OCHRONA ODGROMOWA SYSTEMÓW FOTOWOLTAICZNYCH

SERIA: ZESZYTY DLA ELEKTRYKÓW NR 10 Andrzej W. Sowa Krzysztof Wincencik OCHRONA ODGROMOWA SYSTEMÓW FOTOWOLTAICZNYCH

SERIA: ZESZYTY DLA ELEKTRYKÓW NR 10 Andrzej W. Sowa, Krzysztof Wincencik OCHRONA ODGROMOWA SYSTEMÓW FOTOWOLTAICZNYCH

Recenzent: Renata Markowska Politechnika Białostocka Kierownik projektu Michał Grodzki Redakcja i korekta Anna Kuziemska Wszelkie prawa zastrzeżone Copyright by Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością S.K.A. ISBN 978-83-64094-30-9 Wydawca i rozpowszechnianie Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością S.K.A. 04-112 Warszawa, ul. Karczewska 18 Sprzedaż: księgarnia wysyłkowa www.ksiegarniatechniczna.com.pl Skład i łamanie Studio Graficzne Grupy MEDIUM Warszawa 2014, wydanie I Pod patronatem miesięcznika

SPIS TREŚCI 1. WSTĘP.......................................................................... 5 1.1. Podstawowy zakres wiedzy wymagany przy projektowaniu urządzeń piorunochronnych..... 6 2. ŹRÓDŁA ZAGROŻEŃ ORAZ SKUTKI ODDZIAŁYWAŃ PIORUNOWYCH........................ 9 2.1. Określanie zagrożeń piorunowych.............................................. 10 2.2. Prądy udarowe stosowane w badaniach zagrożeń piorunowych........................ 10 2.3. Badania elementów urządzenia piorunochronnego................................. 12 3. PRĄDY PIORUNOWE W INSTALACJACH NISKIEGO NAPIĘCIA............................ 14 3.1. Podział prądu piorunowego w instalacjach dochodzących do obiektu................... 14 3.2. Prądy piorunowe w instalacji elektrycznej........................................ 16 4. NAPIĘCIA I PRĄDY UDAROWE INDUKOWANE W INSTALACJACH NISKIEGO NAPIĘCIA........ 19 4.1. Wyładowania piorunowe w LPS obiektu budowlanego............................... 19 4.2. Wyładowania piorunowe w sąsiedztwie obiektu budowlanego......................... 20 4.3. Wyładowania piorunowe w sąsiedztwie linii dochodzących do obiektu.................. 20 4.4. Napięcia i prądy udarowe rejestrowane w obwodach sygnałowych..................... 21 5. ANALIZA RYZYKA STRAT PIORUNOWYCH............................................ 23 5.1. Analiza ryzyka............................................................. 26 5.2. Typowy dom jednorodzinny.................................................... 32 5.3. Analiza ryzyka wspomagana programem komputerowym............................ 38 5.3.1. Rozległy park solarny.................................................. 40 5.3.2. Instalacja fotowoltaiczna na dachu hali przemysłowej......................... 44 6. ODPORNOŚĆ UDAROWA PRZYŁĄCZY ZASILANIA I SYGNAŁOWYCH URZĄDZEŃ............. 47 6.1. Przyłącza zasilania urządzeń................................................... 47 6.2. Przyłącza sygnałowe urządzeń................................................. 47 7. ZEWNĘTRZNE URZĄDZENIA PIORUNOCHRONNE NA OBIEKTACH BUDOWLANYCH........... 49 7.1. Materiały stosowane do wykonania urządzeń piorunochronnych...................... 49 7.2. Zwody.................................................................... 51 7.3. Przewody odprowadzające i zaciski probiercze..................................... 53 7.4. Przewody uziemiające........................................................ 54 7.5. Uziomy naturalne........................................................... 54 7.6. Uziomy sztuczne............................................................ 55 7.7. Wyznaczanie wymiarów układów uziomowych.................................... 58 7.8. Eksploatacja i konserwacja urządzenia piorunochronnego............................ 60 8. OGRANICZANIE PRZEPIĘĆ W INSTALACJI ELEKTRYCZNEJ W OBIEKCIE BUDOWLANYM....... 62 8.1. Urządzenia do ograniczania przepięć typu 1...................................... 63 8.1.1. Zasady doboru i montażu............................................... 65 8.1.2. Urządzenie do ograniczania przepięć typu 1 o różnych napięciowych poziomach ochrony............................................................. 68 8.1.3. Koordynacja właściwości urządzeń do ograniczania przepięć typu 1 z wymaganiami kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń............................. 69 8.2. Urządzenia do ograniczania przepięć typu 2....................................... 70 8.2.1. Zasady doboru i montażu............................................... 71 8.3. Urządzenia do ograniczania przepięć typu 3...................................... 72 8.4. Odległości pomiędzy SPD a chronionym urządzeniem............................... 75 8.5. Zasady tworzenia wielostopniowego systemu ograniczania przepięć.................... 78 www.elektro.info.pl 3

