Dobór ograniczników przepięć DC w instalacji fotowoltaicznej wróć do kategorii

Autor: dr inż. Tomasz Maksimowicz

Wprowadzenie

Zabezpieczenie instalacji fotowoltaicznych w obiektach budowlanych z zastosowaniem ograniczników przepięć jest obecnie już powszechnym standardem. Nawet elektrownie naziemne coraz częściej chronione są przez zewnętrzne ograniczniki przepięć. Dobór właściwego zabezpieczenia sprowadza się przede wszystkim do wyboru typu ogranicznika oraz jego znamionowego napięcia pracy. Typ ogranicznika: Typ 1+2 lub Typ 2 uwzględnia jego wytrzymałość na prądy indukowane i prądy pioruna. Napięcie pracy z kolei powinno być uwzględniane zarówno po stronie DC, jak i AC. Obwody PV obecnie mogą być chronione ogranicznikami o napięciu nawet do 1500 V prądu stałego. Odpowiedni dobór ogranicznika powinien zapewnić właściwą wytrzymałość urządzenia i bezpieczną pracę instalacji. Podstawowe wymagania w zakresie doboru ograniczników przepięć zawarte są w normie zharmonizowanej PN-HD 60364-7-712.

Kiedy i gdzie stosować ograniczniki przepięć w obwodach DC PV

Ochrona przed przepięciami instalacji fotowoltaicznej po stronie stałoprądowej DC uzależniona jest od ochrony odgromowej i rozmiarów instalacji PV.

Zgodnie z punktem 712.443.101 Ochrona przed przepięciami dorywczymi normyPN-HD 60364-7-712 „Tam, gdzie zgodnie z HD 60364-4-443 ochrona przed przepięciem dorywczym jest wymagana powinna być zastosowana również po stronie d.c. instalacji PV”. A więc w pierwszej kolejności należy stwierdzić, że ochrona obwodów PV powinna być stosowana w każdym obiekcie wyposażonym w urządzenie piorunochronne (LPS), ponieważ zastosowanie LPS wymusza zabezpieczenie instalacji elektrycznej z zastosowaniem ogranicznika przepięć Typu 1. Ochrona przed przepięciami w instalacji niskiego napięcia, a zatem i po stronie PV, może być stosowana nawet jeżeli budynek nie jest wyposażony w urządzenie LPS. Zgodnie z częścią 443 normy zharmonizowanej dotyczy to m.in. wszelkich obiektów służb, usług publicznych, budynków handlowych i przemysłowych oraz tam gdzie może przebywać duża liczba osób. We wszystkich innych wypadkach, o potrzebie ochrony przed przepięciami decyduje ocena ryzyka na podstawie współczynnika CRL, według której w praktyce ochrona przed przepięciami konieczna jest w każdym obiekcie położonym w terenie wiejskim i podmiejskim. 

Jeżeli według norm serii PN HD 60364 ochrona przed przepięciami nie jest wymagana, należy ocenić ryzyko zgodnie z 712.443.102, które uzależnia potrzebę ochrony od rozmiarów instalacji PV, a dokładniej od maksymalnej długości trasy kablowej między falownikiem, a punktami łączenia modułów PV różnych łańcuchów (a zatem długość trasy od falownika do paneli oraz wzdłuż paneli). Długość L obwodu DC porównywana jest do wartości krytycznej L_crit, która zależna jest od typu instalacji PV (na obiekcie mieszkalnym/niemieszkalnym lub na gruncie) i lokalnej gęstości wyładowań atmosferycznych N_g. Uzależnienie potrzeby ochrony od rozmiaru instalacji PV ma uzasadnienie, ponieważ im większa długość tras kablowych tym bardziej instalacja podatna jest na skutki oddziaływania wyładowań atmosferycznych. W tablicy 1. przedstawiono zasady oceny krytycznej długości L_crit oraz przykładowe wartości.

Tablica 1. Ocena ryzyka wg PN-HD 60364-7-712

Zgodnie z punktem 712.534.104 ograniczniki przepięć w obwodzie PV „powinny znajdować się jak najbliżej falownika”. Inwerter DC/AC jest najbardziej wrażliwym elementem, ponieważ może być narażony zarówno od strony wszystkich przyłączonych łańcuchów DC, jak i sieci AC. Należy zatem przyjąć, że po stronie DC w pierwszej kolejności ograniczniki przepięć instalowane są bezpośrednio przy falowniku, na przykład jako zbiorcze zabezpieczenie w rozdzielnicy przyłączeniowej.

