Istotnym warunkiem dyspozycyjności instalacji fotowoltaicznej jest zabezpieczenie jej przed piorunami i przepięciami. Niezbędne, szczególne warunki planowania i przebudowy ochrony odgromowej oraz ochrony przed przepięciami dają normy i wytyczne. Pomoce projektowe producenta ułatwiają praktyczne stosowanie ich w miejscu instalacji.

Instalacje fotowoltaiczne są szczególnie narażone na uderzenia piorunów i przepięcia, ponieważ często projektowane są w miejscach eksponowanych. Aby użytkownikowi szybko amortyzowały się koszty inwestycyjne instalacji do przetwarzania energii słonecznej, konieczna jest dobrze przemyślana koncepcja ochrony. Ciągłą i przynoszącą zyski eksploatację instalacji fotowoltaicznej umożliwia w szczególności ochrona tych elementów, które są najbardziej wrażliwe na przepięcia. Najwyższy priorytet pod tym względem należy przydzielić falownikowi, jako najdroższemu elementowi instalacji fotowoltaicznej, z następującymi po nim poszczególnymi modułami do przetwarzania energii słonecznej.
Moduły fotowoltaiczne to w uproszczeniu światłoczułe półprzewodniki o dużej powierzchni wystawionej na działanie światła słonecznego. Dlatego w przypadku bezpośredniego uderzenia pioruna w moduły lub metalową konstrukcję wsporczą dochodzi do zniszczenia. Urządzenia ochrony przed przepięciami zamontowane na przewodach przyłączeniowych do falownika mogą wprawdzie chronić położony za nimi falownik, ale nie moduły fotowoltaiczne.

Rys. 1. Przy rozmieszczaniu modułów fotowoltaicznych należy zachować wymagany odstęp „S” od zewnętrznej ochrony odgromowej

Zewnętrzna ochrona odgromowa

Przy budowie instalacji fotowoltaicznych należy zwracać uwagę na to, aby moduły fotowoltaiczne i ich konstrukcje wsporcze nie mogły być bezpośrednio trafione przez pioruny. Dlatego elementem prawidłowej ochrony jest właściwa zewnętrzna instalacja odgromowa (rysunek 1).
Instalacje fotowoltaiczne często znajdują się na budynkach użyteczności publicznej i podlegają krajowym przepisom budowlanym. Wymagają one zewnętrznej ochrony odgromowej w przypadku budynków wysokich, szpitali, szkół, miejsc sprzedaży i zgromadzeń. Na przykład w Niemczech ogólnoniemieckie Stowarzyszenie Ubezpieczycieli wymaga zewnętrznej ochrony odgromowej również w przypadku instalacji fotowoltaicznych o mocy większej niż 10 kW (VdS 2010).
Przy rozmieszczaniu modułów fotowoltaicznych należy zwracać uwagę, aby zachować wymagany przez normę VDE 0185-305-3 odstęp izolacyjny „S”. Gwarantuje on, że w przypadku uderzenia pioruna w zewnętrzną ochronę odgromową nie wystąpi przebicie łukowe do instalacji fotowoltaicznej.
W praktyce jednak często występują przypadki, w których odstępy izolacyjne nie są zachowane:
• instalacja modułów fotowoltaicznych w bezpośredniej bliskości zewnętrznej ochrony odgromowej,
• instalacja modułów fotowoltaicznych na dachu pokrytym blachą.
Dodatkowo ramy nośne modułów fotowoltaicznych muszą być bezpośrednio połączone z instalacją zewnętrznej ochrony odgromowej, przez co potencjał zagrożenia dla instalacji fotowoltaicznej wyraźnie wzrasta.

