Profesjonalny projekt systemu i jakość montażu

Bezpieczeństwo systemów fotowoltaicznych (część 2)

Systemy fotowoltaiczne osiągają żywotność wynoszącą co najmniej 20–25 lat. Według wielu niezależnych badań: prawidłowo zaplanowane, zainstalowane i obsługiwane funkcjonują bardzo bezpiecznie i niezawodnie. Jednak wady montażowe i użycie niekompatybilnych komponentów może spowodować powstawanie niepożądanych łuków elektrycznych, które w najgorszym przypadku mogą być przyczyną pożaru. Dobrą wiadomością jest jednak to, że profesjonalne planowanie i instalacja ułatwiają podejmowanie środków zapobiegających powstawaniu uszkodzeń i łuków.

W tym artykule podsumowujemy najważniejsze zasady i kryteria wyboru elementów systemu oraz zalecenia dotyczące instalacji. Podstawowa zasada brzmi: mniej znaczy więcej! Odchudzony projekt systemu, jak najmniejsza liczba (profesjonalnie zainstalowanych, kompatybilnych) połączeń wtykowych prądu stałego oraz wysokiej jakości falownik ze zintegrowanymi zabezpieczeniami sprawiają, że bezpieczna technologia fotowoltaiczna jest jeszcze bezpieczniejsza.

AUTOR TEKSTU: BERNHARD KOSSAK

Projekt instalacji: wyrafinowanie prosty

Planowanie stanowi podstawę dla długoterminowej bezpiecznej eksploatacji systemu PV. Prawidłowy dobór modułów PV, falowników, elementów montażowych, kabli, połączeń wtykowych, ochrony DC i AC oraz ochrony przeciwprzepięciowej jest bardzo ważny. Etap ten powinien zatem zostać powierzony profesjonalnemu projektantowi systemu, posiadającemu odpowiednią wiedzę i uprawnienia. Przy doborze komponentów priorytetem musi być jakość i trwałość, ponieważ pogoda, wahania temperatury i korozja mogą mieć wpływ na stan systemu. Komponenty gorszej jakości lub pominięcie urządzeń ochronnych mają negatywny wpływ na prawidłowe funkcjonowanie instalacji. Z tego powodu do instalacji elektrycznych stosuje się wiele różnych norm i standardów, a ich przestrzeganie jest priorytetem zarówno projektanta, jak i wykonawcy.

Części składowe systemu PV

Normy i profilaktyczna ochrona przeciwpożarowa

Już podczas produkcji, komponenty PV są rygorystycznie testowane pod kątem bezpieczeństwa i niezawodności, aby zapewnić, że spełniają wymogi różnych norm krajowych i międzynarodowych. Dbałość o dobór komponentów, projekt systemu oraz profesjonalny montaż są niezbędne do zminimalizowania ryzyka pożaru i wdrożenia zapobiegawczych środków ochrony przeciwpożarowej. W tym kontekście szczególnie ważną rolę odgrywa zgodna z normami instalacja złączy prądu stałego.

/ Normy produktowe dla komponentów PV definiują użyteczność i bezpieczeństwo produktu. Ważne są tu normy Polskiego Komitetu Normalizacyjnego (PKN), a zwłaszcza dwie pierwsze części normy PN-EN 62109:2010 “Bezpieczeństwo konwerterów mocy stosowanych w fotowoltaicznych systemach energetycznych” Część 1: „Wymagania ogólne” i Część 2: „Wymagania szczegółowe dotyczące falowników”. / Normy instalacyjne stanowią podstawę do planowania, budowy i testowania instalacji elektrycznych. Służą one do ochrony ludzi, zwierząt gospodarskich, dóbr materialnych, itp. PN-EN 60364-7-712:2016-05 “Instalacje elektryczne niskiego napięcia — Część 7-712: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji — Fotowoltaiczne (PV) układy zasilania” powinny być w szczególności przywołane w tym miejscu. / Krajowe wytyczne w zakresie ochrony przeciwpożarowej określają środki zapobiegania pożarom i ochrony pożarowej. W Austrii są to wytyczne ÖVE R 11-1:2013 03 01: “Systemy PV – Dodatkowe wymagania bezpieczeństwa, Część 1: Wymagania dotyczące ochrony służb ratowniczych”, lub w Niemczech VDE-AR-E 2100-712: 2018-12 “Środki dla obszaru DC systemu fotowoltaicznego w celu utrzymania bezpieczeństwa elektrycznego w przypadku pożaru lub pomocy technicznej”. Nie ma obecnie obowiązującej w Polsce dyrektywy, normy, rozporządzenia ani wytycznych dotyczących ochrony przeciwpożarowej instalacji fotowoltaicznych.