Normy stwierdzają jednak, że „Aby zapewnić skuteczną ochronę, mogą być wymagane dodatkowe SPD, poza falownikiem”. Wytyczne normy zharmonizowanej są w tej kwestii dosyć rygorystyczne, ponieważ dodatkowa ochrona po stronie paneli PV powinna być stosowana już, gdy odległość między falownikiem, a panelami PV przekracza 10 m. Zastosowanie dodatkowych zabezpieczeń po stronie DC może być uzasadnione nie tylko ochroną paneli PV. W wielu przypadkach może to być ochrona obwodów zewnętrznych wprowadzanych z dachu do wnętrza budynku.

Kiedy należy stosować SPD w obwodzie DC instalacji PV?

• zawsze gdy obiekt jest wyposażony w urządzenie piorunochronne LPS;
• gdy obiekt nie jest wyposażony w LPS, ale instalacja AC jest chroniona przed przepięciami;
• gdy długość tras DC między falownikiem, a panelami jest większa niż L_crit.

Dobór SPD ze względu na Typ

Ogranicznik przepięć w instalacji PV powinien charakteryzować się odpowiednią odpornością, adekwatnie do potencjalnych zagrożeń, na jakie może być narażony. Największe zagrożenie występuje w przypadku obiektów, dla których zakłada się ryzyko bezpośredniego uderzenia pioruna. 

Zgodnie z punktem 712.534.102.1 normy PN-HD 60364-7-712 „Na ogół SPD powinny należeć do II klasy probierczej. Jeżeli przewidziana jest ochrona przed skutkami wyładowań bezpośrednich, a odstęp separujący s nie jest zachowany zgodnie z EN 62305-3, należy stosować SPD I klasy probierczej (na ogół w połączeniu z SPD II klasy probierczej)”. Oznacza to, że ograniczniki Typu 1 (badane wg klasy I) należy stosować w obiektach wyposażonych w urządzenie piorunochronne, w których nie zachowano bezpiecznych odległości między przewodami LPS, a panelami PV. We wszystkich innych przypadkach (brak LPS, LPS z odstępami separującymi) wystarczające będą ograniczniki Typu 2 (badane wg klasy II). Zawsze należy dążyć do zachowania odstępów separujących, ponieważ zapewnia to największy poziom bezpieczeństwa i skuteczności ochrony. Nie zawsze jest to jednak możliwe. Najczęstszym przypadkiem, w którym zachowanie bezpiecznych odległości nie jest możliwe są obiekty z metalowym pokryciem dachu.

Podstawowa różnica między Typami SPD to odporność na udary prądowe:

• Typu 1 – odporne na prądy pioruna (I_imp,I_total) oraz prądy indukowane (I_n,I_max);
• Typu 2 – odporne na prądy indukowane (I_n,I_max).

Aby umożliwić porównanie właściwości urządzeń różnych producentów, ograniczniki przepięć badane są udarami o znormalizowanych parametrach:

• prąd pioruna (I_imp) – udar prądowy, stosowany w próbie klasy I, który osiąga określoną wartość szczytową w czasie do 50 µs i rozprasza określoną energię w ciągu 5 ms; przykładem udaru I_imp jest udar o czasie czoła 10 µs i czasie do półszczytu 350 µs (10/350 µs);
• prąd indukowany (I_n,I_max) – udar prądowy, stosowany w próbie klasy II, o określonej wartości szczytowej, czasie czoła 8 µs i czasie do półszczytu 20 µs (8/20 µs).

Na rysunku 1. przedstawiono porównanie typowych udarów określających maksymalną odporność ograniczników Typu 1 – udar 12,5 kA 10/350 µs, oraz ograniczników Typu 2 – udar 40 kA 8/20 µs. Pomimo dużej różnicy w wartościach szczytowych, to udar I_imp jest bardziej niebezpieczny i może powodować destrukcyjne skutki termiczne. Jest to spowodowane czasem do półszczytu 350 µs, który powoduje, że udar I_imp przenosi znacznie większą energię niż krótkotrwały impuls 8/20 µs nawet o kilkukrotnie większej wartości szczytowej.

