System zabezpieczenia odgromowego w instalacji fotowoltaicznej

System zabezpieczenia odgromowego w instalacji fotowoltaicznej jest jednym z najważniejszych punktów przy projektowaniu oraz montażu systemu PV.

Piorun to zjawisko polegające na nagłym wyładowaniu elektrycznym pomiędzy chmurami burzowymi, powstałymi w wyniku silnej konwekcji atmosferycznej lub pomiędzy chmurami burzowymi a ziemią. Wyładowania atmosferyczne zazwyczaj dzielimy na bezpośrednie i pośrednie (indukowane).

Bezpośrednie wyładowania atmosferyczne

Bezpośrednie wyładowania atmosferyczne nazywamy po prostu piorunami. Ich efekty można podzielić na: termiczne, elektryczne i mechaniczne. Energia pioruna jest tak ogromna, że może natychmiast spowodować fizyczne i elektryczne uszkodzenia trafionego obiektu.

Pośrednie (indukowane) wyładowania atmosferyczne

W wyniku wyładowania bezpośredniego w niedalekiej odległości otrzymujemy pośrednie (indukowane) uderzenie pioruna. Takie uderzenie (na objętym nim obszarze, tj. w promieniu 2 km od miejsca uderzenia) jest w stanie spowodować wysoki poziom napięcia przepięciowego i prądu udarowego w przewodniku metalowym. Wynika to z działania indukcji elektrostatycznej i elektromagnetycznej. Powstają one w wyniku gromadzenia się ładunków elektrycznych w chmurach burzowych oraz ich gwałtownym wyładowaniom (spadkiem naładowania) podczas uderzeń pioruna. Głównymi skutkami różnicy potencjałów elektrycznych są iskry elektryczne, prądy przepięciowe, zwarcia oraz wynikające z nich uszkodzenia urządzeń. Uderzenia indukowane powodują szczególnie duże szkody w systemach elektrycznych pracujących na niskim napięciu oraz w systemach informatycznych.

System fotowoltaiczny składa się głównie z ciągów paneli PV, falownika podłączonego do sieci i skrzynki rozdzielczej prądu zmiennego

Powszechnie stosowana rama panelu fotowoltaicznego z ogniwami z krzemu krystalicznego jest wykonana ze stopu aluminium oraz połączona z metalowym wspornikiem. W związku z tym panel fotowoltaiczny jest podatny zarówno na bezpośrednie, jak i pośrednie uderzenia pioruna. Urządzenia elektryczne, takie jak falowniki i skrzynki rozdzielcze są podatne na indukowane wyładowania atmosferyczne. Ponadto, energia wyprodukowana przez wyładowanie elektryczne może przedostać się do wnętrza budynków. Stanowi to zagrożenie bezpieczeństwa osobistego. Może również uszkodzić znajdujący się w budynkach sprzęt. Silniejsze uderzenia piorunów mogą poważnie uszkodzić całą instalację fotowoltaiczną.

Projektując zabezpieczenia odgromowe dla systemów fotowoltaicznych, należy przede wszystkim rozważyć instalację piorunochronów. Ich celem będzie zapobieganie uszkodzeniom instalacji fotowoltaicznej przez bezpośrednie uderzenie pioruna. Jednocześnie należy wziąć pod uwagę ryzyko indukowanych wyładowań atmosferycznych, ponieważ są równie groźne dla urządzeń.

System zabezpieczenia odgromowego – podstawowe środki

Rozproszony system fotowoltaiczny jest wyposażony w trzystopniowe zabezpieczenie odgromowe. Konstrukcja ochrony odgromowej i uziemienia obejmuje następujące elementy: (Proszę również zapoznać się z lokalnymi normami dotyczącymi systemów zabezpieczenia odgromowego).

1. Ustawić piorunochron, aby zapobiec bezpośredniemu uderzeniu pioruna na małej wysokości.
2. Solidnie uziemić wspornik ciągu paneli fotowoltaicznych
3. W skrzynce przyłączeniowej ciągu fotowoltaicznego zainstalować ogranicznik przepięć (SPD) na wejściu i wyjściu, a następnie solidnie uziemić jego obudowę
4. Solidnie uziemić urządzenia w pomieszczeniu sprzętowym
5. Zamontować odgromową skrzynkę izolacyjną na wejściu i wyjściu z pomieszczenia, w którym znajduje się falownik oraz zainstalować urządzenie chroniące przed przepięciami (SPD), aby ograniczyć ryzyko wyładowań pośrednich

Gdy instalacja fotowoltaiczna jest umieszczona na dachu budynku, powinniśmy wziąć pod uwagę istniejący na nim system odgromowy. Jeżeli sprzęt PV znajduje się w zakresie jego ochrony, wtedy nie ma potrzeby dodawania osobnego, zewnętrznego systemu odgromowego. W przeciwnym razie konieczny jest zewnętrzny system odgromowy. Stawiając piorunochron, należy upewnić się, iż urządzenia PV znajdują się w jego zakresie ochrony. Dodatkowo musimy również sprawdzić, czy konstrukcja piorunochronu nie zacienia modułów solarnych.

