Aby instalacja fotowoltaiczna mogła rozpocząć pracę w sposób bezpieczny i zgodny z założeniami, konieczne jest wyposażenie jej w odpowiednie zabezpieczenia chroniące przed skutkami przeciążeń oraz zwarć. Szczególną uwagę należy zwrócić na ochronę falowników oraz modułów PV, które należą do najbardziej wrażliwych komponentów całego systemu i mają za zadanie pracować przez wiele lat. Ochronę tych elementów zapewniają specjalistyczne zabezpieczenia, działające zarówno po stronie prądu stałego, jak i przemiennego. Elementy te redukują ryzyko uszkodzeń spowodowanych zjawiskami atmosferycznymi oraz nieprawidłowościami w pracy instalacji elektrycznej, przyczyniając się do utrzymania ciągłości i niezawodności działania całego układu.
Przeczytaj także:
- Czym są ogniwa MWT w fotowoltaice?
- Busbary w panelach fotowoltaicznych – co to jest?
- Zabezpieczenie instalacji fotowoltaicznej. Co powinno być w rozdzielni?
Jaka jest specyfika zmienności prądu w instalacjach fotowoltaicznych?
W instalacjach fotowoltaicznych występują dwa różne typy prądu: stały oraz przemienny. Prąd stały powstaje w wyniku pracy modułów połączonych szeregowo i przepływa w układzie do momentu przekształcenia przez falownik. To właśnie falownik odpowiada za konwersję energii elektrycznej z postaci stałej na przemienną, która jest wykorzystywana wewnątrz budynku lub przekazywana do sieci elektroenergetycznej, jeśli system pracuje w konfiguracji on-grid.
Charakterystyka prądu przemiennego polega na cyklicznej zmianie kierunku przepływu ładunków z częstotliwością 50 Hz. W takich warunkach przepływ prądu okresowo spada do zera, co ułatwia przerwanie obwodu w bezpieczny sposób. Prąd stały natomiast utrzymuje stały kierunek przepływu, co sprawia, że jego rozłączenie wymaga zastosowania specjalnych rozwiązań, zdolnych do przerwania obwodu bez ryzyka powstania łuku elektrycznego.
Z tego względu komponenty ochronne stosowane w instalacjach fotowoltaicznych muszą być dostosowane do charakterystyki konkretnego rodzaju prądu. Zarówno po stronie modułów, jak i w części zasilającej sieć lub odbiorniki, należy używać urządzeń o odpowiednich parametrach technicznych, zaprojektowanych z myślą o warunkach panujących w danej części układu.
Instalacja w budynkach starszego typu – sieć TN-C
Dobierając odpowiednie zabezpieczenia dla instalacji fotowoltaicznej, należy w pierwszej kolejności określić, do jakiego typu sieci elektroenergetycznej podłączony jest dany budynek. Często w starszych obiektach, które są rozbudowywane o system PV, występuje jeszcze układ TN-C. W takim rozwiązaniu z licznika do wnętrza budynku prowadzone są cztery przewody: trzy fazowe oraz jeden wspólny przewód pełniący jednocześnie funkcję ochronną i neutralną.
Charakterystyczne dla tego układu jest to, że w przypadku przerwania wspólnego przewodu ochronno-neutralnego może dojść do pojawienia się napięcia fazowego na obudowach urządzeń. W takiej konfiguracji niemożliwe jest zastosowanie zabezpieczeń różnicowoprądowych, ponieważ nie będą one w stanie funkcjonować prawidłowo.
Aby możliwe było bezpieczne włączenie instalacji fotowoltaicznej w budynku z taką siecią, konieczne jest rozdzielenie przewodu PEN na dwa osobne tory: jeden odpowiadający za uziemienie, a drugi za neutralny przepływ prądu. Realizuje się to poprzez wykonanie dwóch niezależnych szyn – jednej wyrównawczej i jednej uziemiającej – co zapewnia właściwe warunki pracy całego systemu oraz zgodność z obowiązującymi wymaganiami technicznymi.
