Wyłączniki i rozłączniki Noark Electric dla instalacji PV

Transkrypt

1 Marcin Gałach NOARK Electric Sp. z o.o Wyłączniki i rozłączniki Noark Electric dla instalacji PV 1. Wprowadzenie Instalacje fotowoltaiczne stają się coraz powszechniej używanymi alternatywnymi źródłami energii elektrycznej. Specyficzne wymagania w porównaniu do innych aplikacji prądu stałego wymuszają rozwój nowej generacji urządzeń DC. Istnieją trzy główne różnice pomiędzy aplikacją fotowoltaiczną a innym tradycyjnym systemem DC. Pierwsza z nich związana jest z wyższym napięciem, zwykle dla instalacji fotowoltaicznych to V DC. Kolejna różnica wynika z faktu, iż prąd zwarciowy paneli jest bliski ich prądowi znamionowemu. Ostatnią i najważniejszą różnicą jest zmiana polaryzacji prądu płynącego przez wyłącznik lub rozłącznik podczas nieprawidłowej pracy systemu PV. Wszystkie te trzy kwestie stawiają zupełnie nowe wymagania dotyczące projektowania, budowy i działania elementów DC, takich jak wyłączniki lub rozłączniki. 2. Zasada działania systemu fotowoltaicznego Systemy fotowoltaiczne ze względu na różne parametry można podzielić na kilka grup. Podstawowym podziałem jest sposób podłączenia systemu PV do odbioru. Istnieją dwa rodzaje rozwiązań, system podłączony do sieci on grid, oraz system autonomiczny off grid. Z technologicznego punktu widzenia nie ma między nimi prawie żadnej różnicy w części DC całego systemu PV (tylko jeden system może wymagać uziemienia). Główna różnica pomiędzy tymi systemami opiera się na inwerterze, przekształcającym prąd stały DC na prąd przemienny AC. Systemy off grid są zaopatrzone w akumulator energii, dzięki czemu wytworzonej energii nie trzeba natychmiast wykorzystywać. Podstawowy schemat systemu PV podłączonego do sieci jest przedstawiony na rysunku. 1. panele PV zabezpieczanie i kontrola po stronie DC inwerter DC/AC zabezpieczanie i pomiar po stronie AC sieć AC Rys. 1. Podstawowy schemat systemu fotowoltaicznego Panele Pierwszym elementem każdego systemu PV jest oczywiście zestaw paneli fotowoltaicznych. W zależności od całkowitej mocy zainstalowanej poszczególne panele Nr

2 mogą być połączone szeregowo, tworząc tzw. stringi, albo równolegle celem zwiększenia prądu (w konsekwencji mocy). Obecnie panele są najczęściej wykonywane z krzemu polikrystalicznego. Ten typ paneli zapewnia najlepszą relację ceny do jakości, zachowując jednocześnie wysoką wydajność. Dostępne są również panele monokrystaliczne. Ich główną zaletą jest wysoka wydajność, jednak wyższa cena sprawia, że nie są popularne. Ostatnią najnowszą technologią są panele cienkowarstwowe, których głównymi zaletami są niska waga oraz dostępność w różnych rozmiarach. Urządzenia zabezpieczające i kontrolujące Druga część systemu PV to urządzenia zabezpieczające i kontrolujące. Są to zabezpieczenia nadprądowe (wyłączniki, bezpieczniki), rozłączniki oraz ograniczniki przepięć. W dużych aplikacjach fotowoltaicznych może być także stosowany system kontrolujący lub pomiarowy. Konfiguracja urządzeń zależy od rozmiaru systemu, liczby stringów, ich połączenia oraz innych wymagań. Urządzenia te są zazwyczaj instalowane w specjalnych obudowach DC (string box, combiner box, array box, junction box), a w dużych systemach mogą być częścią głównego inwertera. Rys. 2. Niespolaryzowany wyłącznik nadprądowy DC do 1000 V DC Inwerter Ostatnim segmentem części stałoprądowej systemu jest inwerter. Przetwarza on prąd stały na prąd przemienny. Inwertery można podzielić ze względu na wielkość mocy wejściowej i wyjściowej, liczbę faz po stronie wyjścia, typ zastosowanego systemu uziemiony lub nieuziemiony, system połączony z siecią lub działający autonomicznie. 3. Zabezpieczenia nadprądowe po stronie prądu stałego Pierwszym zagadnieniem, o którym należy pamiętać przy projektowaniu systemu PV, jest cel stosowania zabezpieczeń nadprądowych. Będzie on różny przy zabez- 70

