Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 11/2016 vyšlo tiskem
7. 11. 2016. V elektronické verzi na webu od 1. 12. 2016. 

Téma: Rozváděče a rozváděčová technika; Točivé stroje a výkonová elektronika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu

Aktuality

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Češi v domácnostech více svítí a experimentují se světlem, doma mají přes 48 milionů svítidel Češi začali v domácnostech více svítit a snaží se vytvořit lepší světelné podmínky:…

Více aktualit

Bezpečné odpojení fotovoltaických zařízení

z německého originálu časopisu de special 17/2009,
vydavatelství Hüthig & Pflaum Verlag GmbH München,
upravil Ing. Josef Košťál, redakce Elektro
 
Aby mohlo fotovoltaické zařízení pracovat bezpečně, spolehlivě a ziskově po dvacet a více let, je třeba věnovat pozornost nejen hlavním komponentám, kam patří např. panely*)  nebo měniče (invertory, resp. střídače), jakož i odborná montáž, ale i dalším neméně důležitým částem. Jde především o komponenty na stejnosměrné straně (např. ochranné a oddělo­vací prvky – obr. 1), které ovlivňují rentabilitu, bezpečnost a dobu životnosti fotovoltaic­kého zařízení. Odborníci se shodují v tom, že mnoho závad má svůj zdroj právě na stej­nosměrné straně fotovoltaického zařízení.
 
Bezpečná odpojitelnost hraje u fotovolta­ických (FV) zařízení důležitou roli ať již při údržbě, čištění nebo opravách. Ještě důleži­tější – avšak u mnoha současných fotovolta­ických zařízení se prozatím nevyskytující – je možnost odpojení FV zařízení v případě požáru. Právě zvláště pro hasiče jsou FV za­řízení značně nevypočitatelná, a tak se vel­mi často řídí heslem „Hrát na jistotu, udržo­vat odstup a eventuálně kontrolovat požár“. Tento postup je sice z hlediska hasičů pocho­pitelný, avšak pro provozovatele FV zařízení to jistě není uspokojivé řešení.
 

Bezpečné spínání stejnosměrného proudu

 
Stejnosměrné výkonové odpínače ve FV zařízeních musí na rozdíl od přístrojů na střídavé napětí splňovat některé zvláštní požadavky. K nim patří především zvlášt­nosti vyskytující se při spínání stejnosměr­ného napětí a často také poměrně velké hod­noty tohoto napětí (až 1 000 V, ale někdy i značně větší).
 
Z těchto důvodů dochází při rozpojení kontaktů k „vytažení“ elektrického oblouku, jehož teplota může dosahovat až 1 000 °C. Tento jev má za následek opalování kontak­tů, což snižuje dobu životnosti celého spí­nacího přístroje. Čím větší je proud a/nebo vyšší napětí, tím větší energii má elektrický oblouk. Zatímco u střídavého proudu dochá­zí při průchodu napětí nulou k přirozenému přerušení oblouku, u stejnosměrného prou­du je třeba použít jiná konstrukční opatření k jeho uhašení.
Může to být např.:
  • velká rozpínací rychlost kontaktů,
  • dostatečně velká vzdálenost kontaktů,
  • chlazení plazmatu,
  • urychlení procesu elektrického obloukuve zhášecí komoře (např. permanentním magnetickým polem).
Obecně platí, že čím kratší je zhášecí doba elektrického oblouku, tím menší je teplené namáhání kontaktů a tím delší doba dosaži­telné životnosti spínacího přístroje.
 
Vytvořením trvalého magnetického pole je elektrický oblouk vzniklý při spínacích procesech vehnán do zhášecí komory. Toto je především důležité pro bezpečné vypnu­tí také malých proudů, což může být právě případ při částečném zastínění FV modulů.
 
V Německu je na trhu nabízeno mno­ho stejnosměrných výkonových odpínačů (např. od firmy Eaton-Moeller), které pra­cují na principu permanentněmagnetické­ho ovlivňování elektrického oblouku. Zá­kladem těchto přístrojů jsou motorové jisti­če známé z instalační techniky s mžikovým spínacím mechanismem, který zaručuje vel­kou rozpínací rychlost kontaktů nezávislou na ručním ovládání. Doplněním komponent pro bezpečné zhášení elektrického oblou­ku zvládají tyto přístroje proudy do 63 A při vysokých stejnosměrných napětích. Tak jsou k ovlivňování elektrického oblouku využívá­ny hned dva jevy.
 
