envelope redakcja@polskiinstalator.com.pl home ul. Wąski Jar 9
02-786 Warszawa

Advertisement










2aW dobie wręcz skokowego wzrostu popularności instalacji fotowoltaicznych i ogromnej liczby ich montaży, newralgiczną sprawą jest zapewnienie odpowiedniej jakości wykonawstwa. Instalatorzy (i ich klienci) powinni uwzględnić wiele czynników, które wpływają na efektywność, niezawodność i bezpieczną eksploatację instalacji PV. Bardzo ważną kwestią – oprócz doboru miejsca montażu oraz samych paneli, falownika i zestawów montażowych – jest zastosowanie odpowiednich zabezpieczeń po stronie prądu stałego DC, a także po stronie prądu przemiennego AC.

Specyfika zmienności prądu w instalacjach PV
W przypadku instalacji fotowoltaicznych mamy do czynienia z dwoma rodzajami zmienności prądu:

  • prądem stałym – DC, który generowany jest przez łańcuchy PV, to znaczy szeregowe, połączone ze sobą panele fotowoltaiczne;
  • prądem przemiennym – AC, który generowany jest przez falownik (inwerter). 

Inwerter ma za zadanie zamienić prąd stały na prąd przemienny, aby można było go wykorzystać na potrzeby własne budynku, a następnie – w przypadku instalacji on-grid (sieciowej) – wprowadzić nadwyżkę energii do sieci elektroenergetycznej przez licznik dwukierunkowy.

Prąd przemienny (AC) ma częstotliwość wynoszącą f = 50 Hz i charakterystyczna dla niego jest zmiana kierunku poruszania się elektronów. W momencie, gdy elektrony zmieniają swój kierunek oraz przechodzą przez punkt 0, jest to odpowiedni moment do przerwania przepływu, gdyż nie ma wtedy energii do podtrzymania łuku elektrycznego. Natomiast w przypadku prądu stałego (DC) kierunek oraz przepływ ładunków elektrycznych są stałe – różnice w przepływie ładunków zależnie od rodzaju prądu ilustruje rys. 1. Naturalne jest zatem, że urządzenia zabezpieczające elektrycznie instalację PV muszą się różnić: dotyczy to zarówno samej ich budowy, jak i specyfiki działania.
! Niezwykle ważne jest stosowanie w instalacjach fotowoltaicznych zabezpieczeń dedykowanych do danego rodzaju zmienności prądu, zarówno po stronie DC, jak i AC.

Instalacja w starszych budynkach – sieć TN-C
Podstawową sprawą przy doborze zabezpieczeń do instalacji fotowoltaicznej jest ustalenie, do jakiego typu sieci elektrycznej został podłączony budynek, w którym wykonuje się taką instalację. W przypadku modernizacji, czyli doposażenia domu starego typu w instalację PV, z reguły jest on obsługiwany przez sieć TN-C. Sieć ta charakteryzuje się tym, że z licznika sieciowego do budynku prowadzą cztery przewody: L1, L2, L3 oraz przewód PEN. Układ ten oznacza, że w razie uszkodzenia przewodu PEN, na metalowej obudowie urządzenia pojawi się pełne napięcie fazowe. Dodatkowo, w tym układzie wykluczone jest stosowanie zabezpieczenia różnicowo-prądowego, gdyż nie będzie ono działało w prawidłowy sposób.
! Podłączenie instalacji fotowoltaicznej w przypadku sieci TN-C jest możliwe tylko wtedy, gdy w budynku zostanie wykonana osobno główna szyna wyrównawcza (GSW) i osobno główna szyna uziemiająca (GSU).

