4.6 Молниезащита для фотоэлектрических систем (PVS), установленных на крыше здания
Фотоэлектрические системы (PVS – Photovoltaic systems) (солнечные электростанции) предназначены для автономного электроснабжения объектов, и все более широко начинают применяться в рамках политики перехода на экологически чистые, возобновляемые ресурсы. Главное достоинство подобных систем – обеспечение высокой степени независимости от электрической сети.
Однако все эти системы подвергаются воздействию любых погодных условий и должны выдерживать их на протяжении десятилетий.
Воздействие молний повреждают не только PV-модули, инверторы и их контрольную электронику, но и вызывает электрические помехи. В связи с увеличением длины кабелей, которые затем входят в здание и подключаются к их сети электроснабжения, ток молнии проникает в здание и может повредить внутренние устройства. Если электростанция работает автономно, удар молнии может повредить оборудование, работающее от солнечного электричества.
4.6.1 Необходимость молниезащиты для PV-системы на крыше
Вопрос установки PV системы на крыше промышленных или частных зданий зависит от их местоположения, типа конструкции, возможностей применения. Еще до этапа проектирования системы PV известно, установлена ли система молниезащиты на здании, потому вопрос решается следующим образом: если да – какая потребуется модернизация; если нет – должна ли быть установлена система молниезащиты. С этой целью следует определить вероятность удара молнии и просчитать возможные последствия.
Согласно современным знаниям, установка модулей PV сама по себе не увеличивает риск удара молнии. Поэтому ответ на вопрос о необходимости мер молниезащиты не может быть получен просто из факта существования системы PV. На основе анализа риска удара молнии проводится новый расчет экономической эффективности системы молниезащиты – и если расчет покажет необходимость в защите, она должна быть установлена. Вообще же раздел «Управление рисками» стандарта ДСТУ EN 62305-3 описывает, что система молниезащиты, разработанная для класса молниезащиты III, соответствует обычным требованиям к фотоэлектрическим системам – следовательно, система молниезащиты (согласно классу LPS III) может быть установлена для PV-систем (> 10 кВт) на крыше. Также должны быть приняты меры защиты от перенапряжений – даже для зданий без внешней молниезащиты.
4.6.2 Кабельная прокладка PV-систем и заземление
Кабели необходимо прокладывать таким образом, чтобы избежать больших индуктивных контуров: при соединении отдельных панелей и блоков постоянного напряжения для формирования «линии» и при соединении нескольких «линий»; провода для передачи данных (мониторинг выходного напряжения) или линии датчиков (например, датчик излучения) не должны прокладываться рядом с силовыми. Это также следует учитывать при подключении инвертора к сети. При этом все линии, через соответствующие УЗИП должны быть подключены к шине уравнивания потенциалов.
Сами фотоэлектрические модули обычно фиксируются на металлических монтажных системах и имеют усиленную изоляцию. Дело в том, что металлический монтаж обычно заземлен (система контроля изоляции, встроенная в инверторы, действует, только если система крепления заземлена). Если PV-система находится в защищенном пространстве внешней молниезащиты, должен соблюдаться разделительный интервал S.
Соединения монтажных конструкций выполняется медным проводником с поперечным сечением не менее 6 мм2 (или эквивалентных по проводимости). Однако если этот интервал не может соблюдаться и система крепления напрямую подключена к внешней системе молниезащиты (или внешней молниезащиты нет), металлоконструкции выполняют роль молниеприемников, а на PV-модули, при ударе молнии, будет воздействовать полная энергия молниевого разряда. Для этого нужна усиленная изоляция.
Соединения монтажных конструкций при этом становятся частью системы уравнивания потенциалов молнии и должны быть способны переносить молниевые токи. Минимальным требованием для системы молниезащиты класса III является медный проводник с поперечным сечением 16 мм2 (или эквивалент). Также в этом случае монтажные направляющие должны быть постоянно соединены между собой с помощью проводников этого поперечного сечения.
Сочетание различных технологий на PV-модулях и инверторах (например, с гальванической развязкой или без неё) приводит к различным требованиям к заземлению, однако в любом случае функциональный заземляющий проводник должен быть расположен как можно ближе к кабелям постоянного или переменного напряжения. Заземляющие зажимы типа UNI удобны для использования; они присоединяют медные проводники с поперечным сечением 6 или 16 мм2 и оголенные круглые провода диаметром от 8 до 10 мм к монтажной системе таким образом, чтобы место контакта могло выдержать молниевые токи. Встроенная контактная пластина из нержавеющей стали обеспечивает защиту от коррозии для алюминиевых систем крепления.
4.6.3 Затенение солнечных элементов
Относительное расположение солнечных батарей и системы внешней молниезащиты (в случае ее наличия) должно быть таковым, чтобы, по возможности, не затенять фотоэлементы.
