O bezpieczeństwie instalacji fotowoltaicznych, różnicach między prądem stałym przemiennym i wynikających z nich zagrożeniach dla naszych domów rozmawiamy z inż. Romanem Kłopockim, Product Managerem z oferującej m.in. aparaturę zabezpieczającą firmy ETI Polam.

Panie inżynierze, jakie są podstawowe zagrożenia związane z instalacją fotowoltaiczną?

Przede wszystkim należy zaznaczyć, że instalacja fotowoltaiczna jest instalacją specjalną i dlatego wymaga szczególnego podejścia do jej projektowania, eksploatacji i – przede wszystkim - prawidłowego doboru jej urządzeń zabezpieczających.

Na czym polega ta wyjątkowość instalacji fotowoltaicznej?

W instalacji fotowoltaicznej mamy do czynienia z napięciem stałym, które obecnie sięga do poziomu 1500V DC, a więc napięciem średnim. Ponadto napięcie na zaciskach modułu fotowoltaicznego PV oraz natężenie prądu w jego obwodzie, silnie zależą od panujących warunków zewnętrznych jak: naświetlenie, temperatury zewnętrznej, pory dnia, zacienienia modułów fotowoltaicznych PV itd. 

Tymczasem przeciążenie modułu o 15 – 20% jego prądu znamionowego to już dla niego prąd zwarciowy. Nie jest on co prawda prądem udarowym, który mógłby zniszczyć moduł, ale przy takim prądzie zgodnie z jego charakterystyką napięciowo–prądową U-I   napięcie na jego zaciskach wynosi zero. Jednym słowem: moduł fotowoltaiczny PV nie wytwarza wtedy energii elektrycznej.

Zagrożenia instalacji fotowoltaicznej

Na jakie jeszcze ryzyka narażone są instalacje fotowoltaiczne?

Należy pamiętać, że ich moduły fotowoltaiczne są bardzo czułe na wszelkie przepięcia, czyli przyrosty napięcia ponad wartości znamionowe. Zarówno te pochodzące od wyładowań atmosferycznych, jak i  łączeniowe, które mogą w takiej instalacji się pojawić. Ryzyko takich przepięć jest tym wyższe, że moduły fotowoltaiczne PV montowane są  najczęściej na dachach budynków w otoczeniu instalacji odgromowej. Jej obecność wymusza na nas stosowanie ostrzejszej ochrony przeciwprzepięciowej.

Wszystkie te właściwości muszą być wzięte pod uwagę przez projektanta instalacji fotowoltaicznej oraz jej zabezpieczeń. W innym razie zabezpieczania instalacji fotowoltaicznej nie będą skuteczne lub będą działać wtedy, kiedy nie powinny, powodując zbędne wyłączenia przynosząc tym samym straty inwestorowi.

Czy te zagrożenia wymagają stosowania innych rozwiązań niż te dotychczas stosowane w przypadku prądu stałego?

Zdecydowanie. Z uwagi na właściwości modułów fotowoltaicznych, o których mówiłem wcześniej, muszą to być specjalne  rozwiązania  przeznaczone do instalacji fotowoltaicznych. Musimy pamiętać, że w wielu jej elementach – od modułów PV do falownika fotowoltaicznego - mamy do czynienia z prądem stałym DC, który jest nieco mniej niebezpieczny niż prąd przemienny AC w przypadku ewentualnych porażeń, ale dużo groźniejszy, gdy dojdzie do awarii i zwarcia. 

W takim przypadku ryzyko powstania dużych szkód, na przykład w wyniku pożaru instalacji fotowoltaicznej jest znacznie większe niż przy prądzie przemiennym.

Zabezpieczenie fotowoltaiki - AC/DC

Skąd te różnice?

Wynika to z tego, że w przypadku zwarcia w obwodzie prądu stałego DC i pojawienia się łuku elektrycznego, jego wartość energetyczna jest stała i trudno taki łuk zgasić. Natomiast energia łuku elektrycznego powstałego w obwodzie prądu przemiennego AC (sinusoidalnego) ma  również przebieg sinusoidalny i w momencie jego przejścia przez zero lub w pobliżu zera jego wartość znacznie spada, co ułatwia jego przerwanie czy też zgaszenie. 

Dlatego wszystkie aparaty zabezpieczające instalację PV powinny być przystosowane do skutecznego rozłączania obwodu DC i skutecznego przerywania palącego się łuku elektrycznego.

Biorąc pod uwagę skalę ryzyka, a zwłaszcza pożaru na dachu mojego domu, chciałbym mieć pewność, że te zabezpieczenia fotowoltaiki AC/DC rzeczywiście będą odpowiednie. Jak ją zyskać?