Rys. 1. Porównanie znormalizowanych impulsów udarowych odpowiadających prądowi pioruna 10/350 µs oraz prądowi indukowanemu 8/20 µs

Konieczność stosowania SPD Typu 1 wynika z faktu, że może przez ich konstrukcję przepływać częściowy prąd pioruna na skutek połączeń wyrównawczych, które są konieczne przy braku zachowania odstępów separujących, aby uniknąć tzw. niebezpiecznego iskrzenia. Jeżeli budynek nie jest wyposażony w LPS lub zachowano odstępy bezpieczne to w obwodach PV mogą wystąpić jedynie przepięcia indukowane (8/20 µs).

Normy określają także jakie wartości szczytowe prądów udarowych powinny wytrzymywać poszczególne Typy ograniczników przepięć. Norma zharmonizowana PN-HD 60364-7-712 zawiera niestety nie do końca precyzyjne zapisy w tej kwestii. Dla ograniczników Typu 2 „Minimalna wartość znamionowego prądu wyładowczego I_n w SPD II klasy probierczej powinna wynosić 5 kA”. Nie jest to wymaganie rygorystyczne biorąc pod uwagę, że typowe SPD Typu 2 wytrzymują znamionowo I_n = 20 kA oraz maksymalnie I_max = 40 kA (punkt 712.534.102.4). Bardziej złożone jest określenie wymagań dla ograniczników przepięć Typu 1. Zgodnie z punktem 712.534.102.6 „prąd udarowy I_imp dla SPD I klasy probierczej należy dobrać zgodnie z CLC/TS 50539-12. Jeżeli prądu udarowego I_imp, nie można wyznaczyć, jego wartość nie może być mniejsza niż 12,5 kA. Wartość ta odnosi się do poziomu ochrony odgromowej LPL III”. Problem stanowi w tym przypadku interpretacja, czy podana wartość I_imp = 12,5 kA to prąd wytrzymywany przez każdy biegun, czy całkowity prąd wytrzymywany przez SPD (I_total). Jest to dokładniej opisane w przywołanym standardzie technicznym CLC/TS 50539-12, który aktualnie został zastąpiony przez normę międzynarodową IEC 61643-32.

W tablicy 2. przedstawiono wymagane parametry I_imp oraz I_total według tablicy A.1 podanej w IEC 61643-32. Dane te jednoznacznie wskazują, że podana wartość 12,5 kA odnosi się do całkowitej odporności ogranicznika, a nie wartości na każdy biegu. Standard uzależnia także wymagane parametry SPD od liczby przewodów odprowadzających LPS, co przekłada się na podział prądu pioruna. Ten sam ogranicznik przepięć, o parametrach I_imp = 5 kA/ I_total = 10 kA może być stosowany w budynkach z LPS o 2 lub 3 przewodach odprowadzających i maksymalnym poziomie ochrony LPL III lub w budynku z LPS o 4 lub więcej przewodach odprowadzających nawet przy najwyższym poziomie ochrony LPL I.

Nieco inaczej sytuacja wygląda w elektrowniach naziemnych PV. W ogólnym przypadku standardy międzynarodowe określają, że do ochrony generatorów PV na gruncie wystarczający jest poziom ochrony LPL III. W tablicy 3. przywołano parametry SPD podane w standardzie IEC 61643-32 dla instalacji na gruncie. Warto zwrócić uwagę, że w obu tabelach podaje się także wymagania dla prądów 8/20 µs – te dla instalacji na gruncie wymagane są o niemal dwukrotnie wyższych wartościach, co może być podyktowane większym zagrożeniem od przepięć indukowanych na skutek wyładowań pobliskich instalacji wielkopowierzchniowych.

