Problematyka zabezpieczeń przeciwprzepięciowych oraz zasady doboru ograniczników przepięć po stronie DC elektrowni fotowoltaicznej PV.

Systemy i elektrownie fotowoltaiczne PV kojarzą się często tylko z modułami fotowoltaicznymi PV, jednak typowa elektrownia fotowoltaiczna jest znacznie bardziej technicznie rozbudowana. Chcąc wymienić jej części składowe, otrzymamy układ jak na poniższym rysunku ( Rys. 1). Elektrownia fotowoltaiczna jest złożona z modułów fotowoltaicznych PV, rozdzielnic z zabezpieczeniami DC (przeciążeniowymi i zwarciowymi, ogranicznikami przepięć) przekształtników, rozdzielnic pomiarowych AC – przystosowanych do podłączenia do sieci energetycznej, specjalnych przewodów solarnych i elementów łączących, konstrukcji wsporczych itd.

Na ogół elektrownia fotowoltaiczna PV - prosumencka wygląda bardzo prosto: Na dachu budynku umieszczone są moduły fotowoltaiczne PV, w budynku są przekształtniki i rozdzielnice, na budynku jest zamocowana rozdzielnica pomiarowa z licznikiem wyprodukowanej energii, a wszystko to połączone jest dwu lub cztero żyłowymi przewodami jak pokazano na Rys.1. Na niebiesko oznaczone są obwody prądu stałego – DC z rozdzielnicami, które zawierają wszystkie niezbędne zabezpieczenia DC. Zwykle w rozdzielnicach DC zamontowane są aparaty zabezpieczające przed przeciążeniem, zwarciem, ograniczniki przepięć i rozłącznik obwodu DC.

Główną funkcją aparatów zabezpieczających w rozdzielnicach DC jest ochrona modułów fotowoltaicznych PV przed zwarciami, przeciążeniami i prądami zwarciowymi wstecznymi, które mogą płynąć przez moduły PV, ochrona przed przepięciami - łączeniowymi i wywołanymi wyładowaniami atmosferycznymi. Ponadto rozłącznik DC służy do odłączania modułów PV w przypadku awarii lub prac prowadzonych na części stałoprądowej DC instalacji PV. Skupimy się jednak na części związanej z doborem ograniczników przepięć.

Ochrona przeciwprzepięciowa to bardzo ważny rodzaj ochrony, którą należy zastosować do części DC systemu modułów PV. Źródłem niebezpiecznych przepięć w systemach PV najczęściej są wyładowania atmosferyczne i przepięcia indukowane w pętlach szeregowo połączonych modułów PV. Na powiększenie napięcia w systemie PV wpływa również zależność temperaturowa samych modułów PV. Przy obliczaniu poziomu ochrony przed przepięciami, jak również przy wyborze typu ochrony przeciwprzepięciowej (typ T1 lub T2), istnieją pewne wytyczne, które zostaną zaprezentowane poniżej.

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

Uc ≥ 1,2 x Uoc stc

Uoc stc – jest to napięcie na zaciskach nieobciążonego modułu PV (przy jego otwartych stykach), lub rzędu szeregowo połączonych modułów PV w standardowych warunkach testu (Open Circuit voltage under Standard Test Conditions). Standardowe Warunki Testu są zdefiniowane w normie PN-EN 60904-3. Parametr ten można znaleźć w danych technicznynch producenta danego modułu PV. EN 60904-3 - (gęstość strumienia swietlnego - 1000 W/m2, rozkład widmowy AM 1.5, temperatura modułu PV 25 ± 2°C).

Przykład:

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

Używając współczynnika korekcyjnego 1,2 otrzymamy wartość Uc ogranicznika DC (max. napięcie trwałej pracy) do ochrony 1-go rzędu modułów:

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

Oznacza to, że ogranicznika przepięć DC (SPD) o napięciu trwałej pracy Uc = 1000V nie można zastosować.

Należy użyć ogranicznika DC na napięcie Uc najbliższe tj. Uc=1100V lub Uc=1200V. Skąd wziął się wspołczynnik korekcyjny 1,2 ?. Napięcie na zaciskach nieobciążonego 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%. Tak więc dajemy 20% rezerwy na ewentualną zmianę napięcia na zaciskach całego rzędu modułów fotowoltaicznych na skutek zmian temperatury zewnętrznej.

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 LPS zwykle jest bardzo duża, to ogranicznik T1 posiada wbudowany element ograniczający (iskiernik lub warystor) o większej wytrzymałosci, który przeniesie większą energię przy przepływie prądu wyładowczego piorunowego Iimp (10/350μs) i przez to jest droższy.