ochrona odgromowa systemów fotowoltaicznych 8.6. Instalacje prądu stałego...................................................... 78 8.6.1. Urządzenia do ograniczania przepięć w obwodach stałoprądowych systemów fotowoltaicznych............................................. 81 8.7. Eksploatacja i konserwacja urządzeń do ograniczania przepięć......................... 87 9. OCHRONA KOLEKTORÓW PV PRZED BEZPOŚREDNIM WYŁADOWANIEM PIORUNOWYM....... 88 9.1. Kolektory na dachach obiektów budowlanych...................................... 88 9.2. Przestrzenie chronione....................................................... 91 9.2.1. Kąty ochronne....................................................... 91 9.2.2. Odstępy izolacyjne.................................................... 93 9.3. Zacienienia paneli PV przez zwody pionowe....................................... 95 9.4. Przewody o izolacji wysokonapięciowej........................................... 97 9.5. Przeskoki iskrowe do instalacji ułożonych wewnątrz obiektu.......................... 97 9.6. Wykorzystanie programu DEHNsupport do wyznaczania odstępów izolacyjnych.......... 102 10. PRZYKŁADOWE ROZWIĄZANIA OCHRONY ODGROMOWEJ I PRZECIWPRZEPIĘCIOWEJ SYSTEMÓW PV................................................................. 104 10.1. Ochrona przed bezpośrednim oddziaływaniem prądu piorunowego................... 104 10.1.1. Dachy dwuspadowe.................................................. 104 10.1.2. Dachy płaskie....................................................... 111 10.1.3. Odstępy izolacyjne do instalacji i urządzeń wewnątrz obiektu.................. 117 10.1.4. Wolno stojące elektrownie fotowoltaiczne................................. 121 10.2. Ograniczanie napięć i prądów udarowych w instalacjach elektrycznych................ 126 10.2.1. Obiekt budowlany bez urządzenia piorunochronnego........................ 126 10.2.2. Obiekt budowlany z urządzeniem piorunochronnym......................... 127 10.2.3. Kolektory fotowoltaiczne na dachach płaskich.............................. 133 10.3. Rozbudowane systemy fotowoltaiczne........................................... 134 11. OGRANICZANIE PRZEPIĘĆ W OBWODACH SYGNAŁOWYCH............................. 140 11.1. Urządzenia ograniczające przepięcia............................................ 141 11.2. Ograniczanie przepięć w obwodach kontrolno-pomiarowych......................... 142 12. PODSUMOWANIE............................................................... 146 LITERATURA...................................................................... 148 4 www.elektro.info.pl

1. WSTĘP Systemy fotowoltaiczne PV (ang. Pho tovoltaic) przetwarzają bezpośred nio pro mieniowanie słoneczne na energię elek tryczną bez zanieczysz czeń, hałasu i innych zmian w środowisku naturalnym. Fakt ten, w połączeniu ze spadkiem kosztów syste mów PV, powoduje szybki rozwój tego ro dzaju źródeł zasilania. W systemach PV wymagane jest umieszczenie kolektorów fotowoltaicznych w miejscach bezpośred niego działania promieni słonecznych. Takim miejscem są dachy obiektów budowlanych. Wzrastające powierzchnie coraz częściej stosowanych kolektorów powodują wzrost zagrożenia piorunowego urządzeń systemów PV. Skalę uszkodzeń wywołanych przez bezpośrednie wyładowanie piorunowe w obiekt budowlany oraz przez przepięcia atmosferyczne, w porównaniu do innych źródeł zagrożeń, przedstawiono na rysunku 1.1. a) b) błędy ludzkie 1% pożar 26% błędy techniczne 6% błędy techniczne 1% złośliwe burza 9% uszkodzenia 1% burza 25% opady śniegu 14% grad 3% gryzonie 3% złośliwe uszkodzenia 3% błędy ludzkie 3% kradzieże 2% kradzieże 8% pozostałe 9% opady śniegu 12% bezpośrednie wyładowanie piorunowe, przepięcia 14% pozostałe 32% pożary 2% bezpośrednie wyładowanie piorunowe, przepięcia 26% Rysunek 1.1. Przyczyny uszkodzeń modułów fotowoltaicznych (dane z roku 2010): a) porównanie wartości wypłaconych odszkodowań, b) częstotliwość występowania uszkodzeń [I14] Konieczność ograniczenia występującego zagrożenia powoduje gwałtowny wzrost zainteresowania problematyką kompleksowej ochrony przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym. Do podstawowych sposobów ograniczania zagrożeń piorunowych należy zaliczyć następujące: eliminowanie możliwości oddziaływania rozpływającego się prądu piorunowego na urządzenia i instalacje, wyrównywanie potencjałów instalacji dochodzących do obiektu oraz ułożonych wewnątrz tego obiektu, koordynację układania różnorodnych instalacji wewnątrz obiektu budowlanego, instalowanie urządzeń ograniczających lub ucinających przepięcia w instalacji elektrycznej oraz w obwodach przesyłu sygnałów, separacja lub łączenie obwodów, pomiędzy którymi mogą wystąpić różnice potencjałów podczas wyładowania piorunowego. Zaprojektowanie i wykonanie poprawnego systemu ograniczania narażeń piorunowych wymaga posiadania niezbędnych informacji dotyczących: podstawowych parametrów charakteryzujących zagrożenie występujące podczas bezpośrednich wyładowań piorunowych w obiekty budowlane oraz w instalacje dochodzące do obiektów lub w bliskim sąsiedztwie tych obiektów i instalacji, poziomów odporności przyłączy zasilania i sygnałowych urządzeń na działanie napięć i prądów udarowych, możliwości wyeliminowania występujących zagrożeń przez elementy i układy ograniczające napięcia i prądy udarowe, wybranych zagadnień zewnętrznej i wewnętrznej ochrony odgromowej obiektów budowlanych. www.elektro.info.pl 5

