Ochrona domowych instalacji fotowoltaicznych przed skutkami przepięć i wyładowań piorunowych

Na wstępie, tak jak już wcześniej wspomniano, należy przeprowadzić analizę ryzyka, której wynik dostarcza informacji o wymaganym poziomie ochrony odgromowej (LPL), a co za tym idzie, jakie konkretnie rozwiązania techniczne należy zastosować, aby ryzyko ograniczyć do wymaganego normą poziomu.

Dodatek 5 do niemieckiej wersji normy DIN EN 62305-3 [5] w punkcie 4.5 zawiera zapis, że urządzenie piorunochronne wykonane w III klasie LPS (LPL III) odpowiada normalnym wymaganiom dla instalacji fotowoltaicznych [2]. W polskiej edycji normy nie ma takiego uwarunkowania, niemniej jednak ubezpieczyciele wymagają co najmniej IV klasy LPS oraz ochrony przeciwprzepięciowej.

Ciekawe jest również stanowisko Stowarzyszenia Niemieckich Firm Ubezpieczeniowych (Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft – GDV), które w swoich wytycznych VdS 2010 „Ochrona odgromowa i przepięciowa ukierunkowana na ryzyko” wymaga poziomu ochrony LPL III (III klasa LPS) [2]. Podobne stanowisko w tej kwestii wyrażają polskie firmy ubezpieczeniowe bezpośrednio w OWU. Po przeprowadzonej analizie ryzyka można przystąpić do projektowania systemu ochrony odgro­mowej.

Budynek bez zewnętrznej ochrony odgromowej

Jeśli analiza ryzyka nie wykazała konieczności instalowania systemu ochrony odgromowej, wówczas należy się spodziewać niebezpiecznych napięć indukowanych wskutek pobliskich wyładowań piorunowych obok instalacji PV lub w wyniku przenoszenia się przepięć z sieci elektroenergetycznej zasilającej obiekt [2]. W celu zabezpieczenia się przed skutkami przepięć należy zainstalować ograniczniki przepięć klasy T2 (rys. 1):

• w rozdzielnicy głównej budynku,
• na wyjściu AC falownika w miejscu przyłączenia sieci niskiego napięcia, jeśli długość przewodów do rozdzielnicy jest większa niż 10 m (wyposażonej w ograniczniki przepięć),
• na wejściu DC falownika w miejscu przyłączenia kabli z paneli PV
• na wyjściu paneli PV, jeśli długość przewodów do falownika jest większa niż 10 m,
• na wejściu sterującym falownika (jeśli takie posiada i są one wykorzystywane).

W celu wyrównania potencjałów pomiędzy ogniwami PV na dachu oraz dla zapewnienia prawidłowej pracy falownika, a w szczególności układu monitorującego stan izolacji ogniw PV (najczęściej zintegrowanego z falownikiem) wymaga się skutecznego uziemienia konstrukcji nośnej ogniw PV przewodem o minimalnym przekroju 6 mm² Cu lub równoważnym [2].

Budynek z zewnętrzną ochroną odgromową

Najlepszym i zalecanym sposobem ochrony instalacji PV jest montaż zewnętrznego systemu ochrony odgromowej. Koncepcję ochrony pokazuje rys. 2.

Głównym zadaniem systemu jest przechwycenie prądu wyładowania piorunowego i wysłanie go przez projektanta obraną drogą do systemu uziomowego. W tym celu należy rozmieścić na dachu system zwodów pionowych, wykorzystując do tego metodę toczącej się kuli lub kąta ochronnego, zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 62305-3 [5] (rys. 3).

Istotną kwestią podczas rozmieszczania zwodów na dachu jest problem zacienienia ogniw PV. Cień całkowity na ogniwie PV w bardzo dużym stopniu obniża ilość generowanej energii elektrycznej. Projektując system zwodów na dachu, należy przeanalizować ten problem, gdyż pominięcie tego znacząco wydłuży okres zwrotu z inwestycji. Aby uniknąć cienia całkowitego, należy odpowiednio odsunąć zwody pionowe od modułów PV (rys. 4).

