Zabezpieczenie instalacji PV przed skutkami wyładowań

Piorun powstaje w atmosferze między 2 strefami o odmiennym potencjale elektrycznym. Wskutek nierównomiernego rozkładu wody i lodu oraz występowania wstępujących i zstępujących prądów powietrza wewnątrz chmury tworzą się obszary naładowane dodatnio i ujemnie. Jeśli różnica potencjałów jest zbyt duża, następuje gwałtowne wyładowanie elektryczne.

Wyładowania mogą występować w chmurach burzowych, między dwoma chmurami oraz między chmurą a ziemią, czyli przede wszystkim wyładowania piorunowe doziemne składające się z co najmniej jednego udaru, oraz rzadko występujące także wyładowania oddolne z obiektów o bardzo dużej wysokości. W praktyce, co możemy zaobserwować przy filmowaniu uderzenia pioruna przy pomocy kamery robiącej kilka tysięcy zdjęć na sekundę, w ciągu jednego wyładowania trwającego poniżej jednej sekundy następuje kilka, a nawet kilkanaście przepływów energii do ziemi. Ten fakt odróżnia warunki realne od warunków laboratoryjnych, w których np. bada się ograniczniki przepięć jednym udarem o kształcie fali zbliżonym do prawdziwego wyładowania atmosferycznego.

Jak powszechnie wiadomo, bezpośrednie uderzenia pioruna niosącego w sobie znaczną energię mogą powodować duże zniszczenia, powstanie pożaru, uszkodzenia instalacji elektrycznych na skutek przebicia oraz różnych urządzeń, nie wspominając o śmiertelnym niebezpieczeństwie dla ludzi. W momencie wyładowania często można zanotować prąd udarowy o napięciu kilkuset [kV], a notowano nawet napięcia prądu piorunowego powyżej 1 MV. Z punktu widzenia praktycznego ważniejsza jest jednak od napięcia wartość samego prądu. Normy europejskie np. PN-EN 62305-1 zakładają pojawienie się prądów udarowych do 200kA, chociaż na świecie zanotowano już uderzenia piorunów o prądzie udarowym ponad 300kA. Na podstawie pomiarów literatura fachowa podaje, że średnio jest to wartość 25-30kA, 5% wyładowań atmosferycznych ma prąd udarowy przekraczający 100kA, z tego tylko 1% przekracza 150kA.

W Polsce, w zależności od roku i regionu, mamy średnio 20-30 dni burzowych. Nie ma dotychczas zbyt dokładnych urządzeń rejestrujących ilość piorunów, istniejące mapy kerauniczne wskazują, że średnio jest to kilka uderzeń piorunów na 1 km ² w ciągu roku. Oczywiście nie rozkłada się to równo, generalnie na morzem jest stosunkowo mało rejestrowanych wyładowań, podczas gdy w górach zdecydowanie więcej. W Niemczech, które mają dość podobne warunki atmosferyczne i obszar większy od Polski o ok. 20%, notowano 2-2,5 miliona uderzeń piorunów w ciągu roku.

Piorun, oprócz bezpośrednich szkód, które powoduje w miejscu uderzenia, generując przepięcia wpływa także na stan sieci elektroenergetycznych, telekomunikacyjnych i urządzeń elektronicznych znajdujących się w pobliżu. Szczególnie instalacje fotowoltaiczne są narażone na przepięcia ze względu na ich zewnętrzne położenie oraz wewnętrzną budowę, gdyż moduły PV to układy półprzewodnikowe, a falowniki PV zamieniające napięcie stałe na przemienne zawierają wiele elementów elektronicznych. Przepięcia, czyli nagły wzrost napięcia, mogą powodować przebicia i uszkodzenia różnych elementów elektronicznych, szczególnie mikrokontrolerów i układów scalonych, które obecnie ze względu na swoją budowę i miniaturyzację są bardzo podatne na tego typu uszkodzenia.

Bezpośrednie skutki uderzeń piorunów

Bezpośrednie uderzenie pioruna (zwane w normach LEMP), ze względu na swoją olbrzymią energię, zwykle spowoduje duże zniszczenia w miejscu, w które uderzy. Dlatego normy zalecają budowę instalacji odgromowych do ochrony większych instalacji fotowoltaicznych. Przykładowo w Niemczech stowarzyszenie firm ubezpieczeniowych VDV wydało instrukcję VDS2010 w której jako warunek ubezpieczenia instalacji fotowoltaicznej powyżej 10kWp wymaga posiadania instalacji odgromowej oraz zamontowania ograniczników przepięć. Specyfikacja techniczna CENELEC nr CLC/TS 50539-12 dotycząca wyboru i zastosowań ograniczników przepięć wykonanych zgodnie z normą PN-EN 50539-11 w instalacjach fotowoltaicznych w zakresie farm fotowoltaicznych zaleca projekt instalacji odgromowej z masztami dzielącymi obszar chroniony na kwadraty nie większe niż 20x20m, co ma zapewnić właściwy poziom ochrony dla strefy LPLIII (Aneks A tej normy). Przy małych instalacjach fotowoltaicznych np. na dachach domów przyjmuje się często założenie (na podstawie obliczeń stopnia ryzyka wg normy PN-EN 62305-2), że prawdopodobieństwo bezpośredniego uderzenia jest stosunkowo małe i wystarczy zabezpieczyć się tylko przed przepięciami indukowanymi. Jeżeli jednak piorun trafi w taką instalację, to z pewnością spowoduje szkody, natomiast zastosowanie ograniczników przepięć znacznie zmniejszy uszkodzenia elektryczne modułów PV i falowników znajdujących się w pobliżu.

Należy też brać pod uwagę bezpośrednie trafienie pioruna np.: w napowietrzną linię zasilania AC, po której może nadejść fala przepięciowa do falownika od strony AC i go uszkodzić. Dlatego też zgodnie z normami należy go chronić przy pomocy ograniczników przepięć AC.

Pośrednie skutki uderzeń piorunów

Na podstawie badań i obserwacji wiadomo, że wyładowanie atmosferyczne oddziałuje pośrednio na urządzenia w terenie niezabudowanym w promieniu do 1,5 km, a szkody mogą powstać do kilkuset metrów od miejsca uderzenia. Mamy tu do czynienia z przepięciami powstałymi na skutek sprzężeń galwanicznych, indukcyjnych i pojemnościowych.

1. Sprzężenia galwaniczne
   Powstają w wyniku bezpośredniego dostania się energii powstałej w wyniku wyładowania atmosferycznego do instalacji elektrycznej. Z punktu widzenia budowy instalacji fotowoltaicznych istotne są 2 sytuacje. Po pierwsze jest to przypadek, kiedy budynek ma instalację odgromową. Jeżeli piorun uderzy w maszt takiej instalacji, to zwody pionowe odprowadzą energię do ziemi. Energia to rozpływając się w ziemi na wszystkie strony może napotkać uziemienie domowej instalacji elektrycznej i wniknąć w nie — norma PN-EN 62305-4 (załącznik D3) sugeruje, że 50% prądu udarowego może wniknąć do instalacji elektrycznej. Jeżeli nie będzie zainstalowanego ogranicznika przepięć, który wyrówna potencjał między przewodem fazowym i N, to w przewodzie N może pojawić się przepięcie o wartości prądu kilku [I<A] (kształt fali 10/350 PS) oraz napięciu nawet kilkudziesięciu [kV] uszkadzając wszystkie urządzenia podłączone do gniazdek elektrycznych. Podobna sytuacja wystąpi w uziemionej instalacji fotowoltaicznej bez ogranicznika przepięć.Druga sytuacja jest związana ze wzrostem napięciowym potencjału ziemi na skutek uderzenia pioruna. Naukowcy z Politechniki w Graz w Austrii dokonali ciekawych obliczeń w tym zakresie w związku z badaniem odziaływania takich sprzężeń na latarnie uliczne z oświetleniem LED. Przy założeniu teoretycznym stałej impedancji ziemi wyniki wzrostu potencjału napięciowego ziemi w zależności od odległości od punktu uderzenia pioruna były następujące: w odległości 10 metrów było to ok. 160kV, w odległości 100 m — ok. 15kV, w odległości 200 m — ok. 8kV, w odległości 300 m — ok. 5kV.
2. Sprzężenie indukcyjne
   Sprzężenie indukcyjne w przewodzie następuje przez wzrost pola magnetycznego innego przewodu elektrycznego. Jeżeli w jednym przewodzie przepływa duży prąd (jest to np.: przewód instalacji odgromowej odprowadzający wyładowanie atmosferyczne do ziemi), to spowoduje to powstanie mocnego pola elektro-magnetycznego wokół niego, które może oddziaływać na inny przewód (np. przewód instalacji fotowoltaicznej), szczególnie gdy jest on równolegle ułożony lub się krzyżuje. W tym drugim przewodzie powstanie indukcyjnie duże przepięcie — może to być prąd o wartości nawet kilkudziesięciu [kA] (kształt fali 8/20 vs) i napięciu kilkudziesięciu [kV].Poniższe zdjęcie przedstawia niewłaściwe ułożenie instalacji fotowoltaicznej względem instalacji odgromowej.
   
