fbpx

Fotowoltaiczne układy zasilania – ochrona odgromowa i przed przepięciami zgodnie z normą zharmonizowaną PN-HD 60364-7-712 wróć do kategorii

Udostępnij:

Odnawialne źródła energii (OZE), wykorzystywane są coraz powszechniej we wszelkich obszarach budownictwa i energetyki. Coraz częściej stosowane w sektorze prywatnym instalacje fotowoltaiczne (PV) są szczególnie narażone na skutki oddziaływania wyładowań atmosferycznych.

 

 

Spis treści

1. Wstęp

2. Ochrona przed bezpośrednim uderzeniem pioruna

3. Ochrona przed przepięciami

4. Dobór ograniczników przepięć

5. Podsumowanie

Literatura




1. Wstęp

Wykonywane obecnie najczęściej jako rozbudowa istniejących instalacji elektrycznych powinny być dostosowane zarówno pod kątem ochrony odgromowej, jak i przed przepięciami do danego obiektu. Wytyczne w zakresie ochrony odgromowej fotowoltaicznych układów zasilania ujęte są, między innymi, w normie zharmonizowanej PN-HD 60364-7-712:2016-05 Instalacje elektryczne niskiego napięcia — Część 7-712: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji — Fotowoltaiczne (PV) układy zasilania [1] z uwzględnieniem wymogów norm odgromowych serii PN-EN 62305 [2]. Norma [1] skupia się przede wszystkim na ochronie przed przepięciami, w kwestii ochrony odgromowej należy odnieść się zatem do zasad ogólnych wg PN-EN 62305-3 [2]. Dodatkowe, bardziej szczegółowe informacje można znaleźć w dodatku VDE 0185-305-3 Beiblatt 5 [3] do niemieckiej normy DIN EN 62305-3. Niestety dodatek VDE dostępny jest jedynie w wersji niemieckojęzycznej. Na jego podstawie opracowywany jest jednak raport techniczny IEC TR 63227 [4], którego publikacja w języku angielskim planowana jest w 2020 roku.




2. Ochrona przed bezpośrednim uderzeniem pioruna

Zagrożenia wynikające z oddziaływania zjawisk atmosferycznych i zasady ochrony odgromowej zależą w praktyce od rodzaju obiektu i mocy instalacji PV. Obiekty, w których wykorzystywane są systemy PV można podzielić na [1]:

  • obiekty mieszkalne,
  • obiekty niemieszkalne i
  • elektrownie PV na otwartej przestrzeni.

Obecnie najliczniejszą grupę stanowią instalacje PV wykonywane na dachach domów jednorodzinnych. Liczne dofinansowania i programy, takie jak „Mój prąd”, sprzyjają popularyzacji OZE i coraz szerszemu zastosowaniu instalacji PV w budynkach prywatnych. Coraz częściej projektuje się także budynki energooszczędne, których celem jest osiągnięcie jak największej samowystarczalności energetycznej. Podobnie jest w przypadku obiektów przemysłowych, gdzie panele PV, często w maksymalny możliwy sposób, zajmują powierzchnie dachów płaskich. Przemysł często traktuje OZE jako inwestycje w celu minimalizacji kosztów produkcji lub utrzymania obiektów. Panele PV instalowane na dachach, tak jak inne urządzenia elektryczne, stają się przez to potencjalnie najbardziej narażonym na uderzenie pioruna elementem budynku. Należy zdać sobie sprawę, że zagrożenie związane jest nie tylko z uderzeniem pioruna bezpośrednio w panel PV, ale także z ryzykiem przeskoków iskrowych od przewodów urządzenia piorunochronnego do znajdujących się w ich pobliżu paneli lub do okablowania łańcuchów PV. W przypadku elektrowni naziemnych, pomimo względnie bardzo małej ich wysokości, także nie można wykluczyć zagrożenia wyładowaniem bezpośrednim ze względu na dużą zajmowaną powierzchnię.