I tak przykładowo zwód pionowy o średnicy 10 mm w odległości 1,08 m od ogniwa PV przekształca cień całkowity w półcień, co zapewnia równomierną pracę ogniw (rys. 5).

Dla zwodu o średnicy 16 mm wymagana odległość to 1,76 m (L = Ø × 108). Szczegółowe wytyczne w tym akresie znajdziemy w niemieckiej wersji normy DIN EN 62305-3 (dodatek 5, załącznik A) [2,7].

Należy w tym miejscu również wspomnieć o odstępie separującym (s), który należy zapewnić między panelami PV oraz innymi elementami i przewodami umieszczonymi na dachu a systemem zwodów. Spełnienie powyższego wymagania w znaczący sposób zmniejsza zagrożenie przepięciowe i pożarowe, gdyż izoluje system zwodów (który podczas doziemnego wyładowania piorunowego jest źródłem m.in. wysokiego napięcia) na dachu od reszty urządzeń, zabezpiecza przed pojawieniem się niekontrolowanych przeskoków iskrowych, które bezpośrednio mogą być przyczyną pożaru.

Metodę wyznaczania wymaganych odstępów separacyjnych znajdziemy w normie PN-EN 62305-3 [5].

W przypadku braku możliwości zapewnienia wymaganych odstępów należy rozważyć stosowanie przewodów o izolacji wysokonapięciowej (HVI) [2]. Dzięki temu przewody odprowadzające prąd piorunowy mogą się stykać z instalacją fotowoltaiczną, nie powodując powstania zagrożenia (rys. 6).

Przy doborze przewodów HVI należy upewnić się, czy spełniają one wymagania opisane w IEC TS 62561-8 [8] w zakresie deklarowanych odstępów separujących. Niestety na rynku polskim często wykorzystuje się kable średniego napięcia jako przewody wysokonapięciowe bez zdefiniowanego odstępu separacyjnego dedykowanego dla urządzeń pioruno­chronnych.

Bardzo ważną częścią systemu ochrony są także połączenia wyrównawcze. W sposób naturalny zmniejszają one względne różnice potencjałów między urządzeniami i elementami umiejscowionymi na dachu oraz wewnątrz budynku. W przypadku instalacji PV należy połączyć wszystkie konstrukcje wsporcze umieszczone na dachu, pamiętając o wymaganym odstępie separacyjnym. Jeśli na dachu będą umieszczone inne urządzenia elektryczne lub elektroniczne, należy wprowadzając okablowanie do środka budynku na granicy strefy LPZ0 i LPZ1, zastosować ograniczniki przepięć klasy T2 – jednocześnie pamiętając o umieszczeniu ich w przestrzeni chronionej stworzonej przez układ zwodów umieszczonych na dachu.

W celu wyrównania potencjałów pomiędzy ogniwami PV na dachu oraz dla zapewnienia prawidłowej pracy falownika, a w szczególności układu monitorującego stan izolacji ogniw PV (najczęściej zintegrowanego z falownikiem) wymaga się skutecznego uziemienia konstrukcji nośnej ogniw PV przewodem o minimalnym przekroju 6 mm² Cu lub równoważnym (rys. 5).

W celu zabezpieczenia się przed skutkami przepięć należy zainstalować (rys. 2):

• w rozdzielnicy głównej budynku ogranicznik przepięć klasy T1 kombinowany, zbudowany w oparciu o iskiernik,
• na wyjściu AC falownika w miejscu przyłączenia sieci niskiego napięcia ogranicznik przepięć klasy T2, jeśli długość przewodów do rozdzielnicy jest większa niż 10 m,» na wejściu DC falownika w miejscu przyłączenia kabli z paneli PV ogranicznik przepięć klasy T2 dedykowany do systemów PV,
• na wyjściu paneli PV, jeśli długość przewodów do falownika jest większa niż 10 m ogranicznik przepięć klasy T2 dedykowany do systemów PV,
• na wejściu sterującym falownika (jeśli takie posiada i są one wykorzystywane) ogranicznik przepięć przeznaczony do torów sygnałowych klasy C2.