2Instalacja w nowszych budynkach – sieć TN-C-S lub TN-S
Drugim typem sieci, do którego mogą być podłączone istniejące budynki, jest układ TN-C-S. Charakteryzuje się on tym, że podobnie jak poprzednio do budynku prowadzą cztery przewody: L1, L2, L3 oraz PEN, ale w instalacji budynku został dokonany rozdział przewodu PEN na przewody PE oraz N. Wynika z tego, iż w momencie rozdzielania przewodów została wykonana główna szyna wyrównawcza.
W nowych budynkach, które mają wykonywane przyłącza do sieci elektroenergetycznej zgodnie z obecnie obostały wiązującymi zapisami w prawie budowlanym, spotkamy się z kolei z typem sieci TN-S. Do budynku jest wówczas doprowadzonych pięć przewodów: L1, L2, L3, N oraz PE.
! W przypadku sieci TN-C-S oraz TN-S bardzo ważną kwestią jest zapewnienie odpowiedniego uziemienia falownika. Inwerter, aby mógł rozpocząć pracę, musi mieć odpowiednią rezystancję uziemienia – przyjmuje się, że wartość ta nie powinna przekroczyć 10 Ohm.

Od instalatora bądź osoby wykonującej zabezpieczenia instalacji fotowoltaicznej wymaga się zatem sprawdzenia lub wykonania głównej szyny uziemiającej, do której zostaną przyłączone m.in. falownik oraz konstrukcja

3Prowadzenie przewodów solarnych
Każda instalacja fotowoltaiczna, zarówno podczas montażu, jak i eksploatacji (m.in. ze względu na jej gabaryty), narażona jest na uszkodzenia na skutek przepięć, zwarć oraz sprzężeń powstałych z powodu wyładowań atmosferycznych (pośrednich lub bezpośrednich). W tym kontekście – aby zapewnić bezpieczny montaż i odporność instalacji na potencjalne zagrożenia – nie można pominąć kwestii odpowiedniego rozprowadzenia przewodów solarnych.
Przede wszystkim przewód dodatni oraz ujemny powinny być ułożone możliwie jak najbliżej siebie. Należy przy tym unikać jakiegokolwiek krzyżowania się przewodów ze sobą oraz tworzenia dużego pola pomiędzy nimi, zwanego pętlą indukcyjną (prawidłowy sposób ułożenia przewodów ilustruje rys. 2b). Warto pamiętać, że podczas wyładowania atmosferycznego prąd wyładowania generuje w każdej takiej pętli napięcie elektryczne o wartości znacznie przewyższającej maksymalne napięcie wejściowe falowników.
Więcej informacji na temat prawidłowego rozmieszczenia przewodów można znaleźć w materiałach szkoleniowych firmy Viessmann.

Montaż rozłącznika po stronie DC
Przechodząc do zabezpieczeń w samej rozdzielnicy – po stronie prądu stałego, czyli DC, to na początku powinien się tam znaleźć rozłącznik DC. Zadaniem tego rozłącznika jest zapewnienie bezpieczeństwa, a konkretnie: izolacja inwertera (falownika) w przypadku wykonywania prac serwisowych, wymiany elementów bądź wykonywania pomiarów na łańcuchu instalacji PV. Rozłącznik zabezpiecza osobę, która wykonuje prace przy modułach fotowoltaicznych, umożliwiając bezpieczne rozłączenie obwodu, czyli zaprzestanie pracy danego łańcucha lub instalacji.
! Zgodnie z normą PN-HD-60364-7-712, w instalacjach PV wymagany jest montaż rozłącznika DC – o ile inwerter nie ma go fabrycznie zamontowanego lub w przypadku, gdy długość przewodów pomiędzy łańcuchem PV a inwerterem przekracza 10 m.

Większość inwerterów dostępnych na naszym rynku ma zabudowany fabrycznie rozłącznik elektroniczny, jednakże w celu zapewnienia dodatkowego bezpieczeństwa, wielu instalatorów decyduje się na dołożenie rozłącznika DC w skrzynce rozdzielczej.

Kolejne zabezpieczenie: ochronniki przepięciowe
Do ochrony falownika przed nagłym wzrostem napięcia powyżej maksymalnego zakresu wykorzystywane są ochronniki przeciwprzepięciowe (ograniczniki przepięć), potocznie zwane SPD (Surge Protective Device). Wspomniana wcześniej norma PN-HD-60364-7-712 nakłada wymóg ich stosowania.
Ochronniki przepięciowe są oferowane w kilku typach: T1, T2 i T1+T2, lub ze starszym oznaczeniem: B, C i B+C, przy czym:

  • ochronnik typu T1 (B) zapewnia ochronę przed bezpośrednim wyładowaniem atmosferycznym lub przepięciami łączeniowymi;
  • ochronnik typu T2 (C) chroni instalację przed wyładowaniami pośrednimi, czyli w momencie, gdy mamy do czynienia z przepięciami indukowanymi.

