Ochrona odgromowa i przeciwprzepięciowa systemów fotowoltaicznych
Ochrona przeciwprzepięciowa farmy fotowoltaicznej z falownikiem centralnym
W Polsce tylko w roku 2020 zainstalowano ponad 321 tysięcy mikroinstalacji fotowoltaicznych (PV) o łącznej mocy przekraczającej 2151 MWp [1]. Chęć pozyskania „darmowej” energii elektrycznej oraz liczne programy wsparcia tego rodzaju inwestycji przekładają się na tzw. boom, który przekracza założone prognozy [1]. Należy przypuszczać, iż w kolejnych latach instalacje PV staną się nieodzownym składnikiem instalacji elektrycznych. Pamiętajmy jednak, że poza oczywistymi zaletami są również zagrożenia, które należy neutralizować.
Zobacz także
DEHN POLSKA sp. z o.o. Skuteczność zintegrowanych systemów ochrony przed przepięciami o częstotliwości sieciowej (POP) w instalacjach niskiego napięcia
Powszechna obecność wrażliwych urządzeń elektronicznych we współczesnych instalacjach niskiego napięcia modyfikuje wymagania w zakresie ich ochrony. Podczas gdy zagrożenia wywołane przejściowymi wyładowaniami...
Powszechna obecność wrażliwych urządzeń elektronicznych we współczesnych instalacjach niskiego napięcia modyfikuje wymagania w zakresie ich ochrony. Podczas gdy zagrożenia wywołane przejściowymi wyładowaniami atmosferycznymi są powszechnie uwzględniane w procesach projektowych, poważny problem eksploatacyjny stanowią długotrwałe wzrosty napięcia o częstotliwości sieciowej. Tradycyjne ograniczniki chroniące przed przepięciami atmosferycznymi i łączeniowymi (SPD) okazują się wobec nich nieskuteczne....
Ewimar Sp. z o.o. Nowe ograniczniki przepięć do systemów automatyki i nie tylko
Już wkrótce gama produktów z firmy Ewimar, zostanie wzbogacona o nowe produkty ochrony przeciwprzepięciowej, dedykowane do linii zasilających, linii pomiarowych oraz transmisyjnych.
Już wkrótce gama produktów z firmy Ewimar, zostanie wzbogacona o nowe produkty ochrony przeciwprzepięciowej, dedykowane do linii zasilających, linii pomiarowych oraz transmisyjnych.
RST sp. z o.o., dr inż. Tomasz Maksimowicz Ochrona przed przepięciami kamer IP i sieci Ethernet
Sieci Ethernet to już nie tylko sieci komputerowe, ale przede wszystkim uniwersalne media dla wszelkiego rodzaju systemów transmisji. Ogromne korzyści uzyskano dzięki opracowaniu standardu zasilania Power...
Sieci Ethernet to już nie tylko sieci komputerowe, ale przede wszystkim uniwersalne media dla wszelkiego rodzaju systemów transmisji. Ogromne korzyści uzyskano dzięki opracowaniu standardu zasilania Power over Ethernet (PoE), który znacząco przyczynił się do rozszerzenia obszaru zastosowań tej technologii. Doskonały przykład stanowią systemy monitoringu wizyjnego (VSS – Video Surveilance System, potocznie CCTV), gdzie jednym przewodem 4-parowym możliwa jest transmisja sygnału wizyjnego, sterowanie...
Do najważniejszych zagrożeń systemów PV zalicza się wpływ czynników zewnętrznych, takich jak wyładowania piorunowe i związane z nimi przepięcia oraz znaczne ryzyko pożaru nie tylko samych paneli PV, ale również całego obiektu budowlanego w miejscu ich instalacji [2]. Czas zwrotu inwestycji szacowany jest na 10–30 lat. Każde dodatkowe koszty ewentualnej naprawy systemu zmniejszają opłacalność, stąd też należy podjąć niezbędne działania na samym początku, aby móc przeciwstawiać się zagrożeniom przez planowane lata eksploatacji projektowanego systemu PV.
