Aspekty ochrony instalacji PV 50-150 kW na dachach istniejących obiektów budowlanych
Każdy budynek wyposażony w urządzenie piorunochronne wymaga ochrony przed przepięciami z zastosowaniem ograniczników przepięć Typu 1. W obiektach już istniejących, wyposażonych w ochronę odgromową, instalacje PV coraz częściej stosowane są na dachach budynków. Głównym powodem takiego stanu rzeczy jest ograniczenie kosztów utrzymania obiektów. Zapoznaj się z podstawowymi problemami, które mogą się pojawić przy projektowaniu i budowie instalacji PV o średniej mocy powyżej 50-150 kW.
Spis treści:
- Instalacje PV a ochrona odgromowa aktualnie
- Ochrona przed bezpośrednim uderzeniem pioruna
- Odstępy separujące
- Ochrona przed przepięciami
- Rozdzielnice przyłączeniowe
- Połączenia wyrównawcze
- Podsumowanie
- Literatura
Instalacje PV a ochrona odgromowa aktualnie
Instalacje fotowoltaiczne coraz powszechniej stosowane są na dachach wielu obiektów przemysłowych, biurowych, czy też handlowych w celu ograniczenia kosztów utrzymania obiektu. Dotyczy to głównie obiektów istniejących, wyposażonych już w ochronę odgromową, co w wielu przypadkach powoduje problemy związane z koniecznością dostosowania urządzenia piorunochronnego do planowanego rozmieszczenia paneli PV i tras kablowych DC. W zależności od tego, czy uda się zachować w takim przypadku odstępy separujące, czy też nie, należy stosować urządzenia do ochrony przed przepięciami odpowiednie do występujących zagrożeń. W niektórych przypadkach można spotkać się z niewłaściwym wykonaniem połączeń wyrównawczych, co może się przełożyć na skuteczność ochrony. Kolejny problem wiąże się z rozłącznikami obwodów DC, które w niektórych przypadkach mogą stanowić rozwiązanie opcjonalne, a w niektórych mogą być wymagane. W niniejszym artykule zwrócono uwagę na podstawowe problemy pojawiające się przy projektowaniu i budowie instalacji PV o średniej mocy (50-150 kW) na istniejących obiektach.
Ochrona przed bezpośrednim uderzeniem pioruna
Jeżeli budynek nie jest wyposażony w urządzenie piorunochronne, a taka decyzja została określona na podstawie aktualnych norm [2], to w ogólnym przypadku wykonanie instalacji PV nie zmienia tego stanu (o ile konstrukcja PV nie zwiększa znacząco wysokości obiektu). Inaczej może być, jeżeli decyzja o braku potrzeby stosowania LPS określona była na podstawie wycofanych norm [5, 6] – wtedy, chcąc dostosować się do aktualnych wymagań, należałoby przeprowadzić ocenę ryzyka w celu weryfikacji, czy ten stan nie uległ zmianie i w razie potrzeby zaprojektować i wykonać ochronę przed bezpośrednim uderzeniem pioruna. Zarówno wykonawca, jak i inwestor w takim przypadku powinni mieć świadomość o wzroście kosztów inwestycji.
Jeżeli budynek wyposażony jest w urządzenie piorunochronne (LPS), to konieczne jest dostosowanie układu przewodów LPS do projektowanego rozmieszczenia zarówno paneli PV, jak i tras kablowych DC. Należy tu przede wszystkim zwrócić uwagę, że trudno oszacować koszty takiej modernizacji LPS w przeliczeniu na 1 kW mocy instalacji PV. Zależy to od wielu kwestii i powinno być rozpatrywane indywidualnie. Takie koszty powinny być uwzględnione w wycenie instalacji PV, aby uniknąć ewentualnych późniejszych konfliktów na polu inwestor-wykonawca. Warto także zwrócić uwagę, że w wielu istniejących obiektach instalacje LPS są w złym stanie technicznym, przez co mogą wymagać gruntownej przebudowy.