Dobór ochronników a maksymalne napięcie trwałej pracy. Aby prawidłowo dobrać ochronniki, należy wziąć pod uwagę liczbę szeregowo połączonych ze sobą modułów fotowoltaicznych w danym łańcuchu, pamiętając o nieprzekroczeniu jego maksymalnego napięcia trwałej pracy UCPV, zgodnie z zasadą:4

gdzie:
UCPV – maksymalne napięcie ciągłej pracy,
UOC – napięcie obwodu otwartego łańcucha modułów w warunkach STC (iloczyn liczby modułów i napięcia obwodu otwartego).
12! Podany wzór uwzględnia tzw. współczynniki temperaturowe i przewymiarowanie o 20% maksymalnego napięcia trwałej pracy. Współczynniki te stosuje się, ponieważ w zależności od temperatury ogniwa następuje zmiana parametrów prądu, zmienia się też moc generowana przez każdy z paneli PV.

Okazuje się, że wraz ze wzrostem temperatury ogniwa powyżej warunków STC, czyli powyżej 25°C, spada napięcie generowane przez panel fotowoltaiczny, nieznacznie wzrasta natężenie prądu, a wypadkowo spada również moc generowana przez panel PV. I przeciwnie: wraz ze spadkiem temperatury ogniwa poniżej 25°C, napięcie prądu wzrasta, nieznacznie spada jego natężenie, a wypadkowo wzrasta generowana moc. Współczynniki temperaturowe podawane są kartach katalogowych przez producentów paneli, a porównanie ich wartości jest dobrym wyznacznikiem jakości danego produktu.
Wracając do aspektu doboru maksymalnej liczby paneli podłączonych do danego łańcucha – jest ona uzależniona od maksymalnego napięcia wejściowego danego falownika i w klasycznych rozwiązaniach wynosi 850-1000 V. Napięcia te definiują nam przede wszystkim maksymalną liczbę połączonych ze sobą paneli tworzących łańcuch fotowoltaiczny oraz pozwalają dobrać w prawidłowy sposób ogranicznik przeciwprzepięciowy przy uwzględnieniu maksymalnego napięcia pracy.

Dobór typu ogranicznika przepięć. Dobór typu ogranicznika przepięć (T1, T2, czy T1+T2), a co za tym idzie – także dobór przekroju przewodu ochronnego, który podłączony zostanie do szyny wyrównawczej, jest uzależniony od uwarunkowań danej realizacji – rodzaju pokrycia dachu, istnienia (bądź nie) instalacji odgromowej oraz możliwości zachowania zalecanych odległości izolacyjnych pomiędzy elementami instalacji odgromowej a elementami konstrukcji nośnej generatora PV.
Generalnie dla budynku z dachem skośnym, który jest pokryty dachówką ceramiczną lub betonową, stosuje się następujące rozwiązania:

  • gdy budynek ten jest wyposażony w instalację odgromową oraz są zachowane odstępy separacyjne od tej instalacji albo gdy budynek nie ma instalacji odgromowej – odpowiedni poziom ochrony zapewnią ograniczniki przepięć typu T2 (C) po stronie DC i AC; w tej sytuacji podłączenie do szyny wyrównawczej powinno zostać wykonane przewodem ochronnym o przekroju min. 6 mm2;
  • gdy budynek wyposażony jest w instalację odgromową, ale nie można zachować odstępów izolacyjnych, to instalacja wymaga pełnej ochrony przed wyładowaniami atmosferycznymi, zarówno bezpośrednimi, jak i pośrednimi – odpowiedni poziom ochrony zapewni wówczas ogranicznik przepięć typu T1+T2 (B+C) po stronie DC oraz typu T2 (C) po stronie AC, przy czym z uwagi na konieczność zabezpieczenia przed wyładowaniem bezpośrednimi, minimalny przekrój przewodu ochronnego podłączonego do szyny wyrównawczej należy zwiększyć do wartości 16 mm2