Panele PV umieszcza się najczęściej na dachu i zazwyczaj okablowanie instalacji fotowoltaicznej jest wprowadzane do wnętrza budynku. W związku z tym instalowane są długie odcinki przewodów łączące panele z falownikami i z instalacją elektryczną budynku. Wyładowania piorunowe powodują powstawanie impulsowego pola elektrycznego i magnetycznego, które indukuje w pobliskich instalacjach napięcia i prądy udarowe. Długość przewodów oraz wielkość pętli powstających z ułożonych przewodów zwiększa wartości przepięć. Szkody wywołane przez przepięcia indukowane w przewodach przez prądy piorunowe występują zarówno w panelach fotowoltaicznych, układach sterowania i przewodach. Przepięcia pojawiające się w instalacji PV oraz współpracującej z nią instalacji elektrycznej mogą również uszkodzić pracujące w domu urządzenia, takie jak falownik PV, piec grzewczy, lodówka, telewizor, pralka, komputer i wiele innych. W niesprzyjających warunkach przepięcia same w sobie mogą spowodować pożar paneli umieszczonych na dachu. W przypadku bezpośredniego wyładowania piorunowego w obiekt budowlany, na którym zamontowano instalację PV, może dojść do ich zapłonu i pożaru całego budynku. Mając to wszystko na uwadze zaleca się instalację systemu ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej w budynku, na którym są zainstalowane ogniwa PV. Osoby korzystające z kredytu powinny bezwarunkowo wyposażyć swoją instalację w stosowne rozwiązania techniczne, o których mowa poniżej.
|
W artykule:
|
|
Streszczenie Obecnie w Polsce bardzo popularne staje się instalowanie na dachu własnego domu instalacji fotowoltaicznej. Wszyscy inwestorzy są zafascynowani możliwością pozyskania energii elektrycznej „za darmo”. Ze względu na miejsce montażu instalacje fotowoltaiczne w znacznym stopniu narażone są na skutki bezpośrednich i pośrednich wyładowań piorunowych oraz przepięć pochodzących z różnych źródeł. Czas zwrotu inwestycji może być znacznie przedłużony w przypadku uszkodzenia użytkowanego systemu, dlatego też prawidłowo zaprojektowana oraz dobrze wykonana instalacja odgromowa i przeciwprzepięciowa powinna być jej bardzo ważnym elementem. W skrajnym przypadku instalacja PV może być przyczyną pożaru obiektu, na którym została zainstalowana. W artykule przedstawione zostały podstawowe zasady ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej domowej instalacji fotowoltaicznej. |
|
Abstract Lightning and surge protection for photovoltaic systems Currently, it is becoming very popular in Poland to install solar installation on the roof of your own house. All investors are fascinated by the possibility of obtaining electricity “for free”. Due to the installation location, solar installations are significantly exposed to the effects of direct and indirect lightning discharges and surges from various sources. The payback time can be significantly extended in the event of damage to the system in use, which is why a properly designed and well-made lightning and surge protection installation is very important. In extreme cases, the PV installation can cause a fire in the facility where it was installed. The article presents the basic principles of lightning and surge protection of a home photovoltaic installation. |
Ryzyko pożaru paneli PV
Bardzo często osoby zaczynające swoją przygodę z panelami fotowoltaicznymi nie zdają sobie sprawy z zagrożenia jakie one niosą. Specyfika działania ogniw fotowoltaicznych uniemożliwia ich natychmiastowe wyłączenie. Najprościej rzecz ujmując, nie da się wyłączyć słońca, przez co również nie da się wyłączyć paneli fotowoltaicznych. Cały czas na ich zaciskach wyjściowych obecne jest napięcie – zarówno w dzień słoneczny, jak i pochmurny. Jakiekolwiek uszkodzenie paneli PV skutkujące zwarciem choćby tylko jednego ogniwa w panelu może być przyczyną pożaru. Powstałe w ten sposób zwarcie jest podtrzymywane przez pozostałe ogniwa w stringu, w pojedynczym panelu, ogniwie czy falowniku. Wykrycie i wyłączenie zwarcia jest bardzo trudne lub wręcz niemożliwe. Dostępne na rynku rozwiązania techniczne umożliwiają co najwyżej izolację uszkodzonego modułu. Samo wykrycie zwarcia jest kłopotliwe ze względu na bardzo małą różnicę między prądem znamionowym panelu/ogniwa a prądem zwarciowym. Znamienna jest również możliwość pracy panelu PV na zwarcie (rys. 1.). Mając to wszystko na uwadze, przystępując do inwestycji należy wziąć pod uwagę znaczne ryzyko pożaru i podjąć stosowne środki je ograniczające.