Dobre uziemienie polega na wprowadzeniu szpilki uziemiającej w kolejne warstwy ziemi. Wykonujemy to w taki sposób, aby przejęła ona na siebie ładunek elektryczny i rozprowadziła go w ziemi. Urządzenia uziemiające łączymy ze sobą za pomocą listwy uziemiającej, ponieważ należy rozłożyć ładunek elektryczny w celu jego uziemienia. Piorunochron (stanowiący niezależny system uziemienia) należy wyposażyć w oddzielny, niezależny pręt uziemiający wprowadzony do gruntu. Rezystancja uziemienia musi być mniejsza niż 4Ω. Metalowe wsporniki stałe podłączamy do systemu uziemienia co około 10 metrów. Urządzenia systemu solarnego i system uziemienia budynku łączymy ze sobą. Połączenie to powinno być wykonane ze stali ocynkowanej z zabezpieczeniem antykorozyjnym. W ten sposób możemy zmniejszyć rezystancję. Dzięki temu zredukujemy ryzyko przepięcia, spowodowane pośrednimi wyładowaniami atmosferycznymi (pomiędzy różnymi punktami uziemienia).

System zabezpieczenia odgromowego – jaki sprzęt wybrać?

Piorunochron

Do piorunochronów używa się zwykle prętów ze stali o średnicy 12-16 mm. W przypadku zastosowania taśmy odgromowej należy stosować pręty stalowe o średnicy nie mniejszej niż 8 mm. Możemy również użyć taśmy stalowej o grubości nie mniejszej niż 4 mm.

Wysokość piorunochronu powinna być większa lub równa poziomej odległości piorunochronu do chronionego obiektu. Im wyższy jest piorunochron, tym większy jest chroniony przez niego obszar.

Sprzęt uziemiający

Zalecany materiał korpusu uziemiającego to stal ocynkowana ogniowo.

Jego dane techniczne to na ogół:

• rura stalowa o średnicy 50 mm, grubości nie mniejszej niż 3,5 mm;
• 50mm*50 mm*5 mm kątownik stalowy, długość nie mniejsza niż 2,5 m; lub taśmę stalową 40 mm*4 mm, o długości między 2,5 do 4 m.

Głębokość osadzenia poziomego płaskiego stalowego korpusu uziemiającego powinna wynosić co najmniej 0,5 m. Natomiast głębokość osadzenia pionowego kątownika stalowego co najmniej 2,5 m. Połączenia spawane powinny być ponownie pokryte powłoką antykorozyjną.

Do przewodników uziemiających zaleca się stosowanie prętów lub taśm ze stali ocynkowanej ogniowo. Pręt jest pewniejszym rozwiązaniem, przy czym jego średnica nie powinna być mniejsza niż 8 mm. W przypadku zastosowania taśmy stalowej, jej grubość powinna wynosić co najmniej 4 mm. W przypadku wyższych wymagań należy stosować dwuwarstwowy izolowany wielożyłowy przewód miedziany o powierzchni przekroju 35 mm².

Połączenie wyrównawcze

Mocowanie może nie spełniać wymogów uziemienia, gdy rama modułu fotowoltaicznego jest wykonana ze stopu aluminium oraz dodatkowo jest powlekana. Moduł PV jest prawidłowo uziemiony tylko wtedy, gdy otwór uziemiający modułu fotowoltaicznego połączony jest ze wspornikiem. Dlatego też w tych miejscach, tj. pomiędzy zewnętrznym systemem odgromowym a modułem PV, należy przewidzieć połączenie wyrównawcze.

Zabezpieczenie przed przepięciami

Aby ograniczyć szkody spowodowane przepięciami i wyładowaniami atmosferycznymi, na przewodzie pod napięciem należy zainstalować ogranicznik przepięć.

W celu ochrony instalacji PV, należy:

1. Zainstalować ogranicznik przepięć na wejściu DC i wyjściu AC falownika.
2. Zainstalować ogranicznik przepięć w skrzynce rozdzielczej sieci elektrycznej (szafie rozdzielczej). Potrzebne jest to, aby zabezpieczyć kable przyłączeniowe przed wyładowaniami pośrednimi. W celu zapobiegnięcia zwarciu w przypadku awarii ogranicznika przepięć wyłącznik lub bezpiecznik muszą być połączone szeregowo z ogranicznikiem przepięć. Prąd znamionowy wyłącznika (bezpiecznika) nie może być większy niż wartość znamionowa zabezpieczenia nadprądowego zalecana przez specyfikację zainstalowanego ogranicznika przepięć.

System zabezpieczenia odgromowego – podsumowanie

W dużych naziemnych elektrowniach słonecznych konieczne jest zainstalowanie kompleksowego systemu ochrony odgromowej.

Mamy na myśli:

• piorunochrony,
• listwy odgromowe,
• urządzenia i pręty uziemiające,
• ograniczników przepięć (SPD).

Dla instalacji przemysłowych i komercyjnych można wykorzystać oryginalne urządzenia odgromowe istniejącego budynku w celu uzyskania ochrony odgromowej i uziemienia urządzeń. W przypadku instalacji prywatnych, jeżeli budynek nie jest wysoki, a w okolicy znajdują się wyższe konstrukcje, wymagania w zakresie ochrony odgromowej są stosunkowo niskie.