Rys. 2. Rozmieszczenie ograniczników przepięć w instalacjach z różnymi odległościami pomiędzy daną instalacją a falownikiem. USS – urządzenie ochrony przed przepięciami

Ochrona przed przepięciami

Od września 2006 roku obowiązuje nowa norma VDE w zakresie ochrony odgromowej. Zgodnie z normą VDE 0185-305-3 musi być zastosowana wewnętrzna ochrona odgromowa (ochrona przed przepięciami), jeśli obiekt budowlany posiada zewnętrzną instalację ochrony odgromowej i wyposażony jest w instalację elektryczną. Dlatego również instalacja fotowoltaiczna musi być wyposażona w ochronę przed przepięciami, jeśli występuje zewnętrzna instalacja ochrony odgromowej. Ograniczniki przepięć dla instalacji fotowoltaicznych umożliwiają ich ochronę przed przepięciami pochodzącymi:
• od uderzeń piorunów w przypisaną do instalacji fotowoltaicznej zewnętrzną ochronę odgromową,
• od uderzeń piorunów w bliskim otoczeniu,
• z sieci zasilającej.
Aby ochrona przed przepięciami była w pełni skuteczna, falowniki muszą być chronione zarówno po stronie napięcia stałego, jak i zmiennego. Odpowiednie ograniczniki przepięć rozmieszcza się w bezpośredniej bliskości falownika (rysunek 2).
Im dłuższy jest przewód pomiędzy modułami fotowoltaicznymi i falownikiem, tym wyższe jest prawdopodobieństwo, że przepięcia zostaną – pojemnościowo lub indukcyjnie – wprowadzone do przewodów. Jeśli odległość pomiędzy modułami fotowoltaicznymi i falownikiem jest większa niż 10 m, to w bezpośredniej bliskości modułów również powinny być zainstalowane ograniczniki przepięć.

Ochrona po stronie napięcia przemiennego

Po stronie napięcia przemiennego falowników instaluje się ograniczniki przepięć dla napięcia przemiennego. Ochronę podstawową osiąga się za pomocą ograniczników typu 2 o konstrukcji warystorowej. Jeśli istnieje zewnętrzna instalacja ochrony odgromowej, stosuje się odgromnik typu 1:
• przypadek 1 – odgromnik typu 1 jest już wbudowany w punkcie zasilania instalacji elektrycznej – ogranicznik przepięć typu 2 powinien być zainstalowany w bezpośrednim sąsiedztwie falownika,
• przypadek 2 – w punkcie zasilania instalacji elektrycznej nie ma odgromnika typu 1 – jeden odgromnik typu 1 powinien być zainstalowany w punkcie zasilania instalacji elektrycznej, jeden ogranicznik przepięć typu 2 w bezpośredniej bliskości falownika. Dalszą poprawę skuteczności ochrony można osiągnąć za pomocą ogranicznika kombinowanego: odgromnika typu 1 i ogranicznika przepięć typu 2 w jednym urządzeniu (rysunek 3).

Rys. 3. Odgromnik kombinowany typu 1 wraz z ogranicznikiem typu 2 dla strony napięcia przemiennego

Ochrona strony pod napięciem stałym

Falownik musi być chroniony również po stronie napięcia stałego. Tutaj urządzenia ochrony przed przepięciami mają następujące zadania:
• przewodzenie prądów piorunowych,
• odprowadzenie i wyrównanie przepięć,
• bezpieczne zachowanie podczas eksploatacji, również w przypadku przeciążenia – z uwzględnieniem charakterystyk eksploatacyjnych modułów fotowoltaicznych i falowników.
Jak na razie nie ma jeszcze żadnych odpowiednich rozwiązań zawartych w normach do projektowania urządzeń ochrony przed przepięciami dla sieci zasilających prądem stałym. Z tego powodu dla strony pod napięciem stałym w instalacjach fotowoltaicznych można znaleźć na rynku urządzenia ochrony przed przepięciami, które znacznie różnią się działaniem i budową. Każdy producent musi tutaj sam ustalać wymagania i kryteria oceny zapewniające wystarczające bezpieczeństwo. W tym kontekście oznacza to:
• bezpieczną reakcję urządzenia ochrony przed przepięciami w przypadku nisko- i wysokoomowych zwarć,
• bezpieczne zachowanie przewodów napięcia stałego w przypadku zwarcia,
• zapobieganie niedopuszczalnemu nagrzaniu w przypadku przeciążenia,
• przewody wejściowe napięcia stałego dostępnych na rynku falowników nie powinny zostać uszkodzone w przypadku wystąpienia usterki.
Moduły fotowoltaiczne i okablowanie dla napięcia stałego w instalacji fotowoltaicznej są z reguły odporne na zwarcie. Usterki w komponentach instalacji fotowoltaicznej można usunąć poprzez odłączenie komponentów.
Urządzenia ochronne, które w przypadku wystąpienia usterki zwierają, pogarszają dyspozycyjność instalacji fotowoltaicznej. Niektóre falowniki nie są projektowane na trwałe zwarcie po stronie wejść napięcia stałego. Dlatego do ochrony przed przepięciami trzeba stosować urządzenia, które w przypadku wystąpienia usterki odłączają, a nie zwierają (rysunek 4).

