Dispozitivele de protecție necesare pentru sistemul fotovoltaic

În continuare vom discuta despre dispozitivele de protecție necesare într-un sistem fotovoltaic. Vreau să specific că acest articol are la bază standardul SR HD 60364-7-712.

Voi grupa dispozitivele de protecție în 2 categorii: dispozitivele de protecție pe partea de curent continuu și dispozitivele de protecție pe partea de curent alternativ.

Dispozitivele de protecție pe partea de curent continuu

Protecția la supracurent (și scurtcircuit)

Înainte de a discuta despre dispozitivele de protecție la supracurent, presupunem că s-a făcut dimensionarea corectă a conductoarelor din sistem. 

Când sunt necesare dispozitive de protecție la supracurent?

Pentru un sistem fotovoltaic trebuie montate dispozitive de protecție la supracurent atunci când este îndeplinită următoarea condiție:

1,35 x Maximum Series Fuse (sau I mod max ocpr) < (Ns-1) x Isc max

• Maximum series fuse este specificat în fișa tehnică a panoului, mai este denumit uneori și I mod max ocpr.
• Isc max este curentul maxim de scurtcircuit, și este egal cu 1,25 x Isc STC, unde Isc STC este curentul de scurtcircuit la STC adică la condițiile standard de testare. 
• Ns este numărul de șiruri în paralel.

Practic asta înseamnă că într-un sistem fotovoltaic cu unul sau 2 șiruri în paralel nu este necesar un dispozitiv de protecție la supracurent, ci doar dacă sunt mai mult de 2 șiruri în paralel

Cum alegem valoarea curentului nominal In pentru dispozitivele de protecție la supracurent?

Curentul nominal In trebuie să îndeplinească următoarea condiție:

1,1 Isc max ≤ In ≤ Maximum series fuse

Exemplu: avem 3 șiruri de panouri legate în paralel, Isc 10 amperi și Maximum Series Fuse 20 amperi, putem alege valoarea fuzibilei între 13,75 și 20 amperi. Eu aș alege cea mai mică valoare disponibilă, adică 14 amperi.

De asemenea dispozitivele de protecție la supracurent mai trebuie să îndeplinească următoarele:

• tensiunea nominală de utilizare să fie mai mare decât tensiunea VOCmax a sistemului.
• capacitatea de rupere trebuie să fie cel puțin egală cu Isc max al sistemului.
• dispozitivele de protecție la supracurent trebuie să fie bidirecționale.

Pentru că am fost criticat când am afirmat că pentru maxim 2 șiruri în paralel nu avem nevoie de protecție la supracurent, voi continua cu câteva explicații și cu 2 scenarii care să ilustreze de ce nu avem nevoie de așa ceva, practic fizică de liceu.

Explicații:

Un panou are un curent Isc care este destul de mic încât chiar dacă îl scurtcircuitam (legăm direct conectorii plus cu minus, tensiune 0) el nu va fi afectat. Conductoarele care leagă celulele și mai ales diodele bypass sunt dimensionate astfel încât să reziste minim la un curent egal cu Maximum Series Fuse, care este mult mai mare decât Isc  (între 2.5 și 3 Isc conform IEC TS 62257-7-1). În plus curentul la putere maximă Imp este foarte apropiat de curentul Isc și nu ai ce siguranță să pui să declanșeze la Isc și nu la Imp. De exemplu, la un panou canadian solar de 380w avem Isc=11,68 amperi și Imp=11,02 amperi, iar Maximum Series Fuse=20A, deci el va rezista la maxim 20A.

Trebuie avut în vedere ca toate conductoarele de legătură să fie dimensionate corect, astfel încât să suporte un curent permanent maxim admisibil Iz﹥Isc max (unde Isc max este egal 1,25 x Isc). O să pun pe site în un calculator de secțiuni necesare pentru conductoare. Ele se calculează în general pentru a avea maxim o cădere de tensiune de 3% la Vmp și Imp.

O altă confuzie des întâlnită este despre declanșarea siguranțelor. Atenție, o siguranță fuzibilă de 20 amperi înseamnă că ea va funcționa până la 20 amperi inclusiv, în regim continuu, fără să se ardă. Deci ea nu va declanșa la 20 amperi. Majoritatea producătorilor de siguranțe fuzibile pun la dispoziție în fișa tehnică curbe de declanșare. 

Vedem în curba asta că o siguranță de 20 amperi va declanșa undeva la 24 amperi în 2000 secunde și la 70 amperi într-o secundă. De-abia la sute de amperi va declanșa aproape instantaneu.

