Złącza MC4 – czym są?

Złącza fotowoltaiczne, powszechnie znane jako MC4, stworzyła i wprowadziła na rynek szwajcarska firma Multi-Contact (czyli MC). Cyfra cztery w nazwie pochodzi od średnicy kontaktu elektrycznego równego 4 mm. Złącza są powszechnie kopiowane przez wiele firm (rys.1).

rys. 1 – Oryginalne złącza MC4 – pierwsze z lewej i ich nieudane kopie

 

Oryginalne złącza MC4 – zalety

Nadal jedynie złącza firmy MC zapewniają minimalne straty wyprodukowanej energii od momentu uruchomienia i przez cały czas działania instalacji oraz jej bezpieczeństwo, ponieważ:

1. kontakty elektryczne wykonane są z miedzi cynowanej (w kopiach spotyka się np. stop CuNiSi);
2. pokrycie cyną miedzianych pinów zmniejsza tempo korozji elektrochemicznej powodującej wzrost w czasie rezystancji połączenia (posrebrzanie kontaktów jest gorszym rozwiązaniem ze względu na większą wartość potencjału elektrochemicznego na połączeniu Cu-Ag);
3. kontakty żeńskie wyposażone są w elementy sprężyste polepszające siłę styku;
4. kontakty elektryczne łączy się z przewodem za pomocą zaciskania, co zapewnia lepszy kontakt elektryczny niż zatrzaski (zatrzaski nie wymagają narzędzi, ale trudno jest określić rezystancję kontaktu takiego połączenia).

Dzięki tym cechom rezystancja kontaktu jest minimalna nawet po 20-25 latach i nigdy nie przekroczy wartości 0,35 mΩ,co potwierdziły wyniki testów starzeniowych wykonanych przez firmę Multi-Contact. Maksymalna wartość rezystancji kontaktu w monitorowanej przez okres 12 lat instalacji PV wybudowanej na dachu firmy MC zmierzonej w warunkach rzeczywistych nie przekroczyła wartości 0,18 mΩ (wykres nr 1).

wykres nr 1 – Rezystancja kontaktu R (µΩ) w funkcji czasu t (dni)

 

Czy kopie MC4 rzeczywiście są gorsze?

Wybierając złącza do instalacji fotowoltaicznej, należy być świadomym, że choć prawie wszystkie wyglądają podobnie, to ich obraz termowizyjny w czasie przepływu prądu produkowanego przez moduły może znacznie się różnić, o czym świadczy wynik testu wykonanego i opublikowanego w 2004 r. przez TÜV Rheiland (źródło: TÜV Rheiland 12/2004).

TÜV wybrał do testu złącza PV dostępne na rynku (zdj. 2), obciążył je i zmierzył temperaturę kamerą termowizyjną (zdj. 3).

MC3 ↓ MC4 ↓

zdj. 2 – Złącza wybrane przez TÜV Rheiland do testu

zdj. 3 – Obraz termowizyjny obciążonych złączy PV

Temperatura niektórych złączy w czasie przepływu prądu była bardzo wysoka, co oznacza, że duża część wyprodukowanej energii wydzieliła się w postaci ciepła, czyli została stracona. Innym bardzo ważnym skutkiem zbyt wysokiej temperatury jest niszczenie izolacji złączy i przewodów.

Jedna z firm, która produkuje złącza łudząco podobne do złączy MC4, podawała w katalogu z 2010 r. rezystancję kontaktu swoich złączy ≤ 5.0 mΩ.

Poniższe dwa przykłady obliczenia energii wydzielonej w postaci ciepła na złączach obrazują, jak duże wartości mogą wchodzić w grę.

Przykład nr 1

Obliczenie energii straconej na jednym połączeniu w ciągu 1 godziny na rezystancji kontaktu R = 4 mΩ, dla prądu I = 10A.

En = R x I²x t = 4 mΩ x (10A)² x 1h = 400 mWh = 0,4 Wh

Na 100 połączeniach (wtyk/gniazdo) będzie to wartość 40 Wh, czyli stracimy tyle energii, ile pobiera żarówka 40 W! podczas godzinnej pracy.

Przykład nr 2 (złącza MC4 firmy Multi-Contact)

Obliczenie energii straconej na jednym połączeniu w ciągu 1 godziny na rezystancji kontaktu R = 0,35 mΩ, dla prądu I =10A.

En = R x I²x t = 0,35 mΩ x (10A)² x 1h = 35 mWh = 0,035 Wh

Na 100 połączeniach (wtyk/gniazdo) będzie to wartość tylko 3,5 Wh.