Jeżeli pokrycie dachu jest metalowe lub tworzy je sama instalacja PV, i z punktu widzenia techniki montażu brak jest możliwości zachowania wymaganych odstępów separacyjnych (s), metalowe części konstrukcji nośnej ogniw PV muszą być połączone przewodami o przekroju min. 16 mm² Cu lub równoważnym do elementów zewnętrznego systemu ochrony odgromowej [2]. Należy także na wejściu przewodów DC falownika zainstalować ograniczniki przepięć klasy T1 dedykowane do instalacji PV.

Jeśli długość przewodów łączących panele PV z falownikiem od strony DC jest większa niż 10 m, należy zainstalować kolejny ogranicznik przepięć klasy T1 dedykowany do instalacji PV (na wyjściu paneli). Na wyjściu AC falownika należy również zainstalować ogranicznik przepięć klasy T1 kombinowany, zbudowany w oparciu o iskiernik.

W celu wyrównania potencjałów pomiędzy ogniwami PV na dachu oraz dla zapewnienia prawidłowej pracy falownika, a w szczególności układu monitorującego stan izolacji ogniw PV (najczęściej zintegrowanego z falownikiem), wymaga się skutecznego uziemienia konstrukcji nośnej ogniw PV przewodem o minimalnym przekroju 16 mm² Cu lub równoważnym.

Podczas układania przewodów należy zwrócić uwagę, aby nie tworzyć zbytecznych pętli, w których mogą się indukować większe wartości napięć. Dotyczy to przewodów łączących ogniwa PV z falownikiem, ogniwa między sobą (stringi). Należy unikać prowadzenia poprzecznego przewodów DC między rzędami ogniw, przewodami przesyłu danych lub czujników nasłonecznienia, monitoringu pracy instalacji – tworzą one zbędne pętle, co też zwiększa narażenie przepięciowe całego systemu PV [2].

Specjalne ograniczniki przepięć do ochrony instalacji fotowoltaicznych

Ogniwa fotowoltaiczne ze względu na swoją specyfikę (jak już wspomniano wcześniej) mogą pracować przy prądzie znamionowym bardzo zbliżonym do prądu zwarciowego. Ograniczniki przepięć dla systemów PV (DC) są inaczej budowane niż dla sieci prądu zmiennego (AC) m.in. dlatego, że prądy następcze przy prądzie stałym trudno jest wyłączyć ze względu na nieprzechodzenie prądu przez zero. Wymusza to stosowanie specjalnych konstrukcji, zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 50539-11:2013-06 [9], zastąpionej w 2019 roku przez normę PN-EN 61643-31:2019-07 [10].

Głównym problemem w budowie ogranicznika PV jest bezpieczne odłączenie SPD w przypadku jego uszkodzenia lub przegrzania. Ma to na celu zapobieganie pożarowi. Klasyczne rozwiązanie polegające na stosowaniu zgrzewanego złącza bimetalicznego nie może być bezpośrednio zastosowane dla układów DC (PV).

Ograniczniki przepięć prądu stałego składają się zazwyczaj z trzech elementów ucinających, ograniczających lub kombinowanych, równolegle połączonych ze specjalnymi bezpiecznikami nadprądowymi sprzężonymi z modułami ograniczającymi przepięcia i działającymi sekwencyjnie.

W przypadku pojawienia się krótkotrwałego przepięcia powinien zadziałać tylko moduł ucinający lub ograniczający przepięcie. Jeśli zaburzenie trwa dłużej (czas działania zależny od budowy i własności konkretnego SPD), wówczas ogranicznik przepięć powinien mieć możliwość skutecznego przerwania płynącego prądu zwarciowego (DC) (rys. 5).

