Защита на покривни PV системи от мълнии и пренапрежения
Въз основа на факта, че собствено генерираната електрическа енергия обикновено е по-евтина и осигурява висока степен на електрическа независимост от мрежата, в бъдеще фотоволтаичните системи ще се превърнат в неразделна част от електрическите инсталации. Тези системи обаче са изложени на всички метеорологични условия и трябва да издържат на тях през целия експлоатационен срок.
Защитата на фотоволтаичните инсталации от мълнии е от голямо значение, за да се гарантира непрекъсната работа на системата, както и да се избегнат повреди и щети на оборудването. Атмосферните разряди влияят върху правилното функциониране на фотоволтаичните генератори и тяхното инсталиране, включващо и чувствително електронно оборудване. Определянето на необходимостта от мълниезащита и оценката на изпълнението на анализа на управлението на риска са първите стъпки, за да се предприемат подходящи защитни мерки срещу мълнии и пренапрежения.
Текст: списание Енергия
Мълниите причиняват електрически смущения и този ефект се увеличава с нарастващите дължини на кабелите и проводниците. Пренапреженията не само повреждат фотоволтаичните модули, инверторите и тяхната мониторингова електроника, но и устройствата в сградната инсталация. Производствените мощности в промишлените сгради също могат лесно да бъдат повредени и производството може да спре. Ако в системите, които са далече от електрическата мрежа, се инжектират вълни от пренапрежения, работата на оборудването, захранвано от слънчева електроенергия, може да се наруши.
Необходимост от система за защита от мълнии на покрива
Енергията, освободена от мълнията, е една от най-честите причини за възникване на пожар. Ето защо личната и противопожарната защита са от първостепенно значение в случай на директен удар от мълния върху сградата. На етапа на проектиране на фотоволтаична (PV) система се вижда дали в сградата е инсталирана система за мълниезащита или няма такава. Нормативните уредби за строеж изискват обществените сгради да бъдат оборудвани със система за мълниезащита. При промишлените или частните сгради това дали трябва да се инсталира система за мълниезащита зависи от местоположението, вида на конструкцията и използването. За тази цел трябва да се определи дали могат да се очакват удари от мълния и могат ли да имат сериозни последици. Конструкциите, нуждаещи се от защита, трябва да бъдат снабдени с постоянно действащи системи за мълниезащита.
Съгласно научните и техническите изследвания, инсталирането на PV модули не увеличава риска от удар от мълния. Поради това изискването за мерки за защита от мълнии не може да се изведе направо от самото съществуване на PV система. Въпреки това чрез тези системи в сградата могат да бъдат инжектирани съществени смущения от мълнията. Поради това е необходимо да се определи рискът от удар от мълния съгласно стандарта IEC 62305-2 (EN 62305-2) и да се вземат предвид резултатите от този анализ на риска при инсталиране на фотоволтаичната система. Анализът на риска дава резултат, който се разбира от всички заинтересовани страни. Раздел 4.5 (Управление на риска) от Допълнение 5 на стандарта EN 62305-3 описва, че система за мълниезащита, проектирана за клас LPS III (LPL III), отговаря на обичайните изисквания за PV системи. Като общо правило, фотоволтаичните системи на покрива не трябва да пречат на съществуващите мерки за защита от мълнии.
Необходимост от защита на фотоволтаични системи от пренапрежение
При удар от мълния в електрически проводници се индуцират пренапрежения. Апаратурата за защита от пренапрежения (SPD), която трябва да бъде монтирана преди устройствата, които трябва да бъдат защитени, е много ефективна при защита на електрическите системи от тези пикове на разрушителното напрежение. Раздел 9.1 от стандарта CENELEC CLC/TS 50539-12 (Принципи за избор и приложение - SPD, свързани с фотоволтаични инсталации) изисква инсталирането на защитни устройства срещу пренапрежения, освен ако анализът на риска не доказва, че не са необходими специални спецификации за доставка. Съгласно стандарта IEC 60364-4-44, устройствата за защита от пренапрежение трябва да бъдат инсталирани и в сгради без външна система за защита от мълнии, като например търговски и промишлени сгради, селскостопански съоръжения.