Rys. 4. Zestaw ograniczników do ochrony przed przepięciami dla napięcia stałego

Połączenie w gwiazdę urządzeń ochrony przed przepięciami

W badaniach w laboratorium na symulatorze fotowoltaicznym oraz prawdziwych instalacjach fotowoltaicznych zostały sprawdzone wszystkie istotne warianty połączeń urządzeń do ochrony przed przepięciami, przy czym badania przeprowadzane były w warunkach normalnej eksploatacji i typowych przypadków usterek po stronie napięcia stałego w instalacjach fotowoltaicznych. Badania wykazały, że najodpowiedniejsze do ochrony strony pod napięciem stałym instalacji fotowoltaicznych jest połączenie w gwiazdę (połączenie: 2+1) urządzeń do ochrony przed przepięciami (rysunek 5). Przy połączeniu w gwiazdę urządzenia do ochrony przed przepięciami zawsze są połączone szeregowo pomiędzy:
• L1 (+) i L2 (-),
• L1 (+) i ziemia,
• L2 (-) i ziemia.

Rys. 5. Instalacje fotowoltaiczne w normalnej eksploatacji (z lewej), z usterką izolacji (zwarcie doziemne) (pośrodku) oraz z krótkim zwarciem (z prawej)

Dzięki połączeniu w gwiazdę i wybraniu odpowiednich urządzeń do ochrony przed przepięciami spełnione zostają wszystkie wymagania dotyczące bezpieczeństwa. Również w przypadku niskoomowego zwarcia urządzenia do ochrony przed przepięciami zawsze istnieje podłączone szeregowo kolejne urządzenie. Urządzenia do ochrony przed przepięciami w połączeniu w gwiazdę są tak zaprojektowane, aby mogły trwale wytrzymywać maksymalne napięcia lub aby wbudowane odłączniki termiczne mogły bezpiecznie odłączyć od napięcia stałego urządzenia do ochrony przed przepięciami – nie dopuszczając do niedozwolonego nagrzania urządzeń. Również w przypadku zwarcia doziemnego przewodu dodatniego lub ujemnego modułów fotowoltaicznych zawsze połączone szeregowo są dwa urządzenia do ochrony przed przepięciami. Są one w stanie trwale wytrzymywać obciążenie napięciem w przypadku zwarcia doziemnego. Połączenie w gwiazdę urządzeń do ochrony przed przepięciami – wyposażone w dwa urządzenia do ochrony przed przepięciami na każdy tor ochrony – daje podwójną gwarancję bezpieczeństwa i wysoką dyspozycyjność, jak również dobrą ochronę przed przepięciami.

dr inż. Gernot Finis
kierownik działu ds. rozwoju
mgr inż. Holger Heckler
dział pomocy technicznej
mgr inż. Joachim Wosgien
specjalista
Zespół biznesowy
ds. ochrony
przed przepięciami
Phoenix Contact GmbH & Co. KG,
Blomberg