ochrona odgromowa systemów fotowoltaicznych 1.1. Podstawowy zakres wiedzy wymagany przy projektowaniu urządzeń piorunochronnych Podstawowe informacje dotyczące projektowania i wykonawstwa zewnętrznych i wewnętrznych części urządzeń piorunochronnych zawarto w normach określających: zasady ochrony odgromowej obiektów budowlanych, zasady ochrony odgromowej i ograniczania przepięć w typowych systemach telekomunikacyjnych, sposoby badań elementów urządzenia piorunochronnego, właściwości i zakresy badań elementów i urządzeń ograniczających przepięcia w instalacji elektrycznej i obwodach przesyłu sygnałów, wymagania dotyczące instalacji elektrycznych w obiektach budowlanych. Dodatkowo należy uwzględnić wymagania dotyczące: kompatybilności elektromagnetycznej, zwracając szczególną uwagę na poziomy odporności udarowej przyłączy zasilania i sygnałowych urządzeń, układania sieci kablowych służących do rozprowadzania sygnałów telewizyjnych, radiofonicznych i usług interaktywnych, tworzenia systemów uziomowych, dotyczy to szczególnie obiektów nadawczo-odbiorczych. Podstawowe informacje o nowych wymaganiach stawianych przed urządzeniem piorunochronnym obiektu budowlanego oraz zmianach w dotychczasowych zaleceniach zawarto w normach serii EN 62305, które wprowadzono w Polsce w latach 2008 2009. Podstawowe informacje o zakresie tematycznym norm ochrony odgromowej obiektów budowlanych zawiera tabela 1.1. Tabela 1.1. Zakres tematyczny norm serii PN-EN 62305 Norma PN-EN 62305-1 Ochrona odgromowa. Część 1: Wymagania ogólne PN-EN 62305-2 Ochrona odgromowa. Część 2: Zarządzanie ryzykiem PN-EN 62305-3 Ochrona odgromowa. Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów budowlanych i zagrożenie życia PN-EN 62305-4 Ochrona odgromowa. Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach budowlanych Zakres tematyczny Ochrona odgromowa obiektów włącznie z ich instalacjami, zawartością i osobami oraz urządzeń usługowych przyłączonych do obiektu. Z wyłączeniem: urządzeń kolejowych, pojazdów, okrętów, samolotów, instalacji przybrzeżnych, wysokociśnieniowych rurociągów podziemnych, rurociągów oraz linii energetycznych i telekomunikacyjnych nieprzyłączonych do obiektu. Oszacowanie ryzyka strat powodowanych przez piorunowe wyładowania doziemne w obiektach budowlanych i urządzeniach usługowych. Wybór poziomów ochrony dla urządzenia piorunochronnego. Wymagania dotyczące ochrony obiektów przed szkodami fizycznymi za pomocą LPS (LPS urządzenie piorunochronne) i ochrony istot żywych przed porażeniem napięciami dotykowymi i krokowymi w pobliżu urządzenia piorunochronnego. Projektowanie, wykonanie, sprawdzanie i utrzymanie LPS w obiektach dowolnej wysokości. Ustalenie środków ochrony istot żywych przed porażeniem napięciami dotykowymi i krokowymi. Projektowanie, wykonanie, utrzymanie, sprawdzanie i testowanie systemu środków ochrony przed oddziaływaniem LEMP (LEMP piorunowy impuls elektromagnetyczny) na urządzenia elektryczne i elektroniczne wewnątrz obiektu, w celu redukcji ryzyka trwałych szkód pod wpływem piorunowych impulsów elektromagnetycznych. 6 www.elektro.info.pl

