Fotovoltaická zařízení aneb ochrana před bleskem v praxi
Vojtech Kopecky, znalec pro elektromagnetickou kompatibilitu a systémy
ochrany před bleskem řemeslné komory v Cáchách, Německo
Nepřípustná přiblížení mezi jímacím zařízením systému ochrany před bleskem a fotovoltaickým zařízením instalovaným na střeše budovy mohou vést k závažným poruchám, nebo dokonce ke zničení elektroniky fotovoltaického zařízení. Předmětem tohoto příspěvku je správné napojení fotovoltaického zařízení do systému již existujícího uzemnění při současném zohlednění opatření elektromagnetické kompatibility a ochrany před bleskem.
V posledních letech dramaticky vzrostl objem škod na fotovoltaických zařízeních. Důvody vzniku těchto škod lze spatřovat především ve:
- zvyšujícím se počtu nově instalovaných fotovoltaických zařízení,
- větší bouřkové aktivitě,
- neodborně provedené instalaci fotovoltaických zařízení.
V prvním případě jde nepochybně o vítaný jev, v druhém případě o skutečnost, se kterou je třeba se smířit, a třetí případ, tedy neodborná instalace, představuje problém, který lze kvalifikovaným a zodpovědným přístupem úspěšně řešit.
V souvislosti s třetím jmenovaným případem vyvstávají nejrůznější otázky, jako např.:
- Stačí vícenásobně spojit nosný rám fotovoltaického zařízení se systémem ochrany před bleskem? A když ano, tak jakým způsobem? Existuje nějaký vnitřní předpis pro ochranu před bleskem, resp. přepětím, a jak se takováto ochrana realizuje?
- Je přípustné spojovat fotovoltaické zařízení s přípojnicí ekvipotenciálního pospojování pouze měděným drátem o průřezu 16 mm2?
- Jaká opatření je třeba učinit při případném odinstalování systému ochrany před bleskem?
- Je lepší spojit nosný rám fotovoltaického zařízení se zvláštní uzemňovací tyčí, nebo s přípojnicí ekvipotenciálního pospojování?
Norma [1], která platí pro fotovoltaická zařízení, popisuje pouze ochranná opatření před úrazem elektrickým proudem. Opatření z hlediska EMC (Electro Magnetic Compatibility, elektromagnetická kompatibilita), ochrany před bleskem a přepětím jsou zapracována do jiných norem. Jde např. o evropské normy pro ochranu před bleskem [2] až [5], jakož i [6] až [8] a dále také o normy DIN VDE řady 0800. Proč by mohly zmíněné normy a dále také normy [9] až [13] nějakým způsobem souviset s fotovoltaickými zařízeními, je objasněno v dalším textu.
Odborná instalace fotovoltaických zařízení
Fotovoltaické zařízení, které se nachází na stavebním objektu vybaveném systémem ochrany před bleskem, musí být instalováno podle norem [3] a [4]. To znamená, že se fotovoltaické zařízení musí nacházet v ochranném prostoru jímacího zařízení a přitom v dostatečné vzdálenosti s; ta musí být větší než oddělovací vzdálenost k jímacím zařízením, svodům, jakož i k náhodným součástem systému ochrany před bleskem (např. okapový žlab, plechové hrany, dešťové odpadní roury apod.).
Nachází-li se např. fotovoltaické zařízení na velmi vysokém stavebním zařízení a není-li možné dodržet oddělovací vzdálenost, musí být všechny vodivé části fotovoltaického zařízení zahrnuty do nově instalované úrovně pospojování ochrany před bleskem. To se však netýká rodinných domků nebo jiných nízkých stavebních objektů.
Často je však třeba z důvodu přiblížení realizovat na místech, kde k němu dochází, také jiná opatření (např. výměnu vodivých okapů za plastové apod.).
Zde je třeba zmínit, že Svazové sdružení německého pojišťovnictví předepisuje v [13] v tabulce A.03 pro stavební objekty s fotovoltaickým zařízením s výkonem větším než 10 kW třídu ochrany před bleskem III. Totéž platí podle normy [4] odst. 17 (Fotovoltaická a solárně-tepelná zařízení), kde je rovněž předepsaná třída ochrany před bleskem III.
Dodržování oddělovací vzdálenosti
V případech, kdy nelze dodržet oddělovací vzdálenost, se vždy po třech metrech spojí spolu všechny vodivé části fotovoltaického zařízení (zdůvodnění je v dalším textu) a všechny kabely musí být opatřeny svodičem bleskového proudu. Je-li však oddělovací vzdálenost dodržena, nesmí mezi fotovoltaickým zařízením a systém ochrany před bleskem být žádné spojení. Provádí se ale instalace svodiče přepětí Typ II a pospojování. Celkový systém ochrany před bleskem sestává z vnějšího a vnitřního systému ochrany před bleskem, jež tvoří nedělitelný celek.