W niektórych przypadkach przebudowa urządzenia piorunochronnego może wymagać dostosowania do obowiązujących przepisów. Przykładowo, jeżeli budynek był wybudowany przed wejściem w życie norm serii PN-EN 62305 [1-4] (pierwsza edycja opublikowana jako PN-EN w 2006 r.) to urządzenie piorunochronne było wykonywane zgodnie z normami PN-86 E 05003 [5] lub PN-IEC 61024 [6]. Warto mieć świadomość, że według aktualnych norm odgromowych serii PN-EN 62305 [2, 3] wymagane są m.in. inne zasady oceny konieczności stosowania ochrony odgromowej, większe przekroje przewodów LPS oraz inne zasady wyznaczania stref ochronnych. Dla przykładu, wcześniej urządzenie piorunochronne można było wykonać drutem ocynkowanym o średnicy 6 mm, natomiast obecnie wymagana jest średnica 8 mm. Jeżeli ochrona odgromowa jest dostosowywana do aktualnych norm, to należy przeprowadzić analizę ryzyka wg PN-EN 62305-2 w celu określenia wymaganej klasy LPS, od której zależne są promienie toczącej się kuli, wartości kątów ochronnych, czy też odstępy separujące.
Panele PV powinny znajdować się w przestrzeni ochronnej LPZ 0B utworzonej przez układ zwodów LPS (Rys. 1.). Jeżeli mamy do czynienia z budynkami z dachem płaskim, na którym jest wykonana ochrona w postaci zwodów poziomych w układzie oczkowym, to do ochrony instalacji fotowoltaicznej konieczne jest uzupełnienie LPS o dodatkowe zwody pionowe. Wysokości zwodów, ich liczba i rozmieszczenie powinny być dobrane na podstawie metody toczącej się kuli lub kąta ochronnego odpowiednio do danej klasy LPS. Warto także zwrócić uwagę na efekt zacienienia paneli PV. Tu przydatne są wytyczne standardu IEC TR 63227 [7], według którego efekt zacienienia można pominąć, jeżeli zwód pionowy znajduje się w określonej odległości od paneli PV. Odległość ta zależna jest od średnicy zwodu pionowego i wacha się od 0,86 m do 1,73 m dla typowych średnic zwodów (Tablica 1.).
Odstępy separujące
Rozmieszczenie paneli PV względem przewodów LPS i zwodów pionowych należy projektować z jednoczesnym zachowaniem odstępów separujących. Warto tu przytoczyć punkt 712.534.101 normy zharmonizowanej PN-HD 60364-7-712 [8], według którego „wszystkie przewody zasilające i sygnałowe lub linie układu PV należy odseparować od wszystkich części LPS”. A zatem odstępy separujące dotyczą nie tylko paneli PV, ale także wszelkich tras kablowych DC, AC i teletechnicznych. Odstępy separujące oblicza się zgodnie ze wzorem zawartym w PN-EN 62305-3 [3]. Wymagane odległości bezpieczne zależne są m.in. od klasy LPS, konfiguracji przewodów LPS (potencjalnego podziału prądu pioruna) i wysokości budynku. Niestety w istniejących obiektach zachowanie odstępów separujących stanowi poważne wyzwanie.
Planując rozmieszczenie zwodów pionowych i stref ochronnych LPZ 0B należy zatem jednocześnie zwracać uwagę na zachowanie odpowiednich odległości od chronionych urządzeń. Należy także unikać prowadzenia przewodów LPS pod konstrukcją paneli PV. W wielu przypadkach oczkowy układ przewodów LPS na dachach płaskich wymaga niestety gruntownej przebudowy. Często trudno uniknąć krzyżowania się przewodów LPS z trasami kablowymi – w takim przypadku można zrobić obejście przewodów LPS nad korytem kablowym (Rys. 2.) lub zastosowanie przewodów w izolacji wysokonapięciowej.