   
   
3. Sprzężenie pojemnościowe
   Sprzężenie pojemnościowe powstaje przez pole elektryczne między dwoma punktami o dużej różnicy potencjałów. W celu wyrównania potencjałów występuje przepływ ładunków przez powietrze. To sprzężenie powoduje powstawanie przepięć w przewodach, szczególnie napowietrznych, chociaż wpływa to też na nieekranowane dłuższe odcinki przewodów wewnątrz budynków. W celu ograniczania powstawania potencjalnych przepięć budując instalacje fotowoltaiczne należy unikać tworzenia pętli indukcyjnych o dużej powierzchni, jak przedstawiono to na poniższym rysunku.Przewody powinny zostać prawidłowo ułożone w sposób wskazany na poniższym rysunku.
   
   Nieprawidłowe rozłożenie przewodów powoduje powstanie pętli indukcyjnej o dużej powierzchni.
   
   

Na podstawie doświadczeń wiadomo, że już w przewodzie o długości 5-10 m mogą zaindukować się groźne dla urządzeń przepięcia. W najgorszym przypadku mamy tu do czynienia z pojawieniem się w przewodach DC i AC przepięcia o wartości prądu do kilku [kAl i napięciu kilku [kVl (kształt fali 8/20 vs). To samo zjawisko może wystąpić w przewodach sygnałowo-komunikacyjnych łączących falownik z komputerem lub nadajnikiem, dlatego niezbędne jest czasami dobezpieczenie falownika przed przepięciami specjalnym ogranicznikiem przepięć także od tej strony.

Inne źródła przepięć

W zakresie instalacji fotowoltaicznych po stronie DC mogą wystąpić również tzw. przepięcia łączeniowe, które jednak z uwagi na swój charakter i osiąganą wartość nie będą raczej szkodliwe dla modułów PV i falowników DC/AC (oba urządzenia są odpowiednio wytrzymałe). Przepalenie się wkładki topikowej, zwarcie lub nawet załączanie/wyłączenie urządzeń może generować przepięcia na poziomie 2kVw czasie rzędu 1-2 [ms]. Dużo więcej takich problemów może pojawić się od strony AC falownika, dlatego należy pamiętać o jego zabezpieczeniu również po stronie AC.

W przypadku serwisu falownika: naprawy czy przeglądu części elektronicznych należy też pamiętać o możliwości pojawienia się przepięć elektrostatycznych — w pewnych warunkach ciało człowieka może się „naładować” elektrostatycznie i wówczas nastąpi gwałtowne rozładownie w formie iskry, która może uszkodzić delikatną elektronikę.

Ochrona odgromowa

Budowa instalacji fotowoltaicznej i odgromowej nie jest tematem niniejszego opracowania, ale ponieważ niewłaściwie wykonana instalacja odgromowa lub fotowoltaiczna może sprzyjać pojawianiu się groźnych przepięć, dlatego chcielibyśmy wskazać na kilka istotnych zagadnień.

Jeżeli wykonujemy instalację fotowoltaiczną na dachu, to zgodnie z wymogami aktualnych przepisów każdy obiekt budowlany, w tym również obiekty z systemami PV umieszczonymi na dachu, należy chronić przed skutkami wyładowań atmosferycznych bezpośrednich i pobliskich, jeżeli ryzyko wystąpienia szkód piorunowych, wyznaczone zgodnie z zaleceniami normy PN-EN 62305-2 (arkusz 2 dotyczący zarządzania ryzykiem przy ochronie odgromowej) jest większe niż ryzyko tolerowane. W takim przypadku zagrożony obiekt budowlany, a więc i zainstalowane na nim systemy PV, chroni się przed bezpośrednim uderzeniem pioruna za pomocą układu zwodów (LPS) tworzących strefę ochronną o takich rozmiarach, aby całość urządzeń zamontowanych na dachu mieściła się wewnątrz tej strefy (wytyczne w normie PN-EN 62305-1). Zgodnie ze specyfikacją techniczną CLC/TS 50539-12 zwody pionowe powinny mieć przekrój minimum 50 mm 2 (Cu) lub ekwiwalent tej wartości, przewody mogące odprowadzać prąd udarowy od ogranicznika przepięć typu 1 do szyny uziemiającej minimum 16 mm 2 )Cu) lub ekwiwalent, natomiast przewody pomocnicze stosowane do ekwipotencjalizacji oraz odprowadzania prądów wyładowczych od ogranicznika przepięć typu 2 do szyny uziemiającej muszą mieć minimum 6 mm 2 (Cu) lub odpowiedni ekwiwalent.

Układając przewody instalacji fotowoltaicznej, zarówno wewnątrz w domu jak i na zewnątrz, należy unikać tworzenia pętli indukcyjnych, gdyż w przeciwnym razie mogą się zaindukować znaczne przepięcia. Norma PN-EN 62305-4 zaleca prowadzenie kabli możliwie jak najbliżej elementów metalowych sieci połączeń wyrównawczych oraz ograniczania powstawania pętli indukcyjnych. W zakresie krzyżowania się instalacji fotowoltaicznych i odgromowych należy zastosować odpowiednie odległości – zwykle minimalna odległość to 50 do 90 cm. Zachowanie odległości między tymi instalacjami oznacza praktycznie, że nie mogą się one bezpośrednio krzyżować— jeżeli jest to konieczne, to należy np. przeprowadzić instalację odgromową na wspornikach. W takim przypadku można zastosować ograniczniki przepięć PVtypu 2 zgodnie ze specyfikacją techniczną CLC/TS 50539-12 pkt. 6.3 oraz ogranicznik przepięć AC typu 1+2 w rozdzielnicy głównej ze względu na istnienie instalacji odgromowej.

Jak optymalnie rozwiązać ten problem pokazują 2 powyższe zdjęcia. W przypadku konieczności skrzyżowania instalacji fotowoltaicznej i odgromowej ta ostatnia może być poprowadzona na pewnej wysokości, co pokazano na zdjęciu nr 2. Dodatkowo instalacja fotowoltaiczna jest ekranowana przez zamknięte metalowe korytko kablowe, które ogranicza powstawanie przepięć indukowanych.

Na kolejnym zdjęciu nr 3 pokazano instalację fotowoltaiczną poprowadzoną na pewnej wysokości względem leżącej instalacji odgromowej.

Jeżeli z powodu braku możliwości technicznych nie można uniknąć krzyżowania lub przeprowadzenia równoległego przewodów PV i odgromowych wg zasad wskazanych powyżej, to należy zastosować ograniczniki PV typu 1+2 zamiast typu 2 (dokładniejsze omówienie tego zagadnienia znajduje się w specyfikacji CENELEC CLC/TS 50539-12 pkt. 6.4).

Ograniczniki przepięć

Informacje ogólne

Ograniczniki przepięć niskiego napięcia, zwane też zgodnie z normami SPD (Surge Protection Device), to urządzenia do ochrony przed skutkami przepięć. Budowane są i testowane zgodnie
z ogólną normą PN-EN 61643-11 oraz specyficzną normą dotyczącą ograniczników przepięć dla fotowoltaiki PN-EN 50539-11. Zbudowane są tak, aby wielokrotnie odprowadzać przepięcia powstające w instalacjach i jeżeli nie ulegną awarii lub nie pojawi się prąd udarowy czy wyładowczy przekraczający możliwości danego aparatu, mogą działać skutecznie wiele lat. Ogranicznik przepięć po zadziałaniu ma powrócić do swojego stanu pierwotnego.

Przykładowo podczas badania ograniczników przepięć typu 2 wg normy PN-EN 61643-11, jednym z testów (pkt. 7.6.4 — Wstępne kondycjonowanie w próbach klasy Il) jest poddanie ogranicznika 15 udarom prądowym o kształcie fali 8/20gs, o biegunowości dodatniej (3 serie po 5, czas między udarami to 50-60 sekund, a między seriami 25-30 minut). Ten parametr nazywany jest znamionowym prądem wyładowczym, jest oznaczany In. Drugim bardzo ważnym badaniem klasy Il jest jednorazowe poddanie SPD wyładowaniu jak największym prądem o kształcie fali 8/20ps — wartość tego prądu jest podawana dla ograniczników przepięć jako Imax Dla ograniczników typu 1 przeznaczonych do odprowadzania prądów piorunowych najważniejszym badaniem są udary prądowe o kształcie fali 10/350 vs i ten wytrzymany podczas badań w laboratorium zgodnie z normą prąd nazywamy udarowym i zapisujemy jak Iimp•

Przy tej okazji warto wspomnieć, że IkA prądu udarowego o kształcie fali 10/350 vs ma energię ponad 20 razy większą niż IkA prądu wyładowczego 8/20 ps. Jest to o tyle ważne, że od 2007 roku prawidłowa nazwa popularnego typu ograniczników przepięć do odprowadzania prądu piorunowego to typ Tl+T2, nazywany też typem 1+2. Do roku 2006 normy nazywały te ograniczniki B+C, obecnie obowiązujące normy nie posługują się tymi oznaczeniami. Niestety są na rynku dostępne ograniczniki przepięć o nazwie handlowej B+C (to nie jest typ w rozumieniu normy), stosunkowo tanie, które wprowadzają w błąd odbiorców ze względu na nawiązanie do poprzednie typologii. Tak naprawdę są to najczęściej ograniczniki obecnego typu 2 przeznaczone do odprowadzania prądów wyładowczych In ponieważ słabo odprowadzają one prądy udarowe, to ich stosowanie zamiast typu 1+2 może spowodować uszkodzenie chronionej instalacji, poważne straty materialne i nawet pożary, co narazić może projektanta i instalatora na odpowiedzialność prawną.