Ustawa Prawo energetyczne narzucająca obowiązki zakupu energii elektrycznej pochodzącej z OZE sprzyja powstawaniu kolejnych elektrowni fotowoltaicznych lokalizowanych na otwartych przestrzeniach. Takie elektrownie PV zajmują bardzo duże powierzchnie, liczone często w hektarach. W praktyce im większa moc elektrowni PV, tym większa zajmowana przez nią powierzchnia i statystycznie większe ryzyko uderzenia pioruna. Dla przykładu elektrownia o mocy do 1 MW, która może zajmować powierzchnię do 2 ha jest statystycznie narażona na uderzenie pioruna 1 raz na 20 lat (przy typowej dla obszaru Polski gęstości doziemnych wyładowań atmosferycznych Ng = 2,5 wył./km2/rok).

W przypadku istniejących obiektów budowlanych ochrona paneli PV przed bezpośrednim uderzeniem pioruna powinna być dostosowana do klasy urządzenia piorunochronnego budynku (LPS). Jeżeli budynek nie jest wyposażony w urządzenie piorunochronne lub nie ma określonego poziomu ochrony LPL to należałoby przeprowadzić ocenę ryzyka według PN-EN 62305-2 w celu zweryfikowania potrzeby stosowania środków ochrony i określenia ewentualnej klasy LPS.

Strefy ochronne dla instalacji fotowoltaicznych wyznacza się metodą toczącej się kuli lub metodą kąta ochronnego w zależności od określonej klasy LPS zgodnie z PN-EN 62305-3 [2]. Metody te są ogólnie znane i nie będą z tego względu opisane w niniejszym artykule. Przy projektowaniu ochrony paneli PV należy zwrócić uwagę na inną szczególnie istotną kwestię. Zgodnie z punktem 712.534.101 normy zharmonizowanej PN-HD 60364-7-712 [1], instalacja PV powinna znajdować się w strefie LPZ 0B i być odseparowana od wszystkich części urządzenia piorunochronnego (Rys. 1a). Poprzez odseparowanie należy rozumieć brak bezpośredniego połączenia i zachowanie odstępu separującego obliczanego według punktu 6.3 normy PN-EN 62305-3 [2]. Zachowanie bezpiecznych odległości od metalowych części urządzenia piorunochronnego i podłączonych do niego przewodzących elementów konstrukcyjnych budynku nie zawsze jest jednak możliwe. Sytuacja taka może wystąpić w przypadku maksymalnego wykorzystania powierzchni dachu zajmowanej przez panele lub tam, gdzie budynki pokryte są dachami metalowymi. W takich sytuacjach należy wykonać piorunochronne połączenia wyrównawcze pomiędzy przewodami LPS a metalową obudową paneli (Rys. 2b).

 

Rys. 1. Budynek z instalacją PV chroniony przez LPS:
a) z zapewnionym odstępem separującym;
b) przy zastosowaniu połączenia wyrównawczego.

.

.

Odstęp separujący według metody uproszczonej oblicza się z zależności [2]:

gdzie:

s – odstęp separujący w m
ki – współczynnik zależny od klasy LPS
km – współczynnik zależny od materiału izolacji elektrycznej
kc – współczynnik zależny od podziału prądu pioruna
l – długość w metrach, mierzona wzdłuż przewodów LPS od punktu,
w którym rozpatrywany jest odstęp separujący do punktu najbliższego
połączenia wyrównawczego lub do uziomu.

Wartości współczynników k podano w tablicy 1. W przypadku większości systemów PV jako stałe można przyjąć ki = 0,04 i km = 1 co odpowiada LPS klasy III lub IV oraz odstępowi rozpatrywanemu w powietrzu. Jako zmienne do wyliczenia wartości s występować będą: współczynnik zależny od podziału prądu pioruna kc oraz odległość l mierzona wzdłuż przewodów LPS od rozpatrywanego punktu do uziemienia.

 

.

Tablica 1. Wartości współczynników do obliczeń odstępów separujących
według metody uproszczonej [2]

 

.

