Мълниезащита за фотоволтаични C&I инсталации: Правила за заземяване, чието неспазване струва на инвертора

Най-честата причина за повреда на инвертора след буря в C&I инсталация не е директен удар от мълния, а лошо изградена... мълниезащита на фотоволтаични инсталации, т.е. неправилно свързване на защитното заземяване PE на инвертора към мълниезащитната система на сградата. Когато мълниезащитата и PE заземяването на фотоволтаичната система споделят общ проводник или са свързани твърде близо, токът на мълния навлиза в корпуса на инвертора като път с най-нисък импеданс и разрушава електрониката от страната на постоянен или променлив ток – често заобикаляйки дори предпазителите от пренапрежение. Правилният принцип е прост: мълниезащитата и PE заземяването на инвертора трябва да се прокарат отделно към обща точка на заземяване, но с помощта на различни проводници, а въздушните клеми трябва да се държат на безопасно разстояние от оборудването. В тази статия показваме как да направите това на търговски покрив, със специфични напречни сечения и разстояния между материалите. Growatt.

Изисква ли мълниезащитата за фотоволтаична инсталация на покрив на C&I отделна система за мълниезащита?

В повечето случаи не. Мълниезащитата за фотоволтаична инсталация на покрива на търговска или промишлена сграда може да използва съществуващата мълниезащитна система на съоръжението, при условие че тя съществува и е в експлоатация. Това съкращава времето за монтаж и намалява разходите, тъй като използва инфраструктура, която вече е изградена на етапа на строителство – в стоманобетонните конструкции въздушните терминали и заземителната мрежа често са вградени в бетонната рамка.

Подходът към стоманените покриви е подобен на този при стоманобетонните покриви. Изборът на въздушни терминали, токоотводи, заземителни електроди и свързващи материали се основава на същите принципи. Въпреки това, от самото начало на проекта трябва да се има предвид едно важно разграничение: мълниезащитата за фотоволтаични инсталации не е същото като защитното заземяване за електрическо оборудване . Объркването на тези две системи е източник на повечето повреди след буря.

Мълниезащита за фотоволтаични инсталации: избор на материали и заземяване

Материалите трябва да издържат на мълниеви токове и дългогодишна корозия на покрива. По-долу сме събрали параметри от материалите на производителя, които са в основата на мълниезащитата за фотоволтаични инсталации – полезни за оценка на разходите и избор на място.

Element	Материал и минимални размери
Вертикален въздушен терминал (прът)	Кръгла стомана, диаметър 12–16 мм
Хоризонтални въздушни терминали (лента/тел)	Кръгла стомана, с дебелина мин. 8 мм, или плоска стомана, с дебелина мин. 4 мм
Дренажна тръба	Горещо поцинкована стомана, кръгла мин. 8 мм или плоска мин. 4 мм; за по-високи изисквания, двуслойна изолирана медна тел 35 мм²
Тръбен заземителен електрод	Горещо поцинкована стоманена тръба, диаметър 50 мм, дебелина на стената мин. 3,5 мм
Ъглов заземителен прът	Ъгъл 50×50×5 мм, мин. дължина 2,5 м
Заземяващ прът с плосък прът	Плоска греда 40×4 мм, дължина 2,5–4 м
Дълбочина на поставяне на плоски пръти	Мин. 0,5 м хоризонтално
Дълбочина на ъгловия заземителен прът	Мин. 2,5 м вертикално
Изравняване на потенциалите на модула	Жълто-зелен проводник 4 мм²

Всяка заварена фуга трябва да бъде защитена от корозия. На покрив, където контактът с вода и сол е ежедневно явление, неизмазаната заварка губи електрическа непрекъснатост след два сезона, а мълниезащитата на фотоволтаичната инсталация се поврежда точно когато е най-необходима.

Изравняването на потенциалите на модулите, което често се забравя

Производителите покриват алуминиевите рамки на модулите и поцинкованите или алуминиевите конструкции. Това означава, че самото затягане не осигурява правилно заземяване – покритието изолира контакта. Ефективното заземяване на модула се постига само когато заземителният отвор в модула е действително свързан с носещата конструкция. На практика мълниезащитата за фотоволтаични инсталации работи по следния начин на ниво отделен модул: жълто-зелен проводник със сечение 4 mm², насочен към точката на изравняване на потенциалите.

Връзките между конструктивните елементи също трябва да имат трайна електрическа непрекъснатост. Използва се кръгла стомана с дебелина най-малко 8 мм или плоска стомана с дебелина най-малко 4 мм, а методите на съединяване включват медно-цинково заваряване, точково заваряване, сгъване на ръбове, припокриване или болтово заваряване. Опитът показва, че заваряването е най-издръжливият метод, но всеки заваръчен шев изисква последваща обработка и защита от корозия.

Зони за монтаж на отводители от пренапрежение и безопасно разстояние S

Въздушните терминали и токоотводите, които до голяма степен определят мълниезащитата на фотоволтаичните инсталации, трябва да поддържат безопасно разстояние S от панели, инвертори, кабели и разпределителни табла. За типичен покрив на пететажна сграда с височина приблизително 15 метра, препоръчителната стойност на S е приблизително 2,5 метра. Тази стойност може да бъде опростена и мащабирана обратнопропорционално на височината на сградата – колкото по-висока е конструкцията, толкова по-малко е необходимото разстояние.