Budowa ograniczników przepięć

Ze względu na swoją budowę wewnętrzną SPD dzielą się na trzy rodzaje (norma PKN-CLC/TS 61643-12 pkt

5.3.2 oraz Aneks A wskazujący rożne sposoby gaszenia fali udaru kombinowanego):

•  ucinające – tutaj stosuje się głównie iskierniki gazowe i powietrzne;
• ograniczające – np.: warystory, specjalne diody takie jak Zenera czy supresyjne;
• złożone lub kombinowane – np.: połączenie iskiernika gazowego i warystora szeregowo jak w technologii VG firmy Cl TEL lub równolegle.

1. Elementy ucinające
   Do elementów ucinających napięcie, o nieciągłej charakterystyce napięciowo-prądowej, należą iskierniki powietrzne, zastępowane sukcesywnie przez iskierniki gazowe i rury wyładowcze GDT. Iskierniki gazowe przypominają swoim wyglądem małą puszkę, a swoim działaniem wyładowcze lampy neonowe (w ceramicznej puszce między 2 elektrodami znajduje się gaz szlachetny, przykładowo może to być neon, argon czy jakaś mieszanka). Przy normalnym napięciu pracy iskiernik zachowuje się jak izolator, gdyż ma dużą impedancję (np.: iskierniki gazowe GSG firmy Cl TEL mają oporność GO) – prąd nie płynie przez nie, chociaż są podłączone równolegle miedzy przewód fazowy i ziemię.Dopiero powstały w wyniku przepięcia wzrost napięcia powyżej ustalonego progu zadziałania (napięcia zapłonu) powoduje gwałtowne wyładowanie — prąd o wartości wielu [kA] jest odprowadzany przy stosunkowo niskim napięciu. Zaletą ich jest wysoka skuteczność i zdolność do odprowadzania dużych prądów udarowych na poziomie dziewięćdziesięciu kilku procent.
2. Elementy ograniczające
   Elementy te mają ciągłą charakterystykę napięciowo-prądową. Stosuje się tu najczęściej warystory tlenkowo-cynkowe, zapewniające dobry kompromis pomiędzy dwoma istotnymi parametrami: krótkim czasem zadziałania (<25 ns) i wysoką zdolnością odprowadzania prądu wyładowczego (kształt fali 8/20 HS), jak też są tańsze od rozwiązań iskiernikowych. Warystory dobrze spełniają swoją funkcję w zakresie odprowadzenia przepięć indukowanych, dlatego stosuje się je przede wszystkim w ogranicznikach typu 2 i 3. Norma PN-EN 61643-11 dopuszcza technologię warystorową do odprowadzania prądów udarowych w ogranicznikach przepięć typu 1. Niestety są czasem zbyt słabe do ochrony przed dużymi prądami udarowymi. Ponadto w przypadku prądu udarowego, przepuszczają dalej do chronionej instalacji kilka razy większą energię niż iskierniki gazowe. Warystor jest elementem półprzewodnikowym, który przy znamionowym napięciu jest prawie izolatorem, natomiast w miarę wzrostu napięcia w wyniku pojawienia się przepięcia w sposób ciągły maleje jego impedancja i staje się on coraz lepszym przewodnikiem. Odprowadza on przepięcie na stosunkowo wysokim poziomie napięcia, dlatego jego skuteczność w zakresie odprowadzania prądów udarowych jest zwykle na poziomie siedemdziesięciu kilku procent, w odróżnieniu od iskiernika, gdzie wysoki poziom napięcia trwa bardzo krótko. Ponadto sam warystor, mimo pozytywnego badania zgodnie z normami, może mieć problemy z odprowadzeniem prądów udarowych w warunkach naturalnych — wiąże się to ze wspomnianymi na początku wielokrotnymi przepływami prądu piorunowego w ciągu jednego wyładowania. Pewnym rozwiązaniem tego problemu jest dodanie iskiernika w torze przepływu prądu.Ponadto funkcjonowanie warystora musi być bezwzględnie nadzorowane przez zainstalowany w ograniczniku przepięć wewnętrzny bezpiecznik termiczny. Przy zainstalowaniu SPD zbudowanym na bazie warystora pomiędzy przewodem fazowym a ziemią przy napięciu znamionowym pojawia się niestety niewielki prąd upływu poniżej lmA, co powoduje pewne małe straty mocy (w skali roku są to jednak zauważalne koszty). Ten prąd upływu oraz kolejne zadziałania ogranicznika pod wpływem przepięć wpływają na proces starzenia się warystora, co objawia się coraz większym prądem upływu, rozgrzewaniem się go i może doprowadzić nawet do tzw.: przebicia warystora (zwarcia). Dlatego zgodnie z normami ograniczniki przepięć wyposażone są w wewnętrzne systemy ochronne i zewnętrzne urządzenia odłączające, które w przypadku wystąpienia usterki zapewniają rozłączenie obwodu i zapobiegają zwarciu w ograniczniku. Prąd upływy warystora może uniemożliwić włączenie się falownika, któy sprawdza napięcie izolacji sieci PV w momencie włączenia.W Niemczech zaleca się kontrolę modułów warystorowych nie rzadziej niż co 4 lata. Należy również sprawdzić SPD po każdym zadziałaniu w wyniku uderzenia pioruna. Pomocnym urządzeniem do stwierdzenia, czy w pobliżu chronionej instalacji uderzył piorun, jest licznik piorunów firmy CITEL typu LSC-A. Jest to proste urządzenie, które rejestruje na ekranie LCD w formie kolejnej liczby wystąpienie wzrostu potencjału ziemi o ponad 0,5kV. Praktyka pokazuje, że ograniczniki warystorowe zainstalowane w chłodnym, suchym miejscu mogą dobrze działać dużo dłużej niż poddane wyższej temperaturze otoczenia – nie wolno instalować ograniczników przepięć w miejscach narażonych na działanie słońca. Ograniczniki przepięć mają zwykle IP20, dlatego instalując je na zewnątrz musimy zainstalować je w specjalnych skrzynkach z minimum IP65, aby chronić je przed wilgocią. Należy też pamiętać, że proces starzenia się warystorów w przypadku prądu stałego przebiega dużo szybciej niż w przypadku prądu przemiennego.W ogranicznikach przepięć do ochrony sieci sygnałowych i teleinformatycznych oraz bezpośredniej ochrony elektroniki stosuje się specjalne diody, zwane supresyjnymi lub lawinowymi, które mają bardzo krótki czas zadziałania, nawet (1 ns, wadą ich jest natomiast słaba odporność na większe prądy udarowe i wyładowcze. Te ograniczniki przepięć, aby mogły zadziałać szybko, instaluje się szeregowo w chronionym torze sygnałowym.
3. Elementy złożone – technologia VG
   Ograniczniki przepięć typu złożonego zawierają elementy zarówno typu ucinającego czyli iskierniki, jak i ograniczającego napięcie takie jak warystory. Mogą one być połączone szeregowo lub równolegle. Przykładem ograniczników złożonych jest opatentowana przez firmę Cl TEL w 2000 roku technologia VG. Jest to szeregowe połączenie specjalnego iskiernika gazowego GSG z wysokowydajnym warystorem. Dzięki temu nie występuje prąd upływu (zapobiega temu iskiernik gazowy), w instalacjach AC nie ma prądu następczego (zapobiega temu warystor), jest też wyjątkowo krótki czas zadziałania — w niektórych przypadkach poniżej 20 ns, w innych poniżej 25 ns. Właśnie ten parametr zapewnia bardzo dobry poziom ochrony.Technologia ta umożliwia budowanie ograniczników typu 1 dla sieci AC o poziomie ochrony poniżej 1,5kV (nazywany przez nas typem 1+2+3, bo przechodzi badania klasy l, Il i III), gdzie przykładowo w aparacie DS250VG dla 1 bieguna dla prądu udarowego o kształcie fali 10/350 ps o wartości 25kA osiągamy poziom ochrony Up poniżej kV. Ten typ może być instalowany zarówno w sieciach na napięcie stałe jak i przemienne.). Ograniczniki dla fotowoltaiki z typoszeregu DS60VGPV typu 1+2 do instalacji DC o napięciu do 1500V oraz DS50VGPV typu 2 do systemów DC o napięciu do 1500V dla instalacji fotowoltaicznych zostały wykonane właśnie w tej technologii. Ze względu na powyższe zalety ograniczniki przepięć w technologii VG uważane są za jedne z najlepszych technicznie SPD na rynku i Cl TEL, jako jedyna firma, udziela na nie standardowo 10 letniej gwarancji liczonej od daty produkcji. Dodatkowym argumentem za wyborem tej technologii są wymagania norm. Zgodnie ze specyfikacją techniczną CLC/TS 50539-12 Aneks A w tabeli A.2.2 jest napisane, że dla instalacji fotowoltaicznych z instalacją odgromową 0 2 zwodach pionowych dla strefy LPLI (do 200kA) wystarczy ogranicznik przepięć o zainstalowanym szeregowo iskierniku gazowym i warystorze na 10kA prądu udarowego na biegun (DS60VGPV ma na biegun) oraz dla strefy LPL3 (100kA) wystarczy 5kA (DS50VGPV-…/10KT1). W tej specyfikacji w tabeli A.2.3 jest napisane, że ograniczniki przepięć o zainstalowanym równolegle iskierniku gazowym i warystorem mają mieć w porównywalnych z powyższymi warunkach 25kA dla strefy LPLI i 101<A dla strefy LPL3. Natomiast w tabeli A.3 tej specyfikacji proponuje się dla farm fotowoltaicznych z instalacją odgromową zastosowanie ograniczników przepięć o budowie szeregowej iskiernika gazowego i warystora na 5kA na biegun (np. DS50VGPV…10KT1) lub ograniczników przepięć o budowie równoległej iskiernika gazowego i warystora na 10kA na biegun. Zastosowanie zgodnie z wytycznymi powyższej normy ograniczników CITEL w technologii VG dzięki możliwości zainstalowania SPD na mniejsze prądy niż w przypadku budowy równoległej daje obok zalet technicznych także istotne oszczędności finansowe.
   