W przypadku bezpośrednich wyładowań piorunowych uwolniona energia jest jedną z najczęstszych przyczyn powstawania pożarów. Sama instalacja paneli fotowoltaicznych nie zwiększa ryzyka uderzenia pioruna, ale potencjalne straty w obiekcie wyposażonym w panele będą zdecydowanie większe. Dlatego też zaleca się szczegółową ocenę ryzyka wystąpienia szkody spowodowanej uderzeniem pioruna. Należy tego dokonać zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 62305-2 [4]. Najczęściej popełnianym błędem jest instalacja systemu PV bez zwracania uwagi na problem ochrony odgromowej. Na rysunku 2. przedstawiono obiekt, w którym doinstalowano system PV nie modyfikując istniejącego systemu ochrony odgromowej (panele PV powyżej strefy ochrony odgromowej).
Falowniki
Systemy fotowoltaiczne projektowane i instalowane zgodnie zasadami wiedzy technicznej i stosownych norm powinny być bezpieczne. Elementem składowym każdej instalacji PV jest falownik. Moduły fotowoltaiczne wytwarzają prąd stały. Sieć elektroenergetyczna, do której oddajemy produkowaną energię elektryczną, pracuje z prądem zmiennym o napięciu 3230/400 V i częstotliwości 50 Hz. W dużym uproszczeniu zadaniem falownika jest zamiana prądu stałego na zmienny, tak aby możliwe było korzystanie z przetworzonej energii słonecznej oraz aby była możliwa odsprzedaż nadwyżek energii elektrycznej do sieci. Falowniki średnio stanowią około 20% całości poniesionych nakładów finansowych na budowę własnej instalacji PV. Każda chwila, w której możemy, a jednak nie „sprzedajemy” produkowanej energii elektrycznej, wydłuża czas zwrotu z poniesionej inwestycji. W przypadku gdy ulegnie uszkodzeniu jedno ogniwo zainstalowane na dachu, nie utracimy pełnej funkcjonalności naszej „elektrowni”. Z kolei gdy uszkodzeniu ulegnie falownik, nasza „elektrownia” przestaje dostarczać nam zysków, przestaje się „zwracać”, a zaczyna generować dodatkowe koszty przyjazdu wykwalifikowanego serwisu, ewentualnych napraw czy też wymiany, jednocześnie powodując niepotrzebny dyskomfort u użytkownika.
Czy falowniki PV ulegają uszkodzeniom? Wystarczy wpisać w wyszukiwarce Google hasło: „falowniki PV uszkodzenia”, a natychmiast otrzymujemy kilkanaście zdjęć uszkodzeń, porad serwisowych itp. Na rysunku 3a widzimy uszkodzony stopień wyjściowy falownika, a dokładnie rozerwane warystory na wyjściu dwóch z faz oraz osmaloną płytkę PCB [12]. Na szczęście nie doszło do pożaru. Na rysunku 3b widzimy uszkodzony falownik, który zainicjował pożar poddasza [13].