Instalacja w nowszych budynkach – TN-C-S albo TN-S
W przypadku podłączenia instalacji fotowoltaicznej do sieci TN-C-S, układ zasilania budynku zawiera cztery przewody: trzy fazowe oraz jeden wspólny PEN. W odróżnieniu od starszych instalacji, w tym przypadku następuje rozdział przewodu PEN na dwa oddzielne tory – ochronny PE i neutralny N. Rozdział ten realizowany jest wewnątrz budynku, a jego efektem jest wykonanie szyny wyrównawczej, która stanowi podstawę do dalszego rozprowadzenia przewodów ochronnych.
W nowoczesnych obiektach, projektowanych i realizowanych zgodnie z aktualnymi przepisami budowlanymi, stosuje się natomiast sieć TN-S. Do budynku doprowadzanych jest pięć niezależnych przewodów, co od początku zapewnia oddzielne tory dla funkcji ochronnej oraz neutralnej.
Zarówno w sieci TN-C-S, jak i TN-S, należy zwrócić szczególną uwagę na sposób podłączenia falownika. Urządzenie to może rozpocząć pracę dopiero po zapewnieniu właściwego uziemienia. Dopuszczalna wartość rezystancji uziemienia zwykle nie powinna przekraczać 10 Ohmów.
Wymaga się zatem, aby instalator odpowiedzialny za montaż i zabezpieczenie systemu dokonał pomiaru lub realizacji głównej szyny uziemiającej, do której dołączane są m.in. falownik oraz konstrukcja wsporcza instalacji PV. Zapewnienie poprawnego uziemienia wpływa nie tylko na bezpieczeństwo, ale i na stabilność działania całego systemu.
Jak powinny być prowadzone przewody solarne do fotowoltaiki?
Instalacje fotowoltaiczne narażone są na działanie różnych czynników mogących prowadzić do ich uszkodzenia. W czasie montażu oraz codziennego użytkowania może dojść do przepięć, zwarć, a także oddziaływania impulsów indukowanych przez wyładowania atmosferyczne, zarówno bezpośrednie, jak i pośrednie. W celu ograniczenia ryzyka związanego z tymi zjawiskami, niezwykle istotne jest prawidłowe poprowadzenie przewodów solarnych.
Przewody o biegunowości dodatniej i ujemnej powinny być prowadzone równolegle i możliwie blisko siebie, tak aby zminimalizować powierzchnię pomiędzy nimi. Unikanie ich krzyżowania oraz formowania przestrzeni w kształcie pętli pozwala ograniczyć możliwość powstawania napięć indukowanych. W przypadku obecności pola elektromagnetycznego, np. wywołanego wyładowaniem atmosferycznym, każda taka pętla może wygenerować impulsy przekraczające wartości dopuszczalne dla urządzeń w instalacji, w tym falownika.
Z tego względu sposób prowadzenia przewodów wpływa nie tylko na estetykę instalacji, ale również na jej trwałość i bezpieczeństwo. Właściwa konfiguracja okablowania znacząco ogranicza ryzyko wystąpienia zakłóceń, które mogłyby doprowadzić do poważnych awarii sprzętu.
Montaż rozłącznika DC
W części systemu odpowiadającej za prąd stały, istotnym elementem ochrony instalacji jest rozłącznik DC. Urządzenie to umożliwia bezpieczne odcięcie napięcia, co jest niezbędne podczas wykonywania prac konserwacyjnych, wymiany podzespołów lub pomiarów. Dzięki jego zastosowaniu możliwe staje się całkowite przerwanie pracy fragmentu instalacji, co zwiększa bezpieczeństwo osób zajmujących się obsługą techniczną.
Norma PN-HD-60364-7-712 wskazuje, że montaż rozłącznika DC jest wymagany w przypadku, gdy nie został on uwzględniony fabrycznie w inwerterze lub gdy przewody łączące moduły PV z falownikiem przekraczają określoną długość. Choć większość dostępnych urządzeń zawiera już zintegrowane zabezpieczenie, instalatorzy często uzupełniają system o dodatkowy rozłącznik montowany w rozdzielnicy. Takie rozwiązanie zwiększa poziom zabezpieczenia i pozwala szybciej reagować w sytuacjach wymagających odcięcia obwodu.