Tablica 2. Parametry ograniczników przepięć DC do ochrony instalacji PV na dachach budynków z LPS przy braku zachowania odstępów separujących, wymagane wg IEC 61643-32

Tablica 3. Parametry ograniczników przepięć DC do ochrony instalacji PV na gruncie wg IEC 61643-32

Aby ogranicznik przepięć miał rzeczywistą wytrzymałość na układ I_total większą niż wytrzymałość każdego bieguna I_imp musi charakteryzować się odpowiednią konstrukcją. Obecnie standardem jest konfiguracja Y ograniczników z modułami warystorowymi od strony biegunów (+) i (-) oraz elementem sumującym od strony zacisku uziemiającego. Elementem sumującym może być zarówno warystor, jak i element iskiernikowy. Całkowita wytrzymałość ogranicznika (I_total) zależna jest od elementu sumującego – wytrzymałość całkowita ogranicznika składającego się z takich samych modułów warystorowych MOV jest ograniczona do wytrzymałości pojedynczego modułu. Zastosowanie odgromnika gazowego (GDT) jako elementu sumującego pozwala na uzyskanie wyższej odporności udarowej ogranicznika przepięć – całkowita wytrzymałość SPD może być dwukrotnie większa niż wytrzymałość pojedynczego modułu MOV. Dodatkowo konfiguracja Y+GDT charakteryzuje się brakiem prądu upływu I_PE co ogranicza proces starzenia elementów warystorowych i wydłuża żywotność urządzenia.

Rys. 2. Porównanie konstrukcji i parametrów ograniczników przepięć Typu 1+2 oraz Typu 2
do ochrony obwodów DC instalacji fotowoltaicznych PV

Jaki Typ SPD należy stosować do ochrony obwodu DC instalacji PV?

• Typ 1+2 w instalacjach PV na dachach budynków wyposażonych w LPS z metalowymi dachami lub przy braku zachowania odstępu separującego oraz w instalacjach PV na gruncie;
• Typ 2 w obiektach niewyposażonych w LPS oraz w obiektach z LPS pod warunkiem zachowania odstępów separujących

Dobór SPD ze względu na napięcie

Bardzo istotną kwestią przy doborze ogranicznika przepięć jest uwzględnienie wartości maksymalnego napięcia, jakie może pojawić się na łańcuchach PV. Należy mieć świadomość, że właściwości modułów fotowoltaicznych, jako elementów bazujących na strukturze półprzewodnikowej, zależne są od temperatury otoczenia.

W normie zharmonizowanej zdefiniowano następujące wartości:

• napięcie obwodu otwartego w normatywnych warunkach probierczych U_{OC STC} (712.3.14) – napięcie w normatywnych warunkach probierczych na nieobciążonym (otwartym) module PV, łańcuchu PV, panelu PV i podpanelu PV
• maksymalne napięcie obwodu otwartego U_OCMAX (712.3.15) – maksymalne napięcie na nieobciążonym (otwartym) module PV, łańcuchu PV, panelu PV, podpanelu PV

Wartość U_{OC STC} łańcucha PV można uznać za wartość znamionową, zależną od parametrów modułów PV i ich ilości. Natomiast wartość maksymalna U_{OC MAX} jest wartością zakładaną, jaka może pojawić się w skrajnych warunkach i to tę wartość należy uwzględniać tam, gdzie napięcie łańcucha może mieć wpływ na bezpieczeństwo instalacji. Zgodnie z punktem 712.534.102.3 normy zharmonizowanej PN-HD 60364-7-712 „wartość maksymalnego napięcia U_CPV, akceptowalnego przez urządzenie do ograniczania przepięć należy dobrać zgodnie z maksymalnym napięciem U_{OC MAX} w stanie jałowym panelu PV. Napięcie U_CPV nie powinno być mniejsze niż maksymalne napięcie U_{OC MAX} panelu PV”. Metodę określania wartości U_OCMAX podano w załączniku B normy.

Zależność wartości napięcia modułu PV, a zatem i całego łańcucha PV, od temperatury otoczenia jest odwrotnie proporcjonalna: im wyższa temperatura, tym niższe napięcie. A zatem najwyższe napięcia U_{OC MAX} występować będą przy ujemnych temperaturach. Taka sytuacja nie musi występować zimą, nawet w okresie wiosennym normalnym zjawiskiem jest występowanie przymrozków o wschodzie słońca.