Wymagania w zakresie ochrony a ubezpieczenie
Polskie prawo nie nakłada obowiązku instalacji systemu ochrony odgromowej obiektu wyposażonego w instalację PV. Prawo budowlane zobowiązuje zaś inwestora/projektanta do analizy ryzyka. Jeśli jest ona przeprowadzona zgodnie z normą, umożliwia wybór właściwego poziomu ochrony odgromowej budynku. Bardzo często jednak ubezpieczamy swój obiekt (dom) myśląc o ewentualnym ryzyku powstania strat, które mają być pokryte z polisy. Zawierając umowę ubezpieczenia (cywilnoprawną) z firmą ubezpieczeniową zgadzamy się na warunki zawarte w OWU (ogólne warunki ubezpieczenia). Kupując polisę rzadko sprawdzamy jej warunki. Jednak w nich możemy znaleźć bardzo ciekawe zapisy, które to de facto w bardziej lub mniej otwarty sposób nakładają na nas obowiązek instalacji ochrony odgromowej i przepięciowej. I tak na przykład w jednym z towarzystw ubezpieczeniowych przeglądając OWU w punkcie opisującym przedmiot ubezpieczenia napotykamy zapis: „Ochroną ubezpieczeniową może być objęta instalacja fotowoltaiczna, która spełnia łącznie następujące warunki: (…) jest wyposażona w system ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej oraz uziemienie”. Analizując ten zapis musimy wyposażyć obiekt w ww. instalację, bo jak nie, to nasza instalacja nie jest objęta ubezpieczeniem – pomimo że mamy polisę. Dalej w tym samym OWU w punkcie „wyłączenia odpowiedzialności” możemy znaleźć, iż wyłączona jest całkowicie odpowiedzialność za szkody powstałe w skutek oddziaływania pola magnetycznego i elektrycznego. Należy tutaj nadmienić, iż wyładowanie piorunowe wytwarza bardzo duże wartości pola elektrycznego i magnetycznego szczegółowo opisane w normie PN-EN 62305-1 [3]. Cóż więc, zawierając umowę jesteśmy ubezpieczeni od kradzieży paneli PV, gradu, wichury itp. – ale nie od przepięć, które właśnie pole elektryczne i magnetyczne powoduje. W innym towarzystwie ubezpieczeniowym w dziale opisującym przedmiot ubezpieczenia czytamy, iż elektrownia fotowoltaiczna winna się składać z urządzenia ochrony przeciwprzepięciowej i odgromowej. Podsumowując należy podkreślić, iż wymagania polskiego prawa nie są równe wymaganiom, na które sami się zgadzamy podpisując umowę ubezpieczenia (cywilnoprawną).
Ochrona odgromowa małych instalacji fotowoltaicznych
Mając na uwadze przytoczone powyżej argumenty i decydując się na montaż systemu fotowoltaicznego należy doposażyć obiekt w system ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej. Zgodnie z polskim prawem można tego nie robić, akceptując jednocześnie straty powstałe wskutek wyładowania piorunowego, przepięcia czy pożaru.
Na wstępie, tak jak już wcześniej wspomniano, należy przeprowadzić analizę ryzyka, której wynik dostarcza informacji o wymaganym poziomie ochrony odgromowej (LPL), a co za tym idzie, jakie konkretnie rozwiązania techniczne należy zastosować, aby ryzyko ograniczyć do wymaganego normą poziomu. Dodatek 5 do niemieckiej wersji normy DIN EN 62305-3 [5] w punkcie 4.5 zawiera zapis, że urządzenie piorunochronne wykonane w III klasie LPS (LPL III) odpowiada normalnym wymaganiom dla instalacji fotowoltaicznych [2]. W polskiej edycji normy nie ma takiego uwarunkowania, niemniej jednak ubezpieczyciele wymagają co najmniej IV klasy LPS oraz ochrony przeciwprzepięciowej. Ciekawe jest również stanowisko Stowarzyszenia Niemieckich Firm Ubezpieczeniowych (Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft – GDV), które w swoich wytycznych VdS 2010 „Ochrona odgromowa i przepięciowa ukierunkowana na ryzyko” wymaga poziomu ochrony LPL III (III klasa LPS) [2]. Podobne stanowisko w tej kwestii mają polskie firmy ubezpieczeniowe bezpośrednio w OWU. Po przeprowadzonej analizie ryzyka można przystąpić do projektowania systemu ochrony odgromowej.