Zasób wiedzy technicznej zawarty w przedstawionych normach jest dostateczny do ograniczenia narażeń piorunowych w typowych obiektach budowlanych, w których zainstalowano typowe odnawialne źródła energii. W grudniu 2010 roku normy serii PN-EN 62305 wymieniono w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury [N8] zmieniającym rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Nowelizacja rozporządzenia ograniczyła się do zmiany załącznika nr 1, w którym wyszczególniono polskie normy przywołane w tym rozporządzeniu. Rozporządzenie weszło w życie po upływie trzech miesięcy od dnia ogłoszenia, tj. 20 marca 2011 r. Dla poszczególnych paragrafów rozporządzenia, w zakresie ochrony odgromowej, przywołane zostały w załączniku Z1 normy dotyczące ochrony odgromowej z serii PN-EN 62305. Zalecenia dotyczące stosowania ochrony odgromowej dla budynków są następujące: Budynek należy wyposażyć w instalację chroniącą od wyładowań atmosferycznych. Obowiązek ten odnosi się do budynków wyszczególnionych w Polskiej Normie dotyczącej ochrony odgromowej obiektów budowlanych ( 53 ust. 2). Instalacja piorunochronna, o której mowa w 53 ust. 2, powinna być wykonana zgodnie z wymaganiami Polskich Norm dotyczących ochrony odgromowej obiektów budowlanych ( 184 ust. 3). Od roku 2011 normy dotyczące ochrony odgromowej ustanowione przez PKN w latach 2008 2009 są zastępowane ich nowymi wydaniami Edd.2.0 [N1, N2, N3, N4], które w dalszej części nazywane będą nowymi normami. Niestety dotychczas z tych nowych norm przetłumaczono na język polski jedynie arkusz 1, co praktycznie uniemożliwia ich stosowanie. Dodatkowym elementem uniemożliwiającym stosowanie nowych norm jest fakt, że w świetle prawa obowiązuje Rozporządzenie z grudnia 2010 r., w którym przywołano normy wcześniejsze, z lat 2008 2009. W powyższym rozporządzeniu znajdują się również następujące zapisy dotyczące ochrony przed przepięciami: 180. Instalacja i urządzenia elektryczne, przy zachowaniu przepisów rozporządzenia, przepisów odrębnych dotyczących dostarczania energii, ochrony przeciwpożarowej, ochrony środowiska oraz bezpieczeństwa i higieny pracy, a także wymagań Polskich Norm odnoszących się do tych instalacji i urządzeń, powinny zapewniać: 1) 2) ochronę przed porażeniem prądem elektrycznym, przepięciami łączeniowymi i atmosferycznymi, powstaniem pożaru, wybuchem i innymi szkodami. 183.1. W instalacjach elektrycznych należy stosować: 10) urządzenia ochrony przeciwprzepięciowej. W dziedzinie ograniczania przepięć do norm podstawowych należy zaliczyć arkusze 443 i 534 z wieloarkuszowej normy EN 60364 [N9, N10]. Informacje zawarte w powyższych normach dotyczą doboru i montażu urządzeń do ograniczenia przepięć SPD (Surge Protective Device) w instalacjach elektrycznych obiektów budowlanych. Zadaniem przedstawionych rozwiązań jest redukcja przepięć przejściowych pochodzenia atmosferycznego przenoszonych przez zasilającą sieć rozdzielczą oraz przepięć łączeniowych. Zalecenia zawarte w normach PN-HD 60364-4-443 oraz PN-IEC 60364-5-534 mają zastosowanie do obwodów elektroenergetycznych prądu przemiennego. Jednak w uwadze podano, że wymagania te mogą być uwzględniane do obwodów elektrycznych prądu stałego. Arkusz 712 normy instalacyjnej PN-EN 60364 poświęcony jest tylko systemom fotowoltaicznym (PV) i dotyczy instalacji elektrycznych fotowoltaicznych układów zasilania, łącznie z modułami prądu przemien nego [N11]. W opracowywanym aktualnie przez IEC/CENELC drugim wydaniu arkusza normy IEC-60364-7-712 Ed.2:2011 problem ograniczania przepięć powiązany został z odpowiednimi rozdziałami normy instalacyjnej www.elektro.info.pl 7