Zgodnie z załącznikiem B normy PN-HD 60364-7-712 maksymalne napięcie modułu/łańcucha wyznacza się w oparciu o współczynnik korekcyjny K_U z zależności:

U_{OC MAX} = K_U U_{OC STC}                 K_U = 1 + (αU_OC / 100) (T_min – 25)

przy czym:

K_U  – współczynnik korekcyjny, uwzględniający wzrost napięcia w otwartym obwodzie modułów, w najniższej temperaturze T_min

αU_oc  – temperaturowy współczynnik zmiany modułu napięcia U_oc, w %/°C;

T_min  – zakładana najniższa temperatura w miejscu instalacji PV, w °C;

Współczynnik temperaturowy αU_oc powinien być podany przez producenta modułu PV w jego danych technicznych. Najczęściej podawany jest w %/°C, ale można spotkać także wartości podane w mV/°C, wtedy do przeliczenia na wartość względną %/°C należy zastosować następujący wzór:

αU_oc (%/°C) = 0,1 αU_oc (mV/°C) / U_{OC STC_Module} (V)

Przykład obliczeń U_{OC MAX}

Do przykładowych obliczeń przyjęto dane jednego z popularnych modułów PV wg karty katalogowej. Warto zwrócić uwagę, że producenci mogą stosować odmienne oznaczenia współczynników względem stosowanych w normach, np.: U_{OC STC} jako V_OC lub αU_OC jako β_V_OC. Niezbędne do obliczeń dane podane w karcie katalogowej wynoszą:

U_{OC STC_Module} = 50,01 V

αU_OC = – 0,272 %/°C

Aby obliczyć wartość U_{OC MAX} projektant musi założyć, jaka najniższa temperatura może wystąpić w danym obszarze. Do przykładu obliczeniowego przyjęto:

T_min = -15 °C

Wartość współczynnika korekcyjnego obliczona wg PN-HD 60364-7-712:

K_U = 1 + (αU_OC / 100) (T_min – 25) = 1+(-0,272/100)(-15-25) = 1,1088

Wartość maksymalna napięcia rozpatrywanego modułu, przy zakładanej najniższej temperaturze (T_min = -15 °C) wynosi:

U_{OC MAX} = K_U U_{OC STC} = 1,1088 ∙ 50,01 = 55,45 V

Jeżeli łańcuch PV składa się przykładowo z 17 paneli, to w takim przypadku napięcie normatywne oraz maksymalne łańcucha mogą znacząco się różnić:

U_{OC STC_STRING} = 850,17 V

U_{OC MAX_STRING} = 942,65 V

Należy mieć świadomość, że spadek temperatury otoczenia powoduje wzrost napięcia modułów PV.

Przykład doboru ogranicznika ze względu na U_CPV

Obecnie na rynku dostępne są ograniczniki przepięć o maksymalnych napięciach trwałej pracy U_CPV rzędu 1000 V, 1200 V i 1500 V. W instalacjach przemysłowych oraz na gruncie coraz częściej stosowane są te o napięciu pracy powyżej 1000 V. Kontynuując analizę z powyższego przykładu obliczeniowego, należy stwierdzić, że dobór SPD uzależniony jest od liczby modułów PV w danym łańcuchu. Uwzględniając obliczoną wartość współczynnika korekcyjnego K_U = 1,1088 normatywna i maksymalna wartość napięcia łańcucha składającego się z 17 modułów wynoszą:

U_{OC STC_STRING} = 850,17 V

U_{OC MAX_STRING} = 942,65 V

W takim przypadku można zastosować ogranicznik przepięć np.: RST Solar PV T1+T2 G 1000V DC, który spełnia warunek:

U_CPV = 1000 V > 942,65 V              – warunek U_CPV spełniony

Rozszerzenie łańcucha o zaledwie dwa dodatkowe moduły, może prowadzić do konieczności zastosowania ogranicznika o wyższym napięciu pracy. Normatywna i maksymalna wartość napięcia łańcucha składającego się z 19 modułów wynoszą:

U_{OC STC_STRING} = 950,19 V

U_{OC MAX_STRING} = 1053,55 V

U_CPV = 1000 V < 1053,55 V           – za mała wartośćU_CPV

Opierając się wyłącznie na wartości U_{OC STC} można byłoby błędnie dobrać SPD o napięciu U_CPV = 1000 V. W takim przypadku przy spadku temperatury do zakładanej wartości T_min  występowałoby ryzyko przeciążenia SPD. Dlatego zgodnie z wytycznymi normy zharmonizowanej w tym przypadku przy 19 modułach należy zastosować SPD o maksymalnym napięciu trwałej pracy U_CPV = 1200 V (np.: RST Solar PV T1+T2 Y 1200V DC):

U_CPV = 1200 V > 1053,55 V           – warunek U_CPV spełniony

Warto zdawać sobie sprawę, że ogranicznik przepięć chroni przed udarami trwającymi zazwyczaj znacznie poniżej 1 sekundy, nawet kilkusekundowe przeciążenie ogranicznika zbyt wysokim napięciem pracy może doprowadzić do jego uszkodzenia.