Rys. 4. Budynek pozbawiony zewnętrznej instalacji piorunochronnej, gdzie: 1 – wejście DC falownika, 2 – strona AC falownika, 3 – sieć zasilająca nn 230/400V, 4 – interfejs przesyłu danych, 5 – połączenia wyrównawcze/zaciski uziemiające [2]
Budynek bez zewnętrznej ochrony odgromowej
Jeśli analiza ryzyka nie wykazała konieczności instalowania systemu ochrony odgromowej, wówczas należy się spodziewać niebezpiecznych napięć indukowanych wskutek pobliskich wyładowań piorunowych obok instalacji PV lub w wyniku przenoszenia się przepięć z sieci elektroenergetycznej zasilającej obiekt [2]. W celu zabezpieczenia się przed skutkami przepięć należy zainstalować ograniczniki przepięć klasy T2 (rys. 4.):
- w rozdzielnicy głównej budynku,
- na wyjściu AC falownika w miejscu przyłączenia sieci niskiego napięcia, jeśli długość przewodów do rozdzielnicy jest większa niż 10 m (wyposażonej w ograniczniki przepięć),
- na wejściu DC falownika w miejscu przyłączenia kabli z paneli PV,
- na wyjściu paneli PV, jeśli długość przewodów do falownika jest większa niż 10 m,
- na wejściu sterującym falownika (jeśli takie posiada i są one wykorzystywane).
W celu wyrównania potencjałów pomiędzy ogniwami PV na dachu oraz dla zapewnienia prawidłowej pracy falownika, a w szczególności układu monitorującego stan izolacji ogniw PV (najczęściej zintegrowanego z falownikiem) wymaga się skutecznego uziemienia konstrukcji nośnej ogniw PV przewodem o minimalnym przekroju 6 mm2 Cu lub równoważnym [2].
Rys. 5. Budynek z zainstalowaną instalacją piorunochronną spełniającą wymagane odstępy izolacyjne: 1 – wejście DC falownika, 2 – strona AC falownika, 3 – sieć zasilająca nn 230/400V, 4 – interfejs przesyłu danych, 5 – połączenia wyrównawcze/zaciski uziemiające, 6 – układ zwodów pionowych na dachu/ iglica odgromowa z podstawą betonową [2]
Budynek z zewnętrzną ochroną odgromową
Najlepszym i zalecanym sposobem ochrony instalacji PV jest montaż zewnętrznego systemu ochrony odgromowej. Koncepcję ochrony pokazuje rysunek 5. Głównym zadaniem systemu jest przechwycenie prądu wyładowania piorunowego i wysłanie go przez projektanta obraną drogą do systemu uziomowego. W tym celu należy rozmieścić na dachu system zwodów pionowych wykorzystując do tego metodę toczącej się kuli lub kąta ochronnego zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 62305-3 [5] (rys. 6.).
Rys. 6. Porównanie metod określenia przestrzeni chronionej metodą toczącej się kuli i kąta ochronnego [2]
Istotną kwestią podczas rozmieszczania zwodów na dachu jest problem zacienienia ogniw PV. Cień całkowity na ogniwie PV w bardzo dużym stopniu obniża ilość generowanej energii elektrycznej. Projektując system zwodów na dachu należy przeanalizować ten problem, gdyż pominięcie tego znacząco wydłuży okres zwrotu z inwestycji. Aby uniknąć cienia całkowitego, należy odpowiednio odsunąć zwody pionowe od modułów PV. I tak przykładowo, zwód pionowy o średnicy 10 mm w odległości 1,08 m od ogniwa PV przekształca cień całkowity w półcień, co zapewnia równomierną pracę ogniw (rys. 7.). Dla zwodu o średnicy 16 mm wymagana odległość to 1,76 m (L = Ø×108). Szczegółowe wytyczne w tym zakresie znajdziemy w niemieckiej wersji normy DIN EN 62305-3 (dodatek 5, załącznik A) [2, 7].
Należy w tym miejscu również wspomnieć o odstępie separującym (s), który powinniśmy zapewnić między panelami PV oraz innymi elementami i przewodami umieszczonymi na dachu a systemem zwodów. Spełnienie powyższego wymagania w znaczący sposób zmniejsza zagrożenie przepięciowe i pożarowe, gdyż izoluje system zwodów (który podczas doziemnego wyładowania piorunowego jest źródłem m.in. wysokiego napięcia) na dachu od reszty urządzeń, zabezpiecza przed pojawieniem się niekontrolowanych przeskoków iskrowych, które bezpośrednio mogą być przyczyną pożaru. Metodę wyznaczania wymaganych odstępów separacyjnych znajdziemy w normie PN-EN 62305-3 [5]. W przypadku braku możliwości zapewnienia wymaganych odstępów należy rozważyć stosowanie przewodów o izolacji wysokonapięciowej (HVI) [2]. Dzięki temu przewody odprowadzające prąd piorunowy mogą się stykać z instalacją fotowoltaiczną nie powodując powstania zagrożenia. Przy doborze przewodów HVI należy upewnić się, czy spełniają one wymagania opisane w IEC TS 62561-8 [8] w zakresie deklarowanych odstępów separujących. Problemem jest to, że na rynku polskim często wykorzystuje się kable średniego napięcia jako przewody wysokonapięciowe bez zdefiniowanego odstępu separacyjnego przeznaczonego dla urządzeń piorunochronnych, co może znacząco pogarszać poziom planowanej ochrony.