ochrona odgromowa systemów fotowoltaicznych 60364, dotyczącymi ochrony przepięciowej w sieciach elektroenergetycznych niskiego napięcia (arkusze 443 i 534). Znalazły się tam zapisy o zasadach wyboru sposobu ochrony powiązane z uproszczoną analizą ryzyka oraz więcej informacji dla projektanta dotyczących doboru i montażu samych ograniczników przepięć po stronie stałoprądowej [N12]. W zakresie doboru urządzeń do ograniczania przepięć SPD pojawiły się informacje o szacowaniu odporności udarowej modułów PV oraz przekształtników, gdy nie mamy żadnych informacji na ten temat od sprzedawcy czy producenta, a znamy jednie napięcie pracy układu. Opisane też zostały zasady montażu ograniczników przepięć z uwzględnieniem wymaganej długości oraz przekroju przewodów. Norma ta nie została jeszcze ustanowiona jako norma obowiązująca pod koniec roku 2011 zakończono prace nad międzynarodową ankietyzacją i norma została skierowana do opracowania w wersji finalnej przez komitet techniczny TC 82 (Solar Photovoltaic Energy Systems). W wielu krajach europejskich, w których energia uzyskiwana z systemów fotowoltaicznych stanowi znacznie większy procent w ogólnym bilansie energetycznym, opracowano załączniki krajowe do norm europejskich lub wydano własne zalecenia krajowe na bazie istniejących norm oraz norm będących dopiero w wersji roboczej. Jednocześnie towarzystwa ubezpieczeniowe zajmujące się ubezpieczaniem elektrowni PV wydały szczegółowe zalecenia, niekiedy bardziej rygorystyczne niż wymagania zawarte w normach krajowych. Przykładowo, w Niemczech opracowane zostały normy krajowe dotyczące ochrony odgromowej i przepięciowej systemów fotowoltaicznych. Normy te są prawnie obowiązujące w zakresie projektowania i wykonawstwa systemów ochrony dla instalacji z ogniwami fotowoltaicznymi. Ochrona odgromowa systemów PV opisana została w 5 załączniku krajowym do trzeciego arkusza normy DIN-EN 62305-3. Stanowi on przewodnik po problematyce doboru środków ochrony dla systemów PV, zarówno w zakresie ochrony odgromowej zewnętrznej, jak i doboru poszczególnych typów urządzeń do ograniczania przepięć w sieciach prądu przemiennego i stałego [N14]. Szczegóły dotyczące doboru i montażu urządzeń do ograniczania przepięć w systemach fotowoltaicznych zawarte zostały w niemieckiej normie DIN CLC/TS 50539-12 (VDE V 0675-39-12) [N15]. Urządzenia do ograniczania przepięć w instalacji stałoprądowej, które stosowane są w systemach PV, powinny spełniać wymagania europejskiej normy EN 50539-11 [N16], w której przedstawiono zasady ich badań oraz omówiono podstawowe parametry. W Niemczech dodatkowe wymagania w zakresie ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej wymuszają dyrektywy opracowane przez towarzystwa ubezpieczeniowe. Przykładem takich wymagań może być informator VdS 3145-Photovoltaikanlagen Technischer Leitfaden z lipca 2011 r. [N18], który jest w swoich zapisach bardziej szczegółowy niż ogólne wymagania normy dotyczącej systemów PV. W informatorze tym, w części dotyczącej ograniczania przepięć w systemach przesyłu sygnałów, zalecane jest stosowanie SPD kategorii D1 lub C2, czyli są to ostrzejsze i bardziej szczegółowe wymagania niż mogą wynikać z ogólnych norm. Wymogi stosowania ochrony odgromowej dla urządzeń fotowoltaicznych o mocy powyżej 10 kw wynikają z analizy ryzyka dokonanej przez VdS w druku VdS 2010 (09-2010) [N20] (wszystkie urządzenia PV o mocy powyżej 10 kw muszą być wyposażone w zewnętrzne urządzenia piorunochronne). Ogólne zalecenia dotyczące ochrony systemów fotowoltaicznych zawierają również wytyczne Niemieckiego Zrzeszenia Elektryków (VDE) Der Blitzschutz in der Praxis (2003) [N21]. Podobne opracowania dla monterów, np. druk informujący o wymaganiach w zakresie ochrony systemów PV instalowanych na dachach budynków Blitz- Und Überspannungsschutz von Photovoltaikanlagen auf Gebäuden z roku 2008, wydawane są przez zrzeszenia branżowe, takie jak BSW-Solar [N22]. We Francji komitet normalizacyjny (UTE Union Technique de L Electriqiue) wydał w roku 2010 kompleksowe opracowanie UTE C15-172-1 Photovoltaic installations connected to the public distribution network. Opracowanie obejmuje również zagadnienia ograniczania przepięć w obwodach przemienno- i stałoprądowych instalacji PV zgodnie z zaleceniami opracowywanego aktualnie przez IEC drugiego wydania arkusza 8 www.elektro.info.pl