3 pieczaniu pojedynczego stringu oraz przy zabezpieczaniu wielu stringów połączonych równolegle. Typowe prądy zwarciowe w systemach fotowoltaicznych są tylko o ok. 10% większe od znamionowej wartości prądu paneli. Jest to zjawisko zdecydowanie odmienne od jakiegokolwiek standardowego systemu DC lub AC. Znacznie utrudnia to ochronę instalacji, ponieważ nie ma urządzeń zabezpieczających, które przy tak niewielkim wzroście prądu zadziałałyby natychmiastowo. Najczęstszym powodem zwarcia paneli (stringu) jest przebicie elektryczne. Uszkodzony panel lub string nie produkuje wtedy energii elektrycznej, natomiast przewodzi prąd elektryczny. Moc wyjściowa inwertera jest wtedy najczęściej zerowa, ponieważ napięcie jest zbyt niskie i nie mieści się w zakresie napięć, w których inwerter może poprawnie pracować. Kolejnym problemem, szczególnie w przypadku dużej liczby połączeń równoległych stringów (prądy stringów się sumują), jest duże przeciążenie przewodów łączących uszkodzony string z innymi. Prąd znamionowy i charakterystyka wyzwalania urządzenia zabezpieczającego zależy od parametrów paneli w danym stringu. Zabezpieczenia z jednej strony muszą prawidłowo zabezpieczać instalację, a z drugiej umożliwiać jej pracę w przypadku braku zakłóceń. Głównym parametrem panelu jest prąd znamionowy I mpp. Wartość tego prądu musi być mniejsza od wartości prądu zadziałania urządzenia ochronnego. Pytaniem jest, jaka powinna być wartość prądu zadziałania zabezpieczenia? Prąd zadziałania zabezpieczenia Istnieją dwie wytyczne do projektowania. Pierwsze rozwiązanie podane jest w normie IEC , które określa, że prąd wyzwolenia powinien zawierać się w przedziale 1,4 2,0 prądu zwarcia I SC panelu. Aby spełnić te wymagania, należy znać charakterystykę czasowo-prądową zastosowanego urządzenia zabezpieczającego. Drugi sposób pochodzi wprost od producentów paneli fotowoltaicznych. Określa on maksymalną wartość prądu dla zabezpieczenia bezpiecznikiem. Związane jest to z maksymalnym dopuszczalnym prądem diod blokujących połączonych wewnątrz panelu. Rozważmy przykład ochrony polikrystalicznego panelu fotowoltaicznego o mocy znamionowej P mpp = 245 Wp. Prąd znamionowy I mpp wynosi 8,2 A, a prąd zwarciowy jest równy I SC = 8,62 A (CHSM6610P Astronergy), maksymalne zabezpieczenie bezpiecznikiem 15 A. Pierwszym sposobem ochrony będzie zastosowanie wyłącznika nadprądowego (Ex9BP). Norma EN , zgodnie z którą te wyłączniki są wykonane i przetestowane, określa prąd niezadziałania I nf = 1,05 I n oraz prąd zadziałania I f = 1,30 I n. Na podstawie normy IEC mamy układ równań: I nf 1,4 I SC I f 2,0 I SC Nr

4 Dla prądu znamionowego I n wyłącznika: oraz I n (1,4 I SC )/1,05 I n (2,0 I SC )/1,3 Oznacza to, że dla panelu o mocy 245 Wp zalecany prąd znamionowy wyłącznika wynosi 11,49 A I n 13,26 A. Można również zastosować wyłącznik o mniejszym prądzie znamionowym, ale w celu uniknięcia niechcianych wyzwoleń należy spełnić warunek I nf > I SC (wartość prądu I SC może zostać również osiągnięta podczas normalnej pracy w czasie załączania trackerów inwertera). Należy dodatkowo uwzględnić pewien zakres tolerancji prądu. W każdym przypadku wartość prądu znamionowego wyłącznika musi być mniejsza od podanej wartości maksymalnego zabezpieczenia bezpiecznikiem. Rys. 3. Podstawa bezpiecznikowa Ex9FP do aplikacji PV Zabezpieczenie wyłącznikiem nadprądowym bezpolaryzacyjnym Istnieją trzy główne zalety stosowania wyłączników nadprądowych. Po pierwsze w przypadku zadziałania wyłącznika może on zostać załączony ponownie bez żadnych dodatkowych kosztów takich jak kupno nowej wkładki bezpiecznikowej. Kolejną zaletą tego typu aparatów jest możliwość dobudowy akcesoriów. Można zainstalować dodatkowe styki pomocnicze umożliwiające sygnalizację stanu położenia dźwigni, natomiast w celu zdalnego odłączania systemu PV można wykorzystać dedykowane wyzwalacze. Trzecią główną zaletą wyłączników nadprądowych jest spełnienie funkcji rozłączającej, aparat może być obsługiwany przez osoby niewykwalifikowane. Ma to szczególne znaczenie, gdy instalacje znajdują się na dachach budynków mieszkalnych. Zabezpieczenie bezpiecznikiem zamontowanym w podstawie bezpiecznikowej W przypadku użycia bezpiecznika jako urządzenia zabezpieczającego należy pamiętać o innych krotnościach prądu niezadziałania i zadziałania, które wynoszą odpowiednio I nf = 1,25 I n oraz I f = 1,6 I n. Optymalna wartość prądu znamionowego wyniesie więc 9,65 A I n 10,77 A. 72