Bardzo ważną częścią systemu ochrony odgromowej i przepięciowej są także połączenia wyrównawcze. W sposób naturalny zmniejszają one względne różnice potencjałów między urządzeniami i elementami umiejscowionymi na dachu, jak i wewnątrz budynku. W przypadku instalacji PV należy połączyć wszystkie konstrukcje wsporcze umieszczone na dachu pamiętając o wymaganym odstępie separacyjnym. Jeśli na dachu będą umieszczone inne urządzenia elektryczne lub elektroniczne, należy wprowadzając okablowanie do środka budynku (na granicy strefy LPZ0 i LPZ1) zastosować ograniczniki przepięć klasy T2 – jednocześnie pamiętając o umieszczeniu ich w przestrzeni chronionej stworzonej przez układ zwodów umieszczonych na dachu.
W celu wyrównania potencjałów pomiędzy ogniwami PV na dachu oraz dla zapewnienia prawidłowej pracy falownika, a w szczególności układu monitorującego stan izolacji ogniw PV (najczęściej zintegrowanego z falownikiem) wymaga się skutecznego uziemienia konstrukcji nośnej ogniw PV przewodem o minimalnym przekroju 6 mm2 Cu lub równoważnym.
W celu zabezpieczenia się przed skutkami przepięć należy zainstalować:
- w rozdzielnicy głównej budynku ogranicznik przepięć klasy T1 kombinowany zbudowany w oparciu o iskiernik,
- na wyjściu AC falownika w miejscu przyłączenia sieci niskiego napięcia ogranicznik przepięć klasy T2, jeśli długość przewodów do rozdzielnicy jest większa niż 10 m,
- na wejściu DC falownika w miejscu przyłączenia kabli z paneli PV ogranicznik przepięć klasy T2 przeznaczony do systemów PV,
- na wyjściu paneli PV, jeśli długość przewodów do falownika jest większa niż 10 m, ogranicznik przepięć klasy T2 przeznaczony do systemów PV,
- na wejściu sterującym falownika (jeśli takie posiada i są one wykorzystywane) ogranicznik przepięć przeznaczony do torów sygnałowych klasy C2.
Rys. 8. Budynek wyposażony w instalację piorunochronną bez spełnienia wymaganych odstępów izolacyjnych: 1 – wejście DC falownika, 2 – strona AC falownika, 3 – sieć zasilająca nn 230/400 V, 4 – interfejs przesyłu danych, 5 – połączenia wyrównawcze/zaciski uziemiające, 6 – układ zwodów pionowych na dachu/iglica odgromowa z podstawą betonową [2]
Jeżeli pokrycie dachu jest metalowe lub tworzy je sama instalacja PV i z punktu widzenia techniki montażu brak jest możliwości zachowania wymaganych odstępów separacyjnych (s), metalowe części konstrukcji nośnej ogniw PV muszą być połączone przewodami o przekroju min. 16 mm2 Cu lub równoważnym do elementów zewnętrznego systemu ochrony odgromowej [2] (rys. 8.). Należy także na wejściu przewodów DC falownika zainstalować ograniczniki przepięć klasy T1 przeznaczone do instalacji PV. Jeśli długość przewodów łączących panele PV z falownikiem od strony DC jest większa od 10 m, należy zainstalować kolejny ogranicznik przepięć klasy T1 przeznaczony do instalacji PV (na wyjściu paneli). Na wyjściu AC falownika należy również zainstalować ogranicznik przepięć klasy T1 kombinowany zbudowany w oparciu o iskiernik. Podczas układania przewodów należy zwrócić uwagę, aby nie tworzyć zbytecznych pętli, w których mogą się indukować większe wartości napięć. Dotyczy to przewodów łączących ogniwa PV z falownikiem, ogniwa między sobą (stringi). Należy unikać prowadzenia poprzecznego przewodów DC między rzędami ogniw, przewodami przesyłu danych lub czujników nasłonecznienia, monitoringu pracy instalacji – tworzą one zbędne pętle, co też zwiększa narażenie przepięciowe całego systemu PV [2].