   
   
   Ze względu na ryzyko awarii ograniczników przepięć niezbędne są następujące urządzenia odłączające: Wewnętrzne termiczne urządzenie odłączające (zwane bezpiecznikiem termicznym), które w przypadku wystąpienia usterki odłącza ogranicznik przepięciowy od sieci. Użytkownik zostaje w tym przypadku poinformowany przez miejscowy (pojawienie się czerwonej klapki w okienku ogranicznika PV) i ewentualnie zdalny układ sygnalizacji błędów ogranicznika o konieczności wymiany określonego modułu ochronnego, w przypadku sieci AC zewnętrzne elektryczne urządzenie odłączające, najczęściej bezpiecznik topikowy albo wyłącznik nadprądowy, które odłączają ogranicznik przepięciowy od sieci w przypadku wystąpienia zwarcia. W celu zapewnienia prawidłowego działania układu, parametry urządzeń odłączających muszą być dostosowane do parametrów ogranicznika. Firma CITEL podaje w swojej dokumentacji wartość wkładek topikowych i wyłączników nadprądowych, które mają dobezpieczać SPD wykonane w technologii warystorowej w sieciach AC. Ograniczniki przepięć w technologii VG nie wymagają dobezpieczenia wkładką topikową, jeżeli przewidywany prąd zwarciowy jest mniejszy od podanej przez producenta wytrzymałości zwarciowej SPD, gdyż zainstalowany szeregowo iskiernik gazowy w czasie normalnej pracy sieci stanowi wystarczającą przerwę w obwodzie. W instalacjach PV ze względu na niewiele wyższą wartość prądu zwarciowego od prądu znamionowego (zwykle 10-20%) nie stosuje się dobezpieczeń SPD wkładkami topikowymi.  

Zalety technologii VG

1.  Iskierniki gazowe (GSG)
W ogranicznikach przepięć firma CITEL stosuje specjalne iskierniki gazowe (GSG). Są to kluczowe elementy będące wynikiem 80 lat doświadczeń.
⇒ Podwyższona skuteczność działania

2 .Najniższy poziom ochrony przy najwyższych prądach udarowych
Iskierniki gazowe (GSG) mogą odprowadzać bardzo wysokie prądy udarowe i wyładowcze (limp max przy zachowaniu niskiego poziomu napięcia ochrony (u p). Ogranicznik kombinowany typu 1+2+3 (np. DS250VG na prąd udarowy: 25kA na biegun ma poziom ochrony poniżej 1,1kV).    ⇒ Maksymalna skuteczność

3.  Podwyższona wytrzymałość TOV
Ograniczniki przepięć VG wytrzymują bardzo wysokie wartości przepięć dorywczych TOV (Temporary Overvoltage) ze względu na zainstalowany szeregowo iskiernik gazowy
⇒ Podwyższona niezawodność w niestabilnych sieciach

4.  Brak prądu następczego (prądu zwarcia)
W przeciwieństwie do innych technologii stosowanych w ogranicznikach przepięć, technologia VG zapewnia brak prądu następczego (prądu zwarciowego) w sieciach AC.
⇒ Poprawienie jakości prądu w sieci

5.  Niezawodność
Wszystkie komponenty ograniczników przepięć w technologii VG są tak stworzone, żeby odprowadzać wysokie prądy udarowe, bez żadnych dodatkowych systemów elementów pomocniczych. ⇒  Podwyższona niezawodność ⇒ Długa żywotność

6.  Niezawodna sygnalizacja stanu ogranicznika
Ograniczniki przepięć w technologii VG dysponują niezawodnym systemem rozłączania, który dostarcza informacje o stanie wewnętrznych komponentów w czasie rzeczywistym.
⇒  Uproszczona konserwacja i serwis

7.  Trwałość i brak procesu starzenia się
Warystor zainstalowany samodzielnie w ogranicznikach przepięć podczas normalnej pracy przewodzi mały prąd. Ten prąd to suma prądu roboczego I i prądu upływu Ipe i wynika z połączenia warystora z systemem uziemienia. Prąd ten, szczególnie w systemach prądu stałego, obciąża znacznie warystor i powoduje przedwczesne starzenie się tego elementu. W technologii VG szeregowo połączony z warystorem iskiernik gazowy zapobiega płynięciu prądu upływu.CITEL jako jedyna firma na rynku udziela 10 lat gwarancji od daty produkcji na ograniczniki przepięć w technologii VG. ⇒  Maksymalna żywotność

8. Brak elementów odpsrzęgających
Ograniczniki przepięć wykonane w technologii VG nie wymagają stosowania dodatkowych elementów odsprzęgających. Wynika to z zapewnionego bardzo dobrego poziomu ochrony U do jakiego sprowadzane jest przepięcie. ⇒ Łatwe w zastosowaniu

Ochrona instalacji PV przed skutkami przepięć

Instalacja fotowoltaiczna ze względu na swoją konstrukcję i usytuowanie jest poważnie narażona na przepięcia powstałe w wyniku bezpośredniego uderzenia pioruna, jak też na uszkodzenia w wyniku indukowanych przepięć spowodowanych przez pobliskie wyładowania atmosferyczne. W celu ochrony drogich urządzeń, przede wszystkim falowników DC/AC i modułów fotowoltaicznych oraz uniknięcia kosztów napraw i przestojów, stosuje się w zakresie ochrony przed skutkami przepięć specjalne ograniczniki przepięć PV na prąd DC. Dodatkowym argumentem za stosowaniem ograniczników przepięć zgodnie z normami są kwestie związane z polityką firm ubezpieczeniowych.

W Polsce nie ma jeszcze jednolitej polityki w tym zakresie: niektóre firmy ubezpieczeniowe nie zauważają problemu, inne wyłączają swoją odpowiedzialność w przypadku wystąpienia uszkodzeń spowodowanych przez przepięcia lub też ograniczają swoją odpowiedzialność do stosunkowo niewielkiej kwoty. Ponadto prawie wszystkie firmy ubezpieczeniowe na świecie stosują pewną dość racjonalną politykę — ubezpieczają przedmiot ubezpieczenia zgodnie z życzeniem ubezpieczającego, pobierają składki, natomiast dopiero w przypadku wystąpienia szkody sprawdzają, czy ze strony ubezpieczającego zostały dochowane wszystkie warunki formalne. W odniesieniu do instalacji PV zwykle jednym z wymogów jest wykonanie jej zgodnie z normami — błędy, brak odpowiednich zabezpieczeń itp. skutkuje często odmową wypłaty odszkodowania. Ponieważ w wyniku uderzenia pioruna niewłaściwie chroniona instalacja PV może w ciągu sekundy ulec bardzo poważnym uszkodzeniom i strata właściciela może wynieść ponad połowę jej wartości, dlatego zarówno projektanci jak i instalatorzy powinni zachować w zakresie swojej pracy daleko posuniętą ostrożność i sumienność.

Ogólnie zaleca się, aby każda instalacja PV była zabezpieczona przed przepięciami, a jeżeli w normach występują czasami jakieś wyjątki w tym zakresie, to należy wtedy bardzo dokładnie to policzyć i przygotować odpowiednią dokumentację.

Dobór ograniczników przepięć PV

Obecnie na rynku mamy 3 rodzaje modułów PV: polikrystaliczne, monokrystaliczne i cienkowarstwowe. Najpopularniejsze są moduły polikrystaliczne, na drugim miejscu są lepsze technicznie, ale jeszcze trochę droższe monokrystaliczne — wg aktualnych ocen ekspertów te 2 typy stanowią dziewięćdziesiąt kilka procent rynku i dlatego w niniejszych informacjach technicznych podawane są zalecenia dla tych dwóch wykonań.

