36V, w rzędzie mamy N = 24 moduły PV, to znaczy, że  Uoc stc rzędu = 24 x 36V,   a więc  Uoc stc rzędu  wynosi  864V.

Używając współczynnika korekcyjnego otrzymamy wymaganą wartość  Uc ogranicznika (SPD) do ochrony 1-go rzędu modułów:

Uc ≥ 1,2 x Uoc stc rzędu  ,  Uc ≥ 1,2 x 864V = 1036,8V

To oznacza, że ogranicznika (SPD) o napięciu Uc = 1000V nie można zastosowć;

 należy użyć ogranicznika o napięciu Uc najbliższym tj. -  Uc=1200V.

Skąd wziął się współczynnik korekcyjny 1,2 ?. Napięcie na zaciskach niebciążonego modułu PV podane jest dla temperatury  25⁰C, a moduły PV posiadają charakterystykę napięciową z ujemnym współczynnikiem temperaturowym, to oznacza, że w niższych temperaturach (zima), napięcie na zaciskach nieobciążonego modułu PV może wzrosnąć nawet o 20%.

Konsekwencje nieprawidłowego doboru napięcia trwałej pracy UC ogranicznika - bez zastosowania współczynnika 1,2 są pokazane na Rys. 1.

Rys 1: Spalona rozdzielnica DC

Podobnie może się zdarzyć także w przypadku awarii przekształtnika bez wbudowanego transformatora separacyjnego. Może nastąpić przebicie napięcia (udar)  ze strony AC na stronę DC. Na stronie DC przekształtnika może pojawić się suma napięć UDC+UAC, która może szybko  przekroczyć wartość napięcia trwałej pracy ogranicznika - UC, a tym samym zniszczyć ogranicznik (SPD).

Dlaczego do takich uszkodzeń i ich skutków w ogóle dochodzi przy nieprawidłowym użytkowaniu ?  - Odpowiedź jest w technologii używanej do produkcji dzisiejszych ograniczników (SPD), które spełniają wymagania aktualnych norm.

Ogranicznik przepięć (SPD) jest zbudowany z elementów nieliniowego - warystora  (MOV - Metal Oxide Varistor) i  bezpiecznika termicznego, który przy przeciążeniu – przegrzaniu warystora odłączy ogranicznik  z obwodu prądowego. Ta technologia nie jest przewidziana do wyłączeń dużych przeciążeń w obwodach prądu stałego DC, a zatem może pojawić się łuk elektryczny długotrwały (seryjny), który ma inny charakter niż przy prądzie przemiennym AC. Przy prądzie przemiennym AC jego amplituda co 10ms osiąga wartość 0 i z dużym prawdopodobieństwem łuk zostanie zgaszony samoistnie. Przy prądzie stałym DC trzeba łuk elektryczny zgasić za pomocą jego rozciągania (odstępy i specjalne komory gaszące) lub za pomocą innych rozwiązań.

Przy dużych prądach i napięciach DC, odstępy te muszą być bardzo duże i mogą przekraczać gabaryty aparatów zabezpieczających. W przypadku przepięć wywołanych wyładowaniami atmosferycznymi w czasie burzy, taki ogranicznik (SPD) zareaguje prawidłowio i również prawidłowo wyłączy w czasie przeciążenia bez pojawienia się łuku elektrycznego. W czasie burzy elektrownia fotowoltaiczna PV pracuje ”na minimum”  i zarówno napięcie jak i prąd nie są aż tak duże aby były źródłem niebezpiecznego łuku elektrycznego.