Zawsze należy w pierwszej kolejności dążyć do zachowania odstępów separujących, ponieważ zapewnia to większe bezpieczeństwo instalacji. Nie jest to jednak w każdym przypadku możliwe. Przede wszystkim dotyczy to przypadków, gdzie konstrukcja paneli PV jest instalowana na dachu przewodzącym. Możliwe jest także, że ze względu na projektowaną moc instalacji i liczbę paneli PV na powierzchni dachu brakuje przestrzeni na zachowanie odstępów separujących – takich sytuacji należałoby jednak unikać i w razie potrzeby zmniejszać moc instalacji. Jeżeli zachowanie bezpiecznych odległości jest nie do osiągnięcia to należy w miejscach zbliżeń wykonać piorunochronne połączenia wyrównawcze między konstrukcją wsporczą paneli PV, a przewodami LPS lub między korytami kablowymi, a LPS. Brak takiego połączenia w miejscu zbliżenia przy bezpośrednim uderzeniu pioruna może prowadzić do niebezpiecznego iskrzenia i przeniknięcia części prądu pioruna do instalacji PV. To, czy odstępy separujące są zachowane, czy nie, decyduje o bezpieczeństwie instalacji, a także o doborze ograniczników przepięć.
Ochrona przed przepięciami
Każdy budynek wyposażony w urządzenie piorunochronne wymaga stosowania w rozdzielnicy głównej ograniczników przepięć (SPD) Typu 1, czyli takich, które wytrzymują przepływ częściowych prądów pioruna. Także w przypadku braku LPS taka ochrona w większości obiektów przemysłowych jest konieczna ze względu na wymagania norm zharmonizowanych PN-HD 60364-4-443 [9].
W instalacjach PV, zgodnie z normą PN-HD 60364-7-712 [8] ochrona przed przepięciami jest wymagana po stronie DC falownika zawsze, gdy stosowana jest ochrona w rozdzielnicy głównej AC. Do tego celu należy stosować SPD Typu 2 (brak LPS lub LPS z zachowaniem odstępów separujących), lub SPD Typu 1 jeżeli budynek jest wyposażony w LPS i nie zachowano bezpiecznych odległości. Ograniczniki przepięć Typu 1, odporne na prądy pioruna, są na ogół droższe, a zatem zachowanie odstępów separujących pozwala dodatkowo na obniżenie kosztów ochrony przed przepięciami.
W zależności od lokalizacji falownika mogą być wymagane dodatkowe SPD. Według wytycznych normy [9] falownik należy zabezpieczyć także od strony AC, jeżeli długość trasy kablowej do rozdzielnicy AC jest większa niż 10 m. Podobnie mogą być wymagane dodatkowe SPD od strony paneli PV, jeżeli między falownikiem, a panelami taka odległość przekracza 10 m. W tym przypadku dodatkowe zabezpieczenie obwodu DC może być także wymagane jako zabezpieczenie przewodów wprowadzanych z dachu do wnętrza budynku jako ochrona obwodów na granicy stref LPZ. Dodatkowe SPD powinny być Typu 2 w przypadku braku LPS lub w przypadku instalacji LPS z zachowaniem odstępów separujących. Przy wykonaniu połączeń wyrównawczych w całej instalacji PV, także jako dodatkowe SPD, należy stosować ograniczniki Typu 1.
Rozdzielnice przyłączeniowe
W praktyce ograniczniki przepięć instalowane są w rozdzielnicach przyłączeniowych, które mogą być usytuowane bezpośrednio przy falowniku lub na dachu. Jest to najbardziej praktyczne rozwiązanie, które umożliwia stosowanie także dodatkowych zabezpieczeń. Po stronie AC, poza SPD, rozdzielnice mogą być wyposażenie w zabezpieczenia nadprądowe, wyłączniki różnicowo-prądowe (RCD), rozłączniki izolacyjne (opcjonalnie z wyzwalaczem), sygnalizacje faz, czy też liczniki energii elektrycznej. A więc rozdzielnica przyłączeniowa PV AC może pełnić funkcje ochrony przed przepięciami, przed porażeniem oraz przed przetężeniem.
Istotną kwestią jest dobór elementów pod kątem prądów znamionowych, które określa się na podstawie mocy instalacji PV oraz wytycznych producenta falownika. Zabezpieczenia nadprądowe mogą być stosowane w postaci wyłączników instalacyjnych, wyłączników kompaktowych lub też przy większych mocach jako rozłącznik izolacyjny bezpiecznikowy. Jeżeli prąd znamionowy zabezpieczeń nadprądowych jest większy niż 125 A, to należy sprawdzić w dokumentacji ogranicznika przepięć, czy nie wymaga on dobezpieczenia.