normy IEC 60364-7-712 Ed.2 [N6]. Podobne opracowania dotyczące projektowania i montażu instalacji PV powstały w wielu krajach europejskich przykładem może być opracowanie przygotowane przez zrzeszenie Electrical Contractors Association (ECA), działające na terenie Wielkiej Brytanii od roku 1901. W roku 2012 opublikowano nową wersję poradnika Guide to the Installation of Photovoltaic Systems. Przytoczone powyżej przykłady wskazują, że poprawne zaprojektowanie i wykonanie ochrony odgromowej i przepięciowej dla systemu fotowoltaicznego może wymagać znacznie większej wiedzy niż minimum zawarte w normach przywołanych przez Rozporządzenie Ministra Infrastruktury [N8]. Wymagane jest dokładne przeanalizowanie występujących zagrożeń oraz wybranie właściwych rozwiązań. Zadanie to powinno być wykonywane przez specjalistów, którzy korzystają z różnych źródeł wiedzy. Jest to zgodne z art. 5 Prawa budowlanego mówiącym że: ( ) Obiekt budowlany wraz ze związanymi z nim urządzeniami budowlanymi należy, biorąc pod uwagę przewidywany okres użytkowania, projektować i budować w sposób określony w przepisach, w tym techniczno-budowlanych, oraz zgodnie z zasadami wiedzy technicznej. 2. ŹRÓDŁA ZAGROŻEŃ ORAZ SKUTKI ODDZIAŁYWAŃ PIORUNOWYCH Jednym z podstawowych źródeł zagrożenia urządzeń systemów fotowoltaicznych jest bezpośrednie oddziaływanie prądu piorunowego oraz przepięcia atmosferyczne indukowane w sieci elektroenergetycznej niskiego napięcia oraz w systemach przesyłu sygnałów. Analizując zagrożenie piorunowe należy zwrócić szczególną uwagę na następujące przypadki: bezpośrednie uderzenie pioruna w urządzenie piorunochronne LPS (Lightning Protection System) obiektu budowlanego, obwody sieci zasilającej lub linie przesyłu sygnałów. W takich przypadkach część prądu piorunowego może przedostać się bezpośrednio do instalacji i urządzeń. Zagrożeniem są również różnice potencjałów występujące wewnątrz obiektu, napięcia i prądy indukowane w pętlach tworzonych przez przewodzące instalacje oraz w układach przewodów oraz impulsowe pole elektromagnetyczne oddziałujące bezpośrednio na urządzenia, uderzenie w bliskim sąsiedztwie obiektu lub sieci elektroenergetycznej. Zagrożenie stwarzają przepięcia indukowane przez impulsowe pole elektromagnetyczne wywołane przez prąd piorunowy płynący w kanale wyładowania oraz część prądu piorunowego dopływającego do podziemnych kabli lub uziemień budynków. Przykłady różnorodnych zagrożeń stwarzanych przez wyładowania piorunowe oraz szkód wywołanych przez prąd piorunowy oraz przepięcia atmosferyczne przedstawiono na rysunkach 2.1. i 2.2. bezpośrednie wyładowanie w instalacje dochodzące do obiektu stacja transformatorowa 15 kv wyładowanie obok instalacji wyładowanie w urządzenie piorunochronne obiektu AC zwody DC wyładowanie w zwód pionowy wyładowanie w zwód pionowy uziom otokowy Rysunek 2.1. Ogólny przykład zagrożenia piorunowego systemu elektronicznego wyładowanie piorunowe w sąsiedztwie obiektu www.elektro.info.pl 9

ochrona odgromowa systemów fotowoltaicznych 2.1. Określanie zagrożeń piorunowych Oceniając zagrożenie piorunowe należy przeanalizować i oszacować występujące ryzyko strat piorunowych i na tej podstawie określić wymagany poziom ochrony urządzenia piorunochronnego. Ryzyko rozumiane jest jako wartość prawdopodobnych średnich rocznych strat (istot żywych i dóbr), powstałych wskutek oddziaływania pioruna w stosunku do całkowitej wartości istot żywych i dóbr w obiekcie poddawanym ochronie (budynku lub urządzeniu usługowym). a) b) c) d) Rysunek 2.2. Szkody wywoływane przez wyładowania piorunowe 2.2. Prądy udarowe stosowane w badaniach zagrożeń piorunowych Przeprowadzenie oceny zagrożenia piorunowego urządzeń i systemów wymaga posiadania podstawowych informacji o wartościach następujących parametrów charakteryzujących prąd piorunowy wyładowania doziemnego: wartości szczytowej I pmax, maksymalnej stromości narastania S max = (di p/dt) max, ładunku przenoszonego przez prąd Q imp = i pdt, energii właściwej W/R = i p 2 dt, czasie trwania czoła T 1, czasie trwania do półszczytu na grzbiecie prądu T 2. W niektórych przypadkach należy uwzględnić również liczbę udarów prądowych w wyładowaniu wielokrotnym. Zalecane wartości [N1], w przypadku czterech poziomów ochrony odgromowej, zestawiono w tabeli 2.1. 10 www.elektro.info.pl

