08 listopada 2022

Bezpieczniki do instalacji fotowoltaicznych, czyli kompletna ochrona – jak je wybrać? 

   Międzynarodowe komisje elektrotechniczne (IEC) uznają, że systemy fotowoltaiczne wymagają innego podejścia w kwestii ochrony, w porównaniu do standardowych instalacji elektrycznych. Znajduje to odzwierciedlenie w normie IEC 60269-6 definiującej specyficzne właściwości, które wkładka bezpiecznikowa musi spełniać w celu ochrony systemów PV - klasę użytkowania gPV.

Wkładki bezpiecznikowe firmy Eaton serii Bussmann to rozwiązanie, którego zadaniem jest ochrona obwodów rzędów modułów (stringów) i zostały specjalnie zaprojektowane, aby spełnić ten standard. Podstawy bezpiecznikowe PV EATON  Bussmann przekraczają wymagania normy IEC 60269-6, ponieważ działają przy 1,35 x In (1,35 razy prąd znamionowy). Spełniają również wymagania UL 2579 i dlatego nadają się do ochrony modułów fotowoltaicznych w sytuacjach związanych z prądem wstecznym.

Panele fotowoltaiczne – konstrukcja i nomenklatura:

• komórka PV ma zwykle od 4 do 6 cali kwadratowych (często nazywana ogniwem),

• kilka pojedynczych komórek jest połączonych w module (często nazywanym panelem),

• rząd modułów fotowoltaicznych połączonych szeregowo jest określany jako string, łańcuch,

• szereg równoległych rzędów modułów określa się mianem macierzy.

Rysunek 1 - Konstrukcja paneli fotowoltaicznych  

Moduł fotowoltaiczny

Napięcie wyjściowe modułu fotowoltaicznego jest określone przez liczbę ogniw połączonych szeregowo, które tworzą moduł. Prąd wyjściowy modułu PV zależy od powierzchni ogniwa.

Najczęściej używane moduły słoneczne są wykonane z 4, 5 i 6-calowych polikrystalicznych ogniw krzemowych.

Ten typ modułu wykorzystujący 6-calowe ogniwa może osiągnąć około 8 A prądu maksymalnego punktu mocy (MPP) na moduł przy typowym napięciu wyjściowym około 30 wolt. Przy technologii cienkowarstwowej typowa moc wyjściowa wynosi 2,5 A i 40 wolt.

Prąd w punkcie mocy maksymalnej Impp różni się u różnych producentów przy jednakowych wymiarach ogniw słonecznych. Aby właściwie dobrać bezpieczniki do instalacji fotowoltaicznych należy stosować określone przez producenta charakterystyki prądu zwarcia (Isc) i prądu wstecznego.

W celu zweryfikowania prądów wyjściowych i napięć modułów w zakresie warunków przewidywanych dla proponowanej instalacji należy zapoznać się ze specyfikacjami dostarczonymi przez producenta modułu. Na warunki te ma wpływ temperatura otoczenia, kąt padania światła słonecznego oraz ilość energii słonecznej docierającej do modułu. Są one zwykle wymieniane jako współczynniki w specyfikacjach producenta.

Producenci sugerują również maksymalną wartość znamionową bezpiecznika szeregowego lub wartość prądu wstecznego. Obie wartości są oparte na testach modułów, które przetrwały 1,35 raza tej oceny przez dwie godziny.

Ochrona obwodów rzędów modułów (stringów)

W zależności od pożądanej wydajności systemu fotowoltaicznego, może być kilka połączonych równolegle stringów fotowoltaicznych, aby osiągnąć wyższe prądy, a następnie większą moc. Systemy fotowoltaiczne, które mają trzy lub więcej rzędów modułów (Np > 3) połączonych równolegle, wymagają ochrony każdego z nich. Systemy, które mają mniej niż trzy stringi (Np ≤ 3), nie będą generować prądu wystarczającego do uszkodzenia modułów w przypadku usterki. Dlatego też nie stanowią zagrożenia dla bezpieczeństwa, pod warunkiem, że przewód jest odpowiednio dobrany. Jednakże dobra praktyka wskazuje, aby wykonać takie zabezpieczenie np. na wypadek uszkodzenia falownika lub gdy do rzędów modułów podłączone są baterie.

Tam, gdzie trzy lub więcej rzędów modułów jest połączonych równolegle, wkładki bezpiecznikowe PV w każdym module ochronią kable i moduły przed zwarciami przetężeniami i pomogą zminimalizować wszelkie zagrożenia bezpieczeństwa. Odizolują również uszkodzony string, aby reszta systemu fotowoltaicznego mogła nadal generować energię elektryczną.

Należy pamiętać, że prąd wyjściowy modułów PV zmienia się wraz z temperaturą modułów, ilością słońca, na które są narażone. Ekspozycja zależy od natężenia promieniowania, nachylenia oraz efektu zacienienia drzew, budynków lub chmur. Podczas pracy wkładki topikowe, jako urządzenia termiczne, podlegają wpływowi temperatury otoczenia. 

Rysunek 2 - Ochrona rzędów modułów wraz z typoszeregiem bezpieczników Eaton  

Ochrona obwodów rzędów modułów (stringów) – jak dobrać wkładki bezpiecznikowe PV?

Chociaż zalecane jest pełne zbadanie wszystkich parametrów, przy doborze wkładki bezpiecznikowej można stosować następujące współczynniki: 1,56 dla prądu i 1,2 dla napięcia. Obejmują one większość odmian instalacji. Tę samą metodę należy zastosować dla modułów krystalicznych i cienkowarstwowych.

