Bezpieczeństwo w obwodach OZE
W artykule przedstawiono zagadnienia związane z zagrożeniem porażeniowym i pożarowym występującym w obwodach związanych z energetyką ze źródeł odnawialnych.
W artykule przedstawiono zagadnienia związane z zagrożeniem porażeniowym i pożarowym występującym w obwodach związanych z energetyką ze źródeł odnawialnych. Przeanalizowano różne możliwe układy pracy instalacji przy takim zasilaniu. Przedstawiono możliwe problemy przy eksploatacji takich układów.
Zobacz także
SONEL S.A. Pomiary impedancji pętli zwarcia na farmach fotowoltaicznych
W związku z dynamicznym rozwojem farm fotowoltaicznych rośnie zapotrzebowanie na prawidłowe pomiary impedancji pętli zwarcia na odcinku inwerter-transformator nn/SN. Z pomocą przychodzi Sonel MZC-340-PV...
W związku z dynamicznym rozwojem farm fotowoltaicznych rośnie zapotrzebowanie na prawidłowe pomiary impedancji pętli zwarcia na odcinku inwerter-transformator nn/SN. Z pomocą przychodzi Sonel MZC-340-PV – pierwszy na świecie miernik przeznaczony do pomiarów impedancji pętli zwarcia w sieciach o napięciach dochodzących aż do 900 V AC, z kategorią pomiarową CAT IV 1000 V.
dr inż. Tomasz Maksimowicz, RST sp. z o.o. Dobór ograniczników przepięć do ochrony instalacji fotowoltaicznych zgodnie z PN-HD 60364-7-712
Odnawialne źródła energii (OZE) wykorzystywane są już powszechnie we wszelkich obszarach budownictwa i energetyki. Coraz częściej stosowane zarówno w sektorze prywatnym, jak i przemysłowym instalacje fotowoltaiczne...
Odnawialne źródła energii (OZE) wykorzystywane są już powszechnie we wszelkich obszarach budownictwa i energetyki. Coraz częściej stosowane zarówno w sektorze prywatnym, jak i przemysłowym instalacje fotowoltaiczne (PV) są narażone na skutki oddziaływania wyładowań atmosferycznych. Wykonywane często jako rozbudowa istniejących instalacji elektrycznych powinny być dostosowane zarówno pod kątem ochrony odgromowej, jak i zabezpieczone przed przepięciami do danego obiektu.
PVEX Nowa marka na rynku hurtowni fotowoltaicznych PVex – Grupa BLACHOTRAPEZ rozszerza swoje portfolio
Branża fotowoltaiczna przechodzi swego rodzaju oczyszczenie – na rynku pozostają te firmy, które są w stanie zagwarantować stabilność. Dzięki firmie Blachotrapez, która stanowi fundament nowej marki PVex,...
Branża fotowoltaiczna przechodzi swego rodzaju oczyszczenie – na rynku pozostają te firmy, które są w stanie zagwarantować stabilność. Dzięki firmie Blachotrapez, która stanowi fundament nowej marki PVex, klienci nie tylko otrzymują gwarancję wspomnianej stabilności popartej doświadczeniem, ale i powiew świeżości podyktowany nowymi technologiami.
W artykule:• Specyfika energetyki odnawialnej• Możliwe konfiguracje instalacji • Zagrożenia porażeniowe i pożarowe • Wnioski |
Specyfika energetyki odnawialnej
Z powodu coraz poważniejszych zagrożeń dla ludzkości, wynikających z degradacji środowiska, wymuszana jest zmiana technologii produkcji energii elektrycznej, która jest jednym z istotnych elementów wpływających na jego stan. Powstała zatem ogólna tendencja wykorzystywania do produkcji energii elektrycznej źródeł odnawialnych. Jedną z istotnych cech tego rodzaju źródeł energii jest jej rozproszenie i mała gęstość powierzchniowa. Powoduje to konieczność stosowania energetyki opartej na dużej ilości, stosunkowo małych producentów.