Dla zobrazowania odstępu separującego rozpatrzony zostanie przypadek montażu paneli PV na powierzchni dachu spadzistego o wymiarach 10 m x 5 m przedstawiony na rysunku 2. Do obliczeń przyjęto, że urządzenie piorunochronne klasy IV budynku zawiera 4 przewody odprowadzające, a długość przewodów odprowadzających od krawędzi dachu do uziomu otokowego wynosi 6 m. W punkcie s1 przy dolnej krawędzi dachu odstęp separujący od przewodu LPS będzie wynosił zaledwie 11 cm (kc = 0,44 i l1 = 6 m). Natomiast w punkcie s2 odległym od krawędzi dachu o 4,5 m wymagany odstęp będzie wynosił już 18 cm (kc = 0,44 i l1 = 10,5 m). W przypadku odstępu rozpatrywanego od zwodu poziomego prowadzonego po kalenicy dachu należy już przyjąć wartość kc = 0,66, ponieważ prąd w zwodzie poziomym podzieli się tylko na dwie części. Zatem wymagane odstępy od przewodu LPS na szczycie dachu będą większe: s3 = 30 cm przy krawędzi (kc = 0,66 i l3 = 11,5 m) oraz s4 = 42 cm pośrodku dachu (kc = 0,66 i l4 = 16 m).

Odstęp separujący powinien być zatem rozpatrywany zawsze w najmniej korzystnym przypadku, czyli w punkcie, w którym długość l będzie największa. Należy także zawsze brać pod uwagę odpowiednią wartość współczynnika kc na podstawie potencjalnego podziału prądu pioruna w LPS.

 

.

 

Rys. 2. Analiza odstępu separującego od przewodów LPS na dachu spadzistym.

.

W budynkach z dachami spadzistymi należy zawsze zweryfikować, czy zwód poziomy na kalenicy dachu zapewnia strefę ochronną dla całej konstrukcji paneli PV. Jeżeli nie, to należy uzupełnić urządzenie piorunochronne o dodatkowe zwody. Panele PV na dachach płaskich oraz elektrownie PV na otwartym terenie chronione są najczęściej z zastosowaniem zwodów pionowych. Takie rozwiązanie wymaga dodatkowej analizy czy cień rzucany przez zwód pionowy nie spowoduje zmniejszenia sprawności sąsiednich paneli PV. Spotyka się tu najczęściej dwa rodzaje ochrony: w postaci odseparowanego zwodu wolnostojącego (Rys. 3a) lub w postaci krótkiego zwodu pionowego mocowanego do górnej części konstrukcji wsporczej paneli PV (Rys. 3b). Zdecydowanie bardziej bezpieczne i poprawne jest zastosowanie zwodu odseparowanego. Wymagane odstępy separujące w przypadku elektrowni PV na otwartym terenie są stosunkowo małe ze względu na niedużą odległość do powierzchni ziemi i ich zapewnienie nie stwarza problemów. W przypadku instalacji na dachach płaskich istotny wpływ na odstęp separujący może mieć wysokość budynku. Wykorzystanie konstrukcji wsporczych paneli PV jako naturalnego elementu LPS (Rys. 3b) w ogóle nie powinno być brane pod uwagę, ponieważ takie rozwiązanie jest niczym innym jak sprowadzaniem prądu pioruna bezpośrednio na chronione urządzenie.

.

 

Rys. 3. Ochrona paneli PV za pomocą zwodów pionowych:
a) LPS odseparowany (rozwiązanie zalecane);
b) wykorzystanie konstrukcji wsporczej jako naturalnego elementu LPS (rozwiązanie niezalecane).

.

Sposób wykonania ochrony paneli PV: z zachowaniem odstępów separujących lub z zastosowaniem połączeń wyrównawczych ma decydujące znaczenie w kwestii ochrony przed przepięciami obwodów stałoprądowych DC.




3. Ochrona przed przepięciami

Załącznik C do normy [1] przedstawia przykłady lokalizacji ograniczników przepięć (SPD) w instalacji elektrycznej, w której występują obwody PV (Rys. 4.):

  1. rozdzielnica główna obiektu,
  2. strona AC inwertera,
  3. strona DC inwertera,
  4. panele PV.

Najbardziej podatnym na uszkodzenia elementem instalacji PV są nie panele PV narażone na bezpośrednie uderzenie pioruna, lecz inwertery DC/AC. Od strony stałoprądowej narażone są zarówno na przepięcia indukowane w łańcuchach PV, jak i częściowe prądy pioruna mogące przeniknąć do instalacji przy wyładowaniu bezpośrednim w wyniku przeskoków iskrowych. Od strony AC inwerter może być z kolei narażony na przepięcia występujące w sieci elektroenergetycznej, o ile rozdzielnica główna obiektu nie jest należycie zabezpieczona.