Akty prawne:

/ ustawa z dnia 7 lipca 1993 roku Prawo budowlane, / ustawa z dnia 24 sierpnia 1991 roku o ochronie przeciwpożarowej, / rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, / rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 roku w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów

Niedawno w prawie budowlanym wprowadzono zapis o konieczności uzgodnienia projektów instalacji PV z rzeczoznawcą ds. zabezpieczeń przeciwpożarowych. Z uwagi na brak przepisów wykonawczych, panuje bardzo duża dowolność i uznaniowość zakresu tych uzgodnień. Instalacje fotowoltaiczne, czyli instalacje elektryczne wyposażone w urządzenia fotowoltaiczne, powinny być projektowane i budowane zgodnie z przepisami oraz zasadami wiedzy technicznej i tak też powinny być uzgadniane. Rzeczoznawcy nie mogą bazować na materiałach marketingowych, plotkach i niesprawdzonych informacjach.

Delikatne złącza DC

Połączenia wtykowe prądu stałego pomiędzy modułami oraz łańcuchem modułów z falownikiem są niezbędne przy budowie systemu PV. Połączenia te są niezwykle ważne i muszą być starannie wykonane podczas instalacji, aby zapewnić ich wieloletnie funkcjonowanie. Wadliwe połączenia w obwodzie prądu stałego są drugą najczęstszą przyczyną pożaru PV, zaraz po czynnikach zewnętrznych (np. wyładowanie atmosferyczne). Niewłaściwie zainstalowane złącza DC lub kombinacja niekompatybilnych par złączy może prowadzić do wzrostu temperatury, łuku elektrycznego, a w najgorszym przypadku: do pożaru. Dlatego projekt systemu uwzględniający ochronę przeciwpożarową redukuje liczbę złączy prądu stałego do niezbędnego minimum.

W badaniu przeprowadzonym przez TÜV Rheinland i Fraunhofer ISE (2015) stwierdzono: “Każdy dodatkowy komponent niesie ze sobą ryzyko wynikające z dodatkowych punktów połączeń i innych źródeł błędów. System „odchudzony”, z jak najmniejszą ilością komponentów ma tę zaletę, że jest mniej miejsc, w których może pojawić się usterka“. Badania kilku pożarów w budynkach Walmart w Stanach Zjednoczonych wykazały, że główną przyczyną pożaru były złącza DC pomiędzy modułami a optymalizatorami (Roselund, PV Magazine. 2019; Lopez, Business Insider, 2019). Te dodatkowe komponenty są zazwyczaj wstawiane do systemu PV z dwoma dodatkowymi punktami połączeń na każdym pojedynczym module PV. To potraja liczbę punktów połączeń po stronie prądu stałego w porównaniu do zwykłej konstrukcji z falownikiem łańcuchowym i stwarza proporcjonalnie więcej potencjalnych źródeł błędów.

Porównanie liczby złączy DC z optymalizatorami DC i bez nich

20 modułów w instalacji z falownikiem łańcuchowym (po lewej) i z optymalizatorami DC (po prawej)

Falowniki z wbudowanym zabezpieczeniem

Falowniki stanowią centrum technologiczne systemu PV i przekształcają prąd stały (DC) na prąd zmienny (AC). Te zaawansowane technologicznie urządzenia zawierają środki techniczne gwarantujące wysokie bezpieczeństwo. Zintegrowany nadzór nad stanem izolacji przewodów DC, zabezpieczenie przepięciowe, zabezpieczenie sieciowe i systemowe są przydatne do wykrywania usterek podczas pracy systemu. Certyfikowane, mechaniczne rozłączniki prądu stałego zapewniają, że w razie problemów można odłączyć połączenia po stronie prądu stałego pomiędzy falownikiem a modułami.

