Uwaga na łuk elektryczny! – czyli fotowoltaika jak spawarka?
Jak to możliwe, że porównujemy instalację fotowoltaiczną do urządzenia, które za pomocą łuku o bardzo wysokiej temperaturze przetapia stal, żeby ją ze sobą połączyć? Zacznijmy od początku.
W instalacji fotowoltaicznej mamy dwie różne części instalacji w kwestii rodzaju prądu. Panele fotowoltaiczne produkują tak zwany prąd stały DC. Miejscem zamiany prądu stałego DC na prąd zmienny AC jest inwerter, zwany również falownikiem. Falownik zamienia prąd stały powstały w panelach na prąd zmienny o parametrach zgodnych z naszą siecią elektroenergetyczną, czyli mówiąc obrazowo, do parametrów takich jak w naszych gniazdkach elektrycznych do których podłączamy nasze urządzenia elektryczne. Natomiast cała część instalacji fotowoltaicznej począwszy od paneli do falownika włącznie działa na prądzie stałym i to właśnie ta część instalacji powoduje największe niebezpieczeństwo. Połączenie prądu stałego i wysokiego napięcia, które najczęściej występuje po tej stronie instalacji, może doprowadzić do powstania tak zwanego łuku elektrycznego.
Wysokie napięcie w tej części instalacji wynika ze sposobu podłączenia paneli. Panele podłączone są szeregowo, jeden za drugim. Ten rodzaj podłączenia sprawia, że wartość napięcia jest sumą napięć generowanych przez wszystkie panele w szeregu. Ze względu na to, że jeden panel wytwarza napięcie o wartości od trzydziestu kilku do nawet 50 volt, cały szereg określany w branży „stringiem” nierzadko może przekraczać nawet 600 czy 800 V. Do obsługi instalacji podłączonych szeregowo używa się falowników „stringowych”. Typowo, w instalacjach domowych jest to jedno urządzenie obsługujące jeden lub dwa takie stringi.
Aby lepiej zobrazować jak działa łuk elektryczny, możemy przyrównać to zjawisko do wspomnianego w tytule spawania.
W spawaniu łuk elektryczny w kontrolowany sposób jarzy się między metalowym materiałem spawanym, a elektrodą w postaci drutu. W instalacji fotowoltaicznej, tak jak na zdjęciu głównym w artykule wykonanym podczas testów na Politechnice Gdańskiej, dwie końcówki przewodów (lub w praktyce uszkodzony przewód lub uszkodzone złącze) mogą doprowadzić do powstania łuku elektrycznego jak przy spawaniu.
O ile przy spawaniu oczekujemy wysokiej temperatury łuku, który stopi dwie części metalu aby je połączyć, o tyle to zjawisko pojawiające się na instalacji fotowoltaicznej jest bardzo niebezpieczne, a potencjalne szkody, jakie może wyrządzić są bardzo duże. Począwszy od zniszczenia komponentów instalacji, łuk elektryczny może przerodzić się w pożar fragmentu budynku, który może się rozprzestrzenić. Jest to zatem powód, aby bliżej przyjrzeć się kwestiom dotyczącym łuku elektrycznego w instalacjach fotowoltaicznych.
W których miejscach instalacji PV może dojść do pojawienia się łuku elektrycznego? Łuk może pojawić się w zasadzie w każdym miejscu instalacji po stronie DC, zatem potencjalnie niebezpieczne miejsca to: okablowanie DC, specjalne złączki do łączenia instalacji na prąd stały – najczęściej używane złączki noszą nazwę MC4, których w typowej średniej wielkości domowej instalacji jest ok. 20. Problem może pojawić się również w samym inwerterze po stronie DC lub w skrzynce z zabezpieczeniami DC.
Skoro pojawienie się łuku elektrycznego w instalacji fotowoltaicznej może być tak niebezpieczne, odpowiedzmy sobie na 5 pytań dotyczących tego zjawiska.
1. Czy prawdopodobieństwo wystąpienia łuku elektrycznego w instalacjach PV z inwerterem stringowym zwiększa się wraz ze starzeniem instalacji?
TAK. Prawdopodobieństwo wystąpienia łuku elektrycznego wzrasta wraz ze starzeniem się systemu fotowoltaicznego, ponieważ złącza w okablowaniu DC z czasem mogą korodować, zwiększając impedancję, powodując wydzielanie się ciepła i przerwanie ciągłości złącza, a w konsekwencji spowodować zwarcie łuku DC.
Degradacji mogą ulegać też uszczelnienia lub izolacje przewodów. Może dziać się to wskutek czynników atmosferycznych, jeżeli zastosowano materiały niskiej jakości, ale również przez działanie gryzoni, owadów i ptaków, a nawet przez prowadzone przyszłe roboty remontowo budowlane w sąsiedztwie instalacji.
2. Czy regularne serwisowanie instalacji z falownikiem stringowym i niezabezpieczonym okablowaniem DC zapobiega pojawieniu się łuku elektrycznego?
NIE. Istnieje przekonanie, że instalacja, która została wykonana zgodnie z normami, przez wykfalifikowanych monterów, oraz jest regularnie serwisowana jest całkowicie bezpieczna i w takiej instalacji nie ma prawa pojawić się łuk elektryczny. Pomimo, że takie działanie zwiększa bezpieczeństwo użytkowanej instalacji, to nie do końca jest to prawda. Wyobraźmy sobie sytuację, w której dzień lub tydzień po przeglądzie instalacji, nocą do instalacji dobrała się kuna i obgryzła izolację przewodów. Rano słońce wschodzi, a panele zaczynają produkować energię i na przegryzionym okablowaniu powstaje łuk elektryczny.
