Jak chronić falowniki instalacji PV od przepięć

Moduły fotowoltaiczne przetwarzają energię słoneczną na energię prądu stałego. Sieć elektroenergetyczna, do której oddajemy produkowaną energię elektryczną, pracuje przy napięciu przemiennym 3×230/400 V o częstotliwości 50 Hz. W dużym uproszczeniu zadaniem falownika jest zamiana prądu stałego na przemienny, tak by wytworzona energia była kompatybilna z energią dostarczaną z sieci elektroenergetycznej.

Falowniki stanowią średnio około 20% całości poniesionych nakładów finansowych na budowę własnej instalacji PV. Każda chwila, w której możemy, a jednak nie sprzedajemy produkowanej energii elektrycznej, wydłuża czas zwrotu z poniesionej inwestycji. W przypadku, gdy ulegnie uszkodzeniu jedno ogniwo zainstalowane na dachu, nie utracimy pełnej funkcjonalności naszej elektrowni. Jednak gdy ulegnie uszkodzeniu falownik przestaje ona dostarczać nam zysków, przestaje się zwracać, a zaczyna generować dodatkowe koszty przyjazdu wykwalifikowanego serwisu, ewentualnych napraw czy też wymiany, jednocześnie powodując niepotrzebny dyskomfort u użytkownika.

Czy falowniki PV ulegają uszkodzeniom? Wystarczy wpisać w wyszukiwarce internetowej hasło: „falowniki PV uszkodzenia”, a natychmiast otrzymujemy kilkanaście zdjęć uszkodzeń, porad serwisowych itp.

Na fot. 1 widzimy uszkodzony stopień wyjściowy falownika, a dokładnie rozerwane warystory na wyjściu dwóch z faz oraz osmaloną płytkę PCB [1]. Na szczęście nie doszło do pożaru.

Na fot. 2 widzimy uszkodzony falownik, który zainicjował pożar poddasza [16]. Na fot.3, fot. 4, fot. 5 i fot. główne. możemy zobaczyć inne skutki awarii falowników.

Bardzo ciekawie przedstawiają się statystyki awarii i uszkodzeń w instalacjach fotowoltaicznych pochodzące z niemieckiego zakładu ubezpieczeń Mannheimer Versicherung [2, 3] (rys. 1).

Wyładowania atmosferyczne i przepięcia stanowią 26% awarii i uszkodzeń. Jeszcze ciekawsze są dane z TÜV Rhein­land [2, 4, 5] (rys. 2).

Pojawia się pozycja – błąd projektowy. Dokładnie wczytując się w tekst źródłowy odnajdujemy informację, iż w tym przypadku chodzi o uszkodzenia spowodowane błędami projektowymi zarówno w zakresie instalacji elektrycznej (niewłaściwy dobór urządzeń, kabli, izolacji itp.), jak i mechanicznej.

Należy zwrócić uwagę, iż błędy projektowe mogą prowadzić do awarii sprzętu. Sumując wartości dotyczące awarii sprzętu i błędów projektowych, otrzymujemy 52% przyczyn wszystkich problemów. Jest to już znacząca liczba.

Planowane postarzanie produktu

„Planowane postarzanie produktu", także „planowane ograniczenie trwałości produktu", „zaplanowana żywotność produktu" – jest to strategia producenta mająca na celu takie projektowanie towarów, aby miały one ograniczony czas użytecznego życia, po tym zaś okresie stawały się niesprawne, a często nieopłacalne w naprawie.

Planowe postarzanie produktu ma wymusić na konsumencie ponowne kupienie produktu i tym samym przyniesienie zysku producentowi. Co do zasady przedsiębiorstwa produkcyjne nie przyznają się do tej praktyki, a niekiedy otwarcie ją negują” – źródło Wikipedia [15].

W obecnych czasach powszechna staje się sytuacja, gdy naprawa zepsutego sprzętu okazuje się mniej korzystna niż zakup nowego. Od początku XXI w. zauważalne jest ww. zjawisko, które dotyczy szczególnie produktów z rynku RTV i AGD. Są one tak projektowane, aby uległy uszkodzeniu po kilku latach użytkowania, a ich ewentualna naprawa przez serwisy, wobec kosztów usługi serwisowej w porównaniu do ceny nowego produktu, staje się nieopłacalna.