După aceste explicații minimale să trecem la 2 scenarii de exemplificare:

Primul scenariu sunt 2 șiruri paralele. După cum vedeți în schemă presupunem odată un scurt în interiorul unui panou, și odată pe conductoarele de legătură. În ambele cazuri în tot circuitul avem Isc max, și doar unde apare scurtcircuitul avem 2 x Isc. Deci chiar dacă ai o siguranță montată undeva, ea nu se va declanșa niciodată deoarece curentul maxim în orice loc în circuit va fi maxim Isc max. 

În scenariul 2 avem 3 sau mai multe șiruri paralele. În acest caz curentul generat de un scurtcircuit poate deveni periculos deoarece în cazul unui panou defect, scurtcircuitat, curentul invers este destul de mare încât să distrugă panoul sau să producă un incendiu. Prin urmare fiecare șir va avea nevoie de un dispozitiv de protecție la supracurent. În standard se specifică că ambele polarități trebuie să fie protejate cu astfel de dispozitive.

Acum să revenim la ce dispozitive de protecție putem folosi. Conform standardului putem folosi fie siguranțe fuzibile gPV sau siguranțe automate de tip MCB pentru curent continuu. Nu se vor folosi siguranțe MCB pentru curent alternativ, deoarece ele nu pot întrerupe un arc electric de curent electric și se vor autodistruge.

De-asemenea MCB-urile utilizate nu trebuie să aibă sens, trebuie să fie bidirecționale. De exemplu avem Schneider c60 și Schneider c60pv. Schneider c60 nu e bidirecțională și e riscul ca la un curent invers să se distrugă, după cum se poate vedea în filmulețul următor: https://www.youtube.com/watch?v=Cup5fMGaE2g . În plus, pentru a preveni formarea arcului electric, fiecare dispozitiv fără capacitate de rupere care poate fi folosit pentru a deschide un circuit în curent continuu trebuie securizat împotriva funcționării neprevăzute și/sau neautorizate. Astfel de dispozitive sunt de exemplu soclurile cu siguranțe fuzibile.

Trebuie să mai specific că deși nu avem nevoie de dispozitive de protecție la supracurent pentru 1-2 șiruri în paralel, avem mereu nevoie de un separator care să oprească curentul continuu către invertor. Aceasta este o cerință obligatorie în standard. Pentru scopul unui separator se pot folosi și siguranțe automate pentru curent continuu, care însă să fie bidirecționale, cum am specificat mai devreme. Atenție, fuzibilele nu pot fi folosite ca și separator, deoarece nu sunt făcute să fie deconectate în sarcină. Separatorul trebuie să poată fi acționat și în sarcină, în caz de urgență. 

Separator cu 4 poli se poate găsi aici.

Trebuie să amintesc de siguranța necesară pentru bateria sistemului fotovoltaic. De obicei, la sistemele hibride de la firmele consacrate de genul Fronius și Huawei, care au propria soluție de stocare bazată pe baterii la tensiuni mari (High Voltage), bateriile sunt modulare și au inclusă siguranța. La aceste sisteme bateriile sunt practic plug and play și nu mai necesita o siguranță externă. Însă în sistemele modulare de genul Victron sau invertoarele hibrid pe 24 sau 48 volți de genul Growat sau MPP Solar îți poți configura propriul tău banc de acumulatori din celule individuale.

În acel caz trebuie utilizată o siguranță care să protejeze atât la supracurent cât și la scurtcircuit. Ea trebuie montată pe cablul pozitiv, cât mai aproape de borna pozitivă a bateriei.

Dacă sunt mai mulți consumatori conectați la baterie, fiecare trebuie protejat individual cu o siguranță, în plus față de siguranța principală de pe baterie. Curentul nominal al siguranței trebuie ales în funcție de cât suportă bateria sau de curentul maxim admisibil al cablului, oricare din el este mai restrictiv.

Protecția la supratensiune 

Protecția la supratensiune este efectuată cu ajutorul dispozitivelor de protecție la supratensiune SPD (Surge Protection Device) sau descărcătoare. În general SPD-urile trebuie să fie de tip 2.

Conform standardului, când invertoarele încorporează SPD pe partea de curent continuu, cum se găsesc la unele modele Huawei, se consideră că îndeplinesc funcția de protecție împotriva supratensiunilor numai dacă producătorul invertorului specifică utilizarea lor ca fiind recomandată pe partea de curent continuu instalației PV. În caz contrar protecția trebuie să fie asigurată de SPD externe. În practică nu am găsit nici un producător care să furnizeze un document oficial care să afirme asta, așa că eu am folosit numai SPD externe. 