Pojedyncze moduły fotowoltaiczne wytwarzają prąd stały o wartości najczęściej 8-9A przy stosunkowo niewielkim napięciu rzędu 37-40V DC, dając w efekcie moc ok. 250-300W, chociaż na rynku są już wykonania o mocy ponad 330W. Łącząc je szeregowo w tzw. łańcuch PV podnosimy napięcie do wartości kilkuset woltów DC, a czasem nawet więcej, gdyż na rynku są dostępne falowniki PV do 1250 V DC — należy przy tym pamiętać, że do budowy instalacji powyżej 1000V DC potrzebne są uprawnienia elektryczne na średnie napięcie. Dla falowników PV o większych mocach łączymy także równolegle łańcuchy i wówczas mamy większe prądy DC — stosuje się wtedy zabezpieczenia wkładkami topikowymi gPV, o czym można się dowiedzieć w dalszej części tego katalogu.

Każdy producent modułów PV (norma PN_EN 61730-2) i falowników PV (norma PN-EN 62109-1) powinien podać wytrzymałość swoich urządzeń na przepięcia, Jeżeli nie możemy znaleźć tej informacji, to zakładając zgodność tych urządzeń z normami możemy się pomocniczo posłużyć tabelą z pkt. 9.2.2.3 specyfikacji technicznej CLC/TS 50539-12 w wersji z roku 2013, która podaje, że moduły PV pracujące przy napięciu Uoc do 600V DC powinny wytrzymywać przepięcia do 4000V a falowniki 2500V DC, a dla wartości napięcia pracy pomiędzy 600 i 850V DC moduły PV powinny wytrzymać nawet 4000 lub 5000V DC a falowniki 4000V DC.

Do ochrony instalacji PV konstruuje się specjalne ograniczniki przepięć, zwykle są one dostosowane do napięć znamionowych w zakresie od 500 do 1500V DC, najczęściej są to wykonania na 500, 600, 800 i 1000V DC. Firma Cl TEL ma też wiele innych wykonań ograniczników przepięć, niektóre z nich znajdują się w niniejszym katalogu Przy właściwym montażu i ich uziemieniu w zależności od napięcia pracy zapewniają one zwykle poziom ochrony na poziomie 2-3,6kV. Do uziemienia ograniczników przepięć typu 1+2 należy stosować przewód miedziany PEN o przekroju minimum 16mm ² , a dla typu 2 minimum 6 mm ² , jednak dla zapewniania jak najlepszej ochrony firma Cl TEL zaleca stosować zawsze jak najgrubszy przewód uziemiający. żeby ogranicznik przepięć zapewniał deklarowany poziom ochrony, zgodnie z normą PN-HD 60364-5-534 pkt. 534.2.9 suma długości przewodów od przewodu fazowego do ogranicznika i przewodu PEN od ogranicznika do szyny uziemienia nie powinno przekraczać 50 cm, a w żadnym przypadku 1 m.

Jeżeli zastosujemy połączenie przewodu fazowego w sposób „V” z ogranicznikiem przepięć tzn.: przewód fazowy wchodzi i wychodzi z 1 zacisku SPD (oba przewody są np.: zaciśnięte w specjalnej tulejce), to wówczas dla takiego typu połączenia przyjmujemy wartość 0 cm i wówczas przewód PEN może mieć do 50 cm długości. Tego typu rozwiązanie możemy stosować, jeśli umożliwia to zacisk w SPD oraz prąd znamionowy nie będzie zbyt duży. Podłączenie zbyt długiego przewodu PEN jest jednym z najczęstszych błędów popełnianych przez instalatorów. Dodatkowy 1 metr przewodu PEN podnosi zapisany w katalogu poziom ochrony SPD o ponad 1000V, co z jednej strony może spowodować uszkodzenie chronionego urządzenia np.: falownika, z drugiej zaś strony może uszkodzić ogranicznik przepięć.

Bardzo ważny jest właściwy dobór ogranicznika do napięcia DC występującego w sieci fotowoltaicznej. Wytwarzane napięcie przez panele fotowoltaiczne, które jest podawane w dokumentacji technicznej, zwykle odnosi się do temperatury +25 ⁰C, w przypadku pracy w zimie należy zastosować odpowiednie współczynniki korekcyjne, gdyż przy temperaturze – 20 ⁰C napięcie może być o ok. 20% wyższe. Przy doborze właściwego napięcia pracy ogranicznika przepięć PV zaleca się, aby był 0 10-20% wyższy od maksymalnego napięcia, jakie może się pojawić w instalacji PV, biorąc pod uwagę temperaturę pracy.

Prąd pracy instalacji PV dla ogranicznika przepięć PV jest zwykle mniej istotny, ale należy tu zwrócić uwagę na sytuację, gdy łączymy równolegle wiele łańcuchów PV. Zwykle prąd pracy i potencjalny prąd zwarciowy z 1 łańcucha wynosi poniżej IOA, większość ograniczników przepięć PV firmy Cl TEL może wytrzymywać prądy zwarciowe do 15000 lub 1000A, ale są wyjątki w zakresie najtańszych wykonań warystorowych i istnieją ograniczniki przepięć tylko do 70A.

Przy doborze ograniczników przepięć PV typu 1+2 pod względem wytrzymałości na prąd udarowy możemy np.: korzystać z aneksu A do specyfikacji technicznej CLC/TS 50539-12:2013, o czym było wspomniane powyżej. W zakresie ograniczników przepięć Cl TEL zalecamy stosowanie przede wszystkim ograniczników przepięć serii DS60VGPV na 12,5kA prądu udarowego na biegun i 25kA prądu udarowego całkowitego. Jeżeli wg wyliczeń i istniejących warunków technicznych wystarczy 5kA prądu udarowego na biegun i 10kA prądu udarowego całkowitego w technologii szeregowego połączenia iskiernika gazowego i warystora, to polecamy ograniczniki przepięć DS50VGPV-…G/10KT1. Jeżeli z wyliczeń wynika, że prądy udarowe będą mniejsze (np.: dzięki zastosowaniu większej ilości zwodów pionowych) lub chcemy dla bezpieczeństwa zastosować ogranicznik typu 1+2 zamiast typu 2, to polecamy wykonania 2 warystorów z jednym iskiernikiem np. DS50PV-G/12KT1 (6,25kA na biegun i 12,5kA razem) lub DS50PV-G/10KT1 (5kA prądu udarowego na biegun i 10kA razem). W ofercie znajdują się również wykonania na samych warystorach np. DSIOOPV na prąd udarowy 8kA na biegun, ale przy konstrukcji typu Y z 3 warystorów jest pewien problem — w przypadku przepięcia środkowy wspólny biegun nie wytrzyma prądu z 2 biegunów po 8kA, gdyż sam jest też na 8kA. Oznacza to, że tego typu konstrukcja umożliwia bez uszkodzenia odprowadzenie zaledwie 4kA na biegun, a nie 8kA na biegun. Ta sama zasada dotyczy budowy ograniczników przepięć typu 2 na bazie 3 warystorów, ale nie dotyczy ograniczników o budowie 2 zamiast 3 modułów oraz technologii VG i budowie 2 warystory + 1 iskiernik gazowy.

W przypadku, gdy jest instalacja odgromowa i gdy przy projektowaniu nie udało się zachować właściwych odstępów pomiędzy instalacją odgromową a instalacją fotowoltaiczną (co wynika z wyliczeń) lub np.: instalacja fotowoltaiczna jest zainstalowana na dachu pokrytym metalową dachówką, to wówczas należy koniecznie zastosować ograniczniki typu 1+2, jak też należy połączyć celem wyrównania potencjałów elementy zewnętrznej instalacji odgromowej z konstrukcją nośną i ramami instalacji PV. Do łączenia ekwipotencjalnego należy zastosować przewody o przekroju 6 mm ² . W instalacji domowej należy wówczas także po stronie AC falownika PV zastosować ograniczniki na prąd przemienny typu 1+2 lub 1+2+3. Jeżeli wyliczenie wartości prądu udarowego, jaki może pojawić się w instalacji elektrycznej jest trudne, to zgodnie ze specyfikacją techniczną CLC/TS 61643-12 pkt. 6.2.1.3 należy zastosować ogranicznik przepięć na prąd udarowy minimum 12,5kA limp na biegun.

Tego typu ogranicznik powinien ochronić instalację w minimum 95% przypadków, co wg oceny ryzyka zgodnie z normą PN-EN 62305-2 dla domów jednorodzinnych jest zwykle wystarczającym parametrem, natomiast dla lepszej ochrony np.: budynków użyteczności publicznej lub kosztownych urządzeń zaleca się zastosowanie ograniczników przepięć na prądy udarowe 25kA na biegun, jak np. DS254VG.

Jeżeli zostały zachowane właściwe odległości między instalacją odgromową, a fotowoltaiczną, to możemy wówczas po stronie DC jako minimum zastosować ograniczniki przepięć typu 2, czyli DS50VGPV lub DS50PV. Podobnie w sytuacji, gdy nie ma instalacji odgromowej, możemy zastosować jako minimum ogranicznik przepięć typu 2. Jeżeli w budynku jest instalacja odgromowa, to zawsze w rozdzielnicy głównej AC musi zostać zastosowany ogranicznik przepięć typu 1+2.