W zasadzie po przeglądzie instalacji fotowoltaicznej nie należy również oczekiwać, że serwisant będzie w stanie sprawdzić czy absolutnie wszystkie połączenia są szczelne, albo czy któreś nie zaczęło korodować. W zasadzie nie istnieje program obsługi posprzedażowej, który zapewniłby 100% pewności, że w instalacji z inwerterem stringowym z niezabezpieczonym okablowaniem DC nie dojdzie do pojawienia się łuku elektrycznego.
3. Jeżeli usłyszałeś lub zaobserwowałeś pojawienie się łuku elektrycznego w Twojej instalacji, czy wyłączenie inwertera spowoduje ugaszenie łuku?
NIE. Łuk elektryczny w instalacji fotowoltaicznej może pojawić się po stronie prądu stałego, czyli w zasadzie gdziekolwiek począwszy od paneli fotowoltaicznych, poprzez okablowanie i zabezpieczenia DC, a kończąc nawet w środku inwertera stringowego po stronie DC. Pamiętajmy, że skoro inwerter zamienia prąd stały na prąd przemienny o parametrach zgodnych z naszą polską siecią, to prąd stały o wysokim napięciu również dociera do inwertera stringowego. Wyłączenie inwertera nie spowoduje zaniku napięcia po stronie prądu stałego. Napięcie po stronie DC instalacji fotowoltaicznej będzie występować zawsze, gdy panele fotowoltaiczne będą nasłonecznione i nie ma sposobu na to, żeby tego uniknąć poza dość kłopotliwym w praktyce zakryciem paneli przed słońcem.
Możliwością zwiększającą bezpieczeństwo w takim układzie instalacji fotowoltaicznej jest zamontowanie automatycznego rozłącznika DC. W takim układzie, w zależności od miejsca wystąpienia łuku, może on zostać zgaszony. Jeżeli rozłącznik został prawidłowo zamontowany na zewnątrz budynku, oraz prawidłowo podłączony, zadziała on, jeżeli łuk pojawi się pomiędzy rozłącznikiem a inwerterem stringowym. Zadzieje się tak, ponieważ rozłącznik odetnie prąd od źródła którym są panele na odcinku pomiędzy rozłącznikiem a inwerterem. Jeżeli natomiast łuk pojawi się po stronie między panelami a rozłącznikiem, to nie będzie możliwości ugaszenia łuku elektrycznego.
4. Czy można skutecznie zabezpieczyć się przed powstaniem łuku elektrycznego?
TAK. Są technologie w instalacjach fotowoltaicznych, które z powodzeniem zabezpieczają instalacje przed wystąpieniem łuku elektrycznego. Należą do nich przede wszystkim technologie oparte na mikrofalownikach, jak również niektóre instalacje z systemem optymalizatorów które mają funkcję bezpieczeństwa.
Wyeliminowanie niebezpieczeństwa związane z łukiem elektrycznym poprzez zaaplikowanie odpowiedniej technologii jest zdecydowanie lepszym rozwiązaniem niż inwestowanie w systemu zabezpieczeń przed wystąpieniem łuku. Zawsze istnieje ryzyko, że system zabezpieczeń zostanie źle zamontowany, nieodpowiednio serwisowany, zużyje się w czasie lub będzie posiadał wadę produkcyjną i nie zadziała prawidłowo w momencie kiedy będzie taka potrzeba.
Te technologie są dostępne w Polsce od dobrych kilku lat, więc wszystkie pożary instalacji fotowoltaicznych w Polsce spowodowane pojawieniem się łuku elektrycznego w tym okresie były do uniknięcia, gdyby tylko zastosować bezpieczną technologię!
5. Czy problem powstawania łuku elektrycznego występuje tylko w Polsce?
NIE. Problem w branży fotowoltaicznej jest powszechny i dotyczy w zasadzie całego rozwiniętego świata. Liderem w rozwiązywaniu problemu ryzyka pożaru instalacji fotowoltaicznej są Stany Zjednoczone. Już w 2014 roku stworzono tam dokument o nazwie National Electric Code (NEC) za pośrednictwem którego wprowadzono standard szybkiego wyłączania paneli fotowoltaicznych w celu wyeliminowania powstania łuku elektrycznego. Obecnie rozważane jest wprowadzenie dalszych obostrzeń poprzez ograniczenie maksymalnego napięcia w panelach do poziomu 80V lub niższego. Wszystko po to, aby zapewnić maksymalne bezpieczeństwo użytkownikom instalacji fotowoltaicznych. Problem pożarów fotowoltaiki jest monitorowany w Wielkiej Brytanii czy w Niemczech. Bardzo dużo uwagi tej tematyce poświęca się w Australii. Dzisiaj również w Polsce możemy korzystać z dorobku i doświadczeń innych Państw w tej dziedzinie.
Jeżeli jeszcze nie czytałeś czy polskie prawo oraz statystyki stoją za bezpieczeństwem użytkowników instalacji fotowoltaicznych czy nie, to koniecznie przeczytaj nasz poprzedni artykuł klikając w ten link.
W kolejnym wpisie przedstawimy wpływ inwertera na bezpieczeństwo instalacji fotowoltaicznej, a jeżeli nie chcesz czekać i poznanie tematyki bezpieczeństwa instalacji fotowoltaicznej jest dla Ciebie ważne, zapraszamy do zapoznania się z ebookiem „10 elementów instalacji fotowoltaicznej wpływających na bezpieczeństwo Twoje i Twoich najbliższych„”