Ca și alegere a specificațiilor unui SPD avem următoarele:

• Ucpv, adică tensiunea maximă de regim permanent, se alege în funcție de VOC max, și trebuie să fie mai mare sau egală cu aceasta Ucpv ≥ VOC max. 
• In, adică curentul nominal de descărcare, trebuie să fie minim 5ka pentru SPD tip 2.
• Imax, care corespunde valorii de vârf a curentului maxim pe care descărcătorul (SPD-ul) îl poate gestiona cel puțin o dată fără a se defecta.
• Iscpv, adică curentul nominal de scurtcircuit, trebuie ales în funcție de curentul maxim Isc max al sistemului.

Trebuie citit manualul de instalare al SPD, dacă acesta specifică un dispozitiv de protecție la supracurent care să deconecteze SPD în caz de defecțiune. La cele de la Eti pe care le-am folosit eu nu era necesar.

Montarea SPD se efectuează cat mai aproape de invertor. Pentru conexiunile SPD la borna principală de legare la pământ, conductoarele trebuie să fie dimensionate la o secțiune transversală minimă de 6 mmp Cu pentru SPD tip II şi de 16 mmp Cu pentru SPD tip I. Descărcătorul se montează în amonte de separator pentru că, dacă acesta este deschis, invertorul este protejat, însă nu și modulele.

Când sunt montate SPD pe ambele părţi de curent alternativ, respectiv continuu ale invertorului, în ansambluri de tablouri separate, se recomandă să se reducă distanţa dintre acele tablouri. Pentru mai multe detalii despre SPD găsiți în manualul acesta.

Recomandarea mea pentru SPD pe partea de curent continuu (CC) sunt SPD-urile Noark din seria Ex9UEP de 600V și 1000V

Dispozitivele de protecție pe partea de curent alternativ

Protecția la supracurent (și scurtcircuit)

În cazul protecției pentru supracurent și scurtcircuit, pe partea de curent alternativ trebuie utilizată o siguranță cu un curent nominal care este specificat de producătorul invertorului.

Dacă nu este specificat curentul nominal, acesta se alege ca fiind 1,1 x curentul nominal al invertorului. Ca și pe partea de curent continuu, dispozitivul de protecție trebuie să fie bidirecțional. Specific asta deoarece unele diferențiale au sens, și se defectează partea de protecție diferențială dacă sunt declanșate când sensul curentului este invers.

Sensibilitatea diferențialei la curentul de scurgere este specificata de obicei în manualul invertoarelor. Orice echipament electronic modern are un curent de scurgere, care însă este foarte mic de obicei. 

De asemenea, trebuie utilizate conductoare dimensionate corect pentru curentul nominal din circuit. În manualele invertoarele sunt de obicei recomandate secțiunile minime necesare.

Siguranța utilizată pentru protecția la supracurent poate fi considerată și dispozitiv de secționare/separare, care să permită scoaterea de sub tensiune a invertorului în vederea mentenanței sau înlocuirii invertorului.

Protecția la supratensiune 

Pentru protecția la supratensiune se folosesc descărcătoare la supratensiune. Standardul recomandă că dacă invertorul este situat la mai mult de 10 m față de origine instalației, trebuie instalat un SPD in plus langa invertor, în afară de cel instalat la originea instalației. 

Ca și alegere a specificațiilor unui SPD avem următoarele:

• Uc, adică tensiunea de lucru continuă, de obicei este 255 V. Peste această tensiune descărcătorul devine activ.  
• In, adică curentul nominal de descărcare, trebuie să fie minim 5ka pentru SPD tip 2.
• Imax, care corespunde valorii de vârf a curentului maxim pe care descărcătorul (SPD-ul) îl poate gestiona cel puțin o dată fără a se defecta. Cu cât este mai mare cu atât este mai rezistent descărcătorul..
• tipul de rețea de distribuție, în cazul branșamentelor casnice de la noi este de obicei TNC-S

Recomandarea mea pentru SPD monofazic pe partea de curent alternativ (CA) este SPD de la NOARK Ex9UE2 2P 275V

Acesta este o schemă generală în care se regăsesc dispozitivele de protecție necesare într-un sistem fotovoltaic unde am utilizat un invertor hibrid ongrid fără injecție, dotat și cu banc de baterii. Aici invertorul este în serie, are și intrare și ieșire pe partea de AC. 

A doua schemă este pentru un invertor ongrid cu injecție. Aici invertorul are o singura conexiune bidirecțională pe partea de AC.

Dacă cumpărați din linkurile de mai jos mă susțineți să fac în continuare filmulețe și articole:
Separator 2p Noark 16A
Separator 2p Noark 32A
Suport dublu fuzibile Noark
Fuzibile
SPD DC Noark 1000V
SPD DC Noark 600V
SPD AC Noark 275V

Pentru orice alte întrebări și discuții vă aștept pe grupul Totul despre Fotovoltaice pe Facebook și pe canalul de YouTube Full Electric.

Atenție! Orice intervenție asupra echipamentelor electrice se face doar de către personal autorizat!