Systemy fotowoltaiczne PV (z ang.: photovoltaic), służące do przetwarzania energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną, należą obecnie do najpopularniejszych źródeł energii odnawialnej. Ze względu na konieczność bezpośredniego odbierania energii słonecznej instalacje te montowane są na otwartych powierzchniach, takich jak dachy budynków, tereny niezabudowane. W związku z niską wytrzymałością udarową oraz rozmiarem systemy fotowoltaiczne obarczone są znacznym ryzykiem uszkodzeń powstałych na skutek wyładowań atmosferycznych.

W celu ochrony przed skutkami uderzeń pioruna instalacje solarne należy zabezpieczać przy wykorzystaniu rozwiązań ochrony odgromowej (z ang. LPS – Lightning Protection System) i przeciwprzepięciowej (z ang. SPD – Surge Protection Devices). Ponieważ istnieje prosty związek między właściwym działaniem instalacji a czasem jej amortyzacji, kwestia ochrony przepięciowej i odgromowej jest tutaj bardzo ważna.

Rys. 1. Ogranicznik przepięć do systemów fotowoltaicznych Typ 1+2 firmy OBO Bettermann

Rys. 2. Ogranicznik przepięć do systemów fotowoltaicznych Typ 2 firmy OBO Bettermann

Ochrona przetwornika

Przetwornik jest sercem całej instalacji, przez co powinien być szczególnie chroniony przed oddziaływaniem impulsów przepięciowych. Zagrożenia te mogą zostać zminimalizowane za pomocą środków ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej, uziemień, systemem wyrównania potencjałów i ekranowania oraz przez odpowiednie poprowadzenie przewodów. Uszkodzenia systemów fotowoltaicznych mogą mieć następujące przyczyny:
• uszkodzenia w następstwie sprzężenia galwanicznego – część prądu piorunowego przepływając bezpośrednio przez elementy instalacji PV powoduje powstanie napięć o wartości nawet 100 kV,
• uszkodzenia wywołane sprzężeniami magnetycznymi – prądy piorunowe powodują przepięcia poprzez indukcję magnetyczną; odpowiedni odstęp powoduje redukcję tych sprzężeń,
• uszkodzenia wywołane sprzężeniami elektrycznymi – przepięcia powstałe na skutek działania pola elektrycznego przy przepływie prądu udarowego; zagrożenia te są jednak niewielkie w stosunku do oddziaływań pola magnetycznego.

Wyrównanie potencjałów i odstęp izolacyjny

W celu zapewnienia kompleksowej och
rony instalacji fotowoltaicznej należy również uwzględnić następujące aspekty:
• lokalne szyny wyrównawcze (LSW) muszą zostać połączone z główną szyną wyrównawczą (GSW),
• przewody wyrównawcze muszą zostać ułożone równolegle i możliwie blisko do przewodów zasilających DC,
• koncepcja zabezpieczeń musi uwzględniać również zabezpieczenie instalacji sygnałowej.
Dobór odpowiednich zabezpieczeń przeciwprzepięciowych w zależności od parametrów LPS przedstawia tabela 1. W przypadku, gdy długość linii jest większa niż 10 m, urządzenia ochrony przeciwprzepięciowej należy zainstalować po obu stronach.

Ograniczniki OBO Bettermann

Ogranicznik przepięć do systemów fotowoltaicznych Typ 1+2
Ogranicznik przepięć do systemów fotowoltaicznych Typ 1+2 oferowany przez firmę OBO Bettermann (rys. 1) charakteryzuje się następującymi cechami:
• odporność na błędy przyłączeniowe – układ Y,
• zdolność odprowadzania prądu do 12,5 kA (10/350) i 50 kA (8/20) na biegun,
• niski napięciowy poziom ochrony DC U_P < 2,6 kV (U_max DC = 600 V), U_P < 3,0 kV (U_max DC = 1000 V),
• zamknięty, bezwydmuchowy ogranicznik warystorowy do zastosowania we wszystkich rodzajach obudów i rozdzielnic.

Ogranicznik przepięć do systemów fotowoltaicznych Typ 2
Ogranicznik przepięć do systemów fotowoltaicznych Typ 2 firmy OBO Bettermann (rys. 2) posiada następujące cechy:
• odporność na błędy przyłączeniowe – układ Y,
• zdolność odprowadzania prądu do 40 kA (8/20) na biegun,
• niski napięciowy poziom ochrony DC U_P < 2,6 kV (U_max DC = 600 V), U_P < 4,0 kV (U_max DC = 1000 V),
• wymienne wkładki z optyczną sygnalizacją uszkodzenia,
• zamknięty, bezwydmuchowy ogranicznik warystorowy do zastosowania we wszystkich rodzajach obudów i rozdzielnic.

Odstęp izolacyjny

Zgodnie z normą PN-EN 62305 instalację odgromową należy wykonać w określonym odstępie izolacyjnym „s” od elementów instalacji PV. Z reguły wystarczający odstęp izolacyjny s = odstęp bezpieczny, zawiera się w przedziale 0,5-1 m. W celu wyznaczenia wartości s należy skorzystać z równania:

Wartość współczynnika ki zależy od wybranego poziomu ochrony systemu odgromowego:
• poziom ochrony I: ki = 0,08,
• poziom ochrony II: ki = 0,06,
• poziom ochrony III, IV: ki = 0,04.
Wartość współczynnika kc zależy od rozpływu prądu w przewodach LPS:
• jeden przewód odprowadzający
uziom typu A: kc = 1,
uziom typu B: kc = 1,
• dwa przewody odprowadzające
uziom typu A: kc = 0,66,
uziom typu B: kc = 0,5… 1,
• trzy przewody odprowadzające i więcej
uziom typu A: kc = 0,44,
uziom typu B: kc = 0,25… 0,5.
Wartość współczynnika km zależy od materiału, jaki wykorzystano w odstępie izolacyjnym:
• materiał powietrze: km = 1,
• materiał beton, cegła: km = 0,5.
Wartość L jest długością mierzoną wzdłuż zwodu lub przewodu odprowadzającego, pomiędzy punktem, w którym ma być wyznaczany odstęp izolacyjny s, a najbliższym punktem połączenia wyrównawczego.

