Prepäťové ochrany pre fotovoltaiku
Šetrenie na nesprávnom mieste sa nemusí vyplatiť
Fotovoltická elektráreň (ďalej FVE) predstavuje pre investora dlhodobú investíciu, ktorá počíta s návratnosťou okolo 15 rokov a životnosťou v rozmedzí 20 – 25 rokov. Investor pritom predpokladá a vyžaduje čo najväčšie prevádzkové využitie a minimálne resp. nulové straty v dôsledku porúch FVE. Z tohto dôvodu je potrebné FVE navrhovať tak, aby sa minimalizovali možné poruchy a z nich vyplývajúce finančné straty spôsobené odstávkou elektrárne z prevádz-ky alebo finančnými nákladmi na nákup náhradných dielov.
V článku sme sa zamerali na riziká porúch vyvolaných prepätím, ktoré môže vyradiť FVE z prevádzky aj na dlhšiu dobu. Dochádza k tomu predovšetkým v lete vplyvom častých búrok, keď je prevádzkové využitie FVE najväčšie. Vo fotovoltickej elektrárni treba chrániť pred účinkami bleskových prúdov a prepätia nielen jednosmernú stranu (DC) – priamy alebo blízky úder blesku do FVE – ale aj striedavú stranu (AC) – proti prepätiu, ktoré vznikne pri údere blesku do napájacej siete alebo do jej blízkosti, ale aj pred spínacími dejmi v na-pájacej sieti.
Jedným z najdôležitejších a najdrahších prvkov FVE je striedač. Jeho vyradenie v dôsledku prepätia je veľmi závažné a môže spôsobiť aj dlhodobú odstávku FVE. Je iluzorné predpokladať, že výrobca striedača bude schopný dodať náhradný diel behom pár dní počas celej doby životnosti systému, tj. po dobu 20 až 25 rokov. Kvalitná prepäťová ochrana Vás stojí oveľa menej finančných prostriedkov a zásadne zníži riziká porúch vplyvom prepätia.
Firma CITEL, ktorá patrí medzi troch najväčších a najvýznamnejších svetových výrobcov prepäťových ochrán, vyrába a dodáva vysoko kvalitné prepäťové ochrany pre fotovoltické elektrárne predovšetkým na báze najmodernejšej VG technológie, pre DC a aj AC stranu. VG technologia se vyznačuje predovšetkým mimoriadne vysokou spoľahlivosťou, čo potvrdzuje aj výrobcom poskytovaná 10- ročná záruka na produkty vyrábané touto technológiou. Uvedená dĺžka záruky je pri dodávateľoch prepäťových ochrán v súčasnej dobe úplne ojedinelá.
Normy
Existujúce európske normy nepokrývali dostatočne problematiku výberu prepäťových ochrán pre fotovoltiku. Preto v ostatných rokoch vznikla technická špecifikácia CLC/TS50539-12 v ná-väznosti na normu EN 62305-3, ktorá má v EÚ postupne vstupovať do platnosti najneskôr do roku 2014. Napríklad v Nemecku už bola vydaná ako VDE V 0675-39-12. Napriek tomu, že táto špecifikácia nie je v ČR ani na Slovensku zatiaľ záväzná, budeme z nej vychádzať, pretože jasne definuje technické požiadavky na prepäťové ochrany pre fotovoltické systémy a veľmi pravdepodobne sa stane záväznou behom najbližších dvoch rokov. Špecifikácia CLC/TS50539-12 jasne hovorí, že kým výpočet rizík podľa EN 62305-2 neposkytuje iný záver, je inštalácia prepäťových ochrán na DC a aj na AC strane povinná. Ďalej uvádza, že pokiaľ sú použité prepäťové ochrany na AC strane, odporučuje sa chrániť zvodičom prepätia signálové aj komunikačné obvody FVE. Táto špecifikácia tiež definuje prierezy vodičov na pripojenie prepäťovej ochrany na prípojnicu na vyrovnanie potenciálu (svorku PE).
