Instalacje fotowoltaiczne generują prąd stały, który jest następnie zamieniany na prąd zmienny przez falownik. Zanim to nastąpi, energia przechodzi przez kilka newralgicznych punktów, w których może wystąpić bardzo niebezpieczny łuk elektryczny. Fotowoltaika wyposażona jest jednak skuteczne sposoby na jego zwalczanie, między inymi AFCI. Arc Fault Circuit Interrupter wykrywa powstawanie łuku elektrycznego i natychmiast przerywa obwód, co minimalizuje ryzyko pożaru i uszkodzeń instalacji. Oprócz AFCI, ważne jest także stosowanie odpowiednich komponentów i prawidłowy montaż instalacji, aby zminimalizować ryzyko powstawania łuku elektrycznego.
Przeczytaj także:
- Czym jest pętla indukcyjna w fotowoltaice?
- Moc bierna a fotowoltaika
- Czym są kable solarne i czym się charakteryzują?
Co to jest łuk elektryczny?
Łuk elektryczny to przepływ prądu przez powietrze za pośrednictwem zjonizowanego gazu (plazmy) pomiędzy dwoma przewodami elektrycznymi. Zjawisko to jest wykorzystywane w sposób kontrolowany w sektorze przemysłowym, np. w spawaniu czy w piecach łukowych, gdzie znajduje swoje zastosowanie wysoka temperatura łuku, sięgająca kilku tysięcy stopni Celsjusza.
Łuk elektryczny może również wystąpić w instalacjach elektrycznych w wyniku przerwania obwodu. Może pojawić się zarówno przy prądzie zmiennym, jak i stałym, ale to łuk elektryczny prądu stałego jest szczególnie niebezpieczny. Prąd stały płynie nieprzerwanie tak długo, jak dostarczają go panele fotowoltaiczne, podczas gdy prąd zmienny, zmieniając kierunek przepływu, chwilowo przestaje płynąć, czyli przechodzi przez zero i tym samym ułatwia wygaszenie tego zjawiska.
W instalacjach domowych prąd stały występuje głównie w systemach solarnych, co sprawia, że łuk elektryczny w fotowoltaice budzi najwięcej obaw. Zjawisko to może prowadzić do poważnych uszkodzeń i pożarów, dlatego w instalacjach fotowoltaicznych stosuje się różne zabezpieczenia, między innymi omawianą technologię AFCI (Arc Fault Circuit Interrupter), która wykrywa jego powstawanie i przerywa obwód, minimalizując ryzyko pożaru i uszkodzeń systemu.
Jakie są rodzaje łuków elektrycznych?
Warto zaznaczyć, że istnieją różne typy łuków elektrycznych prądu stałego, zarówno w fotowoltaice, jak i w innych zastosowaniach. Podstawowy podział obejmuje:
- Łuki elektryczne szeregowe, które są najczęstszym i najtrudniejszym do wykrycia zjawiskiem. W instalacjach fotowoltaicznych istnieje wiele punktów, gdzie może wystąpić łuk szeregowy, takie jak połączenia między ogniwami, złącza przewodów czy skrzynki przyłączeniowe DC.
- Łuki elektryczne równoległe, które pojawiają się między dwoma pobliskimi przewodami o przeciwnej biegunowości w tym samym obwodzie prądu stałego.
Co jest przyczyną powstawania łuków elektrycznych w fotowoltaice?
Wyładowanie łukowe może wystąpić w każdej instalacji pracującej pod napięciem, w której nastąpiło przerwanie obwodu. W fotowoltaice, gdzie instalacje łączone są szeregowo, napięcie prądu stałego może sięgać nawet 1000 V, co sprawia, że łuk elektryczny stanowi poważne zagrożenie. Do wystąpienia łuku elektrycznego może przyczynić się kilka czynników:
- w przypadku połączeń lutowanych – nieprecyzyjne lutowanie, starzenie się połączeń,
- w przypadku wtyczek DC – niedopasowane wtyczki MC4, źle lub słabo zaciśnięte zaciski elektryczne albo wtyczki, niecałkowicie wciśnięte wtyczki, uszkodzone mechanicznie wtyczki, niska jakość wtyczki,
- w przypadku przewodów – zniszczenie związane z warunkami atmosferycznymi, uszkodzenia wywołane przez zwierzęta, problemy wynikające ze złego montażu,
- w przypadku bezpieczników DC – nieprawidłowy dobór lub instalacja,
- w przypadku obszarów zacisków śrubowych – niedokładnie dokręcone styki, niedbale włożone przewody, zbyt mocne dokręcanie gwintów powodujące ich zerwanie, zbyt blisko ułożone przewody,
- w przypadku diod obejściowych – przepięcia wywołane np. wyładowaniem elektrostatycznym, długotrwałe przegrzewanie się,
- w przypadku modułów – uszkodzenia komórek związane np. mikropęknięciami, oderwane złącza ogniw, pęknięcia szyby lub ogniw,
- wilgoć, kurz.
Jeśli więc chodzi o instalację PV to łuk elektryczny może pojawić się praktycznie w każdym miejscu.