Размытые тени от, например, воздушных линий, не оказывают существенного влияния на работу фотоэлементов. Однако на близком расстоянии от объекта темная, четко очерченная тень, отбрасываемая на поверхность за объектом, изменяет ток, протекающий через PV-модули – по этой причине солнечные элементы не должны подвергаться воздействию таких густых теней. Этого можно достичь путем выдерживания нужного расстояния между, например, стержнем молниеприемника и солнечной панелью. Стержень диаметром 10 мм отбрасывает тень, которая постепенно размывается, и на расстоянии l более 1,08 м остается только размытая тень (табл. 4.6.1).
4.6.4 Особенности УЗИП для линий солнечных элементов
Вольтамперные характеристики источников фотоэлектрического тока сильно отличаются от характеристик обычных источников постоянного напряжения: они имеют нелинейную характеристику и потому вызывают долговременную устойчивость воспламенившейся дуги УЗИП разрядного типа. Эта особенность источников тока на PV-элементах требует специального разъединителя для УЗИП, способного справляться с PV-токами.
Чтобы облегчить выбор УЗИП типа 1, в таблицах 4.6.2 и 4.6.3 показана требуемая мощность по импульсному току Iimp в зависимости от класса системы молниезащиты (LPS), количества токоотводов, а также типа УЗИП (ограничивающий напряжение варистор или УЗИП с разрядником).
4.6.5 Специальные УЗИП для использования в PV-системах: УЗИП типа 1
Специальные УЗИП с трехступенчатым коммутационным устройством постоянного тока для фотоэлектрических установок удовлетворяют всем вышеупомянутым требованиям к УЗИП типа 1. Само УЗИП состоит из комбинированного устройства размыкания (переключателя) с термодинамическим управлением и предохранителя в обводном пути, объединяя разрядник молнии и предохранитель в одном корпусе, что обеспечивает эффективную защиту оконечного оборудования.
Такая схема безопасно отключает разрядник от напряжения PV-генератора в случае перегрузки и надежно гасит дугу постоянного напряжения за счет того, что после срабатывания переключателя, ток в цепи продолжает течь некоторое время через предохранитель. За это время дуга успевает погаснуть, а затем предохранитель сгорает. Не будь этого, дуга продолжала бы гореть после переключения, что привело бы к выгоранию корпуса УЗИП и возможному пожару в щите.
Таким образом, такие специальные УЗИП позволяют защитить PV-генераторы до 1000 А без дополнительного резервного предохранителя. Благодаря разрядному току Itotal в 12.5 кА (10/350 мкс) и напряжениям Uр 600 В, 1000 В и 1500 В, его можно гибко использовать для высших классов молниезащиты. Поэтому такие УЗИП – идеальный комбинированный разрядник типа 1 для использования в системах молниезащиты для фотоэлектрических систем электропитания.
4.6.6 УЗИП типа 2 для использования в PV-системах
Для надежной работы системы защиты необходимы также УЗИП типа 2 в цепях постоянного тока PV-систем. УЗИП могут подключаться к PV-генераторам до 1000 А без дополнительного резервного предохранителя.
Технология SCI увеличивает срок службы всей PV-системы на стороне постоянного напряжения, предотвращая повреждение УЗИП, снижая риск возникновения пожара перегруженного разрядника; переводя разрядник в безопасное электрическое состояние, не нарушая при этом работу PV-системы.
4.6.7 Выбор УЗИП по уровню защитного напряжения Up
Постоянное рабочее напряжение PV-систем отличается от системы к системе (в настоящее время возможны значения до 1500 В); следовательно, диэлектрическая прочность оконечного оборудования также различается. Чтобы гарантировать надежную защиту PV-системы, уровень защиты по напряжению Up УЗИП должен быть ниже, чем диэлектрическая прочность PV-системы, которую оно должна защищать, примерно на 20%. УЗИП типа 1 или типа 2 должны быть согласованы по энергии с входом оконечного оборудования. Если УЗИП уже интегрированы в оконечное оборудование, координация между УЗИП типа 2 и входной цепью оконечного оборудования обеспечивается изготовителем.
4.6.8 PV-системы без внешней молниезащиты
Опасные скачки напряжения поступают в PV-систему из-за индуктивной связи, возникающей в результате близких ударов молнии или от сети электропитания через вход в установку потребителя. УЗИП типа 2 должны быть установлены в следующих местах:
›› со стороны постоянного тока – на модулях и инверторах
›› со стороны переменного тока – выход инвертора
›› основной низковольтный распределительный щит
›› интерфейсы проводной связи
Каждый вход инвертора на стороне постоянного напряжения должен быть защищен УЗИП типа 2. Также необходимо установить дополнительный УЗИП типа 2 на стороне модуля, если расстояние между входом инвертора и PV-генератором превышает 10 м.
Выходы переменного напряжения инверторов также достаточно защищены УЗИП типа 2, если расстояние между преобразователями и местом установки разрядника типа 2 в точке подключения к сети (низковольтная подача) составляет менее 10 метров. В случае большей длины кабеля, перед устройством переменного напряжения должно быть установлено дополнительное УЗИП типа 2. Кроме того, УЗИП типа 2 должно быть установлено перед измерителем низковольтной подачи.