Do instalacji falowników wybierane są odpowiednie, bezpieczne miejsca. Optymalizatory DC są instalowane z tyłu modułów PV i są narażone na bardzo wysokie temperatury w przypadku pożaru. I właśnie wtedy powinny zadziałać, czego obecnie nie zapewnia żaden standard produktu.

Profesjonalny montaż (instalacja)

Po dokładnym zaplanowaniu i doborze komponentów kluczem jest profesjonalny montaż. Zdecydowanie powinien zostać przeprowadzone przez doświadczonego specjalistę. Jednak międzynarodowe badania pokazują, że po oddziaływaniach zewnętrznych, takich jak ugryzienia gryzoni czy uderzenia pioruna, błędy w instalacji po stronie DC systemu PV są jedną z najczęstszych przyczyn pożaru. Niewłaściwe ułożenie kabli, otarcia lub naprężenia rozciągające na połączeniach kablowych prowadzą do uszkodzeń izolacji lub osłabienia połączeń. Jeśli nie zostaną one na czas wykryte, mogą prowadzić do powstania łuków elektrycznych. Uszkodzone lub niekompatybilne połączenia wtykowe również mogą powodować powstawanie łuków. Jeśli złącza DC żeńskie i męskie nie pasują do siebie, np. przy łączeniu produktów różnych producentów, może to prowadzić do nieprzewidzianych zachowań związanych z rozszerzalnością cieplną, korozją z powodu niekompatybilności chemicznej lub szczelinami z powodu różnic konstrukcyjnych. Dlatego zgodnie z normą PN-EN 60364-7-712:2016 należy stosować tylko żeńskie i męskie złącza prądu stałego tego samego typu i producenta.

Niedopasowanie złącz: wyniki badań laboratoryjnych (Berginski, 2013)

Zmniejszenie ryzyka powstania łuku

Błędy w instalacji można łatwo uniknąć poprzez szkolenie i przestrzeganie wszystkich norm i specyfikacji producenta. Instytucje takie jak Niemieckie Stowarzyszenie Przemysłu Słonecznego (BSW-Solar), Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE), TÜV Rheinland oraz Central Association of German Electrical and Information Technology Trades (ZVEH) podsumowują następujące zasady ograniczania ryzyka powstawania łuku elektrycznego w systemach fotowoltaicznych w swoich arkuszach informacyjnych:

1. Dedykowane przewody: najnowszym stanem techniki są kable jednożyłowe PV z oznaczeniem PV1-F. Charakteryzują się one wysoką odpornością na wpływy środowiska lub obciążenia mechaniczne oraz posiadają izolację pozwalającą na stosowanie ich w urządzeniach i systemach klasy ochrony II.
2. Złącza zgodne z PN-EN 62852:2015-05 (“Złącza DC stosowane w systemach fotowoltaicznych — Wymagania bezpieczeństwa i badania”): odpowiedniki (męskie/żeńskie) muszą być tego samego typu i producenta.
3. Należy stosować kanały kablowe: zapewniają one niezawodną ochronę przed naprężeniami mechanicznymi i innymi uszkodzeniami. Na łukach, skrzyżowaniach i końcach kanałów/siatek kablowych nie mogą znajdować się jednak ostre krawędzie, ponieważ mogą one uszkodzić izolację. Należy również unikać długotrwałego zanurzenia przewodów w wodzie.
4. Przestrzegać promienia gięcia: należy przestrzegać promienia gięcia podanego przez producenta przewodu, w przeciwnym razie izolacja zostanie przeciążona, co doprowadzi do pęknięć, szczególnie w niskich temperaturach. Odpowiednia długość kabla musi być wcześniej rozważona. Jeśli promienie gięcia nie są przestrzegane, jest to poważna wada montażu.

Źródło BSW et al. 2017: Zapewnienie odpowiednich długości kabli, aby zapewnić promienie gięcia pomiędzy poprzecznie zamontowanymi modułami PV i zapobiec obciążeniom rozciągającym na puszce przyłączeniowej modułu.