Farma fotowoltaiczna
Skuteczna ochrona farm fotowoltaicznych wymaga zainstalowania systemu zwodów, tak aby chronić panele PV od wyładowań piorunowych. Niezbędna jest również instalacja uziemiająca, sieć połączeń wyrównawczych i urządzenia do ograniczania przepięć.
Ochrona przed bezpośrednim wyładowaniem piorunowym wymaga umieszczania wszystkich paneli PV i innych urządzeń elektroenergetycznych w przestrzeni chronionej przez układ zwodów stosują tak jak poprzednio metodę toczącej się kuli lub kąta ochronnego. Instalacja uziemiająca winna mieć rezystancję mniejszą niż 10 Ω. Szczególną uwagę należy zwrócić na sposób prowadzenia przewodów na terenie farmy fotowoltaicznej. Należy unikać dużych pętli przewodów, w których mogą się indukować niebezpieczne przepięcia. Do ochrony urządzeń od przepięć należy stosować dedykowane ograniczniki przepięć odpowiednio rozmieszczone na terenie farmy (rys. 9. i 10.).
Rys. 9. Ochrona przeciwprzepięciowa farmy fotowoltaicznej z falownikiem centralnym (z oznaczonym możliwym do wystąpienia rozpływającym się prądem doziemnego wyładowania piorunowego); rys. J. Wiater
Rys. 10. Ochrona przeciwprzepięciowa farmy fotowoltaicznej z falownikami przeznaczonymi dla każdej gałęzi (z oznaczonym możliwym do wystąpienia rozpływającym się prądem doziemnego wyładowania piorunowego) rys. J. Wiater
Specjalne ograniczniki przepięć do ochrony instalacji fotowoltaicznych
Ogniwa fotowoltaiczne ze względu na swoją specyfikę (jak już wspomniano wcześniej) mogą pracować przy prądzie znamionowym bardzo zbliżonym do prądu zwarciowego. Ograniczniki przepięć dla systemów PV (DC) są inaczej budowane niż dla sieci prądu zmiennego (AC) m.in. dlatego, bo prądy następcze przy prądzie stałym trudno jest wyłączyć ze względu na nieprzechodzenie prądu przez zero. Wymusza to stosowanie specjalnych konstrukcji zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 50539-11:2013-06 [9] zastąpionej w 2019 roku przez normę PN-EN 61643-31:2019-07 [10]. Głównym problemem w budowie ogranicznika PV jest bezpieczne odłączenie SPD w przypadku jego uszkodzenia lub przegrzania. Ma to na celu zapobieganie pożarowi. Klasyczne stosowane rozwiązanie polegające na stosowaniu zgrzewanego złącza bimetalicznego nie może być bezpośrednio zastosowane dla układów DC (PV). Ograniczniki przepięć prądu stałego składają się zazwyczaj z trzech elementów ucinających, ograniczających lub kombinowanych równolegle połączonych ze specjalnymi bezpiecznikami nadprądowymi sprzężonymi z modułami ograniczającymi przepięcia i działającymi sekwencyjnie. W przypadku pojawienia się krótkotrwałego przepięcia powinien zadziałać tylko moduł ucinający lub ograniczający przepięcie. Jeśli zaburzenie trwa dłużej (czas działania zależny od budowy i własności konkretnego SPD), wówczas ogranicznik przepięć powinien mieć możliwość skutecznego przerwania płynącego prądu zwarciowego (DC) (rys. 11.).