Wyłączniki RCD w instalacjach PV o mocy 50 kV i wyższych nie są zawsze stosowane, ponieważ falowniki najczęściej wyposażone są w funkcje monitorowania prądu. Jeżeli już RCD ma być zastosowany w rozdzielnicy AC to warto zwrócić uwagę na wymagania producenta falownika odnośnie zalecanego znamionowego prądu różnicowego (IΔn), który może wynosić 300 mA, 500 mA lub nawet 1000 mA. Typowe dostępne wyłączniki RCD mają zazwyczaj maksymalny prąd IΔn = 500 mA, więc przy większych mocach trudno dobrać odpowiednie rozwiązanie do wymagań producenta falownika. Obecnie w rozdzielnicach PV stosuje się wyłączniki różnicowo prądowe typu A, RCD typu B są rzadko stosowane ze względu na ich nawet kilkukrotnie wyższy koszt.
W rozdzielnicach DC dodatkowe wyposażenie mogą stanowić podstawy bezpiecznikowe gPV lub rozłączniki izolacyjne. Liczba poszczególnych elementów zależy od liczby łańcuchów i wejść MPPT falownika, które mogą być różne w przypadku łańcuchów równoległych. Jeżeli występują łańcuchy równoległe to mogą one być połączone w rozdzielnicy DC. Pozwala to na ograniczenie liczby ograniczników przepięć do ilości wykorzystywanych MPPT.
Zabezpieczenia nadmiarowo-prądowe w obwodach DC zgodnie z PN-HD 60364-7-712 powinny być stosowane przy równolegle łączonych łańcuchach przede wszystkim w celu ochrony przed prądami wstecznymi. Przy pojedynczych łańcuchach nie są one konieczne, ponieważ wartość potencjalnego prądu zwarcia będzie niewiele większa od prądu znamionowego. Pomimo to podstawy bezpiecznikowe są jednak często stosowane także w takich przypadkach. Liczba podstaw gPV jest równa liczbie łańcuchów.
Rozłączniki izolacyjne DC pozwalają na zwiększenie bezpieczeństwa instalacji, zapewniając odłączenie obwodów PV będących pod napięciem i z tego względu istotne jest właściwe ich rozmieszczenie. Zastosowanie rozłączników DC jest obowiązkowe, jeżeli w danym obiekcie występuje przeciwpożarowy wyłącznik prądu (PWP) i falownik lub część obwodów DC znajduje się w strefie pożarowej objętej PWP. Rozłączniki powinny być powiązane z PWP i rozmieszczone tak, aby po ich zadziałaniu obwody DC w strefie pożarowej były odłączone od generatora PV. Jeżeli falownik i obwody DC znajdują się na zewnątrz obiektu, to pomimo przeciwpożarowego wyłącznika prądu rozłączniki DC mogą stanowić wyposażenie opcjonalne. Rozłącznik DC może występować jako indywidualne automatyczne urządzenie lub też może być umieszczony w rozdzielnicy przyłączeniowej DC. Najbardziej praktyczne jest umieszczenie rozłączników bezpośrednio przy łańcuchu paneli PV, na poziomie dachu co zapewnia, że po ich zadziałaniu całe okablowanie DC jest odłączone od źródła napięcia PV. W niektórych instalacjach z kolei może okazać się bardziej praktyczne zastosowanie rozłączników zbiorczych, w jednej obudowie, odłączających wszystkie łańcuchy przed wprowadzeniem kabli do wnętrza obiektu.
W przypadku rozdzielnic prefabrykowanych istotne jest właściwe przygotowanie zacisków przyłączeniowych. Przy rozdzielnicach AC podstawową informację stanowią przekroje przewodów, szczególnie jeżeli połączenie od strony sieci wykonywane jest przewodami aluminiowymi. Wyłączniki nadprądowe i RCD typowo umożliwiają przyłączenie przewodów o maksymalnym przekroju 35 mm2, a więc przy instalacjach o większej mocy należy dobierać odpowiednie aparaty (np.: rozłączniki bezpiecznikowe z wkładkami topikowymi) i zaciski. W przypadku rozdzielnic DC w pojedynczych łańcuchach stosuje się przewody solarne o przekroju 4 mm2, 6 mm2 lub przewody 10 mm2 dla tras od łańcuchów równoległych. Przyłączenie przewodów solarnych do rozdzielnicy może być realizowane pod zaciski śrubowe aparatów (SPD, rozłączniki DC, podstawy bezpiecznikowe), z zastosowaniem złączy sprężynowych lub specjalnych złączy MC4. Wszystkie te metody są odpowiednie pod warunkiem wykonania ich zgodnie ze sztuką.