Zgodnie z ustawą o odnawialnych źródłach energii, instalacje podzielono na trzy grupy, biorąc pod uwagę ich moc zainstalowaną. Są to:
- mikroinstalacje, przy mocach do 40 kW,
- małe instalacje, przy mocach od 40 kW do 200 kW,
- duże instalacje, przy mocach powyżej 200 kW [1].
Według danych podawanych przez Stowarzyszenie Branży Fotowoltaicznej Polska PV, małe i duże instalacje OZE zdominowane są głównie przez farmy wiatrowe stanowiące 81% mocy zainstalowanej, natomiast w przypadku mikroinstalacji dominującym źródłem wytwórczym są instalacje fotowoltaiczne i stanowią one prawie 99% mocy wszystkich mikroinstalacji. Dynamika wzrostu tego typu instalacji jest bardzo wysoka. W 2014 roku zainstalowano 2,6 MWp mikroinstalacji PV, w roku 2015 – 22,3 MWp, natomiast w 2016 – 65,6 MWp [2].
W przypadku małych i dużych instalacji wymagane jest pozwolenie na budowę oraz zarejestrowana działalność gospodarcza, co w oczywisty sposób narzuca pewne pozytywne standardy postępowania podczas budowy i eksploatacji. Zwłaszcza w przypadku dużych instalacji OZE, niezależnie od źródeł energii, możemy traktować je jak klasyczne elektrownie zawodowe. Występują w nich podobne problemy, podobne są również kompetencje ludzi je obsługujących. Jeżeli występują zagrożenia, to są one dobrze rozeznane i dobrze interpretowane przez obsługujących je pracowników.
Większy problem stanowią mikroelektrownie wykorzystujące odnawialne źródła energii, dlatego, że bardzo często obsługiwane są przez ludzi niemających w ogóle nic wspólnego z energetyką. W związku z tym wiedza o pewnych właściwościach stosowanych urządzeń jest niewielka. Często konstrukcje są wykonywane samodzielnie przez użytkowników, dla których głównym źródłem informacji są fora internetowe. W związku z tym nie zawsze można zapewnić odpowiedni poziom bezpieczeństwa, z samego faktu, że obsługa nie jest do tego przygotowana. Wiele firm sprzedaje gotowe zestawy, składające się z panelu fotowoltaicznego z uchwytami montażowymi, falownika i przewodów łączących. Po zamontowaniu paneli na dachu wystarczy połączyć czerwone zaciski czerwonym przewodem, czarne zaciski czarnym przewodem i włączyć falownik do dowolnego gniazdka jednofazowego. Czyli aby podłączyć generator o mocy 40 kW, nie potrzeba żadnych kwalifikacji.
Możliwe konfiguracje instalacji
W przypadku klasycznych rozwiązań prosumenckich energia pierwotna pochodząca od źródeł odnawialnych zamieniana jest na energię elektryczną, o parametrach wynikających z zastosowanej technologii. W przypadku energii słonecznej są to najczęściej ogniwa fotowoltaiczne, które dostarczają prąd stały. Następnie w falowniku prąd stały zamieniany jest na prąd przemienny o wymaganych parametrach i dostarczany do obwodów w zasilanym obiekcie. Aby zapewnić bezpieczeństwo, falownik skonstruowany jest tak, że pierwotnym źródłem parametrów, takich jak częstotliwość, zgodność fazowa i wartość napięcia, jest sieć elektroenergetyczna zasilająca obiekt.
