Bezpečné odpojení fotovoltaických zařízení

Článek ve formátu PDF je možné stáhnout zde

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.