.

Rys. 4. Lokalizacja SPD w instalacji fotowoltaicznej

.

Nie w każdym przypadku ograniczniki przepięć należy instalować we wszystkich wskazanych lokalizacjach. Zastosowanie SPD w rozdzielnicy głównej zależy od kryteriów ocenianych według norm serii PN-EN 62305 oraz PN-HD 60364-4-443 [5]. Ochrona falownika po stronie prądu przemiennego zgodnie z punktem 712.534.103 jest wymagana, gdy falownik znajduje się w odległości większej niż 10 m od złącza instalacji (rozdzielnicy głównej). Ochrona obwodów po stronie DC powinna być stosowana, gdy ochrona przed przepięciami jest wymagana według PN-HD 60364-4-443 [5].

.

.

Zgodnie z punktem 712.443.101 ochrona po stronie DC jest zatem wymagana zawsze, jeżeli budynek wyposażony jest w urządzenie piorunochronne lub spełnione jest kryterium współczynnika CRL dotyczącego długości linii elektroenergetycznej według [5]. Kryterium CRL wymusza stosowanie SPD przykładowo, gdy budynek mieszkalny położony jest w obszarze wiejskim lub podmiejskim i odległość do najbliższego ogranicznika zainstalowanego w sieci elektroenergetycznej wynosi zaledwie 68 m dla linii kablowej, lub 34 m dla linii napowietrznej (dla typowej gęstości wyładowań doziemnych Ng = 2,5 wyładowania/km2/rok) [6]. Jeżeli ochrona przed przepięciami dorywczymi według PN- HD 60364-4-443 [5] nie jest wymaga, to należy z kolei dokonać oceny ryzyka (pkt 712.443.102) na podstawie długości L (w metrach) trasy kablowej między falownikiem, a punktami łączenia modułów PV różnych łańcuchów. Według tej oceny ochrona jest wymagana, jeżeli długość L jest większa od długości Lcrit określonej zgodnie z tablicą 712.102 [1].

.

Tablica 2. Oszacowane krytyczne długości Lcrit (na podstawie Tablica 712.102 [1])

.

Sumując wszystkie powyższe kryteria, należy uznać, że ochrona przed przepięciami instalacji PV zgodnie z normą zharmonizowaną PN-HD 60364-7-712 [1] powinna być stosowana niemal w każdym przypadku.

Ogranicznik przepięć po stronie DC zawsze powinien być instalowany jak najbliżej falownika. Dodatkowe SPD mogą być jednak wymagane także w innych miejscach, na przykład, gdy odległość między wejściem kabla DC do budynku a falownikiem jest większa niż 10 m (SPD instalowane na granicy LPZ 0/1) lub bezpośrednio przy panelach w rozległych układach elektrowni PV na otwartym terenie.




4. Dobór ograniczników przepięć

Dobór typu SPD w praktyce zależy od obecności urządzenia piorunochronnego i sposobu jego wykonania (Tablica 3). W rozdzielnicy głównej budynku w większości przypadków zastosowanie mają ograniczniki typu 1 lub najlepiej typu 1+2 o niskim napięciowym poziomie ochrony, które mają zadeklarowaną odporność na prądy pioruna Iimp. Zastosowanie ograniczników warystorowych typu 2 w tym miejscu jest dopuszczalne wyłącznie, gdy można wykluczyć ryzyko uderzenia pioruna w zewnętrzną linię elektroenergetyczną. Po stronie AC inwertera, gdy są wymagane, stosuje się SPD typu 2. Dobór SPD pod stronie obwodów stałoprądowych zależy z kolei od wykonania urządzenia piorunochronnego. Jeżeli zastosowano połączenia wyrównawcze między konstrukcją paneli a przewodami LPS jak na rysunku 1b lub 3b, to zgodnie z punktem 712.534.102.6 [1] należy stosować SPD typu 1 o odporności nie mniejszej niż Iimp = 12,5 kA. Ograniczniki przepięć typu 2 do ochrony falownika po stronie DC powinny być stosowane tylko wtedy, jeżeli zachowane zostały bezpieczne odstępy separujące.