Rola złączy MC4 dla oszczędności w dużych instalacjach

Oczywistym jest, że im większa instalacja, tym większa ilość złączy, a w konsekwencji większa możliwa wartość energii straconej na rezystancji kontaktu, a co za tym idzie – mniejsza efektywność energetyczna danej instalacji.

Inwestorzy dużych elektrowni PV najpewniej nie zdają sobie sprawy, że – zamawiając dużą ilość modułów fotowoltaicznych – mogą żądać od producentów modułów, aby wyposażyli je w puszki odprowadzające prąd ze złączami zaufanej firmy lub dostarczyli je bez złączy, ponieważ każdy panel to jedna para złączy, czyli pojedyncze źródło strat.

14 października 2015 r. Polska Grupa Energetyczna Energia Odnawialna S.A. (http://www.pgeeo.pl/o-spolce/projekty-dofinansowane#elektrownia-fotowoltaiczna-na-gorze-zar) oddała do użytku elektrownię fotowoltaiczną o mocy 600 kW na Górze Żar w Międzybrodziu Żywieckim, w której zainstalowano 2400 modułów PV (zdj. 4). Wykonawca instalacji zastosował oryginale złącza MC4.

zdj. 4 – Elektrownia Fotowoltaiczna należąca do PGE Energia Odnawialna S.A. na Górze Żar (http://www.gkpge.pl/)

Biorąc pod uwagę dane z przykładu nr 1, gdyby moduły wyposażone były w złącza złej jakości, straty energii wyprodukowanej w tej elektrowni tylko w ciągu 1 godziny dla prądu 10A mogłyby wynieść 2400 x 0.4 Wh = 960 Wh (prawie 1 kWh).

Certyfikacja złącz MC4

Ważną informacją dla inwestorów oraz projektantów dużych elektrowni może być wiadomość, że złącza MC4 firmy Multi-Contact mogą być stosowane w instalacjach o napięciu 1500 V, na co firma MC posiada stosowny certyfikat TÜV.

Wszystkie elementy połączeniowe produkowane przez firmę Multi-Contact odpowiadają obowiązującym normom (DIN V VDE V 01263, ochrona przed dotykiem bezpośrednim – IP2X, według normy IEC60529), zapewniając bezpieczeństwo użytkowania nawet w sytuacji rozłączenia obwodu, a napięcie nominalne instalacji może wynosić nawet 1000-1500 V.

Złącza firmy Multi-Contact posiadają następujące certyfikaty:

1. TÜV;
2. UL (USA) (większość producentów złączy posiada tylko certyfikat TÜV);
3. CSA (Kanada);
4. GOST (Rosja);
5. odporności na sole zawarte w powietrzu;
6. odporności na amoniak zawarty w powietrzu (ważne w okolicach rolniczych).

1. Na obudowie wtyku (MINUS) znajdują się białe napisy: z jednej strony „STOP”, a z drugiej „Do not disconnect under load” („Nie rozłączaj w czasie przepływu prądu”).
2. Na obudowie gniazda (PLUS) widnieją wytłoczone pierwsze litery nazwy firmy, czyli MC oraz UR informujące o posiadanym amerykańskim certyfikacie UL.
3. Czarny kolor uszczelki wykonanej z poliamidu (PA) o bardzo wysokiej odporności na starzenie termiczne.

 

„Kompatybilne” wtyczki MC4 mogą być przyczyną pożaru

W krajach, w których instalacje fotowoltaiczne są montowane od lat kilkunastu, przygotowano statystyki, z których wynika, że najczęstszą przyczyną powstania zagrożenia pożarowego instalacji PV są łuki elektryczne na niekompatybilnych złączach DC. Potwierdzają to m.in. najnowsze badania holenderskiego urzędu technicznego(TNO), które wskazują, że najczęstszym powodem pożarów było wykorzystywanie złączy różnych producentów. Rozważając zatem kwestie bezpieczeństwa pożarowego PV, nie możemy pominąć tych drobnych, ale jakże istotnych elementów.

Więcej nt. potencjalnych przyczyn incydentów pożarowych w instalacjach PV można przeczytać tutaj: Bezpieczeństwo pożarowe instalacji PV. Należy podkreślić, że prawidłowo wykonana instalacja fotowoltaiczna jest całkowicie bezpieczna, a incydenty pożarowe dotyczą zaledwie ok. 0,014 proc.wszystkich domowych instalacji PV.