W normie PN-EN 50539-11, istnieje wymóg ograniczania łuku elektrycznego DC, co wymusza na producentach ograniczników stsowania w nich bardzo złożonych mechanicznych odłączników prądu  przyśpieszających  gaszenie łuku elektrycznego. Taki specjalny odłącznik termiczny występuje w ogranicznikach  przepięć przeznaczonych do ochrony instalacji fotowoltaicznych - ETITEC S ..-PV.- Rys. 2. Wyłącznik termiczny  ma konstrukcję tzw. „rozłącznika obrotowego” (Rys. 6). Jego działanie polega na tym, że w przypadku nadmiernego wzrostu temperatury ogranicznika specjalny element termiczny uruchamia specjalny izolator obrotowy, który za pomocą  sprężyny ślimakowej wsuwa się z dużą prędkością pomiędzy dwie  elektrody, powodując szybkie przerwanie prądu wyładowczego i skuteczne zgaszenie łuku elektrycznego. (Rys. 2). Taka konstrukcja wyłącznika termicznego jest również wykorzystywana w ogranicznikach przeznaczonych do ochrony innych instalacji gdzie możliwe są prądy  wyładowcze stałe o napięciu do 1000 V i wymagana jest duża skuteczność gaszenia łuku elektrycznego pochodzącego od prądu stałego.

 

Rys. 2. Bezpiecznik termiczny  ma konstrukcję tzw. „rozłącznika obrotowego”.
Specjalny element rozdziela dwie elektrody, przez które płynie prąd wyładowczy.

 

Dobór właściwego typu ogranicznika (SPD), Typ1 (T1) lub Typ2 (T2)

W elektrowniach fotowoltaicznych PV, w zależności od ich wielkości stosuje się dwa typy ograniczników przepięć (SPD). Typ1 (T1) jest przeznaczony do ochrony przed przepięciami spowodowanymi bezpośrednim wyładowaniem atmosferycznym w system ochrony – w instalację odgromową zewnętrzna (LPS) a Typ2 (T2) przed przepięciami spowodowanymi pośrednim wyładowaniem tj. wyładowaniem w pobliżu chronionego obiektu. Ponieważ energia pochodząca od wyładowania bezpośredniego w system ochrony zwykle jest bardzo duża to ogranicznik T1 posiada wbudowany warystor o większej wytrzymałosci, który przeniesie większą energię przy przepływie prądu wyładowczego (10/350µs). Ogólna zasada jest taka, że w obiektach wyposażonych w zewnętrzną instalację odgromową trzeba stosować ograniczniki T1, a w obiektach bez zewnętrznej instalacji odgromowej możemy stosować tylko ograniczniki T2. Zostają jeszcze do ustalenia szczegóły, które zależą od zestawu systemu PV, długości linii,  miejsc zainstalowania ograniczników przepięć itp.

Rys. 3.  Ogólny schemat systemu modułów fotowoltaicznych  PV
i miejsca instalacji ograniczników przeciwprzepięciowych


Gdzie:

A – AC rozdzielnica pomiarowa (z licznikiem)

B – DC rozdzielnica (przed przekształtnikiem)

C – AC wyjście przekształtnika

D – PV rozdzielnica  pomiędzy modułami PV a przekształtnikiem


Przykład 1 doboru ogranicznika przepięć:  System PV bez zewnętrznej instalacji odgromowej.

W punktach A i B zamontować ogranicznik SPD T2 bez względu na odległość d1 i d2

Jeżeli odległość d1 > 10m w punkcie  C należy dodatkowo zamontować ogranicznik Typ 2 (T2) – Rys. 4.

Jeżeli odległość d2 > 10m w punkcie  D należy dodatkowo zamontować ogranicznik Typ 2 (T2)

 

Przykład 2 doboru ogranicznika przepięć: System PV z systemem zewnętrznej ochrony odgromowej (LPS), pomiędzy instalacją odgromową a modułami PV istnieją zachowane wymagane odległości izolacyjne S wg normy IEC62305 (Rys. 6).

 

W punkcie A zamontowany jest (bez względu na odległość d1 i d2) ogranicznik Typ1 (T1) (Rys. 5), a w punkcie  B zainstalowany ograniocznik Typ 2 (T2)

Jeżeli odległość d1 > 10m to w punkcie  C należy dodatkowo zamontować ogranicznik Typ 2 (T2)

Jeżeli odległość d2 > 10m to w punkcie  D należy dodatkowo zamontować również ogranicznik Typ 2 (T2)

 

                                                  

 Rys. 4. Ogranicznik przepięć ETITEC S B-PV (T1)                                                               Rys. 5. Ogranicznik przepięć ETITEC S C-PV (T2)

       

 

 

 

 

 

 

 


Rys 6. Przykład izolowanego systemu ochrony odgromowej
(odległości izolacyjne S są zachowane)

 

Przykład 3 doboru ogranicznika przepięć: System PV z systemem zewnętrznej ochrony odgromowej, moduły PV i instalacja odgromowa są ze sobą połączone lub nie są niezachowane odległości izolacyjne S.