Instalacje wykonywane na dachach z innymi rodzajami pokrycia, tzn. blachodachówką lub blachą trapezową, również wymagają pełnej ochrony w zakresie przepięć, czyli zastosowania ograniczników przepięć typu T1+T2 (B+C) po stronie prądu stałego oraz typu T2 (C) po stronie prądu przemiennego, a także zastosowania przewodu ochronnego o przekroju wynoszącym minimum 16 mm2.
! W instalacjach składających się z kilku łańcuchów PV każde zabezpieczenie przepięciowe należy powielać – każdy string powinien je mieć. Zwiększenie liczby zabezpieczeń jest również konieczne w przypadku, gdy długość przewodu solarnego pomiędzy instalacją na dachu a rozdzielnicą DC przekracza 10 m.

5Zabezpieczenia przetężeniowe gPV
Głównym zadaniem, które realizuje bezpiecznik nadprądowy (przetężeniowy) gPV, jest ochrona elementów instalacji przed pojawieniem się zbyt dużej wartości prądu poprzez otwarcie obwodu – stąd bezpieczniki takie wyposażone są w kasetę gaszącą łuk elektryczny powstały przy gaszeniu przepływu ładunków elektrycznych prądu stałego (DC). Norma PN-HD-603647-712 jasno wskazuje, że w przypadku gdy poszczególne elementy instalacji PV są odporne na długotrwałe działanie prądu o wartości 1,25 x ISC_STC, czyli prądu zwarciowego w warunkach STC, jest możliwość rezygnacji z opisywanego zabezpieczenia nadprądowego. Informacje na temat odporności paneli PV na daną wartość natężenia prądu znajdziemy w kartach produktów.
Praktyka jest jednak czasami zupełnie inna i bezpieczniki nadprądowe gPV są stosowane, choć norma tego nie wymaga. Instalatorzy zajmujący się montażem fotowoltaiki znaleźli bowiem dla nich poboczne zastosowanie. Z uwagi na to, iż taki bezpiecznik ma kasetę do gaszenia łuku, to po wyjęciu wkładki topikowej jest pewność, że obwód pozostanie otwarty – traktują zatem bezpiecznik gPV jako dodatkowe zabezpieczenie przed nieoczekiwanym włączeniem rozłącznika po stronie DC.

Kiedy w rozdzielnicy musi pojawić się zabezpieczenie gPV? Bezpiecznik przetężeniowy, czyli gPV, należy zamontować w przypadku, gdy instalacja fotowoltaiczna składa się z więcej niż dwóch połączonych równolegle łańcuchów. Wtedy właśnie istnieje ryzyko przepływu natężenia prądu przewyższającego wytrzymałość samych paneli PV. Taka sytuacja będzie miała miejsce, gdy napięcie obwodu otwartego w jednym z łańcuchów będzie znacznie niższe niż napięcie na zaciskach pozostałych stringów. Spadek napięcia w danym łańcuchu może doprowadzić do odwrócenia przepływu prądu, co negatywnie wpłynęłoby na same panele, z których składa się dany łańcuch fotowoltaiczny (rys. 3).

Dobór bezpiecznika przetężeniowego gPV. Podczas doboru tego zabezpieczenia wykorzystuje się poniższe wzory, w których pod uwagę brane są wartości napięcia obwodu otwartego oraz nominalny prąd w warunkach STC. I tak wartość prądu bezpieczników wylicza się z wzoru:6

gdzie:
Isc STC – nominalny prąd w warunkach STC,
In – wartość prądu znamionowego bezpiecznika gPV,
Idop – dopuszczalny prąd przy długotrwałym obciążeniu,
N – liczba równolegle połączonych łańcuchów modułów PV.