Nezapouzdřené výkonové odpínače P-SOL se jmenovitými velikostmi proudů 20, 30 a 63 A jsou vhodné pro zabudování do stří­dače nebo do připojovací skříně generátoru (obr. 2). Oddělené otočné rukojeti a osová prodloužení umožňují pružné přizpůsobení různým provedením skříně.
 
Pro zpětné hlášení spínacího stavu lze za­budovat do přístroje blok pomocných kon­taktů. K dálkovému vypínání slouží spoušť pracovního proudu nebo podpěťová spoušť. Všechny díly příslušenství jsou součástí pro­gramu pro motorové jističe PKZ.
 
Pro proudy do 1 400 A při napětí 1 000 V DC nabízí Eaton-Moeller stejnosměrné vý­konové odpínače řady N, které byly odvozeny z kompaktních výkonových vypínačů (obr. 3). Zde jsou rozpínací vzdálenosti čtyř sériově připojovaných proudových drah již tak velké, že se odpínač obejde bez magne­tického vyfukovacího pole.
 
Volitelně je k dispozici bohaté příslušen­ství, jako např. připojovací svorky a otočná rukojeť pro montáž do dveří rozváděče, po­mocné spínače, napěťové spouště a dálko­vé pohony.
 

Integrované nebo oddělené výkonové odpínače

 
Jedním z často podceňovaných aspektů představuje odpojení zařízení na straně stej­nosměrného proudu za všech možných si­tuací. Norma DIN VDE 0100-712 (idt IEC 60364-7-712:2002, resp. harmonizovaná ČSN 33 2000-7-712 Elektrické instalace bu­dov – Část 7-712: Zařízení jednoúčelová a ve zvláštních objektech – Solární fotovol­taické /PV/ napájecí systémy) sice požadu­je, aby na stejnosměrné straně fotovoltaické­ho střídače byl umístěn výkonový odpínač, avšak blíže nespecifikuje místo mezi fotovol­taickým modulem a střídačem, kam by měl být výkonový odpínač vřazen.
 
Tato předpisová benevolence tak vedla k tomu, že převážná část střídačů má již in­tegrovaný výkonový odpínač. Toto sice šetří náklady na oddělený spínací přístroj s kry­tem, včetně přípojek a montáže, nicméně se již většinou nepřipomínají nevýhody tohoto řešení: Po otevření střídače např. za účelem údržby, čištění nebo opravy není totiž vždy jednoznačně zřejmé, které jeho části jsou pod napětím. Také v případě vzniku požáru uvnitř nebo vně střídače je jen malá šance na uve­dení stejnosměrného výkonového odpínače do činnosti.
 
Z tohoto důvodu si někteří uživatelé ne­chali do stejnosměrného vedení svých FV zařízení nainstalovat samostatný odpojovač, i když měli ve střídači výkonový odpínač. K tomuto účelu jsou vhodné stejnosměrné vý­konové odpínače SOL v krytu pro jmenovité proudy 20, 30 a 63 A od firmy Eaton-Moeller (obr. 4). Existují varianty pro dva nebo čtyři, popř. čtyři nebo osm stringů, jakož i pro nej­běžnější podobu konektorů, jako např. MC3, MC4 nebo metrické šroubení. Kryty se stup­něm ochrany krytem IP65 umožňují také ven­kovní montáž. Prvek s vyrovnáváním tlaku přizpůsobí vnitřní tlak v přístroji tlaku ovzduší, a zabrání tak tvoření kondenzátu a tím také výpadkům z důvodu napěťových přeskoků.
 

Postup při požáru

 
Často se nachází střídač, popř. střídače v blízkosti hlavního rozvodu, který je zase většinou umístěn ve sklepních prostorech nebo v suterénu. V tomto případě je celé ve­dení od střídače k FV modulu pod napětím, a to i po rozpojení výkonového odpínače. Tato skutečnost je živě diskutována zvláš­tě v hasičských kruzích, neboť pro hasičský sbor tato situace znamená větší ohrožení za­sahujícího týmu při požáru nebo záplavách.
 
