Заземление — один из самых критичных с точки зрения безопасности аспектов любой солнечной PV установки. При правильном исполнении система безопасна в обслуживании, защищает оборудование от импульсных перенапряжений и соответствует требованиям энергосистемы к подключению. При ошибках возникает риск смертельного поражения электрическим током, деградация модулей, вызванная PID, ложные срабатывания защиты от замыканий на землю и возможная потеря гарантии на инвертор.
В этом руководстве рассматриваются основные международные стандарты — IEC 60364-7-712 (стандарт IEC, посвящённый системам электроснабжения на основе PV) и NEC Article 690 (Национальный электротехнический кодекс США), а также практические рекомендации по проектированию для наиболее распространённых конфигураций систем.
Солнечные PV массивы генерируют высокое напряжение постоянного тока, которое сохраняется, пока на модули падает солнечный свет — в отличие от систем переменного тока, источник нельзя просто отключить автоматическим выключателем. Сторона DC массива промышленного масштаба на 1500 V представляет смертельную опасность поражения электрическим током и риск дугового разряда, поэтому проект заземления должен тщательно решать следующие задачи:
| Требование | IEC 60364-7-712 (международный) | NEC Article 690 (США) |
|---|---|---|
| Заземление системы DC | IT (незаземлённая) или TN-S; зависит от страны | Незаземлённые или функционально заземлённые системы допускаются для 1000 V+ с GFDI |
| Выравнивание потенциалов | Требуется для всех открытых металлических частей (690.43) | Требуется через проводник заземления оборудования (EGC) |
| Обнаружение замыканий на землю | RCD/IMD на стороне DC; GFDI для незаземлённых систем | Требуется обнаружение и отключение замыканий на землю (GFDI) согласно 690.5 |
| Минимальное сечение EGC | Согласно IEC 60364-5-54, Таблица 54.2 | Согласно NEC Table 250.122 в зависимости от номинала OCPD |
| Заземляющий электрод | IEC 62305 для молниезащиты | NEC Article 250; стержневой, пластинчатый или кольцевой электрод |
| Система заземления AC-стороны | Предпочтительна TN-S; вторичная обмотка трансформатора заземлена | Обычно используется глухозаземлённая нейтраль (многократно заземлённая нейтраль) |
В конфигурации IT ни один из полюсов DC-массива не подключён к земле. Это наиболее распространённая конфигурация для бестрансформаторных строковых инверторов Sungrow и Huawei, поскольку она исключает отрицательное напряжение относительно земли, вызывающее PID. Одиночное замыкание на землю не образует замкнутой цепи (нет обратного пути через землю), поэтому система продолжает работать. Однако второе замыкание на землю на противоположном полюсе создаёт короткое замыкание через землю — отсюда требование к постоянному контролю изоляции с помощью устройств контроля изоляции (IMD), чтобы обнаружить первое замыкание до возникновения опасного второго.
Современные строковые инверторы оснащены встроенным IMD и подают сигнал тревоги или отключаются при обнаружении токов утечки выше порогового значения (как правило, 30–300 мА в зависимости от размера массива и модели инвертора).
В конфигурации TN-S с заземлённым отрицательным полюсом отрицательный полюс DC-массива подключается к защитному проводнику заземления (PE) в одной точке — как правило, на DC-входе инвертора или в комбайнер-боксе массива. Это традиционная конфигурация для более старых центральных инверторов.
Системы с заземлённым отрицательным полюсом устраняют PID для элементов, чувствительных к отрицательному смещению напряжения относительно земли (наиболее уязвимы элементы p-type PERC). Компромисс: одиночное замыкание на землю на положительном полюсе немедленно вызывает ток короткого замыкания, поэтому защитные устройства должны быстро отключать повреждение, чтобы предотвратить дуговые повреждения. Обнаружение замыканий на землю на уровне модулей обязательно.
Редко используются в современных установках. Требуются некоторыми производителями тонкоплёночных модулей (например, устаревшая технология CdTe) для предотвращения PID на элементах с положительным смещением. Несовместимы с большинством современных инверторов. В значительной степени устарели для модулей из кристаллического кремния.
EGC соединяет все открытые металлические части — рамы модулей, монтажные рейки, корпуса инверторов, кабель-каналы — с системой заземляющих электродов. Он должен выдерживать максимальный ток замыкания на землю без падения напряжения, которое помешало бы срабатыванию защитного устройства.
Согласно NEC 690.45, EGC для цепей PV-источников должен выбираться по NEC Table 250.122 в зависимости от номинала устройства защиты от сверхтока, но не быть меньше токонесущего проводника. Для типичного предохранителя 20 A на строке с Isc 10 A это даёт медный EGC минимального сечения 10 AWG (6 мм²).
Согласно IEC 60364-5-54, сечение EGC (S_PE) относительно фазного проводника (S) определяется следующим образом:
Уравнивание потенциалов соединяет все металлические части, чтобы предотвратить опасные напряжения прикосновения. В наземной системе это означает:
У анодированных алюминиевых реек (обычных для систем с креплениями китайских производителей) оксидный слой не проводит ток. Используйте зубчатые соединительные зажимы из нержавеющей стали, которые пробивают анодированное покрытие и обеспечивают надёжный контакт металл-металл. Проверьте сопротивление соединения микроомметром (<0,1 Ом) при пусконаладке.