Vzhľadom k obmedzenému rozsahu článku nie je možné podrobne analyzovať všetky technické aspekty spomínanej špecifikácie, preto spomenieme aspoň najdôležitejšie.
Prepäťové ochrany pre DC stranu
Kombinovaná prepäťová ochrana DC typu 1+2
Najrozšírenejšia a najviac používaná je prepäťová ochrana radu DS60VGPV (viď obr. 1), ktorá sa dodáva pre napätie 500 V DC, 1 000 V DC a v 1. polroku 2013 bude dodávaná aj pre napätie 1 500 V DC. Je to kombinovaná prepäťová ochrana typu 1+2 na báze najmodernejšej VG technológie s absolútne ojedinelou zárukou 10 rokov, hodnota impulzného bleskového prúdu Iimp = 12,5 kA na pól, čo predstavuje 25 kA na prístroj. Táto hodnota zaručuje ochranu pred väčšinou bleskových prúdov. Má šírku iba 4 moduly, čo v porovnaní s výrobkami iných výrobcov prináša úsporu miesta v rozvádzači.
Obr. 1: Prepäťová ochrana DS60VGPV pre DC stranu
Prepäťová ochrana DC typu 2
Ako ochranu typu 2 ponúka firma CITEL niekoľko typov. Je to jednak prepäťová ochrana radu DS50VGPV (pre 500 a 1 000 V DC) na báze vysoko spoľahlivej technológie VG, so zárukou 10 rokov s menovitým zvodovým prúdom In = 20 kA na pól, (tzn. 40 kA/prístroj) a maximálnym zvodovým prúdom Imax = 40kA/pól (80kA na prístroj).
Tam, kde zákazníci nevyžadujú špičkové parametre prepäťovej ochrany, ponúka firma CITEL prepäťové ochrany radu DS50PVS resp. DS50PVS/G na báze štandardnej varistorovej technológie. Aj tieto ochrany se vyrábajú pre napätie 500 V DC a 1000 V DC, ochrana DS50PVS/G má naviac medzi stredom a PE svorkou zapojené iskrisko, takže pri tejto ochrane nepreteká priepustný (priesakový) prúd mezi + pólom resp. - pólom a zemou, ktorý by v niektorých prípadoch mohol pri veľkých (rádovo MW) FVE vyvolať falošný údaj o zemnom spojení.
Firma CITEL však odporučuje používať namiesto prepäťových ochrán typu 2, kombinované prepäťové ochrany typu 1+2 tj. prepäťové ochrany radu DS60VGPV. Uvedené ochrany sú síce drahšie ako prepäťové ochrany typu 2, ale oveľa spoľahlivejšie chránia FVE v prípade búrky pred účinkami bleskových prúdov. Aj keď zmienená nová technická špecifikácia pre fotovoltiku povoľuje v niektorých prípadoch len použitie prepäťovej ochrany typu 2 (napr. v prípade, že objekt nemá inštalovaný bleskozvod, alebo celá FVE je v tzv. „bleskozvod-nom tieni“ a je zároveň dodržaná dostatočná preskoková vzdialenosť s), neexistuje žiadna záruka, že bleskový výboj sa bude chovať presne podľa tejto špecifikácie a nezasiahne tam, kde by podľa všetkých predpokladov a aj podľa špecifikácie udrieť nemal.
Prepäťová ochrana pre AC stranu
Prepätie môže vniknúť do elektrického obvodu FVE aj zo strany napájacej siete. Ani inštalácia bleskozvodu, nezabráni vniknutiu bleskového prúdu do zariadenia FVE. Skúsenosti ukazujú, že aj v prípade správne vykonanej montáže systému vonkajšej ochrany pred bleskom (LPS) môže až 50 % bleskového prúdu vniknúť do objektu. Nová technická špecifikácia pre fotovoltiku predpisuje, že vo väčšine prípadov je potrebné na AC strane inštalovať prepäťovú ochranu typu 1. Prepäťová ochrana typu 2 sa povoľuje len v prípade, ak objekt nemá vonkajšiu ochranu proti blesku – bleskozvod.