Různá doporučení se snaží na tento pro­blém upozornit a pro jeho řešení stanovit op­timální metodické řešení. Shodným přáním, které vyplynulo z těchto diskusí, je požada­vek na ohnivzdorné odpínací zařízení umís­těné v blízkosti FV modulu, jež by – pokud možno – fungovalo automaticky a nezávisle na proudu sítě.
 
Na odborném veletrhu Intersolar 2009 v Mnichově představila firma Eaton-Moeller tzv. fotovoltaický požární vypínač (obr. 5) – ručně ovládaný přístroj (25 A) v krytu IP65 s integrovanou podpěťovou spouští. Tento vy­pínač je možné montovat bezprostředně k FV modulům a vkládá se do stringového vede­ní ke střídači.
 
FV požární vypínač má dvě spínací polohy:
  • ve spínací poloze Power je proud protla­čován od FV modulů ke střídači,
  • ve spínací poloze Safety jsou při přímé ruč­ní obsluze přerušena obě stejnosměrná ve­dení a současně je string spojen nakrátko. Spouští pracovního proudu nebo podpěťo­vou spouští je možné tento vypínač ovlá­dat i ze vzdáleného místa.
FV požární vypínač má rovněž integrová­ny bezpečnostní funkce, jako např. plombo­vací ochrannou klapku, která zabraňuje nechtěnému odpojení stringů, nebo možnost uzamčení vypínače v poloze Safety.
 
Hlavní oblastí použití FV požárního vypí­nače jsou větší FV zařízení na střechách ve­řejných budov nebo v zemědělství a dále také např. u menších FV zařízení v soukromé sfé­ře bydlení – u rodinných domů.
 
Podle pojišťovacích znalců vznikají nejčas­těji škody způsobené požárem na FV zařízení v zemědělství. Některá zemědělská zařízení jsou dokonce koncipována z bezpečnostního hlediska natolik rizikově, že pojišťovna odmí­tá s příslušným provozovatelem uzavřít pojist­nou smlouvu. Za nejvíce problematické jsou považovány objekty, na kterých jsou instalová­na FV zařízení. Závažné nedostatky z požární­ho hlediska se vyskytují u stodol. Tyto stavby jsou často řešeny jako samonosné haly s ne­chráněnými krovy, kde buď elektrická instala­ce neexistuje vůbec, nebo má hrubé vady, jako např. chybějící uzemňovací zařízení, kterým by mohly být v případě poruchy svedeny vel­ké proudy do země. K tomuto se nezřídka při­družují další rizikové faktory, mezi které patří např. příliš dlouhé trasy vedení, volně položené kabely, kde hrozí přerušení vodiče s možností vzniku elektrického oblouku, nebo všeobecně špatná kvalita materiálu, jakož i agresivní pro­středí s prachem, blátem a vlhkostí.
 

Bezpečná ochrana stringů

 
Sestává-li FV zařízení z více stringů, které napájí centrální střídač, může dojít v případě zkratu v některém stringu ke vniku nebezpeč­ných zpětných proudů. Zkraty mohou vznik­nout v samotném FV modulu nebo např. va­dou nebo poškozením izolace stejnosměrné kabeláže. Zkratové proudy všech nenaruše­ných stringů pak již netečou do střídače, ale jako zpětný proud do poškozeného stringu, kde mohou způsobit nepřípustné oteplení de­fektního modulu nebo vést k dalším škodám.
 
U malých FV zařízení do asi tří paralel­ně zapojených stringů se velikost zpětného proudu pohybuje ještě v rozmezí nekritických hodnot. Nicméně u větších FV zaříze­ní přibližně od čtyř stringů již není chybový proud zanedbatelný a je třeba zařízení před jeho účinky chránit. K ochraně FV modulů nabízí Eaton-Moeller speciální FV pojistky a jističe stringů, které jsou vhodné pro tuto nízkou zkratovou úroveň.
 