Powstawanie łuku elektrycznego

Łuk elektryczny może zdarzyć się tylko wtedy, gdy wystąpią poważne usterki w istotnych dla bezpieczeństwa systemu PV elementach i nie zostaną one zawczasu wykryte. Przyczynami mogą być np. uszkodzenie podwójnej izolacji przewodu DC w kilku miejscach lub zwiększona oporność na styku uszkodzonego złącza.

Zasadniczo rozróżnia się łuki równoległe i szeregowe. Znacznie bardziej prawdopodobne jest wystąpienie łuku szeregowego. W typowym systemie PV istnieją niezliczone punkty połączenia szeregowego, np. w module między poszczególnymi ogniwami, na złączach przewodów, w skrzynce przyłączeniowej modułu, na zewnątrz modułu w skrzynkach połączeniowych DC, na złączach DC lub wewnątrz falownika. Jeśli jedno z tych połączeń jest słabo wykonane, jego stan będzie pogarszał się w trakcie pracy w wyniku zwiększonej rezystancji styku: miejsce to nagrzewa się, gdy płynie prąd i pojawia się „gorący punkt” tzw. hotspot.

Ze względu na pojawienie się ciepła materiał kontaktu może dyfundować lub nawet stopić się, aż w pewnym momencie połączenie zostanie całkowicie przerwane. W tym przypadku łuk może wytworzyć się nad – początkowo bardzo małą – szczeliną powietrzną. Łuki szeregowe mają zwykle mniejszą energię, niż łuki równoległe, i często taki łuk występuje tylko w jednym z kilku równoległych łańcuchów. W rezultacie są one znacznie trudniejsze do zidentyfikowania, ponieważ wydaje się, że instalacja kontynuuje normalną pracę. Jednak najlepiej można zapobiec ich powstawaniu lub co najmniej zminimalizować je, jeśli zastosuje się do wytycznych, takich jak chociażby: Ograniczenie ryzyka wystąpienia pożaru w instalacjach PV.

W przypadku tzw. łuków równoległych już zapewnienie monitorowania stanu izolacji DC przez falownik zapewnia znaczną ochronę, bo – poprzez wyeliminowanie pierwszych symptomów błędów izolacji – w większości przypadków można zapobiec powstaniu łuku równoległego. Oznacza to jednak, że operator systemu fotowoltaicznego musi być szczególnie uczulony na to, by analizować komunikaty o błędach pochodzące z falownika i poinformować o tym fakcie specjalistyczną firmę.

rys. 2 – Różne lokalizacje ryzyka wystąpienia łuków szeregowych i równoległych.

W przypadku łączenia n modułów PV w pojedynczy łańcuch mamy n + 1 połączeń.

W przypadku stosowania w instalacji zewnętrznych urządzeń typu MLPE podłączanych do każdego z modułów ilość połączeń wzrasta do (2 • n) + n + 1 = 3 • n + 1, a więc trzykrotnie!

 

Kompatybilność złączy MC4

W pierwszych latach budowania instalacji PV na rynku dostępny był szereg różnych typów złącz DC. Były to wyraźnie różne konstrukcje i nie można było ich ze sobą łączyć. Na początku XXI w. złącze typu MC4 (produkowany przez Multi-Contact AG, od 1 stycznia 2017 r. o nazwie Stäubli Electrical Connectors AG) stało się najbardziej popularne. Inni producenci zaczęli dostosowywać swoje złącza do produktu “MC4”. Nie są jednak dostępne żadne standardy, wytyczne ani specyfikacje techniczne, które szczegółowo definiowałyby konstrukcję tych konektorów. Norma PN-EN 62852:2015, często przywoływana w kontekście złącz DC, jest normą bezpieczeństwa produktu i nie ma na celu testowania wzajemnego dopasowania różnych złącz.

Doświadczenia innych krajów wskazują, że problemy ze złączami DC są główną przyczyną awarii oraz zagrożenia pożarowego w systemach PV. Raporty z różnych laboratoriów testowych wykazały, że szczególnie niebezpieczne mogą być połączenia wykonane złączami DC pochodzącymi od różnych producentów. Nawet jeśli spełniają one podstawowe wymagania jakościowe w krótkim okresie czasu, w dłuższej perspektywie mogą obniżać jakość połączenia, a w efekcie zwiększać zagrożenie pożarowe.

