Замыкания на землю являются одними из наиболее опасных электрических неисправностей в фотоэлектрических системах. Солнечная батарея, питаемая солнечным светом, ведет себя как источник тока — в отличие от обычной электрической цепи, размыкание выключателя не обесточивает сторону постоянного тока. При возникновении замыкания на землю ток повреждения может протекать непрерывно, вызывая пожары, разрушающие крыши, здания и массивы инженерных сетей. Правильная конструкция и тестирование оборудования для обнаружения замыкания на землю (GFDI) и прерывания цепи дугового замыкания (AFCI) не являются обязательными.
Что такое замыкание на землю фотоэлектрической системы?
Замыкание на землю в фотоэлектрической системе происходит, когда проводник с током (обычно провод цепи постоянного тока) вступает в контакт с заземленным металлическим корпусом, кабелепроводом или конструкцией, создавая непреднамеренный путь тока на землю. Замыкания на землю возникают из-за:
- Повреждение изоляции кабеля (деградация под воздействием ультрафиолета, повреждение грызунами, механическое истирание кабелепровода)
- Попадание воды в распределительные коробки или кабелепроводы
- Ослабленные или неправильно изготовленные клеммы, которые допускают контакт проводника с корпусом.
- Физическое повреждение модулей — трещины на задней панели, обнажающие проводники.
Замыкание на землю отрицательного проводника фотоэлектрической системы с заземленным отрицательным полюсом (традиционная конструкция) создает вторая площадка — известный как «болтовая неисправность». Опасной характеристикой замыканий на землю фотоэлектрических модулей является то, что величина тока повреждения зависит от количества параллельных цепочек: большой массив может выдерживать ток повреждения более 100 ампер в течение неопределенного времени, пока присутствует солнечный свет.
NEC 690.5: Требования защиты от замыканий на землю
Статья 690.5 Национального электротехнического кодекса (США) требует защиты от замыканий на землю фотоэлектрических систем, установленных на зданиях или рядом с ними. Требования различаются в зависимости от типа системы:
| Тип системы | Требование NEC 690.5 |
|---|---|
| Заземленные фотоэлектрические системы на зданиях | Требуется устройство GFDI; должен обнаруживать ток повреждения ≥1 А |
| Незаземленные (плавающие) фотоэлектрические системы | Требуется обнаружение замыкания на землю И изоляция (оба полюса) |
| Наземная фотоэлектрическая система (не на здании) | GFDI требуется, если проводники доступны неквалифицированным лицам. |
| Интегрированная в здание фотоэлектрическая система (BIPV) | Требуется GFDI; применяются дополнительные требования к пожарной изоляции |
Устройство GFDI контролирует дисбаланс токов между токоведущими проводниками и заземляющим проводником оборудования. При обнаружении замыкания на землю устройство должно: (1) указать состояние неисправности; и (2) отключить массив (разомкнуть неисправную цепь или снизить напряжение ниже порога, при котором может возникнуть искрение).
«Неприятное срабатывание» и парадокс пожарной опасности
В ранних фотоэлектрических системах (до 2010 года) использовались предохранители GFDI номиналом 1 А. Анализ, проведенный Sandia National Laboratories в 2012 году, обнаружил тревожный режим отказа: при определенных условиях замыкания на землю в больших массивах предохранитель GFDI мог перегореть, не прерывая ток повреждения, а сигнал перегоревшего предохранителя интерпретировался как «неисправность не обнаружена», в результате чего система работала с активным отказом с риском возгорания. Это привело к появлению в 2014 году изменений NEC, требующих, чтобы устройства GFDI не только обнаруживали, но и устраняли неисправность.
Современные струнные инверторы и центральные инверторы интегрируют обнаружение GFDI внутри инвертора; инвертор отключается при обнаружении неисправности. Это более надежно, чем внешние предохранители GFDI для жилых и небольших коммерческих систем. Для крупных систем коммунального хозяйства с несколькими блоками сумматора дополнительный мониторинг замыканий на землю на уровне сумматора обеспечивает более быстрое обнаружение повреждения.
NEC 690.11: Требования к прерывателю дугового замыкания
Дуговые замыкания — непреднамеренное возникновение дуги между проводниками или между проводником и землей — приводят к повышению температуры, превышающей 5000°C, и являются основной причиной пожаров в фотоэлектрических системах. NEC 690.11 требует защиты AFCI для фотоэлектрических систем с источником постоянного тока или проводниками выходной цепи, работающими при напряжении 80 В или выше и внутри или на зданиях:
- Устройство AFCI должно обнаруживать искрение силой всего 500 мА.
- Должно прерываться в течение 30 циклов с момента возникновения дуги.
- Должен соответствовать UL 1699B (стандарт PV AFCI).
- Многие современные струнные инверторы (серия Sungrow SG, SMA Sunny Boy) в стандартной комплектации имеют AFCI; автономные устройства AFCI также доступны для модернизации
Проверка защиты от замыканий на землю
Защита от замыканий на землю должна проверяться при вводе в эксплуатацию и периодически во время эксплуатации и технического обслуживания:
- Ввод в эксплуатацию: в системе с низкой освещенностью (или с использованием затеняющего устройства) ввести известное короткое замыкание с низким сопротивлением, используя тестовый резистор между проводом цепочки и заземляющим проводником оборудования; убедитесь, что устройство GFDI отключается и указывает на неисправность
- Ежегодный функциональный тест: запустить функцию тестирования GFDI (встроенную в современные инверторы) и проверить сигнализацию и отключение
- Испытание сопротивления изоляции (IR): ежегодное испытание мегомметром (500 В постоянного тока, минимум 1 МОм между проводниками и землей) для выявления ухудшения изоляции до того, как оно приведет к замыканию на землю.
- Тепловидение: ежегодное ИК-сканирование распределительных коробок, инверторов и распределительных коробок — горячие точки указывают на соединения с высоким сопротивлением, которые могут перейти в дугу