5 Wkładki bezpiecznikowe do ochrony systemów PV można montować w podstawach bezpiecznikowych dedykowanych do pracy z cylindryczną wkładką bezpiecznikową (seria Ex9FP rys. 3.). Zaletą stosowania podstaw bezpiecznikowych jest ich niski koszt. Kolejnym atutem tego urządzenia jest niewielka ilość miejsca potrzebna do zainstalowania aparatu. Urządzenia te mogą pracować do wartości maksymalnej napięcia 1000 V DC w pojedynczym module. W aplikacjach, w których jest wymagane rozłączanie obu biegunów w stringu, należy stosować podstawy bezpiecznikowe dwubiegunowe. Istnieje jednak kilka ograniczeń w stosowaniu tych aparatów. Początkowa niższa cena stopniowo wzrasta, gdy konieczny jest zakup nowej wkładki bezpiecznikowej. Innym problemem jest brak możliwości dobudowy akcesoriów, zrealizowania zdalnej sygnalizacji stanu obwodu i zdalnego rozłączania systemu. Jednym z poważniejszych zagrożeń jest to, że podstawy bezpiecznikowe z cylindrycznymi wkładkami bezpiecznikowymi nie spełniają funkcji rozłącznika obwodu pod obciążeniem, ich kategoria pracy to DC-20 (łączenie bez obciążenia). W przypadku, gdy to urządzenie powinno spełniać dodatkowo rolę rozłącznika izolacyjnego zgodnie z normą HD :2005, koniecznym jest stosowanie dodatkowego urządzenia, które będzie rozłączać obwód wcześniej niż podstawa bezpiecznikowa. Inną kwestią jest to, że wszystkie podstawy bezpiecznikowe z cylindrycznymi wkładkami przeznaczone są do stosowania i obsługiwania przez osoby wykwalifikowane elektrycznie. Z tego powodu nie powinny być stosowane w domowych instalacjach fotowoltaicznych. 4. Zmiana polaryzacji prądu w aplikacjach fotowoltaicznych Bardzo ważnym zjawiskiem związanym z aplikacjami fotowoltaicznymi jest możliwość zmiany polaryzacji prądu stałego płynącego przez wyłącznik lub rozłącznik. W większości standardowych aplikacji DC, polaryzacja jest narzucona przez źródło i pozostaje przez cały czas bez zmian. Moduły fotowoltaiczne, AL styk pomocniczy zadziałania kierunek przepływu prądu Ex9IP 2P 32A Inwerter Ex9BN 1P C32 SHT31 - wyzwalacz wzrostowy Rys. 4. Kierunek przepływu prądu prawidłowa praca paneli Nr

6 Moduły fotowoltaiczne, polikrystaliczne, seria CHSM6610P 240W AL styk pomocniczy zadziałania kierunek przepływu prądu Ex9IP 2P 32A Inwerter Ex9BN 1P C32 SHT31 - wyzwalacz wzrostowy Rys. 5. Kierunek przepływu prądu zwarcie w stringu W instalacji PV polaryzacja wyłączników jest narzucona przez polaryzację stringu rys. 4. Zmienia się jednak w przypadku przebicia elektrycznego jednego ze stringów (lub panelu w stringu) rys. 5. Wyłącznik włączony w uszkodzony obwód zaczyna pracować w odwrotnej polaryzacji. Warto zaznaczyć, że podczas zwarcia powinien wyzwolić tylko wyłącznik podłączony do uszkodzonego stringu. Wszystkie urządzenia zastosowane w tej aplikacji powinny być niezależne od polaryzacji. 5. Załączanie i wyłączanie obwodów DC Wyłączanie prądu w instalacjach prądu stałego jest znacznie bardziej skomplikowane niż w instalacjach prądu przemiennego. W obwodach prądu przemiennego łuk elektryczny może być łatwo zgaszony przy przejściu wartości prądu przez zero. W przypadku prądu stałego nie ma takiej możliwości i wymagania dla mechanizmów wyłączających są znacznie większe. Ze względu na duże wartości napięcia dochodzące do 1000 V DC sytuacja w przypadku aplikacji fotowoltaicznych jest jeszcze bardziej skomplikowana. Największą trudnością dla inżynierów jest równy podział łuku pomiędzy dwoma stykami. W przypadku prądu przemiennego podział ten jest symetryczny. W przypadku prądu stałego jest różny. Podział kształtuje się w proporcjach 70% na jednym styku (dodatnim) i 30% na drugim. Ze względu na stałą polaryzację prądu podczas przełączania lub wyzwalania, plazma w łuku powoduje migrację jonów metali ze styków dodatnich. Jest to przyczyną znacznego uszkodzenia jednego ze styków. Rozwiązanie tego problemu jest stosunkowo proste. W celu osiągnięcia symetrycznego podziału łuku można użyć pola magnetycznego np. wytworzonego za pomocą magnesu trwałego. To pole magnetyczne będzie działać przeciwko polu magnetycznemu jonów dodatnich i zablokuje ich ruch. To jest podstawowe rozwiązanie stosowane w przypadku standardowych wyłączników prądu stałego. Ten typ wyłącznika może być łatwo rozpoznany, gdyż ma podaną polaryzację (naniesione oznacze- 74