Z kolei wartość napięcia znamionowego bezpiecznika gPV wylicza się z wzoru:7

gdzie:
Un – napięcie znamionowe bezpiecznika gPV,
UOC – napięcie obwodu otwartego łańcucha modułów.

Instalacja PV a instalacja odgromowa
Wielu instalatorów i klientów pyta o konieczność wykonania instalacji odgromowej, która będzie chroniła również generator PV. Pomijając jednak instalację fotowoltaiczną, to warto przypomnieć, że montaż instalacji odgromowej w każdym przypadku powinien zostać poprzedzony oceną ryzyka, którego zasady zostały przytoczone w normie: PN-EN-62305-2:2012. Norma ta pozwala ocenić, czy dany budynek jest narażony na bezpośrednie wyładowania atmosferyczne. Instalacja odgromowa powinna zatem ochraniać nie tylko ewentualnie zamontowaną instalację fotowoltaiczną, ale przede wszystkim sam budynek oraz urządzenia w nim zamontowane. Jeżeli na danym budynku znajduje się już instalacja odgromowa, to dobór odpowiednich zabezpieczeń uzależniony jest od lokalizacji generatora PV, a dokładniej rzecz ujmując: od możliwości zachowania odpowiednich odstępów izolacyjnych między zwodami poziomymi i pionowymi instalacji odgromowej a elementami montażowymi instalacji fotowoltaicznej, włącznie z panelami PV. Wymagane minimalne odstępy izolacyjne wyznacza się zgodnie z normą PN-EN- 62305-3:2011 (odpowiedni wzór do obliczenia tych odstępów wraz z rysunkiem, na który naniesiono odpowiednie oznaczenia, prezentowaliśmy w poprzednim odcinku naszego cyklu „Najważniejsze zasady montażu paneli fotowoltaicznych na dachu”, „PI” 10/2020).

Zabezpieczenia po stronie prądu przemiennego AC
Zabezpieczenia prądu przemiennego AC muszą znaleźć się w osobnej rozdzielnicy albo – gdy będzie na to miejsce – w rozdzielnicy głównej budynku. Przy ich doborze i montażu, podobnie jak w przypadku zabezpieczeń DC, obowiązuje zasada dublowania zabezpieczeń, jeżeli odległość od falownika do rozdzielnicy przekracza 10 m.

8Rozłącznik AC. Przechodząc do samej rozdzielnicy – w pierwszej kolejności, bez wątpienia, po stronie prądu przemiennego powinien się znaleźć rozłącznik AC. Ma on dokładnie takie samo zadanie jak rozłącznik umieszczony po stronie DC, czyli rozłącza układ nie doprowadzając napięcia na przewody fazowe. Jego montaż jest podyktowany bezpieczeństwem samej instalacji: gdy konieczne będzie wykonanie prac serwisowych przy falowniku, to przy użyciu rozłącznika należy wcześniej rozłączyć układ. Wykorzystując rozłącznik główny (bądź wyłączniki nadprądowe), można zatem uniknąć wyłączenia instalacji w całym budynku.

Wyłącznik nadprądowy. Przechodząc do kolejnego zabezpieczenia – tuż za rozłącznikiem głównym swoje miejsce musi mieć wyłącznik nadprądowy stosowany w celu ochrony falownika przed potencjalnym zwarciem od strony sieci. Prawidłowo dobrany do zabezpieczenia instalacji fotowoltaicznej wyłącznik nadprądowy powinien mieć charakterystykę B. Występujące charakterystyki wyłączników nadprądowych to nic innego jak czasy wyzwalania, czyli zadziałania w przypadku, gdy pojawi się przepływ prądu o wartości przewyższającej długotrwałą obciążalność prądową zastosowanych w instalacji przewodów.
! Dla instalacji, w których zamontowane zostały falowniki o prądzie niższym niż 32 A, zapisy normy PN-HD-60364-4-41 warunkują czas zadziałania nie dłuższy niż 0,2 s (w przypadku układu sieci TN).