.

Tablica 3. Dobór typów SPD w poszczególnych lokalizacjach w zależności od sposobu wykonania ochrony odgromowej

Lokalizacja SPDRozdzielnica główna

Strona AC inwertera

Obwód DC


         Strona produktu

         Strona produktu

         Strona produktu


         Strona produktu

         Strona produktu

         Strona produktu


         Strona produktu

         Strona produktu

         Strona produktu
* - w rozdzielnicy głównej można zastosować ogranicznik Typu 2 w przypadku, gdy zasilany jest wyłącznie linią kablową, która nie łączy się z linią napowietrzną i można wykluczyć ryzyko bezpośredniego uderzenia pioruna w linię

.

.

Wymaga się (pkt. 712.534.102.4 [1]), aby minimalna wartość znamionowego prądu wyładowczego In ograniczników typu 2 wynosiła co najmniej 5 kA (8/20 µs). Norma zwraca jednocześnie uwagę, że stosowanie SPD o wyższych parametrach powoduje wydłużenie trwałości urządzeń do ograniczania przepięć. Ograniczniki typu 2 występują w trzech konfiguracjach: 2+0, 2+1 oraz 2+GDT (rys. 5). Podstawowa konfiguracja 2+0 stanowi połączenie biegunów (+) i (-) obwodu DC za pomocą dwóch warystorów w układzie typu V względem punktu uziemiającego. Wadą takiego rozwiązania jest ryzyko związane z uszkodzeniem SPD w wyniku przebicia izolacji w obwodzie stałoprądowym. Ogranicznik do ochrony obwodu d.c PV składa się z warystorów o napięciu znamionowym równym co najmniej połowie maksymalnego napięcia UOCmax w stanie jałowym panelu PV. Całkowita wartość napięcia panelu PV w warunkach normalnej pracy odkłada się na dwóch połączonych warystorach. W przypadku przebicia izolacji (zwarcia jednego z biegunów obwodu DC do ziemi) całkowite napięcie obwodu DC odkłada się na pojedynczym module warystora (Rys. 5a) prowadząc do jego przeciążenia termicznego i uszkodzenia. Z tego względu zaleca się stosowanie trójmodułowych ograniczników typu 2, w konfiguracji połączeń typu Y z dodatkowym warystorem (Rys. 5b) lub iskiernikiem GDT (Rys. 5c). Dodatkowy element (warystor lub GDT) w gałęzi ochronnej zabezpiecza ogranicznik przed jego uszkodzeniem w przypadku przebicia izolacji w obwodzie DC instalacji PV. Rozwiązanie z zastosowaniem iskiernika dodatkowo eliminuje prąd upływu powodowany przez elementy warystorowe zwiększając tym samym trwałość SPD. Przykłady ograniczników przepięć różnych typów w poszczególnych konfiguracjach przedstawiono w tablicy 4.

.

Rys. 5. Konfiguracje ograniczników przepięć do ochrony obwodów DC instalacji PV

.

Tablica 4. Konfiguracje ograniczników przepięć do ochrony obwodów stałoprądowych instalacji fotowoltaicznych

Typ SPD
     Strona produktu

     Strona produktu

     Strona produktu

     Strona produktu
Schemat
U CPV800 V1000 V1000 V600 V1000 V600 V1000 V
U p2,2 kV4,2 kV3,5 kV3 kV5 kV3 kV5 kV
WłaściwościOgraniczniki przepięć typu 1+2 do ochrony obwodów DC paneli PV połączonych galwanicznie z LPS.Podstawowa ochrona SPD Typu 2 obwodów DC inwerterów i paneli PV odseparowanych instalacji fotowoltaicznych. Do zastosowań na granicy stref LPZ 0B-1.Ogranicznik dwupolowy o podwyższonej odporności udarowej do instalacji z zachowanym odstępem separującym.Ogranicznik trójpolowy o podwyższonej odporności udarowej, w konfiguracji połączeń typu Y zabezpieczającej przed uszkodzeniem w wyniku przebicia izolacji.

.