Należy sięgać po rozwiązania renomowanych firm, takich jak ETI, których urządzenia i wyposażenie składające się na instalację fotowoltaiczną są konstruowane i produkowane na podstawie wieloletniego doświadczenia oraz wymagania odpowiednich międzynarodowych norm technicznych, które uwzględniają specyfikę instalacji fotowoltaicznych, która została wymieniona wcześniej. 

Normy te szczegółowo określają prądy i napięcia znamionowe tych urządzeń,  przekroje przewodów, ich dopuszczalne wytrzymałości udarowe itp. Daje to gwarancję bezpieczeństwa instalacji fotowoltaicznej, a w konsekwencji domu.

Budowa systemu zabezpieczenia fotowoltaiki

Z jakich elementów powinien składać się system zabezpieczenia instalacji PV?

Jak już wspomniałem, mamy tu kilka różnych zagrożeń, z których każde wymaga osobnego zabezpieczenia. Przed bezpośrednim wyładowaniem atmosferycznym, instalację fotowoltaiczną zabezpiecza instalacja odgromowa, prawidłowo zaprojektowana po przeprowadzonej analizie ryzyka. 

Przed przetężeniem, czyli przeciążeniem i zwarciem zabezpieczają wkładki topikowe po stronie   prądu stałego DC oraz wyłączniki nadprądowe za falownikiem po stronie prądu przemiennego AC. Ochronę przed porażeniem prądem zapewniają odpowiednie wyłączniki różnicowoprądowe po stronie AC, a przed przepięciami ograniczniki przepięć po stronie DC oraz AC

W jaki sposób powinien być zaprojektowany taki system bezpieczeństwa instalacji fotowoltaicznej? Czy zabezpieczenia zakłada się na każdy rząd modułów PV czy na całą instalację?

Projektowanie systemu zabezpieczającego to dość skomplikowany proces i nie da się tego    wyczerpująco przedstawić w kilku zdaniach. Aby prawidłowo zabezpieczyć instalację fotowoltaiczną, należy korzystać również z wymagań norm technicznych.

Strona DC takiej instalacji powinna być zabezpieczona wkładkami topikowymi cylindrycznymi CH o specjalnej charakterystyce czasowo-prądowej t-I  -  gPV  przed prądem zwarciowym wstecznym. Może być on sumą prądów płynących z wszystkich rzędów modułów PV połączonych równolegle, i pojawić się w przypadku zwarcia pomiędzy modułami w którymkolwiek rzędzie modułów PV. 

Norma wymaga, by takie wkładki topikowe były zamontowane w biegunie „+”  i  „-”  każdego rzędu modułów fotowoltaicznych, ale tylko wtedy, kiedy takich połączonych równolegle rzędów jest więcej niż dwa. My jednak zalecamy stosowanie wkładek topikowych gPV w każdym rzędzie modułów PV bez względu na ich ilość, gdyż musimy pamiętać, że jest to obwód prądu stałego.

Na co jeszcze należy zwracać uwagę przy zabezpieczeniu instalacji fotowoltaicznej?

W przypadku, gdy zainstalowany falownik jest bez transformatora sprzęgającego – separacyjnego, to w przypadku jego awarii prąd AC pochodzący z sieci publicznej może przedostać się na stronę DC instalacji PV i uszkodzić przyłączone moduły PV. 

Aby prawidłowo dobrać wkładki topikowe gPV, które by temu zapobiegły, trzeba określić ich wymagany prąd znamionowy In oraz napięcie znamionowe Un wg algorytm podanego w normie, oczywiście przy wykorzystaniu danych technicznych podanych przez producenta modułów fotowoltaicznych PV. 

Podobnie postępujemy przy doborze wkładek topikowych nożowych NH o tej samej charakterystyce gPV, które stosuje się do zabezpieczania przewodów fotowoltaicznych w dużych farmach  i montuje się je przy falownikach.

Dobieranie odpowiednich zabezpieczeń w fotowoltaice rzeczywiście wygląda na skomplikowane. Czy da się to jakoś uprościć? 

Od strony technicznej nie bardzo, te urządzenia do zabezpieczenia fotowoltaiki po prostu muszą być odpowiednie, stawką jest tu majątek, a przede wszystkim życie użytkowników instalacji PV. 

Staramy się jednak ułatwiać instalatorom życie i udostępniamy im darmową aplikację w formacie EXCEL-a  do doboru powyższych wkładek topikowych. Wystarczy wpisać w odpowiednie okienka aplikacji takie dane techniczne jak:

• Napięcie obwodu otwartego modułu PV -  Uoc
• Znamionowy prąd zwarciowy modułu PV – Isc
• Ilość modułów połączonych szeregowo w pojedynczym rzędzie 
• Ilość rzędów modułów połączonych równolegle.