Zatem parametry napięcia generowane przez falownik są związane z parametrami, jakie występują w sieci zasilającej obiekt. Więc kiedy zanika napięcie w sieci zasilającej, na przykład z powodu awarii lub planowych wyłączeń, zanika również dostarczanie energii wytwarzanej przez falownik. Dzięki temu, w tym układzie pracy parametry w obwodach wewnątrz obiektu, nawet w warunkach zakłóceniowych, są takie same jak w przypadku zasilania obiektu wyłącznie z sieci energetyki zawodowej. Gwarantuje to poprawność pracy aparatury zabezpieczającej przewody, na przykład związanej z prądami zwarcia, jakie występują w instalacji, oraz z koordynacją zabezpieczeń.
Sytuacja wygląda inaczej, jeżeli użytkownik uzna, że może wykorzystać źródło energii do zasilania swoich odbiorników, nie tylko w warunkach normalnej pracy, ale również jako źródło zasilania rezerwowego, w przypadku gdy nastąpi awaria systemu energetycznego lub podczas prac remontowych i tym podobnych działań energetyki zawodowej. W takich sytuacjach mogą pojawiać się pewne problemy wynikające z tego, że po pierwsze, falownik musi być przystosowany do pracy wyspowej [3], po wtóre, instalacja musi być przygotowana do pracy w taki sposób, aby działała poprawnie bez zasilania zewnętrznego, czyli w sytuacji, gdy parametry sieci zasilającej ulegają radykalnej zmianie.
Zmienia nam się zasadniczo układ pracy sieci. Cechami tak zmienionego układu jest to, że zostaje ograniczony prąd zwarciowy, z powodu ograniczonej mocy, jaką może dostarczyć źródło lokalne. W związku z tym powstają kłopoty z poprawnym działaniem zabezpieczeń, a zwłaszcza z ich koordynacją na poszczególnych poziomach, z powodu znacznie niższej wartości prądu zwarciowego. W takim układzie zasilania mogą pojawiać się prądy nie tylko sinusoidalne, ale również, przy pewnych rodzajach uszkodzeń w falownikach, prądy o niepełnych sinusoidach, czyli pulsujące lub nawet prądy stałe. Tego rodzaju prądy mogą powodować nieprawidłowe działanie niektórych urządzeń zabezpieczających, zwłaszcza wyłączników różnicowoprądowych. Jeżeli spodziewamy się, że może wystąpić prąd niesinusoidalny, a zwłaszcza prąd stały, musimy przewidzieć to w instalacji stosując na przykład wyłączniki różnicowoprądowe typu B.
Przy zasilaniu wyspowym, ze względu na niestabilne warunki dostarczania energii, bardzo często stosuje się akumulatorowe magazyny energii. Jeżeli stosowany jest akumulator do magazynowania energii, zasilacz ma możliwość chwilowego zwiększania prądu, co pozwala podbijać na krótko prąd zwarciowy. Dzięki temu łatwiej jest dobrać zabezpieczenia i zapewnić selektywność ich działania.
Zasilacz taki jest jedynym źródłem energii zasilającej obwody elektryczne, zatem istotnym parametrem pozwalającym poprawnie zaprojektować obwody odbiorcze jest charakterystyka prądowo-czasowa zasilacza w chwilach przeciążenia i zwarcia. Z punktu widzenia ochrony przeciwporażeniowej najistotniejsza jest wartość prądu uszkodzeniowego, jaki może popłynąć w chwili zwarcia lub przeciążenia. Budowa falownika jest stosunkowo złożona, a producenci, w zależności od swojej koncepcji, stosują różne rozwiązania techniczne, co powoduje, że parametry charakterystyki prądowo-czasowej bardzo różnią się w poszczególnych rodzajach zasilaczy.
W głównych obwodach roboczych falowników znajdują się elementy energoelektroniczne, których szczególną cechą jest gwałtowna i nieodwracalna utrata właściwości półprzewodnika po przekroczeniu parametrów dopuszczalnych. Utrata ta może polegać zarówno na przebiciu złącza, co objawia się trwałym zwarciem w miejscu złącza, lub przepaleniem złącza, co objawia się przerwą w obwodzie. Oczywiście uszkodzenia nie muszą przyjmować tylko skrajnego stanu, czyli rezystancji bliskiej zero przy zwarciu, lub bliskiej nieskończoności przy przepaleniu złącza, lecz mogą przyjmować wartości pośrednie.