Rys. 3. Porównanie ograniczników przepięć Typu 1+2 o różnym napięciu pracy U_CPV

Wpływ doboru najniższej temperatury T_min

Analizując powyższe przykłady należy postawić pytanie, jaką najniższą temperaturę T_min przyjąć w projekcie. W różnych regionach świata może to być uwarunkowane lokalnymi warunkami klimatycznymi. Poniżej przedstawiono przykładowe obliczenia wartości współczynnika K_U i napięcia U_OC MAX dla różnych wartości T_min. Jak widać, już od przyjętej wartości najniższej zakładanej temperatury może zależeć dobór SPD ze względu na U_CPV.

T_min = -5 °C          K_U = 1,0816       U_{OC MAX} = 919,5 V

T_min = -15 °C        K_U = 1,1088       U_{OC MAX} = 942,7 V

T_min = -25 °C        K_U = 1,1360       U_{OC MAX} = 965,8 V

T_min = -40 °C        K_U = 1,1768       U_{OC MAX} = 1000,5 V

Jeżeli określenie wartości T_min jest trudne, lub także przy braku informacji o współczynniku temperaturowym modułu PV, można pominąć obliczenia i zgodnie z załącznikiem B wartość U_{OC MAX} należy przyjąć jako 1,2 U_{OC STC}. Jak widać z powyższych obliczeń taki warunek jest wariantem bezpiecznym, który uwzględnia temperatury nawet poniżej -40 °C.

Metody doboru SPD ze względu na U_CPV i U_{OC STC} łańcucha PV:

• Obliczenia K_U wg załącznika B                    U_CPV  > K_U U_{OC STC}
• Brak obliczeń, założenie K_U = 1,2              U_CPV  > 1,2U_{OC STC}

Tablica 4. Maksymalne normatywne napięcia łańcucha PV przy założeniu K_U = 1,2 dla typowych wartości U_CPV ograniczników przepięć

Podsumowanie

W większości przypadków w instalacjach PV stosowanie ograniczników przepięć nie budzi wątpliwości i pozostaje tylko pytanie, jaki SPD należy zastosować. Dobór urządzenia do ograniczania przepięć sprowadza się przede wszystkim do wyboru Typu oraz maksymalnego napięcia pracy U_CPV. Typ ogranicznika (Typ 1+2 lub Typ 2) uzależniony jest przede wszystkim od konieczności ochrony odgromowej i sposobu jej wykonania. Tam, gdzie wymagane są SPD Typu 1 warto zwrócić uwagę także na konstrukcję ogranicznika – bardziej wytrzymałe są urządzenia z odgromnikiem sumującym. Przy doborze SPD ze względu na U_CPV należy uwzględnić nie tylko liczbę modułów i ich napięcie w warunkach normatywnych, ale przede wszystkim właściwości modułów PV i możliwe zmiany napięcia łańcucha w zależności od potencjalnych zmian temperatury.

Prawidłowy dobór ogranicznika przepięć ma zapewnić odpowiednią wytrzymałość oraz bezpieczną pracę w danej instalacji. To z kolei przekłada się na bezpieczeństwo i niezawodność pracy instalacji fotowoltaicznej.

Bibliografia

• PN-HD 60364-7-712:2016-05 Instalacje elektryczne niskiego napięcia — Część 7-712: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji — Fotowoltaiczne (PV) układy zasilania
• CLC/TS 50539-12:2013 Low-voltage surge protective devices – Surge protective devices for specific application including d.c. — Part 12: Selection and application principles – SPDs connected to photovoltaic installations
• IEC 61643-32:2017 Low-voltage surge protective devices – Part 32: Surge protective devices connected to the d.c. side of photovoltaic installations – Selection and application principles