W punktach A i B zamontować ogranicznik Typ 1 (T1) bez względu na odległość d1 i d2.

Jeżeli odległość d2 > 10m w punkcie D należy dodatkowo zamontować ogranicznik Typ 1 (T1).

Jeżeli odległość d1 > 10m w punkcie C należy dodatkowo zamontować również ogranicznik Typ 1 (T1).

Z powodu własności fizycznych przewodów - szczególnie indukcyjności, w czasie wyładowania bezpośredniegi lub pośredniego w pętlach przewodów indukuje się napięcie , zatem przy projektowaniu ochrony przeciwprzepięciowej należy stosować ogólną zasadę  długości przewodów -10-ciu  metrów.


Błędy montażowe i prawidłowe wykonanie

Bardzo dużą uwagę należy przyłożyć do prowadzenie instalacji. Kable do instalacji solarnych posiadają zwykle podwójną izolację, ale przy nieuważnym układaniu instalacji to ona może zostać łatwo uszkodzona. Elektrownię fotowoltaiczną buduje się na okres ok 20 lat i więcej, dlatego wszystkie jej części składowe w czasie okresu jej funkcjonowania powinny być bez zarzutu.  Na Rys 7 pokazano przykład  dobrego i złego wykonania połączenia przewodami modułów fotowoltaicznych PV. Przewody należy dobrze zamocować, a złącza konektorowe nie powinny być obciążone ciężarem przewodów. Z biegiem czasu złącza  mogą się poluzować i stracą prawidłowy styk a w konsekwencji może dojść do zapalenia się trwałego łuku elektrycznego DC i zniszczenia połączenia.

           
Rys 7. Przykład dobrego wykonania przy prowadzeniu przewodów i przykład złego wykonania instalacji ze złączami konektorowymi bez zamocowania.

Drugim bardzo szkodliwym zjawiskiem jest powstawanie przepięć, które są indukowane w pętlach przewodów tworzących rzędy modułów PV, a które można łatwo zmniejszyć poprzez należyte wykonanie instalacji PV. Rząd złożony z 20 modułów PV jest połączony przewodem solarnym o długości ok. 40m. Tylko od rozłożenia modułów fotowoltaicznych PV zależy jak wielka pętla powstanie przy ich łączeniu. W przypadku wyładowania atmosferycznego w pobliżu elektrowni fotowoltaicznej PV lub bezpośrednio w instalację odgromową elektrowni PV, w takich pętlach indukują się przepięcia o znacznej wartości. 

 

Rys 8. Wyposażona rozdzielnica PV, 24 modułowa, możliwość podłączenia 6 rzędów modułów PV, 1000V DC

 

Firma ETI Polam oferuje wszystkie potrzebne aparaty zabezpieczające przed przetężeniami i przepięciami do obwodów prądu stałego DC instalacji fotowoltaicznych łącznie z gotowymi rozdzielnicami PV z wyposażeniem (Rys.8). Wyposażenie rozdzielnic PV jest uzależnione od konfiguracji systemu modułów PV do których są przeznaczone  ̶  od ilości modułów PV w rzędzie, od ilości rzędów modułów PV połączonych równolegle, od typu i mocy przekształtnika, od ilości wejść przekształtnika na jego stronie DC. Na rynku dostępnych jest wiele typów przekształtników, co oznacza, że praktycznie każdy przypadek elektrowni fotowoltaicznej PV wymaga zestawienia odpowiedniej rozdzielnicy DC.

Roman Kłopocki
Autor pracuje jako Product Manager
w firmie ETI Polam w Pułtusku