W wielu przypadkach może się jednak okazać, że z punktu widzenia zagrożenia piorunowego największe ryzyko związane jest z wyładowaniami pobliskimi. O ile prawdopodobieństwo bezpośredniego uderzenia pioruna wynosi statystycznie typowo raz na kilkadziesiąt lat to prawdopodobieństwo zaindukowania się niebezpiecznych przepięć jest zdecydowanie większe. W zależności od wielkości instalacji niebezpieczne mogą się okazać nawet wyładowania doziemne w odległości do kilkuset metrów. Struktura okablowania instalacji PV opiera się na łańcuchach stanowiących samoistnie pętle podatne na indukowane się przepięć w obwodach stałoprądowych DC. Z tego względu bardzo duże znaczenie ma sposób prowadzenia tras kablowych i to nie tylko w rozległych instalacjach PV na otwartych przestrzeniach, ale także w przypadku stosunkowo niewielkich instalacji na dachach budynków. Zgodnie z punktem 712.521.102 normy [1] w celu ograniczenia przepięć indukowanych w łańcuchach PV „należy zmniejszyć – do granic możliwości – powierzchnie wszystkich pętli”.

.

.

Sposób łączenia modułów PV może decydować o podatności obwodu na indukowanie się przepięć. Im większa powierzchnia pętli tworzonej przez obwód DC (rys. 6a) tym większa indukcyjność i wartości napięć indukowanych na skutek oddziaływania piorunowego pola elektromagnetycznego. W celu minimalizacji pętli należy zapewnić uporządkowane i wspólne trasy dla przewodów łączących moduły PV (rys. 6b).

.

Rys. 6. Pętle powstające w obwodach DC instalacji PV




5. Podsumowanie

Kwestia ochrony przed przepięciami instalacji fotowoltaicznych jest obszernie omówiona w normie zharmonizowanej PN-HD 60364-7-712. Dobór ograniczników przepięć zależy przede wszystkim od sposobu wykonania ochrony odgromowej. Panele PV powinny znajdować się w przestrzeni LPZ 0B oraz w bezpiecznych odstępach separujących od przewodów LPS. Łączenie konstrukcji paneli z LPS, za pomocą połączeń wyrównawczych powinno być ostatecznością. Do ochrony obwodów DC zaleca się stosowanie ograniczników przepięć w konfiguracji typu Y, zabezpieczających przed uszkodzeniem SPD w sytuacjach awaryjnych.

Ochrona przed przepięciami powinna być stosowana ze względu na zabezpieczenie nie tylko samej instalacji PV, ale także instalacji i osób wewnątrz budynku. Ze względów ekonomicznych instalacja PV nie powinna ulec uszkodzeniu, zanim nie zwróci się koszt inwestycji.




Literatura

  1. PN-HD 60364-7-712:2016-05 Instalacje elektryczne niskiego napięcia — Część 7-712: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji — Fotowoltaiczne (PV) układy zasilania
  2. PN-EN 62305-3:2011 Ochrona odgromowa — Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenie życia
  3. DIN EN 62305-3 VDE 0185-305-3 Beiblatt 5:2014-02 Protection against lightning — Part 3: Physical damage to structures and life hazard – Supplement 5: Lightning and overvoltage protection for photovoltaic power supply systems
  4. IEC TR 63227 Lightning and surge voltage protection for photovoltaic (PV) power supply systems (projekt, planowana publikacja w 2020 r.)
  5. PN-HD 60364-4-443:2016-03 Instalacje elektryczne niskiego napięcia — Część: 4-443: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa — Ochrona przed zaburzeniami napięciowymi i zaburzeniami elektromagnetycznymi — Ochrona przed przejściowymi przepięciami atmosferycznymi lub łączeniowymi
  6. Maksimowicz, Dobór ograniczników przepięć w instalacjach elektrycznych według znowelizowanych norm PN-HD 60364, elektro.info nr 4/2018, pp. 44-48, Kwiecień 2018

T. Maksimowicz, “Fotowoltaiczne układy zasilania – ochrona odgromowa i przed przepięciami zgodnie z normą zharmonizowaną PN-HD 60364-7-712”,
www.rst.bialystok.pl, Dla projektanta, Luty 2020

.

UZIEMIENIA I OCHRONA PRZED PRZEPIĘCIAMI

EARTHING AND OVERVOLTAGE PROTECTION

Do NOT follow this link or you will be banned from the site!