Istotnym zagadnieniem jest miejsce usytuowania ogranicznika przepięć — powinien on znajdować się w pobliżu chronionego urządzenia/obiektu – w przypadku instalacji PV są to moduły fotowoltaiczne oraz falownik. Jeżeli długość przewodu pomiędzy modułami fotowoltaicznymi a falownikiem DC/AC nie przekracza 10 metrów, to wystarczy zainstalować 1 ogranicznik w każdym łańcuchu jak najbliżej urządzenia, które ma niższą wytrzymałość na przepięcia. Zwykle jest to falownik DC/AC zawierający dużo elektroniki, ale od tej zasady mogą być wyjątki. Należy sprawdzić zawsze dane techniczne podawane przez producentów falowników i modułów PV. Jeżeli natomiast długość kabla jest większa niż 10 metrów, to przy modułach PV instalujemy jeden ogranicznik typu 1+2 lub 2 w zależności od wyliczeń oraz drugi ogranicznik, zwykle tego samego typu w pobliżu falownika PV. Przykład właściwego zainstalowania ograniczników przepięć w takim przypadku jest wskazany na poniższym schemacie.

Ograniczniki przepięć mają zwykle stopień ochrony IP20 i w przypadku ich instalacji na zewnątrz należy to zrobić w skrzynce o stopniu ochrony minimum IP65, gdyż wilgoć źle wpływa na warystory. Samą skrzynkę należy koniecznie umieścić w ocienionym i jak najchłodniejszym miejscu. Natomiast jeżeli dodatkowo w skrzynce zostanie zainstalowany rozłącznik, a dodatkowo wkładki topikowe gPV w podstawach rozłączalnych, to wówczas koniecznie trzeba wziąć pod uwagę straty mocy generowane przez te aparaty. Przykładowo zabezpieczenie 3 połączonych równolegle łańcuchów PV wymaga 6 wkładek 10×38 gPV i podstaw do nich, co w sumie generuje straty mocy ok. 20W. Jeżeli skrzynka będzie miały wysoki stopień ochrony IP, to wytwarzane ciepło będzie miało trudności z wydostaniem się poza obudowę i będzie się kumulować wewnątrz skrzynki. Co może powodować przyspieszone starzenie się warystorów w ogranicznikach przepięć.

Niektóre falowniki umożliwiają zamontowanie ograniczników przepięć w ich wnętrzu — tutaj należy zwrócić uwagę na wymiary ograniczników przepięć, szczególnie w zakresie ich głębokości, czy się zmieszczą w przeznaczonym dla nich miejscu. Niektóre falowniki dostępne na rynku mają zainstalowane fabrycznie ograniczniki przepięć, zwykle tylko typu 2 — tutaj istotne są parametry tych ograniczników, gdyż niektórzy producenci oferują słabe technicznie ale za to tanie wyroby, inni zaś dobre, ale czasem zdecydowanie droższe od ich ceny rynkowej.

Należy pamiętać też o zainstalowaniu ograniczników po stronie AC falownika chroniącymi przed przepięciami łączeniowymi lub skutkami uderzeń pioruna od strony np.: napowietrznych przewodów nn. W zależności od warunków technicznych, obliczonego ryzyka oraz sytuacji finansowej klienta jest wiele możliwych rozwiązań. Jeżeli potrzebny jest ogranicznik typu 1 to nasza firma zaleca przede wszystkim ogranicznik kombinowany typu 1+2+3 0 budowie iskiernikowo-warystorowej np. DS250VG, który wytrzymuje prądy udarowe 10/350 ps do 25kA na biegun i zapewnia poziom ochrony KV czy DS130VG na prądy udarowe 12,5kA na biegun z poziomem ochrony <0,9kV, albo tańsze rozwiązanie jakim są ograniczniki o budowie warystorowej np. DS134R na prądy 12,5kA na biegun lub DS104R na prądy 8kA na biegun. Jeżeli wystarczy ogranicznik przepięć typu 2 to można polecić DS44VG typu 2+3 0 budowie iskiernikowo-warystorowej lub DS44R typu 2 – warystorowy, lub też ogranicznik 4-bieg. DS440 0 szerokości całkowitej 36 mm. Ostatnim istotnym elementem ochrony jest w przypadku falowników wyposażonych w zdalne sterowanie zabezpieczenie przewodów telekomunikacyjnych i sterowniczych specjalnymi ogranicznikami przepięć np. DLA… lub DLU… — jest tu bardzo dużo wykonań w zależności od napięcia (6, 12, 24V DC itd.) i systemu transmisji danych (RS485, RS422 itd.). Dodatkowo często producenci falowników zalecają zabezpieczenie go od strony AC wyłącznikiem nadprądowym o charakterystyce B lub C i wyłącznikiem różnicowo-prądowym o prądzie różnicowym 100mA lub rzadziej 30mA. Warto też pamiętać o zabezpieczeniu ogranicznikami przepięć komputera sterującego/serwera oraz np.: kamer monitoringu przy farmach PV — w tej dziedzinie firma Cl TEL oferuje bardzo szeroką paletę produktów dedykowanych dla kamer cyfrowych i analogowych.

Trwałość i gwarancja

Ograniczniki przepięć typu 1+2 dla fotowoltaiki powinny być zbudowane na bazie iskierników gazowych, ponieważ ta technologia umożliwia dużo lepsze odprowadzanie prądów udarowych niż same warystory. Ponadto zastosowanie iskierników gazowych lub technologii VG, które przy napięciu znamionowym pracy sieci mają bardzo dużą impedancję, zapobiega płynięciu prądu upływu (pomiędzy biegunami + i – a ziemią) oraz prądu roboczego (przepływ prądu pomiędzy biegunami + i biegunami – ), które pojawiają się w ogranicznikach przepięć zbudowanych na bazie warystorów. W przypadku SPD typu 2 zbudowanych na bazie warystorów występuje przepływ początkowo małego, ale z czasem coraz większego prądu upływu pomiędzy biegunami dodatnim oraz ujemnym, a ziemią. Ten prąd początkowo ma małą wartość np. w ogranicznikach CITEL lmA, z czasem staje się coraz większy i po latach może doprowadzić do uszkodzenia warystora na skutek procesu starzenia się. Proces ten przyśpiesza zwykle wysoka temperatura i wilgotność, dlatego nie należy instalować skrzynek z ogranicznikami przepięć w miejscach wystawionych bezpośrednio na działanie promieni słonecznych.

Taki prąd występuje również w przypadku prądu przemiennego, ale w obwodach prądu stałego jego szkodliwe oddziaływanie na warystor jest wielokrotnie większe. Można temu zapobiec stosując ograniczniki przepięć 3-modułowe o połączeniach typu „Y”, gdzie w środkowym wspólnym module zostaje zastosowany iskiernik gazowy uniemożliwiający przepływ prądu upływu, jak np. w ograniczniku typu DS50PVS-1000G/51 firmy CITEL. Ograniczniki przepięć firmy CITEL wykonane w technologii VG, zarówno typu 1+2 jak i 2, są wolne zarówno od prądu upływu, prądu roboczego jak i prądu następczego. Ich dalsze zalety to krótki czas zadziałania – poniżej 25 ns oraz gwarancja 10 lat liczona od daty produkcji. W przypadku ograniczników dla fotowoltaiki o połączeniach typu „Y” ze wspólnym iskiernikiem gazowym firma CITEL udziela 5 lat gwarancji liczonej od daty sprzedaży, natomiast na SPD wykonane wyłącznie w technologii warystorowej gwarancja wynosi tylko 2 lata.

Ochrona układów PV oraz ograniczników przepięć przed skutkami zwarcia

Najtańszym, ale technicznie stosunkowo słabym rozwiązaniem są 2-modułowe ograniczniki przepięć dla fotowoltaiki do zabezpieczania biegunów dodatniego i ujemnego, pokazanym poniżej na schemacie

Podczas normalnej pracy sieci występuje napięcie 500V DC na biegunie dodatnim i 500V DC na biegunie ujemnym, a sumaryczne napięcie wyjściowe generatora wynosi 1000V. Moduły w ograniczniku przepięć są dobrane do takiego właśnie napięcia znamionowego – 500V DC. W przypadku zwarcia np. w wyniku uszkodzenia izolacji kabla, na biegunie, gdzie wystąpiło zwarcie, pojawi się napięcie OV, a na drugim natomiast 1000V DC. Ponieważ moduł SPD był dobrany do napięcia 500V, a nie 1000V DC, nastąpi trwałe uszkodzenie tego ogranicznika. Można tego uniknąć, jeżeli zastosujemy wykonanie 3-biegunowe w układzie połączeń „Y”, gdyż trzeci dodatkowy moduł podłączony szeregowo względem uziemienia również jest na 500V DC, czyli w sumie SPD wytrzyma wzrost napięcia 1000V DC, zostało to pokazane na schemacie nr 2. Wadą rozwiązania 2-polowego oraz 3-polowego ze wspólnym warystorem jest występowanie prądu upływu i prądu roboczego. Jeżeli zamiast warystora we wspólnym module zastosujemy iskiernik gazowy, to wówczas nie wystąpi prąd upływu, jedynie prąd roboczy, czyli przepływ niewielkiego, a jednak szkodliwego prądu między biegunem dodatnim i ujemnym.