Прокарване на кабелите за фотоволтаични системи
Кабелите трябва да бъдат полагани по такъв начин, че да се избягват големи електрически вериги от проводници. Това трябва да се съблюдава при комбиниране на схеми за постоянен ток за образуване на стринг и при свързване на няколко стринга. Нещо повече, линиите за данни или сензори не трябва да се свързват към няколко стринга и да образуват с линиите на стринговете големи контури от проводници. Това също трябва да се съблюдава при свързване на инвертор към електрическата мрежа. По тази причина силовите (постояннотоково и променливотокови) кабели и линиите за данни (напр. сензор за слънчева радиация, мониторинг на производството и др.) трябва да бъдат полагани заедно с еквипотенциални проводници по целия им маршрут.
Заземяване на фотоволтаични системи
PV модулите обикновено са закрепени към метални монтажни системи. Компонентите под напрежение на постояннотоковата страна трябва да имат двойна или подсилена изолация, както се изисква от стандарта IEC 60364-4-41. Комбинацията от множество технологии на страната на модула и инвертора (например със или без галванична изолация) води до различни изисквания за заземяване. Освен това системата за мониторинг на изолацията, интегрирана в инверторите, е ефективна, само ако монтажната система е свързана към земята. Металната конструкция е функционално заземена, ако фотоволтаичната система е разположена в защитения обем на системите за въздушно терминиране (вертикални пръти) и се поддържа разстоянието за разделяне.
За получаване на функционално заземяване се изискват медни проводници с напречно сечение най-малко 6mm2 или еквивалентно. Монтажните релси също трябва да бъдат трайно свързани чрез проводници със същото напречно сечение. Ако монтажната система е свързана директно към външната система за защита от мълнии, поради факта, че разстоянието за разделяне не може да се поддържа, тези проводници стават част от системата за изравняване на потенциала. Следователно тези елементи трябва да могат да провеждат токове, индуцирани от мълнии.
Минималното изискване за система за мълниезащита, проектирана за клас LPS III, е меден проводник с напречно сечение 16mm2 или еквивалентно. В допълнение, монтажните релси трябва да бъдат постоянно свързани чрез проводници със същото напречно сечение. Функционалният проводник за зaземяване/изравняване на потенциала трябва да се инсталира успоредно и възможно най-близо до кабелите/линиите за постоянен и променлив ток. Заземяващите скоби UNI могат да бъдат закрепени към всички обикновени монтажни системи. Те свързват например медни проводници с напречно сечение от 6mm2 или 16mm2 и голи кръгли проводници с диаметър от 8 до 10mm към монтажната система по такъв начин, че да могат да провеждат токове от мълния. Интегрираната контактна плоча от неръждаема стомана (V4A) осигурява защита от корозия на алуминиевите монтажни системи.
Разстояние на разделяне съгласно IEC 62305-3
Необходимо е да се поддържат определени разстояния на разделяне между системата за защита от мълнии и фотоволтаичната система. Стандартът определя разстоянието, необходимо за избягване на неконтролирано прескачане на дъга към съседни метални части в резултат на удар от мълния към външната система за защита от мълнии. В най-лошия случай такава неконтролирана дъга може да предизвика пожар в сградата.
Специални защитни устройства срещу пренапрежение за постояннотоковата страна на фотоволтаичните системи
Волтамперните характеристики на фотоволтаичните източници са много различни от тези на конвенционалните източници на постоянен ток: те имат нелинейна характеристика и причиняват дългосрочно запазване на запалени дъги. Тази уникална природа на PV източниците на ток изисква не само по-големи фотоволтаични превключватели и PV предпазители, но също и разединител за защита от пренапрежение, който е адаптиран към тях и може да се справи с PV токове. Трябва да се използва катоден отводител (арестор), който отговаря на приложимия стандарт EN 50539-11.