Tabela 2.1. Wartości podstawowych parametrów charakteryzujących prądy piorunowe wyładowań doziemnych Parametry Pierwsza składowa Kolejna składowa Składowa ujemna Składowa długotrwała charakteryzujące Poziom ochrony Poziom ochrony Poziom ochrony Poziom ochrony prąd piorunowy I II III i IV I II III i IV I II III i IV I II III i IV Wartości szczytowe, w [ka] 200 150 100 50 37,5 25 100 75 50 400 A 300 A 200 A Stromość narastania, w [ka/μs] 20 15 10 200 150 100 100 75 50 100% 90% 100% Kształt 50% 0% T 2 50% 10% 0% T 1 T 2 () 50% 10% T t t i i Czasy T1 i T2 T1 = 10 [μs], T2 = 350 [μs] T1 = 0,25 [μs], T2 = 100 [μs] T1 = 1 [μs], T2 = 200 [μs] Czas trwania 0,5 s Ładunek impulsowy, w [C]* 100 75 50 Całkowity ładunek, w [C]** 300 225 150 200 150 100 Energia właściwa, w [MJ/Ω] 10 5600 2500 Opis matematyczny prądu piorunowego I 10 pmax ( t / τ ) t 1 it () = exp 10 k 1 + ( t / τ ) 1 τ2 gdzie: Ipmax wartość szczytowa prądu, k współczynnik korekcyjny wartości szczytowej prądu, τ1, τ2 odpowiednio stałe czasu czoła i czasu grzbietu, t czas. Wartości współczynników występujących w równaniu opisującym prąd piorunowy Wyładowanie Poziom ochrony Pierwsze wyładowanie w kanale Ipmax [ka] k τ 1 [μs] τ 2 [μs] Kolejne wyładowanie w kanale I pmax [ka] k τ 1 [μs] τ 2 [μs] Ipmax [ka] Ujemna składowa wyładowania I 200 0,930 19,0 485 50 0,993 0,454 143 100 0,986 1,82 285 II 150 37,5 75 III i IV 100 0,930 19,0 485 25 0,993 0,454 143 Objaśnienia: * ponieważ zasadnicza część całkowitego ładunku jest zawarta w pierwszym udarze, to uznaje się, że podane wartości zawierają ładunek wszystkich udarów krótkotrwałych, ** ładunek całkowity suma ładunku krótkotrwałego i ładunku składowej długotrwałej prądu. k τ 1 [μs] τ 2 [μs] www.elektro.info.pl 11

ochrona odgromowa systemów fotowoltaicznych Na bezpośrednie działanie prądu piorunowego narażone są naturalne i sztuczne elementy urządzenia piorunochronnego oraz urządzenia i instalacje, w których ten prąd się rozpływa (rys. 2.3.). Tworząc pewną i niezawodną ochronę odgromową należy stosować elementy i urządzenia, które pomyślnie przeszły badania laboratoryjne oddziaływania prądów udarowych symulujących prądy pierwszego głównego wyładowania doziemnego. prąd wyładowania piorunowego elementy LPS wybrane elementy konstrukcyjne np. elektrowni wiatrowych główne szyny wyrównywania potencjałów SPD w instalacji elektrycznej SPD w obwodach sygnałowych elementy do wyrównywania potencjałów w strefach EX Rysunek 2.3. Elementy, urządzenia i obiekty badane na działanie prądów udarowych symulujących prąd piorunowy Zalecane jest [N1] prowadzenie badań: poszczególnych elementów urządzenia piorunochronnego, urządzeń do wyrównywania potencjałów i ograniczania przepięć w sieciach elektroenergetycznych niskiego napięcia oraz w obwodach przesyłu sygnałów dochodzących do obiektu budowlanego z LPS, iskierników izolacyjnych stosowanych do połączeń wyrównawczych. Opracowując zakres badań należy określić, która składowa stwarza największe zagrożenie dla analizowanego obiektu, urządzenia lub elementu instalacji piorunochronnej. 2.3. Badania elementów urządzenia piorunochronnego Uwzględniając wymagania dotyczące pewności działania urządzenia piorunochronnego, określono zakres badań elementów urządzenia piorunochronnego na działanie prądów udarowych symulujących zagrożenie stwarzane przez prąd piorunowy oraz wymogi jakościowe. Wymagane zakresy badań elementów urządzenia piorunochronnego zestawiono w wieloarkuszowej normie serii PN-EN 50164. W zależności od przeznaczenia, część elementów urządzenia piorunochronnego powinna wytrzymać bezpośrednie wyładowanie oraz przepływ całego lub części prądu piorunowego. Początkowo [N25] zalecano laboratoryjne badania oddziaływania na elementy połączeniowe urządzenia piorunochronnego prądów udarowych o wartościach podstawowych parametrów przedstawionych w tabeli 2.2. Tabela 2.2. Podstawowe parametry prądu udarowego stosowanego do badań elementów urządzenia piorunochronnego [N24] Klasa Wartość szczytowa I max Energia właściwa W/R Czas trwania T Wysoka 100 ka ± 10% 2,5 MJ/Ω ± 20% 2 ms Niska 50 ka ± 10% 0,63 MJ/Ω ± 20% 2 ms Badany element powinien być narażony na trzykrotny przepływ prądu udarowego. Czas pomiędzy poszczególnymi próbami powinien być na tyle długi, żeby było możliwe ostygnięcie badanego ele mentu do temperatury otoczenia przed kolejną próbą. Dodatkowo należy przeprowadzić pomiary rezystancji styku elementów instalacji pioruno chronnej, przy przepływie prądu 10 A. Pomiary powinny być wykonane możliwie najbliżej 12 www.elektro.info.pl