Ochrona PV na 3 warystorach (układ Y)

Ochrona PV na 2 warystorach i iskierniku gazowym (układ Y)

Optymalnym rozwiązaniem jest technologia VG przedstawiona na schemacie poniżej, gdyż iskierniki gazowe zapobiegają powstaniu zarówno prądu upływu jak i prądu roboczego.

Przykłady ograniczników przepięć firmy CITEL, o których wspomniano powżej:

Przykłady schematów instalacji fotowoltaicznych

Schemat nr 1

Ponieważ falownik PV jest wyposażony w wyłącznik, dlatego ze względów oszczędnościowych zrezygnowano z rozłącznika w skrzynce połączeniowej PV (typ IBC-I firmy Jean Mueller Polska) — po wyłączeniu falownika instalacja PV jest pod napięciem, ale nie jest obciążona, dlatego można rozłączyć przewody PV przez wyjęcie wtyczki przewodu z gniazda MC4 w skrzynce. Po stronie AC falownika znajduje się skrzynka połączeniowa AC firmy Jean Mueller Polska z 3 polowym wyłącznikiem nadprądowym, 4 polowym wyłącznikiem różnicowoprądowym 40/0,1A oraz 4 polowym ogranicznikiem przepięć AC typu DS134 firmy Cl TEL na 12,5kA prądu udarowego na biegun. Producent falownika powinien zalecić wartość prądu w wyłączniku nadprądowym (w małych falownikach najczęściej jest to 16, 20 lub 25A) oraz charakterystykę (B lub C), jak też parametry wyłącznika różnicowoprądowego (prąd różnicowy 0,1 lub 0,03A), natomiast rodzaj ogranicznika przepięć jest uzależniony od wyliczeń ryzyka i typu zastosowanego po stronie PV.

Więcej schematów w AUTO-CAD i PDF do swobodnego wykorzystania przez projektantów na stronie www.jeanmueller.pl w katalogu Zabezpieczenie fotowoltaiki

Schemat nr 2

Jest to przykład instalacji PV składającej się z 2 łańcuchów PV i falownika DC/AC wyposażonego w 2 pary wejść i 1 wyjście 3 fazowe. Ten system został umieszczony na ceramicznym dachu lub na polu i z wyliczeń oceny ryzyka wynika, że nie trzeba wybudować instalacji odgromowej, dlatego zostały zastosowane ograniczniki przepięć typu 2, zarówno po stronie DC, jak i AC.

W skrzynce połączeniowej zastosowano 2 ograniczniki przepięć typu 2. Po stronie AC falownika znajduje się skrzynka połączeniowa AC firmy JEAN MUELLER Polska z 4 polowym ogranicznikiem przepięć typu 2 (DS44 firmy Cl TEL) oraz inne elementy, jak opisane na poprzedniej stronie.

Po stronie AC świadomie zrezygnowano z wyłącznika różnicowoprądowego — wg normy PN-HD 60364-7-712 pkt. 712.413.1.1.1.2 jeżeli falownik ze względu na swoją budowę uniemożliwia przepływ prądu zwarcia DC do instalacji elektrycznej AC, to można zrezygnować z wyłącznika różnicowoprądowego.

Więcej schematów w AUTO-CAD i PDF do swobodnego wykorzystania przez projektantów na stronie www.jeanmueller.pl w katalogu Zabezpieczenie fotowoltaiki

Schemat nr 3

Jest to przykład instalacji PV składającej się z 3 łańcuchów PV i falownika DC/AC wyposażonego w 2 pary wejść i 1 wyjście 3 fazowe. W tym przypadku zostały połączone równolegle 3 łańcuchy PV i dlatego w skrzynce połączeniowej PV zostały zastosowane 3 podwójne podstawy rozłączalne dla wkładek topikowych 10×38 o charakterystyce gPV. Nie zastosowano tu rozłącznika DC, a więc należy najpierw wyłączyć falownik, a dopiero później można np. otwierać podstawy. Zastosowano ogranicznik typu 1+2 w technologii VG (szeregowo połączony iskiernik gazowy i warystor) — przy połączeniach równoległych kilku łańcuchów zalecamy stosowanie ograniczników iskiernikowych, szczególnie gdy łańcuchy PV nie są umieszczone obok siebie, gdyż suma i czas prądów udarowych z 3 połączonych równolegle łańcuchów PV jest odmienna, niż w przypadku 1 łańcucha i ograniczniki warystorowe mogą okazać się niewy-starczające.

Więcej schematów w AUTO-CAD i PDF do swobodnego wykorzystania przez projektantów na stronie www.jeanmueller.pl w katalogu Zabezpieczenie fotowoltaiki

Zabezpieczenie instalacji fotowoltaicznej na dachu budynku

1. Jeżeli budynek jest wyposażony w instalację odgromową (LPS), to jako zasadę przyjmujemy takie usytuowanie instalacji PV, aby z każdej jej strony odstęp między krawędzią metalowej konstrukcji wsporczej modułu a najbliższym zwodem był większy od odstępu izolacyjnego bezpiecznego s — wyznaczanego według zaleceń normy PN-EN 62305-3. W takim przypadku konstrukcję wsporczą modułu należy łączyć przewodem wyrównawczym bezpośrednim z główną szyną wyrównania potencjału w budynku. Taką instalację fotowoltaiczną chronimy przy pomocy ograniczników przepięć typu 2 czyli dobieramy ograniczniki z typoszeregu DS50… firmy CITEL.
   
2. Jeżeli ze względów technicznych nie możemy zapewnić odpowiednio dużych odstępów pomiędzy instalacjami fotowoltaiczną i odgromową (np. na dachu krytym blacho-dachówką, w obiekcie budowlanym o konstrukcji stalowej lub gdy cały dach został całkowicie pokryty modułami PV), to w takim przypadku musimy połączyć konstrukcję wsporczą modułów PV z najbliższymi zwodami. Przy czym tutaj nadal obowiązuje zasada takiego zaprojektowania LPS, aby system modułów PV znajdował się w jego strefie ochronnej — czyli należy wykluczyć również i tutaj możliwość bezpośredniego wyładowania piorunowego w moduł PV. W takim przypadku dobieramy do ochrony instalacji fotowoltaicznej ograniczniki przepięć typu 1+2 z typoszeregu DS60VGPV… firmy Cl TEL.
   
3. Ostatni możliwy przypadek instalowania modułów PV na dachu budynku, to obiekt, dla którego nie przewidujemy konieczności ochrony odgromowej, co jest uzasadnione wynikami odpowiedniej analizy ryzyka szkód piorunowych przeprowadzonych według normy PN-EN 62305-2. Należy w takim układzie dokonać ekwipotencjalizacji systemu PV, czyli połączyć przewodem wyrównawczym bezpośrednim konstrukcję wsporczą modułu PV z główną szyną wyrównania potencjału w budynku. Norma mówi, że w takim przypadku na leży zastosować minimum ogranicznik typu 2 czyli DS50…, ale trzeba mieć świadomość, że istnieje jednak pewne niebezpieczeństwo bezpośredniego uderzenia pioruna, dlatego wskazane byłoby jednak zastosowanie ograniczników typu 1+2, czyli DS60VGPV.
4. Jeżeli odległość między modułami PV, a falownikiem PV przekracza 10 m, to ograniczniki wskazane pkt 1-3 należy zainstalować na każdym łańcuchu jak najbliżej modułów fotowoltaicznych, natomiast obok falownika po stronie DC należy zainstalować dodatkowo ogranicznik typu 1+2 czyli DS60VGPV lub typu 2 czyli DS50…, jak też po stronie AC powinien być zainstalowany ogranicznik typu 1+2 lub 2 na prąd przemienny. Jeżeli budynek ma instalację odgromową, to niezależnie od wskazanych powyżej ograniczników należy w rozdzielnicy głównej zgodnie z zasadami ochrony odgromowej mieć zainstalowany ogranicznik przepięć typu 1+2 (poziom ochrony poniżej 2,5kV), jak np. DS134VG lub DS134R.
   
5. Jeżeli w instalacji nie mamy połączonych równolegle więcej niż 2 łańcuchów modułów PV, to nie musimy stosować zabezpieczeń przetężeniowych.
   
6. Ze względu na charakter budynków i dużą eksponowaną powierzchnię dachu budynki takie powinny być wyposażone w instalację odgromową. Tutaj także należy pamiętać o takim usytuowaniu instalacji PV, aby z każdej jej strony odstęp między krawędzią metalowej konstrukcji wsporczej modułu, a najbliższym zwodem był większy od odstępu izolacyjnego bezpiecznego s — wyznaczanego według zaleceń normy PN-EN 62305-3. W takim przypadku konstrukcję wsporczą modułu należy łączyć przewodem wyrównawczym bezpośrednim z lokalną lub główną szyną wyrównania potencjału w budynku. Trzeba też pamiętać o unikaniu krzyżowania się oraz prowadzeniu równoległym w małej odległości instalacji odgromowej i fotowoltaicznej, co zostało omówione wcześniej w niniejszym opracowaniu. Taką instalację fotowoltaiczną chronimy przy pomocy ograniczników przepięć typu 2 czyli dobieramy ograniczniki z typoszeregu DS50… firmy Cl TEL.
   