IEC 62305 и сопутствующий стандарт для PV IEC TS 61730-2 определяют зоны молниезащиты (LPZ) для PV-установок. Для большинства коммерческих и промышленных (utility-scale) систем:
PID (Potential-Induced Degradation, деградация, вызванная потенциалом) возникает из-за высокого напряжения смещения между активным слоем ячейки и рамой модуля (потенциал земли). В плавающей системе/системе IT напряжение средней точки DC относительно земли зависит от распределения сопротивления изоляции и может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от рабочей точки системы.
Строковые инверторы Sungrow и Huawei со встроенной функцией восстановления PID ночью подают небольшое смещение переменного напряжения на среднюю точку модулей, обращая вспять миграцию ионов, вызывающую PID. Для этого DC-система должна оставаться в конфигурации IT (плавающей) — заземление любого из полюсов отключит функцию восстановления PID.
Для модулей n-type TOPCon (LONGi Hi-MO 7, Jinko Tiger Neo NEG72R20) подверженность PID значительно ниже, чем у p-type PERC, поскольку структура ячейки такова, что механизм деградации действует иначе. Это одно из ключевых преимуществ перехода на n-type для проектов с высоковольтными системами.
Вторичная обмотка трансформатора (обмотка НН), подключённая к сети энергосистемы, как правило, глухо заземляется на MET. В системах распределения TN-S, распространённых в Европе и Азии, нейтраль и защитное заземление разделены на протяжении всей установки — общего проводника N-PE за пределами MET нет. В проектах utility-scale, подключаемых к сети СН через повышающий трансформатор, нейтраль НН заземляется на выходной клемме инвертора, а заземление обмотки СН зависит от конфигурации сети энергокомпании (обычно глухое заземление или заземление через резистор).
Защита от островного режима (anti-islanding) инвертора (требуется IEEE 1547-2018 и IEC 62116) также зависит от правильного заземления на стороне AC для надёжного обнаружения потери сети. Плавающая нейтраль AC может привести к отказу обнаружения островного режима, поэтому и IEC, и NEC требуют подтверждённого заземления вторичной обмотки трансформатора до ввода в эксплуатацию.
Econo Solar поставляет конструктивные элементы для наземных установок, заземляющие зажимы, медный кабель EGC и устройства защиты от импульсных перенапряжений (SPD) Type 2 наряду с модулями и инверторами. Наши проектные команды могут проверить вашу схему заземления и подтвердить, что указанное оборудование соответствует требованиям IEC 60364-7-712 или NEC 690 для вашего целевого рынка.
Для получения расчёта стоимости оборудования заземления под ваш проект, отправьте запрос здесь.
Для современных бестрансформаторных строковых инверторов (Sungrow SG350HX, Huawei SUN2000-330KTL) стандартом и рекомендацией является незаземлённая (IT) DC-система. Она обеспечивает максимальную устойчивость к PID, позволяет использовать функции восстановления PID и совместима со встроенным IMD. Заземлённые DC-системы, как правило, применяются только с центральными инверторами с изолированными DC-входами или в особых устаревших конфигурациях. Всегда сверяйтесь с руководством по установке производителя инвертора, так как неверная конфигурация может привести к потере гарантии.
IEC 60364-5-54 не устанавливает единого значения сопротивления; вместо этого он требует, чтобы сопротивление заземляющего электрода было достаточно низким, чтобы напряжение прикосновения при замыкании не превышало 50 V (или 25 V во влажных помещениях) дольше 5 секунд. На практике большинство проектировщиков ориентируются на ≤ 10 Ω для одиночных электродов; для молниезащиты по IEC 62305 целевое значение также ≤ 10 Ω, а в грунтах с высоким удельным сопротивлением для его достижения используется кольцевой заземляющий электрод, заглублённый на 0,5 m по периметру массива.
Согласно NEC Article 690, каждая рама модуля должна быть индивидуально присоединена к системе уравнивания потенциалов, если только производитель модуля не сертифицировал и не испытал модуль для использования в системе, основанной на контакте рельса с рамой (rail bonding). Согласно IEC 60364-7-712, требование уравнивания потенциалов может быть выполнено с помощью непрерывной системы рельсов с токопроводящим соединением при условии подтверждённого сопротивления ≤ 0,1 Ω между любыми двумя рамами модулей. Большинство качественных китайских монтажных систем включают предустановленные зубчатые зажимы уравнивания потенциалов из нержавеющей стали; убедитесь, что они соответствуют IEC, и проверьте непрерывность цепи при вводе в эксплуатацию.
Econo Solar поставляет модули Tier-1, инверторы, монтажные системы и компоненты balance-of-system напрямую от китайских производителей. Получите расчёт стоимости в течение 24 часов.
Запросить заводскую цену