Разположението на отводнителите от пренапрежение зависи от това дали се спазва разстоянието S:

• Когато S е запазено: Модулите за пренапрежение са инсталирани в позиции 1, 2 и 3 на системата.
• Когато S не е запазено: В допълнение към позиции 1, 2 и 3, в позиция ④ е добавен и модул за пренапрежение.

На практика това означава, че на тесни покриви, където въздушният терминал и инверторът са на по-малко от 2,5 метра един от друг, трябва да се добави допълнително ниво на защита от пренапрежение. Пренебрегването на това е една от най-честите причини, поради които мълниезащитата във фотоволтаичните инсталации се поврежда и инверторът се поврежда въпреки наличието на SPD.

SPD тип I и тип II от страна на DC и AC

Инверторът има вътрешни предпазители от пренапрежение както от страната на постоянен, така и от страната на променлив ток, заземени към заземяващия терминал на устройството. Това е добра основа, но не елиминира необходимостта от защита на ниво инсталация. На покриви, изложени на директни удари от мълнии, се използва SPD тип I (клас на изпитване I), където може да протече известен ток от мълния, а SPD тип II се използва на допълнителни участъци за защита от индуцирани пренапрежения. SPD обаче сами по себе си не са достатъчни, ако мълниезащитата на фотоволтаичната инсталация се основава на неправилна заземителна система – това ще обсъдим по-долу.

Заземяване на инвертора: Функционален (PE) и защитен корпус

Инверторът е електрическото сърце на фотоволтаичната електроцентрала, така че мълниезащитата за фотоволтаична инсталация изисква по-стабилно заземяване от другите компоненти. Разграничаваме две системи.

Функционално заземяване (PE клема) свързва се към PE шината в разпределителното табло и след това се заземява чрез разпределителната система. PE клемата на инвертора служи като функционално заземяване и си сътрудничи с детектора за заземяване от фотоволтаичната страна. Това гарантира, че защитата ще се изключи навреме в случай на заземяване. DC страната е особено податлива на предизвикани от мълнии пренапрежения – тези преходни напрежения могат да повредят изолацията на DC системата и да доведат до заземяване на положителния или отрицателния полюс на стринга, предотвратявайки... synзащита от мрежата и изключва производството.

Защитното заземяване (PE) е точка на заземяване извън корпуса на инвертора. То служи като допълнително заземяване за защита както на устройството, така и на безопасността на оператора.

Защо инверторът се поврежда след буря: Механизмът на повреда

Същността на проблема се крие в това какво се случва, когато заземяването на мълниезащитата и PE на инвертора са късо съединени или свързани твърде близо. Без удар на мълния, и двете системи изглежда функционират правилно и инверторът работи безопасно. Проблемът става очевиден само по време на гръмотевична буря.

Разрядниците за постоянен и променлив ток вътре в инвертора са заземени към заземяващата клема на шасито, която след това се свързва чрез кабелна връзка към къс въздушен терминал или носещата конструкция на модула. Това създава еквипотенциална връзка между заземяващата точка на инвертора и външната система за мълниезащита. По време на удар от мълния това създава няколко опасности:

• Когато токът от мълния навлезе в земята през системата за мълниезащита, точката на заземяване на шасито на инвертора се превръща във входен път за този ток. Потенциалът на заземяващия терминал се увеличава драстично – с до десетки киловолта – и надвишава напрежението на променливотоковите и постояннотоковите линии. Това създава явление на обратно захранване.
• Инверторната верига е заземена в множество точки и съдържа кондензатори X и Y, които отвеждат преходни пренапрежения. Това позволява обратни пренапрежения да навлязат в DC/DC или DC/AC веригите, често далеч от мястото на монтаж на SPD. В такъв случай SPD може да не работи и преходното напрежение да надвиши вътрешната схема на инвертора.
• В случай на директен удар във въздушен терминал или носеща конструкция, импулсният ток поема най-краткия път до инвертора по заземителната система – поради краткото разстояние и ниския импеданс. Това е най-тежкият сценарий – катастрофално токово претоварване може да доведе до експлозии на компоненти.
• Когато съпротивлението на заземяването на въздушния терминал е твърде високо, заземителната мрежа, образувана от модулите, инверторите и системата за мълниезащита, създава пътища за обратен ток с висок импеданс. Това създава високи обратни напрежения, които увреждат веригата на инвертора. Проблемът се изостря при опростени конструкции с лошо конструирани или недостатъчно заземени токоотводители.

Правилно решение: разделно заземяване

Принципът, произтичащ директно от анализа на повредите, е ясен: ефективната мълниезащита за фотоволтаична инсталация изисква заземителната система за мълниезащита и защитното заземяване PE на инвертора да останат отделни. Правилният метод на свързване е следният:

1. Защитният проводник PE на инвертора е свързан независимо към специален заземителен електрод.
2. PE-токоотводът и мълниезащитният токоотвод трябва да бъдат прокарани възможно най-далеч един от друг – за предпочитане на повече от 10 метра.
3. Свързваме двете системи само в обща точка на заземяване, но чрез отделни проводници - никога общ проводник.