Ochronniki przepięciowe
Dla zabezpieczenia inwertera przed gwałtownym wzrostem napięcia stosuje się ograniczniki przepięć, znane również jako urządzenia SPD (Surge Protective Device). Zgodnie z normą PN-HD-60364-7-712, ich obecność w instalacji jest obowiązkowa. Ochronniki te dostępne są w kilku wersjach: T1, T2 oraz T1+T2, wcześniej oznaczanych jako B, C i B+C.
Element typu T1 ma za zadanie przeciwdziałać skutkom bezpośredniego uderzenia pioruna lub przepięciom powstałym na skutek przełączeń. Model T2 służy natomiast do tłumienia przepięć pośrednich, takich jak te wywołane indukcją z pobliskich wyładowań.
Podczas doboru odpowiedniego modelu należy zwrócić uwagę na maksymalne napięcie, jakie może wystąpić w łańcuchu modułów. Napięcie obwodu otwartego dla jednego modułu należy pomnożyć przez liczbę paneli połączonych szeregowo, aby nie przekroczyć wartości dopuszczalnej przez ochronnik. Parametr ten określany jest jako UCPV, czyli maksymalne napięcie ciągłej pracy, i powinien być zgodny z charakterystyką zabezpieczenia, aby zapewnić niezawodną ochronę falownika.
Wraz ze wzrostem temperatury ogniwa powyżej standardowych warunków testowych, czyli 25°C, obserwowany jest spadek napięcia generowanego przez moduł fotowoltaiczny. Towarzyszy temu niewielki wzrost natężenia prądu, co w rezultacie prowadzi do obniżenia mocy wyjściowej. W sytuacji odwrotnej, przy obniżeniu temperatury ogniwa poniżej tej wartości, napięcie wzrasta, natężenie nieznacznie maleje, a generowana moc ulega zwiększeniu. Współczynniki temperaturowe dostępne w specyfikacjach producentów stanowią istotne kryterium oceny jakości danego modułu.
Dobór odpowiedniej liczby paneli w pojedynczym ciągu uzależniony jest od granicznego napięcia wejściowego falownika, które zazwyczaj mieści się w przedziale od 850 do 1000 V. Parametr ten warunkuje maksymalną liczbę modułów możliwych do połączenia szeregowego i determinuje konieczność prawidłowego doboru zabezpieczenia przeciwprzepięciowego z uwzględnieniem napięcia roboczego.
Wybór odpowiedniego typu ogranicznika przepięć oraz przekroju przewodu ochronnego uzależniony jest od wielu czynników związanych z charakterystyką instalacji – między innymi rodzaju pokrycia dachowego, obecności instalacji odgromowej czy możliwości zachowania wymaganych odstępów separacyjnych. W przypadku dachu skośnego pokrytego dachówką ceramiczną lub betonową i braku instalacji odgromowej bądź przy zachowanych odstępach separacyjnych, wystarczające będą ograniczniki przepięć typu T2 po stronie DC i AC, z przewodem ochronnym o przekroju co najmniej 6 mm².
W sytuacji, gdy odstępy separacyjne nie są możliwe do utrzymania, niezbędne staje się zastosowanie ograniczników typu T1+T2 po stronie DC oraz T2 po stronie AC, przy czym przewód ochronny powinien mieć przekrój minimum 16 mm², ze względu na ryzyko bezpośrednich wyładowań atmosferycznych. Dachy pokryte blachodachówką lub blachą trapezową wymagają podobnych środków ochronnych, obejmujących ograniczniki T1+T2 po stronie DC oraz T2 po stronie AC, z zastosowaniem przewodów o przekroju nie mniejszym niż 16 mm².
W instalacjach z wieloma ciągami modułów konieczne jest zastosowanie zabezpieczeń przepięciowych dla każdego z osobna. Dodatkowe zabezpieczenia należy również uwzględnić, gdy przewody łączące dach z rozdzielnicą DC przekraczają 10 metrów długości.
Czym są zabezpieczenia przetężeniowe gPV?