Należy zauważyć, iż omawiane zjawisko nie ogranicza się tylko do sprzętu RTV/AGD. Kolejny przykład – samochody. Już przyzwyczailiśmy się, iż po kilku latach od wyjechania z salonu wszystko „zaczyna się sypać”. Cóż wówczas robimy – szybko sprzedajemy coraz częściej psujący się samochód.

W przypadku falowników PV jest dokładnie tak samo. Zestawiając wcześniej opisane dane statystyczne, jednoznacznie można stwierdzić, iż należy się spodziewać awarii instalacji PV w perspektywie czasu życia (czasu eksploatacji) liczonej na 25–30 lat.

Unia Europejska postanowiła wprowadzić przepisy prawne zobowiązujące producentów do tego, aby ich wyroby stały się trwałe i łatwiejsze do naprawy. Przepisy wydłużające trwałość produktów to krok w dobrą stronę.

„Od USA po Europę, użytkownicy domagają się prawa do naprawy, ponieważ są zmęczeni produktami, które zostały zaprojektowane z myślą o przedwczesnym zużyciu – ocenia Chloe Fayole z European Environmental Citizens’ Organisation for Standardisation – ECOS, która prowadzi kampanię Coolproducts - i opowiada się za prawem do naprawy dla europejskich konsumentów” [6].

Spójrzmy ponownie na rys. 2. Policzmy procenty. Poczytajmy dyskusję na forach serwisowych, a wówczas zdamy sobie sprawę z realnego zagrożenia naszej inwestycji, z ewentualnych dodatkowych kosztów po okresie gwarancji, z ograniczeń i wyłączeń w zakresie napraw gwarancyjnych.

W przypadku urządzeń elektrycznych i elektronicznych w celu sztucznego postarzania wykorzystuje się brak koordynacji energetycznej zewnętrznych i wewnętrznych elementów i urządzeń do ograniczania przepięć.

Najważniejszym kryterium doboru ich parametrów jest napięciowy poziom ochrony (U_p) szczegółowo definiowany w normie PN-EN 61643-11:2013 [9]. Parametr U_p ogranicznika przepięć powinien być skoordynowany z napięciem wytrzymywanym przez badane urządzenie U_w stosownie do wymagań normy PN-EN 60664-1 [10].

Należy zauważyć, iż wycofana norma PN-EN 62305-4:2006 [11] w załączniku C szczegółowo opisywała zasady prawidłowiej koordynacji energetycznej SPD – łącznie na 17 stronach. W aktualnej wersji normy PN-EN 62305-4:2011 nie ma ww. opisanych zasad koordynacji. Powszechny w Polsce i nie tylko brak właściwej koordynacji SPD skutkuje uszkodzeniami chronionych urządzeń pomimo stosowania ograniczników przepięć dobranych wg PN-EN 62305-4:2011. Bardzo często nie zdajemy sobie sprawy z tego faktu, a uszkodzenia przypisujemy złemu losowi lub mówimy: „spaliło się zgodnie z normą”.

Podłączenie i ochrona przeciwprzepięciowa falowników PV

Procedura podłączenia instalacji PV do sieci elektroenergetycznej składa się z kilku etapów.

W pierwszej kolejności należy sporządzić projekt instalacji PV. Z punktu widzenia bezpieczeństwa, i nie tylko, zaleca się doposażyć/wyposażyć obiekt przeznaczony pod inwestycję w instalację odgromową. Z punktu widzenia planowanego zużycia sprzętu należy zwrócić szczególną uwagę na ochronę przeciwprzepięciową.

W budynku (z zewnętrznym urządzeniem piorunochronnym i z zachowanym odstępem separującym) w celu zabezpieczenia falownika przed skutkami przepięć należy zainstalować (rys. 3.):

• w rozdzielnicy głównej budynku ogranicznik przepięć klasy T1 kombinowany zbudowany w oparciu o iskiernik skoordynowany energetycznie z urządzeniem końcowym poprzez np. sterowany iskiernik (stosownie do załącznika C normy PN-EN 62305-4:2006 – w celu zabezpieczenia przed planowanym postarzaniem falownika PV),
• 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 przeznaczony 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.