Ograniczniki przepięć do paneli PV charakteryzują się również innym napięciowym poziomem ochrony U_p – dobieranym w zależności od napięcia pracy stringu. Wartości prądów znamionowych (I_n) i impulsowych (I_imp) należy dobierać w zależności od przyjętej klasy ochrony, a co za tym idzie maksymalnej wartości prądu piorunowego (10/350 µs), klasy probierczej ogranicznika (T1 lub T2), liczby przewodów odprowadzających zewnętrznego systemu ochrony odgromowej. Szczegóły można znaleźć w normie PN-EN 61643-31 [10]. Zestawienie wymaganych wartości minimalnych prądów znamionowych SPD zaczerpnięto z tabeli A.2 ww. normy i przedstawiono w tabelach 1 i 2.

Najczęściej popełniane błędy

1. Brak jakiejkolwiek ochrony. Dołożenie instalacji PV bez modyfikacji systemu ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej obiektu.
2. Stosowanie aktywnej ochrony odgromowej lub innej polegającej na ograniczeniu liczby zwodów lub cienia na dachu. Wyłącza to odpowiedzialność ubezpieczyciela za ewentualne straty ze względu na stosowanie rozwiązań niezgodnych z polskim Prawem budowlanym. Błędem jest powoływanie się na normy francuskie nieprzywołane w polskim rozporządzeniu Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [11].
3. Niezachowane odstępy separacyjne na dachu.
4. Brak ochrony przeciwprzepięciowej skoordynowanej energetycznie z urządzeniem końcowym (falownikiem). Ryzykujemy usz­kodzenie falownika wskutek przepięć pomimo zastosowania ogranicznika przepięć.

Podsumowanie

Własne elektrownie słoneczne stają się coraz bardziej popularne i modne w Polsce. Dostrzegając ich zalety, aktywnie z nich korzystając, nie można zapominać o zagrożeniach, które wraz z sobą niosą. Ryzyko pożaru obiektu, na którym są zainstalowane, wzrasta znacząco. Bez skutecznej ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej okres zwrotu z inwestycji może być dłuższy lub w ekstremalnych przypadkach koszty przewyższą znacząco potencjalne zyski. W polskim prawie winien być wprowadzony zapis nakładający na użytkowników instalacji PV konieczność wyposażenia ich w urządzenia piorunochronne i przeciwprzepięciowe. Brak takiej regulacji jest wykorzystywany do zmniejszenia kosztów inwestycji. Ubezpieczenie daje tylko złudną nadzieję na pokrycie ewentualnych strat. Podsumowując: zaleca się instalację potocznie zwanej „odgromówki” i „przepięciówki”.

Literatura

1. Strona internetowa: https://globenergia.pl/ponad-104-tysiace-mikroinstalacji-pv-w-2019-roku-gigantyczny-wzrost-w-fotowoltaice/ (2020.03.26).
2. „Poradnik ochrony odgromowej”, Neumarkt DEHN, 2019.
3. PN-EN 62305-1:2011, „Ochrona odgromowa – Część 1: Zasady ogólne”.
4. PN-EN 62305-2:2012, „Ochrona odgromowa – Część 2: Zarządzanie ryzykiem”.
5. PN-EN 62305-3:2011, „Ochrona odgromowa – Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenie życia”.
6. PN-EN 62305-4:2011, „Ochrona odgromowa – Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach”.
7. DIN EN 62305-3:2016-04; VDE 0185-305-3:2016-04, „Blitzschutz – Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen”.
8. IEC TS 62561-8:2018, „Lightning protection system components (LPSC) – Part 8: Requirements for components for isolated LPS”.
9. PN-EN 50539-11:2013-06, „Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia – Urządzenia ograniczające przepięcia do zastosowań specjalnych z włączeniem napięcia stałego – Część 11: Wymagania i badania dla SPD w zastosowaniach fotowoltaicznych”.
10. PN-EN 61643-31:2019-07, „Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia – Część 31: Wymagania i metody badań dla SPD instalacji fotowoltaicznych”.
11. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 8 kwietnia 2019r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2019 poz. 1065).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!