Bezpiecznik nadprądowy gPV pełni funkcję ochronną dla instalacji, zapobiegając skutkom przekroczenia dopuszczalnych wartości prądu poprzez przerwanie ciągłości obwodu. Wbudowana kaseta umożliwia bezpieczne wygaszenie łuku elektrycznego, jaki powstaje przy przerywaniu przepływu prądu stałego. Zgodnie z obowiązującymi przepisami, jeśli poszczególne komponenty systemu są w stanie wytrzymać prąd o wartości 1,25 razy większej od prądu zwarciowego ISC_STC, dopuszcza się rezygnację z instalacji tego typu zabezpieczenia. Takie dane można znaleźć w dokumentacji technicznej modułów.
W praktyce jednak często spotyka się ich stosowanie nawet wtedy, gdy nie są wymagane. Powodem jest ich dodatkowa funkcja – możliwość mechanicznego otwarcia obwodu po usunięciu wkładki topikowej, co zwiększa bezpieczeństwo podczas serwisowania i eliminuje ryzyko przypadkowego ponownego włączenia obwodu po stronie prądu stałego.
Zastosowanie zabezpieczenia gPV staje się niezbędne w sytuacji, gdy system składa się z więcej niż dwóch łańcuchów modułów połączonych równolegle. W takim przypadku może dojść do zjawiska przepływu prądu z pozostałych stringów do jednego z nich, jeśli jego napięcie będzie znacząco niższe. Taka różnica potencjałów może spowodować przepływ odwrotny, stanowiący zagrożenie dla modułów.
Dobór odpowiedniego bezpiecznika wymaga zastosowania konkretnych wzorów, uwzględniających parametry modułów pracujących w standardowych warunkach testowych. Prąd znamionowy zabezpieczenia ustala się na podstawie liczby połączonych równolegle ciągów oraz wartości prądu zwarciowego, natomiast napięcie znamionowe dobiera się do napięcia obwodu otwartego danego ciągu.
Jaka powinna być instalacja odgromowa do fotowoltaiki?
Zagadnienie związane z ochroną odgromową w kontekście instalacji fotowoltaicznej często budzi pytania ze strony wykonawców i użytkowników. Należy jednak zaznaczyć, że niezależnie od obecności systemu PV, każda decyzja o wykonaniu ochrony odgromowej powinna być poprzedzona analizą zagrożeń wynikającą z obowiązujących wytycznych. Podstawą do takiej oceny jest dokument określający zasady analizy ryzyka, zawarty w normie PN-EN 62305-2:2012. Na jej podstawie można oszacować, czy obiekt może być potencjalnie narażony na bezpośrednie wyładowania atmosferyczne.
Ochrona odgromowa powinna zabezpieczać nie tylko samą instalację solarną, lecz przede wszystkim całą konstrukcję budynku oraz urządzenia wewnętrzne, które mogą ucierpieć w wyniku wyładowania. W przypadku istnienia już funkcjonującej ochrony odgromowej, sposób zabezpieczenia modułów solarnych będzie uzależniony od ich rozmieszczenia względem przewodów odgromowych. Szczególną uwagę należy zwrócić na zachowanie wymaganych odstępów pomiędzy elementami odgromowymi (zarówno poziomymi, jak i pionowymi) a konstrukcją wsporczą i powierzchnią modułów PV.
Obliczenia niezbędne do prawidłowego wyznaczenia tych odstępów powinny być przeprowadzone zgodnie z zapisem zawartym w normie PN-EN 62305-3:2011. Tam również znajduje się wzór oraz ilustracja ułatwiająca określenie bezpiecznych odległości pomiędzy układem ochronnym a elementami instalacji fotowoltaicznej.
Zabezpieczenia AC do fotowoltaiki
Elementy chroniące obwody prądu przemiennego powinny zostać umieszczone w osobnej rozdzielnicy lub w głównym punkcie dystrybucji energii w budynku, o ile pozwalają na to warunki techniczne. Gdy przewody pomiędzy falownikiem a rozdzielnicą mają znaczny przebieg – ponad 10 metrów – zaleca się stosowanie podwójnych zabezpieczeń, co zwiększa ochronę układu.