badanego styku, a zmierzona wartość powinna być mniejsza lub równa 1 mω, tylko w szczególnym przypadku dla stali nierdzewnej 2,5 mω. W normach [N25, N26] bardzo szczegółowo opisano układy połączeń, w jakich powinny być prowadzone pomiary oddziaływania prądu udarowego na badane elementy. Przykładowe układy połączeń wykorzystywane do badań złączek przedstawiono na rysunku 2.4. Obecnie podejmowane są próby [N1] bardziej dokładnego określenia efektów wywołanych przez rozpływający się prąd piorunowy. W zależności od występującego zagrożenia oraz wymaganego poziomu ochrony, badając poszczególne elementy urządzenia piorunochronnego, należy uwzględnić następujące parametry prądu udarowego: zwody (metalowe pokrycia dachowe) Q long, T < 1 s, zwody i przewody odprowadzające W/R, I pmax, elementy połączeniowe I pmax, W/R, T< 2 ms, elementy uziemienia Q long, T < 1 s. W podanym zakresie prób Q long jest całkowitym ładunkiem długotrwałej składowej prądu: Qlong = Qcałk Qimp (2.1) gdzie: Q całk ładunek całkowity (tab. 2.1.), Q imp ładunek impulsowy przenoszony przez prąd pierwszej składowej wyładowania piorunowego. Wartości podstawowych parametrów charakteryzujących prąd udarowy przedstawiono w tabeli 2.1. Próbom odporności na działanie prądów piorunowych powinny być poddane iskierniki izolacyjne wykorzystywane do połączeń wyrównawczych instalacji, na których trwale nie występuje potencjał elektryczny lub izolowanych od ziemi. W proponowanym zakresie badań [N26], uwzględniając zróżnicowane zagrożenie piorunowe iskierników, wprowadzono możliwość wykorzystania prądów udarowych o wartościach szczytowych od 5 ka do 100 ka (tab. 2.3.). Główne szyny wyrównawcze, podobnie jak elementy zewnętrznej instalacji piorunochronnej (tab. 2.2.), powinny także przejść badania odporności na bezpośrednie oddziaływania prądów udarowych. Prądy udarowe symulujące oddziaływanie rozpływającego się prądu piorunowego wykorzystywane są także do badań właściwości ochronnych urządzeń do ograniczania przepięć w instalacji elektrycznej oraz w systemach przesyłu sygnałów. Tabela 2.3. Wartości podstawowych parametrów charakteryzujących prądy udarowe stosowane do badania iskierników izolacyjnych Klasyfikacja I pmax Q W/R T1 T H 100 ka ± 10% 50 As ± 10% 2,5 MJ/Ω ± 20% 50 μs 2 ms N 50 ka ± 10% 25 As ± 10% 0,63 MJ/Ω ± 20% 50 μs 2 ms 1L 25 ka ± 10% 12,5 As ± 10% 0,16 MJ/Ω ± 20% 50 μs 2 ms 2L 10 ka ± 10% 5 As ± 10% 25 kj/ω ± 20% 50 μs 2 ms 3L 5 ka ± 10% 2,5 As ± 10% 6,3 kj/ω ± 20% 50 μs 2 ms www.elektro.info.pl 13

ochrona odgromowa systemów fotowoltaicznych a) giętkie połączenie b) z generatorem płaszczyzna izolacyjna prąd udarow y płaszczyzna izolacyjna giętkie połączenie z generatorem prąd udarowy giętkie połączenie z generatorem badany element 500 20 giętkie połączenie z generatorem 20 badany element 500 500 20 c) d) 400 20 100 Rysunek 2.4. Badania elementów urządzenia piorunochronnego: a), b) przykładowe układy połączeń przewodów podczas badań złączek, c) widok elementu przed badaniem, d) element po badaniu 3. PRĄDY PIORUNOWE W INSTALACJACH NISKIEGO NAPIĘCIA Podczas bezpośredniego wyładowania w urządzenie piorunochronne obiektu budowlanego część prądu piorunowego wpływa do instalacji przewodzących dochodzących do tego obiektu. Zapewnienie ograniczenia zagrożenia piorunowego urządzeń wymaga określenia tej części prądu, która wpływa do instalacji elektrycznej oraz obwodów przesyłu sygnałów. 3.1. Podział prądu piorunowego w instalacjach dochodzących do obiektu Do oceny występującego zagrożenia piorunowego przewodzących instalacji dochodzących do obiektu budowlanego można wykorzystać: ogólne zalecenia przyjęcia równomiernego podziału prądu piorunowego pomiędzy system uziomowy obiektu oraz dochodzące instalacje [N1], proste zależności matematyczne określające wartości prądów w poszczególnych instalacjach w zależności od rezystywności gruntu [N1], wyniki obliczeń prowadzonych w obwodach o stałych skupionych modelujących uziomy obiektów i stacji elektroenergetycznych z układami SPD, 14 www.elektro.info.pl