Jeśli system fotowoltaiczny jest narażony na działanie ekstremalnych wysokości, wysokiego napromieniowania lub niskiej temperatury, prosimy o skonsultowanie się z inżynierami aplikacyjnymi EATON.

Zdefiniuj specyfikację modułu fotowoltaicznego

Kryteria:

Isc: Prąd zwarciowy modułu w standardowych warunkach testowych (STC) — dane dostarczone przez producenta PV

Voc: Napięcie obwodu otwartego jednego modułu w STC - Dane dostarczone przez producenta PV

Ns: Ilość modułów w pojedynczym rzędzie (stringu)

Np: Ilość równoległych rzędów modułów (stringów) na macierz

Imod_max_OCPR : Maksymalna wartość zabezpieczenia nadprądowego modułu fotowoltaicznego określona w normie IEC 61730-2 (jest często określana przez producentów modułów jako maksymalna wartość zabezpieczenia szeregowego)

Jeśli Np ≤ 3  i kabel 1.56 x Isc

W przypadku instalacji fotowoltaicznych z trzema lub mniej równoległymi rzędami modułów i kablami o odpowiedniej wielkości może być konieczne zastosowanie bezpieczników, jeśli wymagają tego lokalne przepisy lub kodeksy praktyk dotyczące instalacji.

Firma Eaton zaleca stosowanie wkładek bezpiecznikowych we wszystkich systemach fotowoltaicznych, ponieważ w przypadku awarii falownika, gdy do łańcuchów podłączone są akumulatory, mogą wystąpić nieprzewidywalne prądy zakłóceniowe.

Prąd znamionowy wkładki ≤ obciążalność prądowa kabli instalacyjnych

Z reguły dla prosumenckich elektrowni są to wkładki 10x38mm/1000 Vdc

Jeśli Np >  3

Wartość znamionową wkładki bezpiecznikowej należy dobrać w następujący sposób:

• Napięcie znamionowe wkładki ≥ 1.20 x Voc x Ns

• Prąd znamionowy wkładki ≥ 1.56 x Isc

• Sprawdź obciążalność prądową wybranego bezpiecznika po obniżeniu wartości znamionowych w temperaturze otoczenia, w której bezpiecznik nadal spełnia powyższe kryteria

• Prąd znamionowy wkładki ≤ I mod_max_OCPR

• Prąd znamionowy ≤ Iz = obciążalność prądowa kabli instalacyjnych

• Obniżenie wartości

Z reguły dla prosumenckich elektrowni są to wkładki 10x38mm/1000 Vdc

Wykres 1 – Bezpieczniki do PV - obciążalność prądowa w funkcji temperatury otoczenia  

Ochrona obwodów rzędów modułów (stringów) — przykład obliczeń

Po ustaleniu, że maksymalny prąd zwarciowy przekracza wartość znamionową prądu kabla, zalecenia dotyczące wyboru prawidłowej wkładki bezpiecznikowej stringu PV są następujące:

Dane Producenta modułów fotowoltaicznych

• Maksymalne napięcie systemu: 1000 V d.c

• Napięcie obwodu otwartego (Voc): 43,1 V

• Prąd zwarciowy (Isc): 5,37 A

• Maksymalne wartości znamionowe bezpiecznika: (Imod_max_OCPR): 15 A

Konfiguracja instalacji fotowoltaicznej

• 18 modules modułów w stringu (Ns = 18)

• Maksimum 60°C moduł

• Minimum -30°C moduł

• Maksimum 45°C temperatura otoczenia wkładki bezpiecznikowej

• 4 stringi w macierzy (Np = 4)

• Przewód: 2.5 mm2 ≥ Iz = 11.5 A przy 60°C (dane producenta)

• Obliczenia

• Przewód ≥ 1.56 x Isc = 1.56 x 5.37 = 8.38 A. Wybrany przewód Iz = 11.5 A → Wybrany przewód jest odpowiedni

• Maksymalny prąd zwarciowy stringu Isc_string  = (Np -1) x 1.25* x Isc = (4 - 1) x 1.25* x 5.37 = 20.1 A

• Isc_string 20.1 A > Iz (11.5 A) → potrzebne są wkładki bezpiecznikowe do ochrony stringów

• Minimalny prąd znamionowy bezpiecznika In ≥ 1.56 x Isc = 1.56 x 5.37 = 8.38 A

• Maksymalny prąd znamionowy bezpiecznika In ≤ Imod_max_OCPR = 15 A

• In ≤ Iz przewodu = 11.5 A

• Minimalne napięcie znamionowe bezpiecznika Un ≥ 1.2 x Voc x Ns = 1.2 x 43.1 x 18 = 931 V

Wybrana wkładka bezpiecznikowa musi mieć parametry znamionowe 10 A i 1000 V d.c

Według katalogu EATON Bussmann to wkładka o symbolu PV-10A10F 

Wybrana wkładka bezpiecznikowa ma obciążalność prądową 9,3 A w temperaturze otoczenia 45°C która jest większa niż minimalny prąd znamionowy bezpiecznika (8,38 A). Wybrana wkładka będzie więc chronić przewody i moduły przed uszkodzeniami wynikającymi z prądów wstecznych.

Tabela 1 - Wkładki bezpiecznikowe PV Eaton Bussmann