Firma CITEL však odporučuje použiť prepäťovú ochranu typ 1 aj v prípade, ak objekt nemá vonkajšiu ochranu proti blesku (bleskozvod). Cenový rozdiel mezi prepäťovou ochranou typu 1 (alebo 1+2) a typu 2 je relatívne malý v porovnaní s výrazne vyššou úrovňou ochrany a istoty, ktorú zaručí ochrana typu 1. Ako prepäťovú ochranu typu 1 odporučuje firma CITEL použiť svoju najkvalitnejšiu kombinovanú ochranu radu DS250VG-300 (viď obr. 2), ktorou je kombinovaná ochrana typu 1+2+3, a má hodnotu impulzného bleskového proudu Iimp = 25 kA/pól. Táto hodnota je úplne postačujúca takmer pre všetky v úvahu prichádzajúce blesky, pretože celkový impulzný bleskový prúd je 75 kA (pre zapojenie TNC) resp. 100 kA (pre zapojenie TNS). Túto hodnotu prekračujú bleskové prúdy iba výnimočne. Pre objekty, ktoré sú zaradené do hladiny ochrany pred bleskom LPL III a IV (podľa EN 62 305, časť 1) sa môžu použiť kombinované prepäťové ochrany typu 1+2 resp. 1+2+3 s impulzným bleskovým prúdom 12,5 kA na pól – teda s hodnotou 38 kA/prístroj (TNC) resp. 50 kA/prístroj (TNS). Aj tieto prepäťové ochrany Vás spoľahlivo ochránia pred prevažnou väčšinou atmosferických výbojov. Okrem toho majú nižšiu cenu. Všetky rady prepäťových ochrán sa dodávajú v jedno- až štvorpólovom vyhotovení (vrátane zapojenia 1+1 a 3+1).
Obr. 2 Prepäťová ochrana DS 250 VG-300 pre AC stranu
Firma CITEL ponúka pre uvedené účely 2 typy prepäťových ochrán s impulzným bleskovým prúdom 12,5 kA na pól:
· rad DS130VGS, typ 1+2+3 - ide o prepäťovú ochranu na báze vysoko spoľahlivej VG technológie so zárukou 10 rokov.
· rad DS130S, typ 1+2 – ide o štandardnú prepäťovú ochranu na báze varistora so štandardnou zárukou 2 roky.
Tam, kde technická špecifikácia povoľuje použiť prepäťovú ochranu len typ 2 na AC strane, ponúka firma CITEL nasledujúce 2 typy prepäťových ochrán:
· rad DS40VGS - ide o prepäťovú ochranu na báze vysoko spoľahlivej VG technológie so zárukou 10 rokov
· rad DS40S – ide o štandardnú prepäťovú ochranu na báze varistora so štandardnou zárukou 2 roky.
Dlhšie káblové trasy na AC resp. DC strane
Účinok prepäťových ochrán sa znižuje, keď medzi ochranou a chráneným zariadením je dlhá káblová trasa. Prax ukázala, že jej hranica sa pohybuje okolo 10 m.
Ak je teda prepäťová ochrana zapojená na vstupe a káblová trasa k striedaču (chránenému zariadeniu) je dlhšia ako 10 m, treba na AC a DC strane inštalovať prepäťové ochrany rovnakého typu aj na druhý koniec káblovej trasy (DC alebo AC). V opačnom prípade sa môže do káblovej trasy naindukovať také prepätie, že chránené zariadenie (striedač) prestáva byť „príliš“ vzdialenou prepäťovou ochranou dostatočne ochránené.
Zmienená technická špecifikácia navyše pre AC stranu predpisuje, keď je inštalovaná prvá ochrana typu 1 na vstupe napájacej siete do objektu, musí byť aj druhá prepäťová ochrana typu 1 v tesnej blízkosti pred striedačom. Podobne je to aj na DC strane.