Łączenie modułów między sobą jest względnie bezpieczne, ponieważ łączy się je konektorami pochodzącymi od tego samego producenta. Problem pojawia się jednak na zakończeniach łańcucha modułów. Natomiast szczególną uwagę na zagadnienie kompatybilności złącz należy zwrócić przy podłączaniu do modułów zewnętrznych urządzeń MPLE (ang. Module Level Power Electronics), takich jak mikrofalowniki lub optymalizatory mocy. Niezastosowanie złącz tego samego typu i producenta w modułach PV i urządzeniach MLPE może potencjalnie prowadzić do zwiększenia ryzyka powstania łuku elektrycznego, a co za tym idzie – ryzyka powstania pożaru.

Niezależnie od tych okoliczności, złącza DC są często deklarowane przez producentów jako „kompatybilne z MC4”. To twierdzenie o zgodności jest potencjalnie mylące, ponieważ sugeruje bezpieczną interoperacyjność złączy DC pochodzących od różnych producentów.

Przyczyny nieprawidłowego połączenia złączy DC pochodzących od różnych producentów mogą być następujące:

• producenci używają różnych stopów metali – powoduje to wysokie ryzyko zwiększonej rezystancji między złączami DC, np. z powodu korozji kontaktowej na styku dwóch różnych materiałów;
• producenci stosują różne konstrukcje styków – powoduje to wysokie ryzyko zwiększonej odporności;
• nie są zdefiniowane tolerancje mechaniczne – może to prowadzić zarówno do stresu materiałowego, jak i do luźnych (niepewnych) połączeń;
• materiał użyty do polimerowych (plastikowych) części oryginalnego złącza DC nie został podany – to stwarza ryzyko niekompatybilności chemicznej oraz różnej rozszerzalności cieplnej, co przekłada się na przyspieszone starzenie elementów oraz ryzyko rozszczelnienia złącza, co może prowadzić do przedostania się pyłu i wody.

W Europie normy IEC 62548 i IEC 60364-7-712:2017 nie zezwalają na podłączanie złączy DC różnych producentów. Norma PN-EN 62852:2015-05 (wersja angielska) nie jest dedykowana do zastosowania w przypadku użycia złącz DC wytwarzanych przez różnych producentów i nie gwarantuje długoterminowej niezawodności takiego połączenia. Mimo wyraźnych zakazów w tych międzynarodowych standardach, świadomość pojawiającego się zagrożenia, gdy lekceważy się te klauzule, nie jest dziś wystarczająca.

MC4 – oryginał a złącze kompatybilne

Stosowanie oryginalnych wtyczek MC4 jest jednym z podstawowych wymagań do zapewnienia bezpieczeństwa instalacji PV, zważywszy na następujące fakty:

• nie wolno łączyć ze sobą wtyczek i gniazd pochodzących od różnych producentów; pojęcie wtyczki „kompatybilnej z MC4” jest z założenia fałszywe, ponieważ nie ma żadnego standardu, który definiowałby, jakie parametry, wymiary oraz materiały mają być zastosowane, aby wtyczka idealnie pasowała do oryginału;
• ze statystyk wynika, że jedną z najczęstszych przyczyn powstania zagrożenia pożarowego są wtyczki DC, zatem należy dążyć do zmniejszenia liczby połączeń DC w instalacji;
• wszelkiego rodzaju urządzenia, które dołącza się bezpośrednio do modułów PV muszą mieć wtyczki tego samego typu i pochodzące od tego samego producenta, co moduły PV; stosowanie wtyczek i gniazd „MC4” pochodzących od różnych producentów, w tym mieszanie oryginałów z kopiami, to najczęstsza przyczyna spalenia/pożaru złącza DC!

Podsumowanie

Zastosowanie oryginalnych złączy MC4 firmy Multi-Contact zapewnia:

1. bezpieczeństwo pożarowe i elektryczne (skutkiem przegrzewania złączy może być zniszczona izolacja, co powoduje groźbę powstania łuku elektrycznego, a w jego następstwie pożaru);
2. niezawodność (brak przerw serwisowych w pracy instalacji);
3. dużą sprawność instalacji w długim okresie;
4. większy zysk całkowity inwestycji (mniejsze straty energii na rezystancji złączy i przewodów).

Zastosowanie takich złączy w praktyce gwarantuje znaczne przewyższenie znaczenia zwiększonych wstępnych kosztów inwestycji, które według szacunków firmy MC mogą wynosić 1 USD na 1kWp mocy zainstalowanej.

mgr inż. Alicja Miłosz
SEMICON Sp. z o.o.
www.semicon.com.pl

Dodatek

Białe księgi (pliki .pdf do pobrania):