Избор на катоден отводител според нивото на защита от напрежение
Работното напрежение от страната на фотоволтаичните централи се различава от система до система. Понастоящем са възможни стойности до 1500V постоянен ток. Следователно, диелектричната якост на крайното оборудване също се различава. Нивото на напрежението на защита на катодния отводител трябва да бъде по-ниско от диелектричната якост на фотоволтаичната система, която защитава, за да се гарантира, че тя е защитена надеждно.
Сграда без външна мълниезащита система
При защита от пренапрежение на PV система, инсталирана на сграда без външна система за защита от мълнии, опасните пренапрежения навлизат във фотоволтаичната система поради индуктивно свързване в резултат на близки удари от мълния или придвижване от системата за захранване през входа за обслужване към инсталацията на потребителя. Катодни отводители от тип 2 се инсталират откъм страната на модулите и инверторите, променливотоковия изход на инвертора, основно разпределително табло за ниско напрежение и кабелни комуникационни интерфейси.
Всеки постояннотоков вход на инвертора трябва да бъде защитен от катоден отводител тип 2, който надеждно защитава страничната част на фотоволтаичните системи. Стандартът CENELEC CLC/TS 50539-12 изисква да се монтира допълнителен катоден отводител тип 2 на постояннотоковата страна на модула, ако разстоянието между входа на инвертора и PV генератора надвиши 10m. Променливотоковите изходи на инверторите са достатъчно защитени, ако разстоянието между фотоволтаичните инвертори и мястото на инсталиране на катоден отводител тип 2 в точката на свързване на мрежата (вход с ниско напрежение) е по-малко от 10m.
В случай на по-големи дължини на кабелите трябва да се монтира допълнителен катоден отводител тип 2 преди подаването на променлив ток от инвертора, съгласно CENELEC CLC/TS 50539-12. Освен това трябва да се монтира катоден отводител тип 2 преди измервателния уред за ниско напрежение. Ако инверторите са свързани към линии за данни и сензори за наблюдение на производството, за информационните системи, базирани на RS-485, са необходими подходящи устройства за защита от пренапрежение.
Сграда с външна защита от мълнии и достатъчно разстояние
При защита от пренапрежение на фотоволтаична система с външна система за защита от мълнии и достатъчно разстояние между тях, основната цел на защитата е да се избегнат щети върху лица и имущество (пожар в резултат на удар от мълния). В този контекст е важно фотоволтаичната система да не пречи на външната система за защита от мълнии. Освен това самата PV система трябва да бъде защитена от директни удари от мълния. Това означава, че фотоволтаичната система трябва да бъде инсталирана в защитения обем на външната система за защита от мълнии. Този защитен обем се формира от системите за въздушно терминиране (напр. вертикални пръти), които предотвратяват директни удари от мълния към фотоволтаичните модули и кабелите. За определяне на този защитен обем може да се използва методът на защитния ъгъл или методът на търкалящата се сфера, както е описано в подраздел 5.2.2 от стандарта IEC 62305-3.
Трябва да се поддържа определено разстояние на разделяне между всички проводящи части на PV системата и мълнията. Връзката за изравняване на потенциала е неразделна част от системата за мълниезащита. Тя трябва да се прилага за всички проводящи системи и линии, влизащи в сградата, които могат да провеждат токове от мълнии. Това се постига с директно свързване на всички метални системи и непряко свързване на всички захранвани системи чрез катодни отводители от тип 1 към системата за заземяване. Връзката за изравняване на потенциала трябва да се осъществи колкото се може по-близо до входната точка в сградата, за да се предотврати навлизането на частични токове от мълнията в сградата. Точката на присъединяване към мрежата трябва да бъде защитена от комбиниран катоден отводител тип 1 с многополюсна искрова междина. Този катоден отводител съчетава защита от тока индуциран от мълнии и пренапрежения в едно устройство.