Ograniczniki przepięć do paneli PV charakteryzują się również innym napięciowym poziomem ochrony Up – dobieranym w zależności od napięcia pracy stringu. Wartości prądów znamionowych (In) i impulsowych (Iimp) należy dobierać w zależności od przyjętej klasy ochrony, a co za tym idzie, maksymalnej wartości prądu piorunowego (10/350 µs), klasy probierczej ogranicznika (T1 lub T2), liczby przewodów odprowadzających zewnętrznego systemu ochrony odgromowej. Szczegóły można znaleźć w normie PN-EN 61643-31 [10]. Zestawienie wymaganych wartości minimalnych prądów znamionowych SPD zaczerpnięto z tabeli A.2 ww. normy i przedstawiono poniżej w tabelach 1. i 2.
Tab. 1. Dobór minimalnej wartości prądu znamionowego (In) i impulsowego (Iimp) ograniczników przepięć klasy T1 ograniczających lub kombinowanych (połączenie szeregowe warystorów i iskierników) zgodnie z PN-EN 61643-31 [2, 10]
Tab. 2. Dobór minimalnej wartości prądu znamionowego (In) i impulsowego (Iimp) ograniczników przepięć klasy T1 ucinających (iskierników) lub kombinowanych (połączenie równoległe warystorów i iskierników) zgodnie z PN-EN 61643-31 [2, 10]
Najczęściej popełniane błędy
- Brak jakiejkolwiek ochrony. Dołożenie instalacji PV bez modyfikacji systemu ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej obiektu.
- Stosowanie aktywnej ochrony odgromowej lub innej polegającej na ograniczeniu liczby zwodów lub cienia na dachu. Wyłącza to odpowiedzialność ubezpieczyciela za ewentualne straty ze względu na stosowanie rozwiązań niezgodnych z polskim prawem budowlanym. Błędem jest powoływanie się na normy francuskie, nieprzywołane w polskim rozporządzeniu Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [11].
- Niezachowane odstępy separacyjne na dachu.
- Brak ochrony przeciwprzepięciowej skoordynowanej energetycznie z urządzeniem końcowym (falownikiem). Ryzykujemy uszkodzenie falownika wskutek przepięć pomimo zastosowania ogranicznika przepięć.
Podsumowanie
Własne elektrownie słoneczne stają się coraz bardziej popularne i modne w Polsce. Dostrzegając ich zalety, aktywnie z nich korzystając, nie można zapominać o zagrożeniach, które wraz z sobą one niosą. Ryzyko pożaru obiektu, na którym są zainstalowane, wzrasta znacząco. Bez skutecznej ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej okres zwrotu z inwestycji może być dłuższy lub w ekstremalnych przypadkach koszty przewyższą znacząco potencjalne zyski. W polskim prawie winien być wprowadzony zapis nakładający na użytkowników instalacji PV konieczność wyposażenia ich w urządzenia piorunochronne i przeciwprzepięciowe. Brak takiej regulacji jest wykorzystywany do zmniejszenia kosztów inwestycji. Ubezpieczenie daje tylko złudną nadzieję na pokrycie ewentualnych strat. Podsumowując: zaleca się instalację potocznie zwanej „odgromówki” i „przepięciówki”.
Literatura
- https://www.gramwzielone.pl/energia-sloneczna/105276/w-2020-roku-w-polsce-zainstalowano-77-mln-modulow-pv (2021.09.03)
- Poradnik ochrony odgromowej. Neumarkt DEHN, 2019.
- PN-EN 62305-1:2011. Ochrona odgromowa - Część 1: Zasady ogólne.
- PN-EN 62305-2:2012. Ochrona odgromowa – Cześć 2: Zarządzanie ryzykiem.
- PN-EN 62305-3:2011. Ochrona odgromowa - Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenie życia.
- PN-EN 62305-4:2011. Ochrona odgromowa - Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach.
- DIN EN 62305-3:2016-04;VDE 0185-305-3:2016-04. Blitzschutz - Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen.
- IEC TS 62561-8:2018. Lightning protection system components (LPSC) - Part 8: Requirements for components for isolated LPS
- 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
- PN-EN 61643-31:2019-07. Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia - Część 31: Wymagania i metody badań dla SPD instalacji fotowoltaicznych
- Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 8 kwietnia 2019r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Dz.U.2019.0.1065.
- https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3627274.html#gallery-1 (2021.09.03)
- https://assets.publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/630639/fire-solar-pv-systems-investigations-evidence.pdf - 2021.08.06.