Pojistkový odpojovač C10-FD (obr. 6) je jedno- nebo dvoupólový přístroj volitelně vy­bavený blikající funkcí. Pojmou válcové tav­né vložky Z-C10/SE…PV pojistkových ve­likostí 10 × 38. Tyto vložky jsou k dispozi­ci pro proudy 6 až 20 A při napětí 900 V DC.
 
Protože tavné pojist­ky mají určité nevýhody, jako např. citlivost na pro­měnné namáhání, nabí­zí Eaton-Moeller k ochra­ně FV modulů jističe stringů PKZ-SOL jako al­ternativu k tavným pojist­kám. Tepelná spoušť reagu­je již při hodnotě 1,05 až 1,3In a magnetická spoušť při 6In. Díky proměnnému vybavovacímu rozsahu lze tyto jističe přesně nastavit na skutečný vyskytující se zkratový proud v rozmezí 5 až 47 A.
 
Také pro jistič stringů PKZ-SOL lze použít příslu­šenství motorových jističů PKZ, jako např. pomocný spínač NHI-E-PKZ0 pro signalizaci spínací­ho stavu a dálkové vypínání spouště pracov­ního proudu nebo podpěťové spouště.
 

Otevřená situace v normách

 
Absence speciální výrobkové normy pro spínací přístroje pro fotovoltaické aplikace, která by zohledňovala specifické požadav­ky FV zařízení, nutí výrobce používat exis­tující normy. Proto musí být jističe stringů zkoušeny podle normy DIN EN 60947-2 (idt ČSN EN 60947-2 Spínací a řídicí přístroje nn – Část 2: Jističe), která se však vztahuje na zkratové proudy vyskytující se v konvenč­ních síťových soustavách.
 
Tato norma také stanovuje zkušební napě­tí o 5 % vyšší, než jsou jmenovitá napětí, aby byla zohledněna kolísání ve střídavé síti. FV zařízení je však dimenzováno na napětí na­prázdno, zvýšená napětí se zde nevyskytují a ve jmenovitém provozu, resp. v případě po­ruchy napětí dokonce klesá. Tak absence vý­robkové normy vede k tomu, že přístroje pro fotovoltaické aplikace musí být předimenzo­vány nebo s ohledem na jejich výkonové pa­rametry omezeny.
 
Obr. 1. Pro bezporuchový provoz a bezpečnost při poruše a požáru fotovoltaického zařízení jsou velmi důležité také spínací přístroje
Obr. 2. Stejnosměrný jistič stringů pro zabu­dování do krytu podle specifikace zákazníka nebo do střídače
Obr. 3. Stejnosměrný výkonový odpínač 160 A/1 000 V
Obr. 4. Zapouzdřený stejnosměrný výkonový odpínač SOL 60 v krytí IP65 pro venkovní použití – k dispozici jsou varianty pro připojení dvou, čtyř a osmi stringů
Obr. 5. Fotovoltaický požární vypínač pro FV zařízení pro montáž v bezprostřední blízkosti FV zařízení umožňující v případě požáru odpojení stejnosměrného vedení ke střídači
Obr. 6. Dvoupólový stejnosměrný pojistkový odpojovač C10-FD s integrovanou zkratovou ochranou umožňuje v rozpojovacím bodu také měření na připojených modulech
 

*) Fotovoltaický článek má malý výkon, proto se jednotlivé články spojují do větších celků – panelů (modulů). Sériové spojení skupiny fotovoltaických modulů se nazývá řetězec (string). Sérioparalelně spojené moduly tvoří tzv. fotovoltaické pole.
 

Fotovoltaický požární vypínač

Začne-li hořet FV zařízení, např. na stře­še stodoly, hasiči často nemají jinou mož­nost, než vše nechat pod odborným dohledem shořet. Důvodem je nemožnost odpo­jit FV zařízení od napětí. Nyní je v návrhu fotovoltaický požární vypínač, který by měl bezpečně odpojit celé FV zařízení a uvést ho do beznapěťového stavu. Toto lze s vý­hodou použít nejen v případě požáru FV za­řízení, ale také např. při jeho údržbě, čištění nebo opravách.