5. Mocowanie przewodów: służy do pochłaniania obciążeń, chroni przed mechanicznym przeciążeniem i zapobiega otarciom. W tym celu należy stosować odpowiednie urządzenia i wsporniki oraz przestrzegać odległości mocowania. Opaski kablowe nie nadają się do przenoszenia obciążeń!
6. Zapewnienie odciążenia: odciążenia chronią przed mechanicznym przeciążeniem i często są zintegrowane np. z wtykami lub puszkami przyłączeniowymi modułów. Mogą one jednak absorbować tylko ograniczone siły. Należy wziąć pod uwagę większe obciążenia, stosując odpowiednią metodę montażu.
7. Połączenia wtykowe: muszą być prawidłowo podłączone zgodnie z instrukcjami producenta i nie mogą być instalowane pod wpływem naprężeń mechanicznych; należy również unikać stałego kontaktu z wodą. Podczas planowania i instalacji należy wziąć pod uwagę dostępność do późniejszych prac kontrolnych i konserwacyjnych.
8. Ograniczenie możliwości rozprzestrzeniania się ognia: łuki mogą spowodować zapalenie się palnych membran dachowych i leżącej pod nimi izolacji przy bezpośrednim kontakcie. Podczas planowania należy sprawdzić, czy materiały niepalne mogą być stosowane w sposób preferencyjny lub czy można zapewnić wystarczającą odległość między kablem a okładziną dachu w długim okresie czasu, np. poprzez zapewnienie wystarczającej ilości podkładu mineralnego.
9. Zabezpieczenie wejście przewodów do budynku: kable nie mogą przebiegać przez ostre krawędzie i należy zachować szczelność dachu. Bezpośrednio przed wejściem na dach zaleca się poprowadzenie przewodów DC plus i DC minus oddzielnie do budynku w odległości od 5 do 10 centymetrów.
10. Rozdzielnice i szafy rozdzielcze: Wymagania normy PN-EN 61439-2:2011 („Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe — Część 2: Rozdzielnice i sterownice do rozdziału energii elektrycznej”) odnoszą się do skrzynek przyłączeniowych generatorów, przy czym szczególną uwagę należy zwrócić na prawidłowe podłączenie kabli oraz rozdzielenie stron plus i minus. Zwiększone opory stykowe na skutek nieprawidłowego podłączenia mogą prowadzić do przegrzania punktu połączeniowego, a nawet do powstania łuków elektrycznych.

Na koniec, po zainstalowaniu, instalator powinien przeprowadzić profesjonalne uruchomienie systemu PV z obszernym testem działania i kontrolą wszystkich komponentów.

Bezpieczne oznaczenia i instrukcje

W każdym punkcie dostępu do części pod napięciem po stronie prądu stałego powinno znajdować się stałe ostrzeżenie, że części te mogą być nadal zasilane. Dzieje się tak nawet po wyłączeniu falownika, wyłączeniu napięcia prądu przemiennego w budynku (np. wyłącznikiem głównym) lub ustawieniu odłącznika prądu stałego w falowniku na “0”.

Na falowniku należy umieścić ostrzeżenie, że prace konserwacyjne mogą być wykonywane tylko po odłączeniu zarówno po stronie prądu stałego, jak i przemiennego oraz ostrzeżenie, że kondensatory w falowniku zgromadziły energię i że rozładowanie do bezpiecznego poziomu może potrwać kilka minut.

Podsumowanie i perspektywy

Po wyjaśnieniach w tym artykule jest oczywiste, że najbezpieczniejszym systemem PV dla służb ratowniczych jest ten o najniższym możliwym ryzyku pożarowym: nie ma pożaru – nie ma gaszenia ognia – nie ma ryzyka. W związku z tym zapobieganie pożarom jest najważniejszym priorytetem podczas planowania i instalacji. Niestety, dodatkowe wbudowane w instalację fotowoltaiczną środki bezpieczeństwa dla służb ratowniczych nie oznaczają automatycznie mniejszej ilości pożarów. Przeciwnie, mogą one zwiększyć ryzyko błędów w instalacji lub jeszcze bardziej narazić personel ratowniczy na niebezpieczeństwo ze względu na domniemane bezpieczeństwo. Kolejny artykuł skupi się na połączeniach prądu stałego oraz zintegrowanych i doposażonych środkach bezpieczeństwa.