V dalším textu tohoto příspěvku je uveden přehled o možných opatřeních s ohledem na přepětí a pospojování. Tento přehled by měl čtenáři objasnit, jak důležité je pospojování a zemnicí zařízení mezi všemi komponentami fotovoltaického zařízení (ostatně asi by nebylo moudré demontovat existující systém ochrany před bleskem). Zřizovatel by neměl zapomenout na to, že musí jako firma podle [2] prokázat, že stavební objekt nepotřebuje systém ochrany před bleskem. A to tím spíš, je-li systém ochrany před bleskem již instalován. Téměř všechna fotovoltaická zařízení jsou pojištěna a mají být při větších výkonech (nad 10 kW) vybavena systémem ochrany před bleskem podle [13].
K uzemnění a pospojování
Také u uzemnění a pospojování se objevují v případě fotovoltaických zařízení v praxi známé příčiny škod. Všechna fotovoltaická zařízení mají elektronické řízení, často dokonce se spojením na telekomunikační kabely nebo jiné datové a řídicí kabely. Proto je třeba s ohledem na pospojování a uzemňovací opatření dodržovat některá pravidla.
V odst. 17.3 normy [4] je uvedeno:
„Měla by být použita stíněná hlavní vedení generátoru pro snížení indukovaných přepětí. Při dostatečném průřezu stínění lze použít stínicí kabel k vedení bleskových proudů, je-li připojení generátoru na vnější ochranu před bleskem díky nedostatečné oddělovací vzdálenosti nevyhnutelné. Přitom je třeba dbát na propustnost bleskového proudu hlavního vedení generátoru.“
Tento odstavec (17.3) není pravděpodobně u mnohých projektantů či zřizovatelů zcela znám, neboť s dostatečným průřezem stínění se lze u hlavních vedení generátorů setkat jen vzácně. Podmiňovací tvar „měla by…“, který je v tomto odstavci použit, není sice rovnocenný imperativnějšímu slovesu „musí“, ale zato dává zřizovateli např. možnost instalovat dodatečné paralelní vedení pospojování, které zaručí proudové odlehčení stínění kabelu. Stínění kabelu musí být také minimálně uzemněno na obou koncích.
Norma [4] uvádí různá provedení oddáleného jímacího zařízení a opatření přepěťové ochrany. Na obrázku 19 této normy (zde obr. 1) jsou znázorněna navrhovaná opatření přepěťové ochrany a je tam uvedeno i stíněné hlavní vedení generátoru.
Hrubou chybou, a téměř vždy nejhlavnější příčinou poškození fotovoltaických zařízení, je chybějící pospojování.
V odst. 6.7.1 (Uzemnění a pospojování) normy [12] se uvádí:
„Dokud tečou proudy v uzemňovací soustavě, a ne v elektronických obvodech, nemá to žádné škodlivé důsledky. Nenacházejí-li se však uzemňovací soustavy na stejném potenciálu, jsou-li např. spojeny hvězdicově se zemnicí svorkou, tečou všude vysokofrekvenční bludné proudy, tj. také signálním vedením. Přístroje mohou být poškozeny, nebo dokonce zničeny.“
Elektronika – obzvláště ohrožená zařízení
Právě poslední věta z citovaného odstavce 6.7.1 důrazně potrhuje nebezpečí poškození elektronických částí fotovoltaického zařízení. Tam, kde jsou instalována elektronická zařízení, musí být instalace provedeny podle norem [9] až [12].
Na obr. 2 jsou znázorněna opatření přepěťové ochrany pro takovéto elektronické přístroje a zařízení. Tyto slouží podle normy [11] odst. 6.3.1 k:
a) ochraně sdělovacích vedení (venkovní vedení, závěsné kabely, úložné kabely, přívodní kabely) a s nimi vodivě spojených přístrojů proti přepětí, která vznikají v důsledku atmosférických výbojů, působením okolních silnoproudých zařízení a eventuálním přímým překročením napětí ze silnoproudých zařízení,
b) ochraně velmi citlivých součástek (elektronické součástky, polovodičové součástky apod.) v přístrojích, přičemž je ochranný účinek docílen spolupůsobením svodičů přepětí s dalšími spínacími prvky (integrovaná ochrana),
c) vytvoření pospojování mezi vodivými částmi zařízení, která nepatří do obvodu pracovního proudu, nelze-li možná přepětí mezi těmito částmi vyrovnat z provozních důvodů vodivým spojením.