Jednym z podstawowych komponentów w tym zakresie jest rozłącznik umieszczany po stronie prądu przemiennego. Jego zadaniem jest umożliwienie odłączenia zasilania przewodów fazowych, co staje się niezbędne podczas planowanych prac serwisowych w obrębie falownika. Użycie tego elementu pozwala na wyłączenie fragmentu instalacji bez konieczności odcinania zasilania w całym obiekcie.
W dalszej części układu zabezpieczeń znajduje się wyłącznik nadprądowy, którego funkcją jest ochrona falownika przed przeciążeniem lub zwarciem od strony sieci. Aby spełniał swoje zadanie w instalacjach fotowoltaicznych, jego parametry muszą być dobrane z uwzględnieniem charakterystyki B. W tej klasie zadziałanie następuje przy wzroście natężenia powyżej dopuszczalnego poziomu dla danego typu przewodów. W instalacjach z falownikami, których prąd nie przekracza 32 A, obowiązuje dodatkowo wymóg, aby czas reakcji zabezpieczenia nie był dłuższy niż 0,2 sekundy w sieci typu TN – zgodnie z obowiązującymi przepisami.
W celu prawidłowego dopasowania parametrów wyłącznika nadprądowego należy najpierw określić maksymalne natężenie, jakie może wystąpić w poszczególnych przewodach fazowych. W przypadku zastosowania falownika trójfazowego o mocy 5 kW obliczenia opiera się na znanym wzorze uwzględniającym napięcie, natężenie oraz wartość współczynnika mocy. Po przekształceniu tego wzoru możliwe jest określenie natężenia w przewodzie i dobranie zabezpieczenia, na przykład trzykrotnie po 8 A przy charakterystyce B.
Różnicówki, czyli wyłączniki różnicowoprądowe
W instalacjach fotowoltaicznych stosuje się wyłączniki różnicowo-prądowe w celu zwiększenia poziomu ochrony przed zagrożeniami związanymi z porażeniem elektrycznym. Działanie tych urządzeń opiera się na wykrywaniu różnicy między prądem płynącym przewodem fazowym a prądem wracającym przewodem neutralnym. Gdy pojawia się prąd upływowy, urządzenie natychmiast rozłącza obwód, co zapobiega dalszemu przepływowi prądu w niekontrolowany sposób. Prąd ten zostaje następnie odprowadzony do głównej szyny uziemiającej.
Zasady dotyczące zastosowania tego typu zabezpieczeń określono w normie PN-HD-60364-4-41. Przewidziano również wyjątek, zgodnie z którym możliwe jest pominięcie wyłącznika różnicowo-prądowego, o ile producent zastosowanego falownika zadbał o odpowiednie środki zabezpieczające wewnątrz urządzenia i nie wymaga instalowania dodatkowych komponentów tego typu.
Podłączenie instalacji fotowoltaicznej do instalacji elektrycznej budynku
Jednym z częstszych problemów pojawiających się podczas podłączania instalacji fotowoltaicznej do sieci wewnętrznej budynku jest nieprawidłowe przyłączenie przewodu neutralnego do odpowiedniej szyny w rozdzielnicy. W każdej rozdzielnicy głównej liczba szyn neutralnych przewyższa liczbę zamontowanych wyłączników różnicowoprądowych. Jeśli przewód neutralny zostanie podłączony do niewłaściwej szyny – innej niż przypisana do konkretnego wyłącznika różnicowoprądowego – może dojść do cyklicznego wyzwalania zabezpieczenia, co zakłóca pracę całego układu.
Warto również zwrócić uwagę na obecność zabezpieczenia przepięciowego, jeżeli nie zostało ono zainstalowane wcześniej. Powinno ono znaleźć się tuż za rozłącznikiem głównym w rozdzielnicy głównej. Zadaniem tego zabezpieczenia jest ochrona instalacji elektrycznej oraz podłączonych do niej urządzeń przed skutkami nagłych skoków napięcia, które mogą przekroczyć wartości graniczne dopuszczalne przez urządzenia domowe. Najczęściej w takich przypadkach stosuje się ograniczniki napięcia przystosowane do pracy przy wartościach do 270 V na jednej fazie. Te elementy działają jednorazowo, a po aktywacji wymagają wymiany.