Połączenia wyrównawcze
Z punktu widzenia skuteczności ochrony odgromowej i przed przepięciami kolejną istotną kwestią są właściwe połączenia wyrównawcze. Należy tu zwrócić uwagę, że w każdym przypadku należy zapewnić trasę połączeń wyrównawczych od generatora PV na dachu, poprzez rozdzielnice przyłączeniowe DC do falownika i dalej przez rozdzielnice AC do głównej szyny uziemiającej (GSU) obiektu. Uziemienie generatora PV powinno być realizowane przez przyłączenie go przewodami wyrównawczymi do GSU, a nie bezpośrednio do uziomu lub przewodów urządzenia piorunochronnego. Połączenia wyrównawcze mają na celu zapewnienie wspólnego potencjału odniesienia dla całej instalacji i zapewnienie skutecznego działania ograniczników przepięć. Jeżeli odstępy separujące nie są zachowane i wykonane są połączenia generatora PV z LPS to nie należy się obawiać skutków przepływu części prądu pioruna przewodem wyrównawczym, o ile stosowane są właściwe ograniczniki przepięć Typu 1. Jeżeli przy połączeniu generatora PV z LPS nie zostanie wykonane połączenie wyrównawcze do falownika to ochrona przed przepięciami może nie być skuteczna ze względu na różne potencjały odniesienia. Z tego względu należy wykonywać lokalne szyny wyrównawcze, np.: na poziomie dachu oraz przy falownikach, które kolejno wzajemnie połączone pozwalają na uniknięcie wielokrotnych połączeń równoległych.
Podsumowanie
Zapewnienie skutecznej ochrony odgromowej i przed przepięciami instalacji PV o mocy 50-150 kW na dachach istniejących obiektów jest często problematyczne. Instalacje piorunochronne w takich sytuacjach zawsze wymagają uzupełnienia, a w niektórych przypadkach nawet całkowitej przebudowy. Projektowanie stref ochronnych powinno odbywać się z jednoczesnym dążeniem do zachowania odstępów separujących, od których uzależnione są wytyczne dotyczące połączeń wyrównawczych i doboru ograniczników przepięć. Rozdzielnice przyłączeniowe PV powinny być wyposażone w ograniczniki przepięć o charakterystyce odpowiedniej do zagrożeń występujących w danym przypadku (ryzyko oddziaływania częściowych prądów pioruna, czy tylko przepięć indukowanych). Poza funkcją ograniczania przepięć rozdzielnice mogą ponadto pełnić dodatkowe funkcje ochrony przed przetężeniem, czy porażeniem. Właściwy dobór rozwiązań wymaga zatem szerszego spojrzenia uwzględniającego wiele aspektów.
Literatura
[1]PN-EN 62305-1:2011 Ochrona odgromowa -- Część 1: Zasady ogólne
[2]PN-EN 62305-2:2012 Ochrona odgromowa -- Część 2: Zarządzanie ryzykiem
[3]PN-EN 62305-3:2011 Ochrona odgromowa -- Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenie życia
[4]PN-EN 62305-4:2011 Ochrona odgromowa -- Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach
[5]PN-86 E 05003 Ochrona odgromowa obiektów budowlanych (seria norm)
[6]PN-IEC 61024 Ochrona odgromowa obiektów budowlanych (seria norm)
[7]IEC TR 63227:2020 Lightning and surge voltage protection for photovoltaic (PV) power supply systems
[8]PN-HD 60364-7-712:2016-05 Instalacje elektryczne niskiego napięcia -- Część 7-712: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji -- Fotowoltaiczne (PV) układy zasilania
[9]PN-HD 60364-4-443:2016-03 Instalacje elektryczne niskiego napięcia -- Część: 4-443: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa -- Ochrona przed zaburzeniami napięciowymi i zaburzeniami elektromagnetycznymi -- Ochrona przed przejściowymi przepięciami atmosferycznymi lub łączeniowymi