Příklad se záznamníkem dat
Na obr. 2 si lze místo obecného přístroje nebo zařízení docela dobře představit záznamník dat pro fotovoltaické zařízení. V rodinném domě je záznamník dat běžně připojen do síťové zásuvky. Fotovoltaické panely a připojovací skříň generátoru jsou uzemněny např. křížovým zemničem, což je v praxi nejčastější případ. Při výskytu poruchy (může jít i o zkrat) mohou zde téct vyrovnávací proudy, ale pouze přes základní desku záznamníku dat, čímž ho mohou poškodit. Tento příklad opět naznačuje další důvod, proč se zemnicí zařízení fotovoltaického zařízení spojuje se zemnicím zařízením stavebního zařízení (pospojováním tam, kde je instalována vyhodnocovací jednotka – např. záznamník dat) nebo také proč musí mít společné zemnicí zařízení.
Podle normy [11] odst. 6.3.1 písm. a musí být elektronická zařízení chráněna, protože jsou připojena na sdělovací vedení nechráněná proti vazbám. Další důvod pro opatření přepěťové ochrany je uveden ve stejné normě [11] v odst. 6.3.1 písm. b. Tam lze nalézt upozornění na to, že elektronická zařízení obsahují součástky, které reagují na přepětí velmi citlivě. V odst. 6.3.1 písm. c téže normy je uvedeno, že elektronická zařízení jsou připojena na více vedení, která nepatří do obvodu pracovního proudu.
Tento příklad objasňuje důležitost opatření přepěťové ochrany. Ještě důležitější je však pospojování mezi jednotlivými místy stavebních zařízení, kde byly instalovány elektronické přístroje citlivé na přepětí.
Další informace o pospojování jsou uvedeny v normě [1] v odst. 712.413.1.2.1, kde se říká:
„… kovová konstrukční místa fotovoltaického generátoru musí být přímo spojena s hlavní ochrannou svorkou nebo přípojnicí. Toto spojení vyžaduje místní zemnič a použití vodiče pospojování s průřezem v souladu s odst. 543.1.3.“
Provedení ochranného pospojování
V nové normě [1] v odst. 712.413.1.2.2 je uvedeno:
„Neodpovídá-li kryt v rozsahu stejnosměrného napětí včetně krytu fotovoltaického střídače třídě ochrany II nebo rovnocenné izolaci, musí doplňující pospojování spojovat mezi sebou vodivý kryt a volně přístupné cizí vodivé části.“
V téže normě [1] v odst. 712.54 (Zemnicí zařízení a ochranný vodič) lze k tomuto bodu najít následující odkaz:
„Jsou-li zřizovány vodiče pospojování, musí být zřizovány paralelně a v co možná nejtěsnějším kontaktu se střídavými a stejnosměrnými kabely/vedeními a příslušenstvím.“
Výrok „jsou-li zřizovány vodiče pospojování“ ale neznamená, že musí být podle normy [1] zřízeny. Nicméně pro účely ochranných opatření pro elektroniku musí být pospojování instalováno.
Norma [1] v odst. 712.54 (Zemnicí zařízení, ochranný vodič a vodič pospojování) dále uvádí:
„Jsou-li zřizovány vodiče ochranného pospojování, musí být zřizovány paralelně a v co možná nejtěsnějším kontaktu se střídavými a stejnosměrnými kabely/vedeními a příslušenstvím.“
V tomto případě musí být u fotovoltaického zařízení, jak je zmíněno výše, instalováno ochranné pospojování. Tato povinnost odpadá pouze tehdy, mají-li kabely/vedení dostatečně velká stínění, která jsou oboustranně uzemněna a která slouží nejen jako stínění, ale také jako pospojování.
Norma [1] v odst. 712.444.4.4 k tomuto uvádí:
„Aby bylo možné zmenšit napětí vyvolaná údery blesku, musí být plocha všech smyček vodičů co nejmenší.“
Smyčky vodičů
Je důležité zamezit vytváření velkých smyček na vedení a na vodičích, to znamená, že spodní konstrukce musí být četněji pospojována. Na smyčky vytvořené v napájecím vedení se mohou vázat impulzní proudy, které se při nepříznivé konfiguraci přičítají k impulzním proudům indukovaným do fotovoltaického zařízení. Jak prokázala firma Dehn + Söhne ve své vysokonapěťové laboratoři, jsou smyčky vodičů pro fotovoltaická zařízení zvlášť nebezpečné.
(z německého originálu časopisu de, 7/2008,
vydavatelství Hüthig & Pflaum Verlag GmbH München,
upravil Ing. Josef Košťál, redakce Elektro)
Obr. 1. Ochrana před přepětím fotovoltaických zařízení, nelze-li dodržet oddělovací vzdálenost mezi jímacím zařízením a fotovoltaickým zařízením (zdroj: [4])
Obr. 2. Přepětí se mohou do přístrojů nebo zařízení dostat různými cestami