Ogólna zasada jest taka, że w obiektach wyposażonych w zewnętrzną instalację odgromową (LPS) trzeba stosować ograniczniki Typ1, a w obiektach bez zewnętrznej instalacji odgromowej (LPS) możemy stosować tylko ograniczniki Typ2. Zostają jeszcze do ustalenia szczegóły, które zależą od zestawu systemu PV, długości linii, miejsc zainstalowania ograniczników przepięć itp.

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: Instalacja PV bez zewnętrznej instalacji odgromowej (LPS)-Rys.2.
W punktach A i B jest SPD Typ2 bez względu na odległość d1 i d2
Jeżeli d1 > 10m w punkcie C należy dodać SPD Typ2
Jeżeli d2 > 10m w punkcie D należy dodać SPD Typ2

Przykład 2: Instalacja PV z izolowanym systemem zewnętrznej ochrony odgromowej, pomiędzy instalacją odgromową a modułami PV isnieją zachowane wymagane odległości izolacyjne S wg normy IEC62305 (Rys. 3).

W punkcie A jest bez względu na odległość d1 i d2 zainstalowany SPD Typ1, a w punkcie B zainstalowany SPD Typ2
Jeżeli d1 > 10m to w punkcie C należy dodać SPD Typ1
Jeżeli d2 > 10m to w punkcie D należy dodać SPD Typ2

Przykład 3: System PV z nieizolowanym systemem zewnętrznej ochrony odgromowej, moduły PV i instalacja odgromowa są ze sobą połączone lub nie są zachowane odległości izolacyjne S. W każdym przypadku bez względu na odległości muszą być zanstalowane w punkcie A ograniczniki T1, a w punkcie B w zależności od odległości d2. Jeżeli d2 < 10m to w punkcie B będzie zainstalowany SPD T2. Jeżeli d2 > 10m to w punkcie B będzie zainstalowany SPD T1, w punkcie D należy dodać SPD T1 Jeżeli d1 > 10m to w punkcie C należy dodać SPD T2. 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. W instalacjach fotowoltaicznych PV z zewnętrzną istalacją odgromową (LPS) w niektórych sytuacjach na stronie prądu stałego DC można stosować ograniczniki Typ2 (T2), ponieważ napięcie na stronie DC jest zwykle dużo wyższe od napięcia Uc na stronie prądu przemiennego AC gdzie używany jest ogranicznik Typ1 (T1). Zatem w przypadku bezpośredniego wyładowania wcześniej zareaguje ogranicznik przepięć na stronie AC. Najnowsze serie nowych ograniczników przepięć ETITEC SM T12 PV 1200/12,5 Y (Typ 1 oraz Typ 2) oraz ETITEC SM T2 PV 1200/20 (Typ 2) są przeznaczone do ochrony instalacji fotowoltaicznych - modułów PV przed skutkami przepięć: łączeniowych lub pochodzących od wyładowań atmosferycznych pośrednich lub bezpośrednich. Układ wewnętrzny ograniczników zawiera 1 warystor (w obydwu biegunach bocznych) i 1 iskiernik (tylko w biegunie środkowym) w układzie Y. Każdy biegun posiada wewnętrzne zabezpieczenie termiczne - odłącznik. Budowa ogranicznika została przedstawiona na schemacie poniżej – Rys.6.

Spełnienie tego warunku osiągnięto poprzez zastosowanie w tych urządzeniach iskiernika ograniczającego przepięcia, który również eliminuje występowanie prądu upływu między przewodem bieguna dodatniego lub bieguna ujemnego, a ochronnym PE. Ograniczniki te obniżają znacząco wartość przepięcia do znamionowego poziomu ochrony Up.

Dokładne dane techniczne prezentowanych ograniczników można na naszej stronie w sekcji KATALOGI, PORADNIKI, ULOTKI: https://www.etipolam.com.pl/images/userfiles/pl- PL/ETI%20POLAM/Katalog%20Produktow/Produkty/Green_Protect.pdf Firma ETI Polam Sp. Z o.o. oferuje wszystkie potrzebne aparaty zabezpieczające przed przetężeniami i przepięciami do obwodów prądu stałego DC instalacji fotowoltaicznych PV łącznie z gotowymi rozdzielnicami PV z wyposażeniem. Wyposażenie rozdzielnic PV jest uzależnione od konfiguracji systemu modułów PV do których są przeznaczone od ilości modułów PV w łańcuchu, od ilości łańcuchów modułów PV połączonych równolegle, od typu i mocy przekształtnika, od ilości wejść przekształtnika na stronie DC. Na rynku dostępnych jest wiele typów przekształtników, co oznacza, że praktycznie każdy przypadek elektrowni fotowoltaicznej PV wymaga zestawienia odpowiedniej rozdzielnicy DC.