Stan taki jest szczególnie niebezpieczny, bo z jednej strony stwarza zagrożenie porażeniowe lub pożarowe, a równocześnie nie jest prawidłowo rozpoznawany przez urządzenia zabezpieczające. Ze względu na wrażliwość elementów składowych falowników na przekroczenie wartości granicznych ich parametrów, urządzenia te są wewnętrznie zabezpieczone przed takimi sytuacjami. Najczęściej są to elektroniczne systemy kontrolujące wartość napięcia, płynącego prądu lub mocy wydzielanej w elementach energoelektronicznych, i sterują tymi wartościami tak, aby nie zostały przekroczone wartości dopuszczalne. Dodatkowo stosowane są zabezpieczenia w postaci szybkich bezpieczników topikowych, które powinny zadziałać, gdy zawiodą systemy elektroniczne.
Aktywne sterowanie parametrami elektrycznymi w warunkach awaryjnych powoduje, że można dokładnie zaprojektować charakterystykę prądowo-czasową dla zwarć i przeciążeń w obwodach zasilanych przez falowniki. Charakterystyki te podawane są przez producentów w danych katalogowych, lecz niestety charakteryzują się znaczną różnorodnością, czego efektem jest trudność z doborem zabezpieczeń. Najczęściej charakterystyka jest trójstopniowa.
Na rysunku 1. pokazano taką charakterystykę z przykładowymi wartościami. Najistotniejszy jest pierwszy segment związany z największą krotnością prądu. Ma to istotny wpływ na dobór zabezpieczeń nadprądowych, a głównie na selektywność ich działania. Wartość prądu płynącego w stanie awaryjnym ma oczywiście wpływ na bezpieczeństwo elektryczne i sposób działania zabezpieczeń przeciwporażeniowych, zatem zawsze trzeba analizować dokładnie parametry falowników, również przy ich wymianie w istniejących instalacjach.
Zagrożenia porażeniowe i pożarowe
Panele instalowane są na zewnątrz, najczęściej na dachu. Narażone są więc, w znacznie większym stopniu niż inne instalacje, na przepięcia powodowane przez wyładowania atmosferyczne. Oddziaływania szkodliwe dotyczą nie tylko samych ogniw fotowoltaicznych, ale również obwodów łączących ogniwa z falownikami. Mogą więc występować uszkodzenia izolacji w tych obwodach. Nie muszą to być uszkodzenia na tyle duże, że uniemożliwiają pracę instalacji, ale mogą powodować wzrost prądu upływowego do wartości niebezpiecznych z punktu widzenia ochrony przeciwpożarowej. Najbardziej niebezpieczny jest obwód łączący panele pomiędzy sobą i falownikiem. Przykład rozpływu prądu w warunkach uszkodzenia przedstawiono na rysunku 2.
Jedną z cech charakterystycznych niektórych źródeł energii odnawialnej jest to, że dostawa energii jest od nas niezależna, i to nie tylko w sytuacji jej braku, gdy jej potrzebujemy, ale również jest dostarczana kiedy nie jest nam potrzebna, a nawet wówczas, kiedy może być dla nas groźna. Czyli dla ogniwa fotowoltaicznego napięcie na zaciskach ogniwa występuje zawsze, gdy świeci słońce. W pewnych okolicznościach, nawet w nocy, ogniwa mogą być groźne, gdyż wystarczy oświetlenie ich światłem księżycowym, aby wytworzyć prąd rażeniowy, wystarczający aby zagrozić człowiekowi. Wprawdzie pojedyncze ogniwo ma napięcie około 0,5 V, ale nie stosuje się pojedynczych ogniw. W praktyce produkowane są panele o napięciach od kilkunastu do kilkudziesięciu woltów. Tworząc instalację fotowoltaiczną łączy się panele szeregowo-równolegle. Napięcie na takim zestawie osiąga wartości od kilkuset do 1000 V i nawet przy niewielkim oświetleniu ma swoją wartość znamionową.