Aplikacja automatycznie proponuje napięcie znamionowe i prąd znamionowy wkładek cylindrycznych CH oraz nożowych NH  gPV do odpowiednio skonfigurowanej instalacji PV.

Dodatkowe zabezpieczenia fotowoltaiki

To rzeczywiście pomocne narzędzie, ale wkładki topikowe to nie jedyne zabezpieczenia fotowoltaiczne, jakie są stosowane, prawda?

Oczywiście, tak jak już wspominałem, aby prawidłowo zaprojektować ochronę przeciwprzepięciową instalacji fotowoltaicznych, trzeba prawidłowo dobrać ograniczniki przepięć przeznaczone do montażu zarówno na stronie DC jak i AC. 

Tutaj również trzeba się kierować wymaganiami odpowiedniej normy i trzeba prawidłowo określić typ ogranicznika (T1,2, T2)  oraz jego znamionowe napięcie pracy długotrwałej Uc, oraz miejsce jego zainstalowania. Tutaj również musimy wziąć pod uwagę dane techniczne zainstalowanych modułów PV podanych przez producenta.

Wspominał pan o wpływie instalacji odgromowej w fotowoltaice.

Rzeczywiście, dobierając odpowiedni ogranicznik,  trzeba ją wziąć pod uwagę.  Jeżeli jest,  to musimy zastosować ogranicznik Typ 1,2 po stronie DC przy falowniku, a jeżeli jej nie ma, to można zastosować ogranicznik Typ 2. Ponadto ważna jest też długość przewodów pomiędzy modułami fotowoltaicznymi a falownikiem. Jeżeli ta odległość jest większa niż 10 metrów, to trzeba zainstalować dodatkowy ogranicznik tego samego typu przy modułach fotowoltaicznych PV. 

A jaki wpływ na zastosowanie określonych zabezpieczeń ma sposób połączenia modułów PV?

W instalacjach fotowoltaicznych składających się z kilku rzędów połączonych równolegle modułów PV, które są oddzielnie przyłączone do falownika, to należy te ograniczniki zamontować w każdym rzędzie modułów PV. Gdy natomiast  połączono je równolegle i są przyłączone w falowniku do jednego wejścia, to wtedy wystarczy zamontować jeden ogranicznik przy wspólnym wejściu do falownika.

Niejednokrotnie częścią składową instalacji fotowoltaicznej jest również bateria akumulatorowa służąca jako magazyn energii i ona również musi być zabezpieczona przed przetężeniem. Do tego celu służą wkładki topikowe specjalne do stosowania w obwodach prądu stałego DC z grupy Battery-Fuse. Jednak tutaj prawidłowy dobór tych wkładek do skutecznego zabezpieczenia tej baterii jest bardziej skomplikowany.

Urządzenia do zabezpieczenia fotowoltaiki

Jakie komponenty takiego systemu zabezpieczenia fotowoltaiki oferujecie? I jakie jest ich przeznaczenie, na jakie rodzaje zagrożeń odpowiadają? 

Mamy w ofercie wszystkie potrzebne do zabezpieczenia instalacji PV komponenty, począwszy od wszelkiego rodzaju wkładek topikowych, wyłączników nadprądowych i różnicowoprądowych oraz ograniczników napięć, aż po odpowiednie obudowy hermetyczne do montowania tych aparatów w zestawy rozdzielnic.

Czym te urządzenia do zabezpieczenia fotowoltaiki wyróżniają się na tle konkurencji?

Jeśli chodzi o wkładki topikowe wszystkich wielkości, jak i charakterystyk, to jesteśmy liderem na rynku, natomiast w zakresie pozostałej aparatury jesteśmy w grupie czołowych firm – liderów na rynku polskim i europejskim. Naszym wyróżnikiem jest szerokość oferty i renoma naszych  produktów wśród klientów.

Jakich argumentów za ich zastosowaniem mógłby użyć instalator, rozmawiając z klientem, który najczęściej jest „prądowym laikiem”? 

Myślę,  że warto odwołać się właśnie do szerokości naszej oferty i – przede wszystkim – renomy naszych produktów wśród dotychczasowych klientów. Unikałbym natomiast w kontaktach z takimi klientami rozmów o parametrach i charakterystykach technicznych stosowanych aparatów. To prędzej znudzi i zniechęci taką osobę. I nie ma w tym nic złego, bo przecież zabezpieczanie instalacji fotowoltaicznych to zbyt poważna sprawa, by zajmowali się nią laicy.