Sam dobór rozłącznika nadprądowego sprowadza się do obliczenia maksymalnego natężenia prądu, które może pojawić się na danym przewodzie fazowym. Na przykład, jeżeli zainstalowany został falownik 3-fazowy o mocy 5 kW, to wykorzystuje się wzór na moc symetrycznego odbiornika trójfazowego, charakteryzującego się równością napięcia, natężenia oraz współczynnika mocy (cosinus kąta przesunięcia fazowego):9W celu obliczenia natężenia prądu, które pojawi się na poszczególnych przewodach L1, L2 oraz L3, powyższy wzór należy przekształcić:10Odpowiednio do wartości natężenia prądu na danym przewodzie fazowym dobieramy zabezpieczenie nadprądowe – w tym przypadku 3 x B 8 A.

Wyłączniki różnicowo-prądowe
Zastosowanie wyłączników różnicowo-prądowych (RCD – Residual Current Device) do zabezpieczenia instalacji PV podyktowane jest potrzebą zapewnienia dodatkowej ochrony przed porażeniem prądem elektrycznym. Zasada działania tych wyłączników polega na pomiarze prądu elektrycznego, jeżeli doszłoby do sytuacji, że jest przebicie ładunku na obudowę urządzenia, wtedy suma prądów wpływających (na przewodzie L) nie jest równa sumie prądów wypływających (na przewodzie N). W momencie wykrycia prądu upływającego, wyłącznik różnicowo-prądowy ma za zadanie rozłączenia obwodu i odprowadzenie prądu upływowego do GSU (głównej szyny uziemiającej).

! Wymóg stosowania wyłączników RCD opisany jest w normie PN-HD-60364-4-41. Norma ta dodatkowo pozwala na ominięcie tego zabezpieczenia w przypadku, gdy producent falownika nie wymaga zastosowania RCD z uwagi na zabezpieczenia oraz samą konstrukcję falownika.

Podłączenie do instalacji elektrycznej budynku
Częstym błędem popełnianym podczas podłączania instalacji fotowoltaicznej do instalacji elektrycznej budynku jest nieprawidłowe przyłączenie przewodu neutralnego (N) do głównej szyny neutralnej. Nadmienić należy, że w rozdzielnicy głównej znajdziemy o jedną więcej szynę przewodów neutralnych w stosunku do liczby zastosowanych wyłączników różnicowo-prądowych. Nieodpowiednie przyłączenie przewodu neutralnego – tzn. pomylenie głównej szyny neutralnej, do której przyłączony został przewód z RCD (wyłącznikiem różnicowo-prądowym), z pozostałymi szynami neutralnymi – może skutkować okresowym aktywowaniem się zabezpieczenia różnicowo-prądowego.
Kolejna ważna kwestia to zabezpieczenie przeciwprzepięciowe, o ile nie zostało ono już zamontowane. Zabezpieczenie to powinno być zamontowane w rozdzielnicy głównej budynku, zaraz za rozłącznikiem głównym. Zabezpieczenia przeciwprzepięciowe są jednorazowego użytku i chronią wszelkie urządzenia przed nagłym wzrostem napięcia powyżej dopuszczalnego zakresu. Najczęściej stosowane są w tym celu ograniczniki przepięć dobierane na napięcie 270 V mogące pojawić się na jednej fazie.

11Podsumowując, poprawnie wykonane oraz dobrane zabezpieczenia instalacji fotowoltaicznej, zarówno po stronie prądu przemiennego, jak i prądu stałego pozwolą na bezpieczną pracę zamontowanego generatora PV oraz na długie i bezawaryjne działanie całej instalacji. 

Artykuł stanowi siódmą część wznowionego na łamach „Polskiego Instalatora” cyklu „Warsztaty instalatora OZE” w zakresie instalacji fotowoltaicznych, szczególnie mikroi małych instalacji. Korzystając z wiedzy ekspertów z działu Wsparcia Technicznego i Szkoleń firmy Viessmann, przygotowujemy kolejne odcinki tego cyklu. Znajdzie się w nich wiele cennych i praktycznych wskazówek dla wykonawców, które zarazem mogą służyć jako argumenty w rozmowach z inwestorami.


 

pi