7 nia + oraz ). W przypadku niewłaściwego podłączenia, podział łuku jeszcze bardziej się pogorszy. Pole magnetyczne wzmocni proces migracji jonów, a tym samym przyspieszy degradację styku. W przypadku przełączeń przy błędnym połączeniu wyłącznik zostanie zniszczony. Tego typu wyłączniki nie mogą być stosowane w instalacjach fotowoltaicznych. Wyłączniki bezpolaryzacyjne Rozwiązaniem w przypadku zabezpieczania instalacji fotowoltaicznych są wyłączniki bezpolaryzacyjne. Niezależność działania od polaryzacji prądu jest osiągnięta przez użycie dynamicznie tworzonego pola magnetycznego. Pole magnetyczne jest generowane przez przepływający prąd, a nie przez zamontowany magnes stały. Gwarantuje to, że pole magnetyczne zmieni swoją polaryzację, kiedy nastąpi zmiana polaryzacji prądu i napięcia. Aby rozłączyć obwód przy wyższych napięciach typowych dla aplikacji fotowoltaicznych, konieczne jest użycie szeregowo połączonych wyłączników. Firma NOARK Electric posiada w ofercie zabezpieczenia służące do zabezpieczania instalacji do maksymalnej wartości napięcia 1000 V DC. Wyłącznik taki składa się z 4 pojedynczych aparatów połączonych ze sobą w jednej obudowie, z których każdy rozłącza po 250 V DC. 6. Rozłącznik pomiędzy panelami a inwerterem Dla części DC systemu PV istnieją dwie główne podstawowe grupy wymagań. Pierwsza z nich to dokument zharmonizowany HD :2005 (jest on identyczny jak IEC :2002). Druga to wspomniana już wcześniej norma IEC W pierwszym dokumencie, który jest dostosowany do lokalnych standardów instalacyjnych w krajach CENELEC, podane są podstawowe zasady bezpieczeństwa w odniesieniu do instalacji PV. Jedną z informacji jaką można tam odnaleźć, jest wymóg stosowania odłącznika pomiędzy panelami a inwerterem (rys. 6.). Szczególnie dla systemów nieuziemionych (stosowane w naszym kraju) zaleca się rozłączanie obu biegunów. Panele PV Inwerter DC/AC Rys. 6. Obowiązkowe rozłączanie dwóch biegunów strony DC systemu PV Firma NOARK Electric posiada w swoim portfolio rozłączniki izolacyjne typu Ex9IP (rys. 7.), bezpolaryzacyjne, dedykowane do systemów PV. Do aparatów tych można dobudowywać dodatkowo styki sygnalizacyjne, jak również wyzwalacze podnapięciowe (wzrostowe) służące zdalnemu rozłączeniu instalacji po stronie DC np. podczas pożaru. Nr

8 Rys. 7. Rozłącznik izolacyjny DC Ex9IP 7. Podsumowanie Nowy temat w Polsce jakim jest fotowoltaika, nie zwalnia projektantów oraz instalatorów od zapoznania się z zupełnie innym podejściem do tego typu systemów niż w przypadku aplikacji prądu przemiennego. Napięcie stałe o wartościach dochodzących do 1000 V, montaż instalacji fotowoltaicznych na dachach domów jednorodzinnych oraz obsługa tych aplikacji przez osoby niepoinstruowane elektrycznie stawia przed producentami zabezpieczeń bardzo wysokie wymagania. Firma NOARK Electric korzystając z doświadczeń zdobytych w krajach, w których fotowoltaika istnieje już na porządku dziennym (np. Australia), dostarcza sprawdzone rozwiązania zapewniające bezpieczną i długotrwałą pracę instalacji. Aparaty standardowo, tak jak wszystkie produkty Noark, są objęte 5-letnią gwarancją. Artykuł wpłynął 4 września 2013 r. 76