Po sporządzeniu projektu można przystąpić do budowy. Na końcowym etapie inwestycji należy zwrócić szczególną uwagę na zgodność dokumentacji ze stanem faktycznym. Niezgodność projektu z rzeczywistością może stanowić podstawę do odmowy wypłaty odszkodowania przez towarzystwo ubezpieczeniowe.

Po zakończeniu prac chęć podłączenia instalacji PV do sieci elektroenergetycznej należy wraz z niezbędną dokumentacją (druk zgłoszenia, schemat instalacji elektrycznej obiektu, szczegółowe dane projektowe dotyczące mocy zainstalowanej itp.) przedłożyć w lokalnym zakładzie energetycznym. W ciągu 30 dni zostanie wymieniony nam licznik energii elektrycznej na dwukierunkowy.

Ostatnim etapem całej inwestycji jest podpisanie umowy z lokalnym dystrybutorem energii elektrycznej.

Specjalne ograniczniki przepięć do ochrony instalacji fotowoltaicznych

Ogniwa fotowoltaiczne ze względu na swoją specyfikę 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 [13], zastąpionej w 2019 roku przez normę PN-EN 61643-31:2019-07 [14].

Głównym problemem w budowie ogranicznika PV jest bezpieczne odłączenie SPD w przypadku jego uszkodzenia lub przegrzania. Ma to na celu zapobieganie pożarowi. Klasycznie stosowane 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. 4).

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. Główne kryterium wyboru oferty na system PV – 100% cena.
2. Pomijanie tematu bezpieczeństwa na etapie inwestycji – wróć do pkt 1.
3. Bezgraniczna ufność w deklarowaną jakość usługi, produktu i jego/jej estetyczny wygląd.
4. Ograniczenia w umowie gwarancyjnej – w zakresie świadczeń gwarancyjnych.
5. Brak zabezpieczeń od skutków przepięć falowników PV.

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 ze 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 powinien 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://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3627274.html#gallery-1
2. Strona internetowa: https://flixenergy.pl/blog-725-czy-instalacje-pv-sa-bezpieczne-pod-wzgledem-pozarowym-#close
3. „Schadenstatistik Photovoltaik. Schadenursachen nach Stückzahlen”, Mannheimer Versicherung 2010.
4. Sepanski et al., „Assessing Fire Risks in Photovoltaic Systems and Developing Safety Concepts for Risk Minimization”, TÜV Rheinland Energie und Umwelt GmbH, 2018.
5. Strona internetowa: www.sma-sunny.com/en/fire-safety-of-pv-systems (2021.04.12).
6. Strona internetowa: https://www.dziennikprawny.pl/pl/a/prawo-do-naprawy-w-unii-europejskiej-od-2021-roku - data pozyskania (2020.12.13).
7. PN-EN 62305-4:2011, „Ochrona odgromowa. Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach”.
8. PN-EN 61000-4-5:2014-10, „Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Część 4–5: Metody badań i pomiarów. Badanie odporności na udary”.
9. PN-EN 61643-11:2013, „Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia. Część 11: Urządzenia ograniczające przepięcia w sieciach elektroenergetycznych niskiego napięcia. Wymagania i metody badań”.
10. PN-EN 60664-1:2011, „Koordynacja izolacji urządzeń elektrycznych w układach niskiego napięcia. Część 1: Zasady, wymagania i badania”.
11. PN-EN 62305-4:2006, „Ochrona odgromowa. Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach budowlanych”.
12. Poradnik ochrony odgromowej”, Neumarkt DEHN, 2019.
13. 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”.
14. PN-EN 61643-31:2019-07, „Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia. Część 31: Wymagania i metody badań dla SPD instalacji fotowoltaicznych”.
15. Strona internetowa: https://pl.wikipedia.org/wiki/Planowane_postarzanie_produktu (2021.08.06).
16. Strona internetowa: https://assets.publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/630639/fire-solar-pv-systems-investigations-evidence.pdf (2021.08.06).
17. Strona internetowa: https://www.acsolarwarehouse.com/news/solar-fires-dc-arc-faults-on-solar-systems/ (2020.10.09).