Zwarcia doziemne należą do najniebezpieczniejszych awarii elektrycznych w systemach fotowoltaicznych. Panel fotowoltaiczny zasilany światłem słonecznym zachowuje się jak źródło prądu — w przeciwieństwie do konwencjonalnego obwodu elektrycznego, otwarcie wyłącznika nie powoduje wyłączenia strony prądu stałego. Kiedy wystąpi zwarcie doziemne, prąd zwarciowy może płynąć w sposób ciągły, powodując pożary, które zniszczyły dachy, budynki i tablice na skalę użyteczności publicznej. Prawidłowe projektowanie i testowanie urządzeń do wykrywania zwarć doziemnych (GFDI) i przerywania obwodu zwarć łukowych (AFCI) nie jest opcjonalne.
Co to jest zwarcie doziemne instalacji fotowoltaicznej?
Zwarcie doziemne w systemie fotowoltaicznym ma miejsce, gdy przewód przewodzący prąd (zazwyczaj przewód łańcucha prądu stałego) styka się z uziemioną metalową obudową, przewodem lub konstrukcją, tworząc niezamierzoną ścieżkę prądu do ziemi. Zwarcia doziemne powstają w wyniku:
- Uszkodzona izolacja kabla (degradacja pod wpływem promieni UV, uszkodzenie przez gryzonie, ścieranie mechaniczne w peszle)
- Przedostawanie się wody do skrzynek przyłączeniowych lub przewodów
- Luźne lub nieprawidłowo wykonane końcówki umożliwiające kontakt przewodu z obudową
- Fizyczne uszkodzenie modułów — popękane tylne ścianki odsłaniające przewody
Zwarcie doziemne na przewodzie ujemnym uziemionego ujemnego systemu fotowoltaicznego (tradycyjna konstrukcja) powoduje: druga podstawa — znany jako „usterka śrubowa”. Niebezpieczną cechą zwarć doziemnych instalacji fotowoltaicznych jest to, że wielkość prądu zwarciowego zależy od liczby połączonych równolegle łańcuchów: duży układ może wytrzymać prąd zwarciowy o natężeniu ponad 100 amperów przez czas nieokreślony, o ile obecne jest światło słoneczne.
NEC 690.5: Wymagania dotyczące ochrony przed zwarciem doziemnym
Artykuł 690.5 krajowego kodeksu elektrycznego (USA) wymaga zabezpieczenia przed zwarciem doziemnym dla systemów fotowoltaicznych zainstalowanych na budynkach lub w ich pobliżu. Wymagania różnią się w zależności od typu systemu:
| Typ systemu | Wymagania NEC 690.5 |
|---|---|
| Uziemione systemy fotowoltaiczne na budynkach | Wymagane urządzenie GFDI; musi wykryć prąd zwarciowy ≥1 A |
| Nieuziemione (pływające) systemy fotowoltaiczne | Wymagana detekcja zwarcia doziemnego ORAZ izolacja (oba bieguny) |
| Instalacja fotowoltaiczna do montażu naziemnego (nie na budynku) | GFDI wymagane, jeśli przewody są dostępne dla osób niewykwalifikowanych |
| Fotowoltaika zintegrowana z budynkiem (BIPV) | wymagane GFDI; obowiązują dodatkowe wymagania dotyczące izolacji przeciwpożarowej |
Urządzenie GFDI monitoruje brak równowagi prądowej pomiędzy przewodami przewodzącymi prąd a przewodem uziemiającym urządzenia. W przypadku wykrycia zwarcia doziemnego urządzenie musi: (1) wskazywać stan zwarcia; oraz (2) wyłączyć układ (otworzyć uszkodzony obwód lub zmniejszyć napięcie poniżej progu, który spowodowałby wyładowanie łukowe).
Paradoks „uciążliwego potknięcia” i ryzyka pożaru
Wczesne systemy fotowoltaiczne (sprzed 2010 r.) wykorzystywały bezpieczniki GFDI o wartości znamionowej 1 A. Analiza przeprowadzona przez Sandia National Laboratories z 2012 r. wykazała niepokojący tryb awarii: w pewnych warunkach zwarcia doziemnego w dużych tablicach bezpiecznik GFDI może przepalić się bez przerywania prądu zwarciowego, a sygnał przepalenia bezpiecznika został zinterpretowany jako „nie wykryto usterki”, pozostawiając system działający z aktywną usterką stwarzającą ryzyko pożaru. Doprowadziło to do poprawek NEC z 2014 r., które wymagały, aby urządzenia GFDI nie tylko wykrywały usterkę, ale także skutecznie ją przerywały.
Nowoczesne falowniki stringowe i falowniki centralne integrują detekcję GFDI w falowniku; falownik wyłącza się po wykryciu błędu. Jest to bardziej niezawodne niż zewnętrzne bezpieczniki GFDI do systemów mieszkaniowych i małych obiektów komercyjnych. W przypadku dużych systemów o dużej skali z wieloma skrzynkami przyłączeniowymi dodatkowe monitorowanie zwarcia doziemnego na poziomie sumatora zapewnia szybszą lokalizację zwarcia.
NEC 690.11: Wymagania dotyczące przerywaczy obwodu zwarciowego łuku elektrycznego
Zwarcia łukowe — niezamierzone wyładowania łukowe między przewodnikami lub między przewodnikiem a ziemią — generują temperatury przekraczające 5000°C i są główną przyczyną pożarów systemów fotowoltaicznych. NEC 690.11 wymaga ochrony AFCI dla systemów fotowoltaicznych ze źródłem prądu stałego lub przewodami obwodu wyjściowego pracującymi pod napięciem 80 V lub większym oraz wewnątrz lub na budynkach:
- Urządzenie AFCI musi wykrywać wyładowania łukowe już od 500 mA
- Należy przerwać w ciągu 30 cykli od zajarzenia łuku
- Musi być zgodny z UL 1699B (norma PV AFCI)
- Wiele nowoczesnych falowników stringowych (seria Sungrow SG, SMA Sunny Boy) integruje AFCI w standardzie; do modernizacji dostępne są również samodzielne urządzenia AFCI
Testowanie zabezpieczenia ziemnozwarciowego
Zabezpieczenie przed zwarciem doziemnym należy testować przy uruchomieniu oraz okresowo podczas eksploatacji i konserwacji:
- Test uruchomienia: w przypadku systemu o niskim natężeniu promieniowania (lub przy użyciu urządzenia zacieniającego) wprowadzić znane uszkodzenie o niskiej rezystancji za pomocą rezystora testowego pomiędzy przewodem pasma a przewodem uziemiającym urządzenia; sprawdź, czy urządzenie GFDI wyłącza się i wskazuje usterkę
- Coroczny test funkcjonalny: uruchomić funkcję testową GFDI (wbudowaną w nowoczesne falowniki) i zweryfikować alarm i wyłączenie
- Test rezystancji izolacji (IR): coroczny test Meggera (500 V DC, minimum 1 MΩ między przewodami a uziemieniem) w celu wykrycia degradacji izolacji, zanim spowoduje ona zwarcie doziemne
- Obrazowanie termowizyjne: coroczne skanowanie w podczerwieni skrzynek przyłączeniowych, falowników i skrzynek przyłączeniowych — gorące punkty wskazują połączenia o wysokiej rezystancji, które mogą przekształcić się w łuki