Rys. 3. Charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa fotowoltaicznego przy różnych natężeniach promieniowania słonecznego
W przypadku OZE opartych na PV praktycznie nie ma różnicy pomiędzy prądem roboczym a prądem zwarciowym, co widać na rysunku 3. Zatem stosowane powszechnie systemy zabezpieczeń, jakimi najczęściej są zabezpieczenia nadprądowe, nie spełniają prawidłowo swoich funkcji. Z charakterystyki źródeł fotowoltaicznych wynika, że maksymalny prąd roboczy, a tym samym prąd zwarcia, są praktycznie wprost proporcjonalne do natężenia promieniowania słonecznego, czyli są zmienne w czasie. Przy niskim natężeniu promieniowania słonecznego prąd zwarcia jest znacznie niższy od prądu roboczego w momentach wysokiego natężenia promieniowania słonecznego.
Zmiany te mogą następować bardzo szybko, na przykład przy przesuwających się nad panelami chmurami. Falownik lub układ ładujący akumulator usiłuje pracować tak, aby znajdować się jak najbliżej punktu maksymalnej mocy przy aktualnym natężeniu oświetlenia (punkty A na rysunku 2.), zatem punkt pracy instalacji jest dynamiczny i cały czas jest bliski prądowi maksymalnemu, czyli bliski również prądowi zwarcia. W związku z tym trudno jest na podstawie prądu rozróżnić stan normalnej pracy od stanu awaryjnego.
Natomiast w miarę stałą wartością w zakresie roboczym charakterystyk jest napięcie, które w chwili zwarcia gwałtownie spada do wartości bliskiej zeru. Teoretycznie można by zatem reagować na poziom napięcia i wyłączać obwód po stwierdzeniu obniżenia się napięcia poniżej wartości krytycznej. Niestety, nie jest ono wygodnym wskaźnikiem stanu obwodu z dwóch powodów. Po pierwsze, stan beznapięciowy jest jednym ze stanów normalnej pracy, na przykład w nocy. Po drugie, obniżenie napięcia poniżej wartości krytycznej dotyczy całej instalacji, a nie tylko uszkodzonego obwodu, więc nie udałoby się zachować selektywnego działania zabezpieczeń.
Jedną z możliwości jest analiza rezystancji obciążenia. Jeżeli będziemy mierzyli prąd i napięcie, to obliczając rezystancję obwodu możemy określić, w którym momencie nastąpiło przekroczenie dopuszczalnych parametrów dla danego obwodu. Po obniżeniu się rezystancji w danym obwodzie poniżej wartości krytycznej Rkr (rys. 4.) następuje pobudzenie zabezpieczenia i im niższa jest rezystancja w obwodzie, tym szybciej zadziała zabezpieczenie danego obwodu. Pozwala to wyłączyć uszkodzony obwód zachowując selektywnie możliwość pracy pozostałych obwodów.
Wnioski
- Panele fotowoltaiczne stwarzają specyficzne zagrożenia porażeniowe i pożarowe wynikające i ich sposobu działania.
- Jeżeli panele pracują wyłącznie w trybie online, instalacja wewnątrz obiektu pracuje normalnie jak klasyczna instalacja.
- Jeżeli istnieje możliwość pracy wyspowej opartej wyłącznie na panelach fotowoltaicznych, należy przeanalizować poprawność pracy instalacji w takich stanach pracy.
Literatura:
- R. Szczerbowski, Zagrożenia wynikające z pracy instalacji fotowoltaicznych, „elektro.info” 4/2015.
- www.polskapv.pl
- www.fotowoltaika.belos.pl