Rys. 3. Odstęp izolacyjny pomiędzy instalacją odgromową a systemem PV

Metody wyznaczania stref ochronnych dla LPS

Metoda „toczącej się kuli”
Metoda „toczącej się kuli” jest geometryczno-elektrycznym modelem dającym możliwość badania przestrzeni chronionej przed bezpośrednim uderzeniem pioruna. Po modelu instalacji przetaczana jest kula o odpowiednim promieniu, przy czym wszystkie punkty styku z modelem są punktami ewentualnych uderzeń pioruna.
Przy zastosowaniu kilku zwodów pionowych do ochrony obiektu, konieczne jest uwzględnienie głębokości wnikania kanału wyładowania między zwodami pionowymi. Głębokość wnikania oblicza się za pomocą równania:

gdzie:
p – głębokość wnikania,
R– promień kuli,
d – odległość między zwodami.
Przykładowe wartość p zostały zestawione w tabeli 2.

Rys. 4. Metoda projektowania z „toczącą się kulą” (R), o głębokości wnikania (p) i odległości pomiędzy zwodami pionowymi (d)

Rys. 5. Kąt ochronny a

Metoda kąta ochronnego
Metoda kąta ochronnego może być stosowana dla zwodów pionowych, zwodów na kalenicach budynków (rys. 5). Przestrzeń chroniona przed bezpośrednim uderzeniem pioruna zależy od poziomu ochrony odgromowej i wysokości zwodu pionowego.
Przykład: zwód pionowy o wysokości 10 metrów zapewnia kąt ochrony 60^o przy III poziomie ochrony odgromowej. Należy pamiętać o zachowaniu odpowiedniego odstępu izolacyjnego pomiędzy instalacją odgromową a systemem PV:
• krok 1: sprawdzenie odstępu izolacyjnego. Jeżeli wymagany odstęp izolacyjny nie może zostać zachowany, należy metalowe elementy połączyć ze sobą w sposób gwarantujący przepływ prądu udarowego;
• krok 2: sprawdzenie rodzaju zabezpieczenia według tabeli 1,
Przykład: ograniczniki iskiernikowe (Typ 1) do wyrównania potencjałów są stosowane zarówno po stronie DC, jak i AC,
• krok 3: uwzględnienie przewodów przesyłu danych – przewody przesyłu danych należy także uwzględnić w koncepcji ochrony,
• krok 4: wyrównanie potencjałów – wykonać lokalne połączenie wyrównawcze na przetworniku.

Rys. 6. 1 – kąt ochronny a, 2 – wysokość zwodu [m], 3 – klasa LPS

Rys. 7. Odstęp izolacyjny (s) pomiędzy instalacją odgromową a kablowym systemem nośnym

Rys. 8. Sposoby prowadzenia przewodów: poprawny (prawa strona), niepoprawny (lewa strona)

Systemy prowadzenia kabli i przewodów

Systemy PV narażone są na występowanie przepięć nie tylko przez bezpośrednie uderzenia pioruna, ale również na przepięcia indukowane na skutek wyładowań w pobliżu obiektu. W celu zmniejszenia możliwości zaindukowania się przepięć należy zastosować się do poniższych zaleceń:
• przewody należy układać tak, by maksymalnie ograniczyć obszar występowania sprzężeń (rys. 8),
• zwody i przewody odprowadzające muszą być prowadzone w odpowiednim odstępie izolacyjnym od instalacji fotowoltaicznych PV (rys. 7),
• w celu redukcji możliwości wystąpienia sprzężeń przewody należy prowadzić z wykorzystaniem metalowych koryt kablowych.

Rys. 9. Przykład wykonania systemu PV z zabezpieczeniem odgromowym i przeciwprzepięciowym:
1 – system zwodów odgromowych,
2 – ogranicznik przepięć do instalacji zasilających AC,
3 – ogranicznik przepięć do teleinformatyki,
4 – ogranicznik przepięć do fotowoltaiki DC,
5 – system wyrównania potencjałów,
6 – połączenie z instalacją uziemiającą,
7 – systemy prowadzenia kabli i przewodów

Podsumowanie

Instalacje fotowoltaiczne stają się coraz bardziej popularnym źródłem energii odnawialnej. Amortyzacja systemów PV może się jednak wydłużyć ze względu na ewentualne uszkodzenia, które w prostym przełożeniu prowadzą do utraty zysków. Stosowanie systemów ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej pozwala na wyeliminowanie zagrożeń uszkodzenia instalacji PV powstałych na skutek wyładowań atmosferycznych oraz przepięć w liniach zasilający, zapewniając szybki zwrot z inwestycji oraz wieloletnią i bezproblemową eksploatację. Prawidłowy montaż oraz odpowiednie prowadzenie przewodów zwiększają skuteczność ochrony przepięciowej i odgromowej.

Przemysław Wróblewski
Autor jest pracownikiem
firmy OBO Bettermann