Това означава, че когато токът от мълния попадне в земята през системата за мълниезащита, той бързо се разсейва в околната земя, намалявайки риска от връщане на тока към инвертора през PE линията. Дори ако част от тока се върне поради небалансиран импеданс, той ще бъде достатъчно малък, за да не повреди устройството.

От практиката на монтажника

• Не „свързвайте“ PE (защитата) на инвертора към най-близката конструкция. Това е най-често срещаната грешка на строителните обекти – монтажникът вижда метална рамка и свързва PE проводник към нея, защото „е заземена“. Работи без удар от мълния. След първата голяма буря инверторът се нуждае от подмяна и фермата е изключена.
• Проверете съпротивлението на заземяването на въздушния терминал, не го инсталирайте. Високото съпротивление на земята в слаба почва създава пътища за връщане с висок импеданс. Измерването на съпротивлението на земята след монтажа отнема няколко минути и пропускането на теста струва пари на инвертора.
• Третирайте покритията като изолатор. Притискащата скоба на анодизираната рамка и покритата конструкция не осигурява надеждно заземяване. Прокарайте жълто-зелен проводник с сечение 4 mm² към заземяващия отвор на модула – в противен случай изравняването на потенциала съществува само на хартия.
• Закрепете всяка заварка. Заварка без антикорозионна обработка е бомба със закъснител - тя губи своята непрекъснатост след два сезона и цялата верига на мълниезащитата престава да функционира невидимо.

C&I инвертори с вградена защита от пренапрежение

Серийни инвертори Growatt WIT-HU и MOD-HU имат вътрешни предпазители от пренапрежение както от страната на постоянен, така и от страната на променлив ток, заземени към заземяващия терминал на шасито. Това е добра хардуерна основа, но – както показва анализът на механизма на повреда – вграденият SPD не е заместител на правилно разделеното заземяване. Хардуерът и дизайнът трябва да работят заедно.

Струва си да разгледате предлагания модел Growatt WIT25K-HU за търговски инсталации и трифазни Growatt МОД 15KTL3-HUЗа пълни спецификации, изисквания за заземяване и схеми за свързване, моля, вижте каталожните листове и ръководствата в център за изтегляне GrowattВсички устройства се предлагат с европейска гаранция за сервиз.

Често задавани въпроси

Изисква ли мълниезащитата за фотоволтаична инсталация на покрив на C&I отделна система за мълниезащита?

Обикновено не. Съществуващата мълниезащитна система на сградата може да се използва, стига да е функционална. При условие че се спазва безопасно разстояние S между въздушните терминали и фотоволтаичните компоненти и заземяването на мълниезащитата е отделено от PE на инвертора.

Какво трябва да бъде разстоянието между защитния проводник (PE) и мълниезащитния токоотвод?

Според материалите Growatt И двата низходящи проводника трябва да бъдат прокарани възможно най-далеч един от друг, за предпочитане на повече от 10 метра. Те трябва да бъдат свързани само в обща точка на заземяване, но винаги с отделни проводници, никога с един общ проводник.

Защо инвертор с вграден SPD все пак се поврежда след буря?

Защото при неправилно, общо или твърде близко заземяване, обратното напрежение навлиза в инвертора през PE линията, близо до DC/DC или DC/AC веригите, далеч от мястото на монтаж на SPD. Преходното напрежение тогава надвишава капацитета на вътрешната верига, въпреки наличието на предпазител от пренапрежение.

Какво напречно сечение на проводника трябва да се използва за заземяване на фотоволтаични модули?

За еквипотенциално свързване на модулите се използва жълто-зелен проводник със сечение 4 mm², насочен към заземителния отвор на модула. Самото затягане на покритието на рамката не гарантира правилно заземяване.

Контролен списък за внедряване: Мълниезащита за фотоволтаични инсталации в C&I проекти

1. Проверете дали сградата има функционираща система за мълниезащита и дали тя може да се използва.
2. Спазвайте безопасно разстояние S (приблизително 2,5 м за сграда ~15 м) между въздушните терминали и фотоволтаичните елементи; ако S липсва, добавете SPD в позиция ④.
3. Прокарайте заземяването на мълниезащитата и PE на инвертора в отделни проводници и ги свържете само в обща точка на заземяване.
4. Поддържайте разстоянието между водосточните тръби над 10 м.
5. Направете PE заземяването на инвертора отделно, независимо.
6. Направете еквипотенциални връзки на модулите с проводник 4 mm² към заземителния отвор, не разчитайте на натиска на скобата.
7. Защитете всяка заварка и съединение от корозия.
8. Измерете съпротивлението на земята след монтажа и документирайте резултата.

Изборът на C&I инвертор с подходящо оборудване за защита от пренапрежение започва с нашата гама инвертори за търговски инсталации – а останалата част от безопасността се осигурява от правилно разделено заземяване.