7. Jeżeli jednak ze względów technicznych nie możemy zapewnić odpowiednio dużych odstępów pomiędzy instalacjami fotowoltaiczną i odgromową (np. na dachu krytym blacho-dachówką, w obiekcie budowlanym o konstrukcji stalowej lub gdy cały dach został całkowicie pokryty modułami PV), to w takim przypadku musimy połączyć konstrukcję wsporczą modułów PV z najbliższymi zwodami. Przy czym tutaj nadal obowiązuje zasada takiego zaprojektowania LPS, aby system modułów PV znajdował się w jego strefie ochronnej — czyli należy wykluczyć również i tutaj możliwość bezpośredniego wyładowania piorunowego w moduł PV. W takim przypadku dobieramy do ochrony instalacji fotowoltaicznej ograniczniki przepięć typu 1+2 z typoszeregu DS60VGPV… firmy Cl TEL.
   |
8. Przy instalacjach PV na rozległych dachach mamy często również dodatkowe instalacje sygnałowe i telekomunikacyjne. W tych sieciach również mogą zaindukować się przepięcia w wyniku pobliskiego uderzenia pioruna. Sieci te są zwykle bardzo czułe na przepięcia, gdyż najczęściej działają one przy napięciu kilku lub kilkunastu woltów DC. W tym przypadku należy zastosować odpowiednie ograniczniki przepięć działające bardzo szybko np. typu DLA lub DLU firmy CI TEL. Do ochrony sieci komputerowej przed przepięciami zalecamy ograniczniki typu MJ8.
   
9. Jeżeli odległość między modułami PV, a falownikiem PV przekracza 10 m, a przy rozległych instalacjach występuje to prawie zawsze, to ograniczniki wskazane pkt 1-3 należy zainstalować na każdym łańcuchu jak najbliżej modułów fotowoltaicznych, natomiast obok falownika po stronie DC należy zainstalować dodatkowo ogranicznik typu 1+2 czyli DS60VGPV lub typu 2 czyli DS50…, jak też po stronie AC powinien być zainstalowany ogranicznik typu 2 na prąd przemienny. Jeżeli budynek ma instalację odgromową, to niezależnie od wskazanych powyżej ograniczników należy w rozdzielnicy głównej zgodnie z zasadami ochrony odgromowej mieć zainstalowany ogranicznik przepięć typu 1+2, jak np. DS254, DS134VG lub DS134R.

Zabezpieczenie instalacji fotowoltaicznej fotowoltaicznej na farmach PV

1. Ze względu na duży obszar zajmowany przez instalacje PV (można przyjąć, że np. instalacja o mocy 1 MW zajmuje 1-2 hektary w zależności od ukształtowania terenu) są one bardzo narażone na bezpośrednie i pośrednie skutki uderzeń piorunów. W zależności od oceny ryzyka wg normy PN-EN 62305-2 oraz decyzji projektanta i inwestora buduje się instalację odgromową lub się z niej rezygnuje. Budując instalację odgromową trzeba pamiętać o unikaniu krzyżowania się oraz zachowaniu właściwych odległości pomiędzy instalacją odgromową i fotowoltaiczną, co zostało omówione wcześniej w niniejszym opracowaniu. Taką instalację fotowoltaiczną chronimy najlepiej przy pomocy ograniczników przepięć typu 1+2 czyli dobieramy ograniczniki z typoszeregu DS60 lub DS50VGPV-1000/10KT1 firmy Cl TEL do ochrony każdego łańcucha PV.
2. Jeżeli nie przewidujemy konieczności ochrony odgromowej, co jest uzasadnione wynikami odpowiedniej analizy ryzyka szkód piorunowych przeprowadzonych według normy PN-EN 62305-2 lub podejmujemy taką decyzję w celu obniżenia kosztów, to wówczas musimy przemyśleć temat zabezpieczenia tej instalacji ogranicznikami przepięć. Norma mówi, że w przypadku braku konieczności ochrony odgromowej należy zastosować minimum ogranicznik typu 2 czyli np. DS50… firmy Cl TEL, ale trzeba mieć Świadomość, że istnieje jednak pewne niebezpieczeństwo bezpośredniego uderzenia pioruna, dlatego wskazane byłoby jednak zastosowanie ograniczników typu 1+2 czyli np. DS60VGPV. Takie inwestycje budowane są często na kredyt i trzeba uważać, gdyż niektóre towarzystwa ubezpieczeniowe wyłączają lub mocno ograniczają swoją odpowiedzialność za szkody wywołane przez uderzenia piorunów i przepięcia.
3. Przy dużych instalacjach PV na rozległym terenie mamy często również dodatkowe instalacje sygnałowe i telekomunikacyjne. W tych sieciach również mogą się zaindukować przepięcia w wyniku pobliskiego uderzenia pioruna. Sieci te są zwykle bardzo czułe na przepięcia, gdyż najczęściej działają one przy napięciu kilku woltów DC. W tym przypadku należy zastosować odpowiednie ograniczniki przepięć działające bardzo szybko typu DLA lub DLU firmy Cl TEL. Do ochrony sieci komputerowej przed przepięciami zalecamy ograniczniki typu MJ8.
4.  Farmy fotowoltaiczne są budowane często daleko od siedzib ludzkich i ponieważ istnieje ryzyko kradzieży modułów PV oraz innych urządzeń, dlatego stosuje się różnego typu
   zabezpieczenia, przede wszystkim kamery monitoringu. Kamery te są umieszczone na otwartej przestrzeni i dlatego są bardzo narażone na przepięcia indukowane. Firma Cl TEL oferuje szeroką gamę ograniczników prze pięć do ochrony takich kamer. Ograniczniki typu MSP-VM zabezpieczają zarówno zasilanie i sterowanie kamer, jak też sygnał zarówno analogowy jak i cyfrowy i są dostosowane do napięcia 12 i 24V DC oraz 230V AC. W ofercie znajdują się również ograniczniki przepięć do ochrony kamer działających w systemie Ethernet, POE (Power over Ethernet) np.: CMJ8-POE, jak też systemy RAK do zabezpieczania pulpitów dyspozytorskich, do których podłączonych jest wiele kamer.
5. Ponieważ na farmach PV odległość między modułami PV, a falownikiem PV przekracza 10 m, to ograniczniki wskazane pkt 1-3 należy zainstalować na każdym łańcuchu jak najbliżej modułów fotowoltaicznych, natomiast obok falownika po stronie DC należy zainstalować dodatkowo ogranicznik typu 1+2 typu DS60VGPV lub typu 2 czyli DS50

Słownik pojęć:

Farma fotowoltaiczna (ang. Photovoltaic farm, PV farm) — naziemna bądź dachowa instalacja fotowoltaiczna o dużej mocy.

Fotowoltaika (ang. Photovoltaic, PV) — dziedzina nauki zajmująca się konwersją promieniowania słonecznego na energię elektryczną przy wykorzystani zjawiska (efektu) fotowoltaicznego.

Falownik PV (ang. inverter) — przekształtnik prądu stałego na prąd przemienny (DC AC). W instalacjach fotowoltaicznych przekształca prąd stały powstały w modułach PV tworzących generator i dostosowuje go do odbiorników i sieci elektrycznej. Falownik obok modułów PV jest drugim najistotniejszym elementem instalacji fotowoltaicznej.

Generator PV— zespół elementów wytwarzających prąd w instalacji PV, składa się z łańcuchów PV I innych elementów (stosuje się też pojęcie zespół kolektorów PV).

Isc (ang. Short circuit current) prąd zwarciowy — wartość natężenia prądu w ogniwie fotowoltaicznym, w chwili maksymalnego obciążenia spowodowanego zwarciem.

Jałowe napięcie (ang. Open circuit voltage) — napięcie w panelu fotowoltaicznym w momencie niepodłączenia do żadnego obciążenia.

Kolektor PV — zintegrowany zespół modułów PV i innych elementów, obejmuje przede wszystkim łańcuch PV.

Łańcuch PV — połączone szeregowo moduły PV.

Moc zainstalowana — określa wartość potencjalnej wielkości energii elektrycznej możliwej do uzyskania przez instalację fotowoltaiczną (inaczej – moc dyspozycyjna zainstalowanych urządzeń).

Moduł PV (ang. PV module) — zestaw hermetycznie zamkniętych połączonych ze sobą ogniw PV zdolny do wytwarzania prądu stałego pod wpływem promieniowania świetlnego.

MPPT (ang. maximum power point tracking) – regulatory śledzące maksymalne napięcie. Regulatory typu MPPT pozwalają na dostarczenie 10-30% więcej energii.

Ogniwo PV (ang. PV cell) — podstawowy element modułu PV wytwarzający energię elektryczną pod wpływem światła.

On-Grid – system fotowoltaiczny przyłączony do lokalnej sieci energetycznej.

Skrzynka połączeniowa PV — obudowa, w której znajdują się połączenia elektryczne łańcuchów PV lub kolektorów PV wraz z ich zabezpieczeniem przed przepięciami i zwarciami.

Podstawowe normy do projektowania ochrony przepięciowej w instalacjach PV