4.6.9 PV-системы с внешней молниезащитой при соблюдении разделительного интервала S
На рисунке 4.6.1 показана PV-система с внешней молниезащитой и соблюдением разделительного интервала S.
Первичная цель защиты заключается в том, чтобы избежать повреждений (пожара здания) в результате удара молнии. В этом контексте важно, чтобы PV-система не мешала внешней молниезащите, но была защищена от прямых ударов молнии.
Это защищенное пространство образуется путем установки системы молниеприемников (например, стержни), которые предотвращают прямые удары молнии по PV-панелям и кабелям. Определение этого защищенного пространства можно вести методом защитного угла или методом шаровой сферы (рис. 4.6.2), как описано в стандарте ДСТУ EN 62305-3.
Система уравнивания потенциалов также является неотъемлемой частью системы молниезащиты. Она подключается ко всем проводящим системам и линиям, входящим в здание (через которые токи молнии и могут проникнуть внутрь). Для этого производится соединение всех металлических систем и подключение к заземлению, а также косвенное подключение всех остальных подключенных к сети систем через разрядники тока молнии типа 1.
Подключение к локальным шинам выравнивания потенциалов должно осуществляться как можно ближе к входной точке в здании, чтобы предотвратить попадание частичных токов молнии внутрь здания. Точка подключения должна быть защищена многополюсным УЗИП типа 1 или 1+2. Этот УЗИП объединяет разрядник тока молнии и разрядник от скачка напряжения в одном устройстве. Если длина кабеля между разрядником и инвертором меньше 10 м, обеспечивается достаточная защита. В случае большей длины кабеля, перед устройством переменного напряжения необходимо установить дополнительные УЗИП типа 2.
Каждый вход переменного напряжения инвертора должен быть защищен разрядником типа 2. Если инверторы подключены к линиям данных, например, для контроля выхода, для защиты передачи данных должны быть установлены свои УЗИП для линий с аналоговыми сигнальными и шинными данными, например RS485 – он автоматически определяет рабочее напряжение полезного сигнала и регулирует уровень защиты от этого рабочего напряжения.
4.6.10 PV-системы с внешней молниезащитой при невозможности соблюдения разделительного интервала S
Если кровля выполнена из металла (или по иной причине), разделительный интервал S не может быть выдержан. Тогда металлические компоненты системы крепления PV-панелей подключаются к внешней системе молниезащиты (молниеприемникам), а проводники уравнивания потенциалов (п. 5 на рис. 4.6.1) превращаются в токоотводы; они должны выдерживатьмолниевые токи и изготавливаются из медного проводника с поперечным сечением не менее 16 мм2 (или эквивалент).
Также это означает, что ток молнии попадает на локальную шину уравнивания потенциалов (п. 8 рис. 4.6.1) – значит, соединение между креплениями PV-панелей - локальная шина - главная шина заземления также должно быть выполнено медным проводником сечение 16 мм2. Значит, выравнивание потенциалов молнии также должно быть реализовано для линий, входящих в здание снаружи. Для этой цели используется комбинированный разрядник типа 1 и типа 2.
Также выравнивание потенциалов молнии должно быть реализовано в низковольтной подаче. Если преобразователь PV находится на расстоянии более 10м от УЗИП типа 1, установленного в точке соединения двух электрических сетей переменного напряжения, на преобразователь необходимо установить дополнительный УЗИП типа 1 или тип 1 + 2. Также должны быть установлены подходящие УЗИП для защиты соответствующих линий данных, например на основе RS-485.
4.6.11 PV-системы с микроинверторами
Микроинверторам требуется совершенно другая концепция защиты от перенапряжений. Линия PV-модуля (или пары модулей) напрямую подключается к малому инвертору. При этом необходимо избегать ненужных проводящих контуров, хотя индуктивная связь с такой маленькой структурой со стороны постоянного напряжения, как правило, имеют низкий потенциал энергетического воздействия.
Зато обширная кабельная сеть PV-системы с микроинверторами расположена на стороне переменного напряжения.
Если микроинвертер подключен непосредственно к PV модулю, УЗИП могут быть установлены только на стороне переменного напряжения.Независимо от конкретных производителей, микроинвертеры оснащены системами мониторинга данных. Если данные берутся в линии переменного напряжения после микроинверторов, должно быть предусмотрено УЗИП на отдельных приемных устройствах (экспорт данных / обработка данных). То же самое относится к интерфейсным соединениям с нисходя-
щими шинными системами и их питанием (например, Ethernet).
Солнечные энергогенерирующие системы сейчас являются неотъемлемой частью современных электрических систем. Они должны быть оснащены адекватными защитными устройствами, что обеспечит долгосрочную и безупречную работу этих источников электроэнергии.