Prepäťové ochrany pre dátovú komunikáciu
FVE komunikujú čoraz častejšie s nadradeným systémom pre správu FVE a predávajú výsledky o výrobe elektrickej energie pomocou dátových liniek – väčšinou ide o zapojenie na báze protokolu RS485. Firma CITEL ponúka pre tento typ komunikácie niekoľko typov prepäťových ochrán. Treba pripomenúť, že zmienená technická špecifikácia CLC/TS50539-12 uvádza, že pokiaľ sú použité prepäťové ochrany na AC strane, odporúča sa chrániť zvodičom prepätia aj signálne a komunikačné obvody FVE.
Podrobnejšie sa touto problematikou budeme zaoberať v niektorom nasledujúcom vydaní časopisu SolarTechnika.
Technologia VG – nejmodernejšia technológia prepäťových ochrán u firmy CITEL
Niekoľkokrát sme sa zmienili o technológii VG prepäťových ochrán CITEL. Doteraz vyrábané prepäťové ochrany používali ako ochranný prvok buď iskrisko alebo varistor. Každý z týchto prvkov má svoje výhody i nevýhody.
Pre iskrisko je nevýhodou následný prúd, ktorý sa v prípade prepätia blíži k hodnote skratového prúdu a nepriaznivo namáha všetky časti napájacieho elektrického obvodu. Ďalšou nevýhodou iskriska je, že sa nedá spoľahlivo vyhodnotiť stav celej prepäťovej ochrany (dobrá/chybná). Nevýhodou varistora je, že ním preteká priepustný (priesakový) prúd, kvôli čomu má obmedzenú životnosť, pretože podlieha starnutiu a jeho ochranná schopnosť degraduje.
Vhodným spojením obidvoch prvkov, čo je podstata technológie VG, odstránila firma CITEL nevýhody každého z nich a súčasne sa posilnili ich prednosti. Vznikli tak zvodiče prepätia novej generácie vyznačujúce sa lepšími technickými parametrami a predovšetkým výrazne vyššou životnosťou a spoľahlivosťou. Preto firma CITEL môže poskytovať na svoje prepäťové ochrany VG záruku 10 rokov a stále vo väčšej miere uprednostňuje prepäťové ochrany VG pred “klasickými“ prepäťovými ochranami na báze iskriska alebo varistora.
Záver
Z praxe za ostatné roky vidíme, že použitie správne zvolených a kvalitných prepäťových ochrán pre FVE získava stále väčšiu dôležitosť. Viacero investorov z rokov 2009 – 2010, keď FVE prežívali v ČR i na Slovensku veľký rozvoj, majú zlú skúsenosť iba preto, že prepäťové ochrany nepoužili vôbec alebo si vybrali nesprávne či málo kvalitné ochrany (väčšinou v snahe o minimalizáciu investičných nákladov). Investičné náklady sa síce na začiatku podarilo nepatrne znížiť, vplyvom prepätia však došlo k výpadkom FVE. Nasledovali zvýšené finančné náklady na nákup nových striedačov alebo ich častí a navyše v dôsledku obmedzenia výroby elektriny po dobu odstávky FVE došlo k zníženiu predpokladaného zisku celej investície.
Dodatočná zmena typu či dodatočné zabudovanie prepäťových ochrán do stávajúcej FVE sú veľmi nákladné. Dá sa povedať, že šetrenie na prepäťových ochranách pri počiatočnej investícii je jednoznačne šetrenie na nesprávnom mieste, ktoré sa nemusí vyplatiť. Niektorý investor sa spolieha na to, že bude mať šťastie a blesk sa ich FVE v najbližších 20 – 25 rokoch vyhne. Treba však zvážiť či pri investícii do FVE sa stačí spoliehať len na šťastie? Poisťovne dnes zďaleka nie sú také benevolentné pri posudzovaní náhrady za škody vzniknuté dôsledkom prepätia a podľa skúseností z iných európskych krajín ich zhovievavosť stále viacej klesá. Napríklad podľa údajov nemeckých poisťovní až 30 % vyplatených náhrad je za škody spôsobené prepätím (poznámka – uvedený údaj zahrňuje všetky škody na majetku v dôsledku prepätia, t. j. nejde len o škody na FVE).
Ondrej Strehovský
Ing. Karel Veselý
www.citel.cz
UVEREJNENIE PRÍSPEVKU NA FACEBOOKU