---

Zalecenia dotyczące bezpieczeństwa przy projektowaniu i instalacji systemu

• ”Odchudzona” konstrukcja systemu z minimalną liczbą złączy DC. Im mniej punktów kontaktowych, tym mniejsza możliwość nieprawidłowego montażu.
• Profesjonalny montaż przez wykwalifikowany personel, który przestrzega wszystkich norm i instrukcji producenta oraz zapewnia bezpieczne funkcjonowanie całego systemu przez wiele lat.
• Uruchomienie zgodne z normą zgodnie z PN-EN 62446-1:2016-08 („Systemy fotowoltaiczne (PV) — Wymagania dotyczące badań, dokumentacji i utrzymania — Część 1: Systemy podłączone do sieci — Dokumentacja, odbiory i nadzór, w tym badania i dokumentacja rozruchowa”)
• Okresowa kontrola instalacji PV zgodnie z IEC 62446-2:2020 („Photovoltaic (PV) systems – Requirements for testing, documentation and maintenance – Part 2: Grid connected systems – Maintenance of PV systems”) – na chwilę obecną brak odpowiednika PKN.
• Automatyczna kontrola izolacji przewodów DC przez falownik przed rozpoczęciem pracy rano i nieprzerwanie podczas pracy. Jest to system wczesnego ostrzegania, który wykrywa i zgłasza nieprawidłowości, a w razie potrzeby nawet wyłącza falownik.
• Monitorowanie systemu: falowniki dobrej jakości umożliwiają przejrzyste monitorowanie działania systemu, w tym ostrzeganie o błędach.

Literatura:

1. Berginski M., Multi-Contact, 2013, Sichere Steckverbindungen: Paarung von Fremdprodukten / Crimpen im Feld, 2.ter Workshop PV Brandsicherheit: http://www.pv-brandsicherheit.de/fileadmin/WS_24-01-13/09_Berginski_Sichere_Steckverbindungen.pdf, Freiburg.
2. Bundesverband Sozialwirtschaft e.V. (BSW-Solar), Hrsg., 2017, Merkblatt für Planer und Installateure, Lichtbogenrisiken an PV-Anlagen reduzieren, Berlin. https://www.solarwirtschaft.de/fileadmin/user_upload/hinweise_vermeidung_lichtb.pdf
3. Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco, 2015, Relazione tecnica sugli incendi coinvolgenti impianti fotovoltaici 1a cura del NUCLEO INVESTIGATIVO ANTINCENDI, Rome.
4. ECN TNO, 2019, Brandincidenten met fotovoltaische (PV) systemen in Nederland – Een inventarisatie. www.tno.nl, Petten
5. Fraunhofer ISE, 2017, Recent Facts about Photovoltaics in Germany. Fraunhofer ISE, Division Photovoltaic Modules, Systems and Reliability, Freiburg
6. Sepanski, A. et.al., 2015, Assessment of the fire risk in PV-arrays and development of security concepts for risk minimization. TÜV Rheinland Energie und Umwelt GmbH, Köln

---

O autorze:

Bernhard Kossak studiował Renewable Energy Systems (Systemy Energii Odnawialnej) w Wiedniu. Od 2017 r. jest Ekspertem ds. Norm, a od 2019 – Dyrektorem ds. Technologii Systemów w Business Unit Solar Energy. Prowadzi prace normalizacyjne na poziomie krajowym i międzynarodowym w następującym zakresie:

• DKE K 261 – Aspekty systemowe zasilania elektrycznego

• DKE K 221.5 – Zrównoważone instalacje elektryczne

• IEC TC 82 Słoneczne systemy fotowoltaiczne – Kontrola zagrożenia pożarowego PV

Od ponad 10 lat jest aktywnym członkiem Ochotniczej Straży Pożarnej w Austrii.

---

Webinaria na temat bezpieczeństwa instalacji PV:

Białe księgi (pliki .pdf do pobrania):

• Bezpieczeństwo pożarowe instalacji PV – wytyczne z zakresu bezpieczeństwa pożarowego dla projektantów, instalatorów i inspektorów ppoż.
• Ograniczenie ryzyka wystąpienia pożaru w instalacjach PV. Instrukcje dla instalatorów, projektantów i inspektorów ochrony ppoż., które wskazują sposoby ograniczenia ryzyka wystąpienia pożaru w instalacjach PV
• Uzgadnianie projektów instalacji PV o mocy większej niż 6,5 kWp z rzeczoznawcą ds. zabezpieczeń przeciwpożarowych