Łuk elektryczny w instalacji fotowoltaicznej – skutki jego wystąpienia
Pojawienie się łuku elektrycznego w fotowoltaice wiąże się z bardzo wysoką temperaturą, sięgającą nawet 4.000 – 5.000 stopni Celsjusza. To może szybko doprowadzić do zapłonu elementów znajdujących się w pobliżu.
Badania przeprowadzone przez TÜV Rheinland i Instytut Systemów Energetyki Słonecznej im. Fraunhofera (2015) oraz raport BRE National Solar Center (2017) wskazują, że łuk elektryczny będący wynikiem błędów montażowych jest jedną z najczęstszych przyczyn pożarów instalacji fotowoltaicznych.
Raport dostępny jest na stronie: https://files.bregroup.com/bre-co-uk-file-library-copy/filelibrary/nsc/Documents%20Library/fireproject/P100874-1006-D6-Interim-Report—Recommendations-for-PV-Ind-Feb-2017-Issue-2.5.pdf
Łuk elektryczny stanowi również bezpośrednie zagrożenie dla ludzi, ponieważ może powodować poważne oparzenia, uszkodzenia oczu, słuchu, płuc, a także obrażenia ciała wywołane wybuchem. Praca w warunkach obecności wysokiego napięcia prądu stałego jest także niebezpieczna dla osób prowadzących akcje gaśnicze. Z tego powodu, wykrywanie łuku elektrycznego stało się priorytetem w branży fotowoltaicznej. Obecnie dostępne są skuteczne metody wykrywania i przerywania tego zjawiska, zanim stanie się on zagrożeniem dla życia i mienia.
Co to jest AFCI – Arc-Fault Circuit Interrupter?
Podstawowym narzędziem do wykrywania i przerywania łuku elektrycznego jest moduł AFCI. Czym jest ta funkcjonalność?
AFCI to przerywacz obwodu łuku zwarciowego, który wykrywa i wygasza łuk elektryczny, jednocześnie informując użytkownika o wystąpieniu niebezpiecznej sytuacji. Dzięki temu można zidentyfikować i usunąć potencjalnie niebezpieczny element instalacji fotowoltaicznej. Koncepcja AFCI nie jest ograniczona do branży fotowoltaicznej.
Wyłączniki AFCI są stosowane w różnego rodzaju instalacjach elektrycznych jako zabezpieczenie przed łukiem elektrycznym. W Stanach Zjednoczonych i Kanadzie są obowiązkowym elementem instalacji chroniących gniazda elektryczne. Jedną z pierwszych firm, która zastosowała AFCI w falownikach, była marka SMA. W 2012 roku zaprezentowała model inwertera z wbudowanym modułem AFCI, opracowanym na rynek amerykański, aby spełniał normy National Electrical Code (NEC) wprowadzone w 2011 roku.
Jak działa zabezpieczenie AFCI w falowniku?
Pojawienie się zwarcia łukowego DC wpływa na napięcie i natężenie prądu w instalacji fotowoltaicznej. Przeprowadzając pomiary we właściwych miejscach, można zauważyć odkształcenia we wzorcu fali natężenia i napięcia prądu, które wskazują na obecność łuku elektrycznego.
Dane te są analizowane przez specjalny przetwornik i porównywane z próbkami danych zebranych podczas normalnej pracy oraz podczas występowania łuku zwarciowego. To pozwala na ustalenie, czy i gdzie w instalacji fotowoltaicznej występuje łuk elektryczny. Następnie falownik odcina drogę powstawania łuku i informuje użytkownika o wykryciu problemu. Cały proces odbywa się w ułamkach sekund, co zapobiega poważnym uszkodzeniom spowodowanym przez łuk zwarciowy.
W jaki jeszcze sposób zapewnić bezpieczeństwo instalacji fotowoltaicznych?
Należy pamiętać, że nawet najbardziej zaawansowane zabezpieczenia przed łukiem elektrycznym w fotowoltaice nie zastąpią dwóch istotnych elementów bezpiecznej instalacji PV – profesjonalnego montażu oraz wysokiej jakości materiałów.
Łuk DC jest jedną z głównych przyczyn pożarów instalacji fotowoltaicznych, ale nie pojawia się bez powodu. Badania wykazały, że wynika on z błędów montażowych, takich jak łączenie złączek od różnych producentów, niedociśnięte lub źle zaciśnięte wtyczki, lub gniazda. Dlatego dla bezpieczeństwa instalacji fotowoltaicznej, oprócz stosowania zabezpieczeń takich jak AFCI, ważne jest zatrudnienie doświadczonej firmy fotowoltaicznej.
Wybór wysokiej jakości komponentów, jak wtyczki, przewody, moduły i falowniki (koniecznie od tego samego producenta), jest równie ważny. Dzięki temu można mieć pewność, że elementy te są przystosowane do pracy z wysokim napięciem w trudnych warunkach zewnętrznych, czyli zmianach temperatur, wilgoci i promieniowania UV.
Zabezpieczenia przed łukiem elektrycznym, takie jak AFCI, znacząco zwiększają bezpieczeństwo instalacji PV, jednak nie mogą one zastąpić profesjonalnego montażu i wysokiej jakości komponentów. Tylko połączenie wszystkich tych elementów może skutecznie ograniczyć ryzyko powstawania łuku elektrycznego w instalacjach fotowoltaicznych.
