Wszystko zależy od połączeń wtykowych DC

Bezpieczeństwo systemów fotowoltaicznych (część 3)

Fotowoltaika to bardzo bezpieczna technologia. Zostało to już wyjaśnione w poprzednich artykułach z tej serii i potwierdzone wynikami międzynarodowych badań. Podstawą tego zabezpieczenia jest profesjonalny projekt systemu i profesjonalna instalacja – szczegółowo omówiliśmy to w drugim artykule. Dzisiaj przyjrzymy się bliżej połączeniom wtykowym DC i obwodom po stronie DC, ponieważ oba są ważne dla bezpieczeństwa systemów PV.

Błędy montażowe na połączeniach wtykowych DC mogą spowodować powstanie łuku, który w najgorszym przypadku może doprowadzić do pożaru. W przypadku systemów skupiających się na prewencyjnej ochronie przeciwpożarowej zasada „mniej znaczy więcej” byłaby zatem oczywista. Im mniej połączeń wtykowych DC, tym mniej możliwości błędów instalacji i większe bezpieczeństwo. Jest to również najbezpieczniejsze dla strażaków: brak ognia = brak gaszenia pożaru! Na tym tle rozważamy instalację dodatkowych optymalizatorów prądu stałego lub tak zwanego „wyłącznika straży pożarnej”.

AUTOR TEKSTU: BERNHARD KOSSAK

Od prądu stałego do przemiennego

Systemy fotowoltaiczne przetwarzają promieniowanie Słońca na energię elektryczną. Płynie ona do falownika jako prąd stały (DC). Tam jest przetwarzana na prąd przemienny (AC), który jest potrzebny odbiornikom, takim jak lampy, komputery i pralki. Instalacja po stronie prądu stałego jest wyjątkowa, ponieważ części te są pod napięciem, gdy tylko promieniowanie słoneczne dotrze do modułów fotowoltaicznych.

Jednak połączenia DC są niezbędne do zbudowania systemu PV. Służą do podłączenia modułów fotowoltaicznych do falownika. Są trudne podczas montażu, a także stanowią potencjalne źródło błędów, dlatego muszą być profesjonalnie zamontowane i trwale zabezpieczone przed uszkodzeniem, aby przeciwdziałać powstawaniu łuków.

Złącza DC: więcej nie zawsze znaczy lepiej

W zależności od tego, jak planowany jest system fotowoltaiczny, połączenia wtykowe DC można ograniczyć do wymaganego minimum lub ich liczbę można nawet potroić w interesie rzekomego bezpieczeństwa. Rzekome bezpieczeństwo, ponieważ z jednej strony błędy instalacyjne, tj. błąd ludzki, a z drugiej strony niedopasowanie połączeń wtykowych prądu stałego pochodzących od różnych producentów, są postrzegane jako główne przyczyny pożarów w systemach PV w kilku międzynarodowych badaniach[1]. Oczywisty wniosek jest taki: im więcej połączeń wtykowych, tym więcej potencjalnych źródeł błędów.

Najczęstsze typy błędów instalacji po stronie prądu stałego obejmują niecałkowicie włożone złącza lub słabe zaciskane złącza na kablach podczas montażu. Przyczyną tego jest na przykład presja czasu lub użycie kombinerek do zaciskania złączy zamiast użycia specjalnego narzędzia. Stosowanie niecertyfikowanych systemów złączy jest również możliwym źródłem błędów. W najgorszym przypadku takie wady mogą doprowadzić do stopienia złącza, a nawet pożaru.

---

[1] Sepanski et al. 2015, BRE 2017, S. 10, ECN TNO, 2019, Corpo Nazionale die Vigili del Fuoco, 2015

Oto, co jest ważne w przypadku połączeń wtykowych DC:

Prawidłowo wykonane połączenia zaciskane

Zagniatanie tworzy jednorodne, trudne do rozłączenia połączenie między przewodem a elementem łączącym. Jeżeli nie jest możliwe ułożenie konfekcjonowanego kabla z wtyczką, to kabel doprowadzany jest do miejsca docelowego i tam ustanawiane jest połączenie pomiędzy kablem a wtyczką. Zaciskanie to ma na celu zapewnienie bezpieczeństwa elektrycznego i mechanicznego, dlatego ogólne wymagania i uwagi dotyczące zastosowań są określone w normie DIN EN 60352-2: 2006 Część 2: Połączenia zaciskane.

Profesjonalne połączenia zaciskane charakteryzują się brakiem dostępu powietrza do żyły przewodu, odpornością na korozję i rozciąganie oraz nienaruszoną izolacją. Nieprawidłowe zaciskanie prowadzi do połączeń o większej rezystancji styku, co zwiększa ryzyko powstania łuku elektrycznego. Przyczyną błędów jest niewystarczające przeszkolenie personelu montażowego, brak precyzji podczas montażu spowodowany presją czasu lub niekorzystnymi warunkami, a także użycie gorszych lub nieprawidłowych narzędzi do zaciskania, takich jak kombinerki.

Źródło: Stäubli Electrical Connectors, 2013, wykład PV fire safety, Dr. M. Berginski

Certyfikowane złącza

Zarówno instytuty badawcze TÜV, jak i UL odradzają łączenie złączy różnych producentów. Tylko konsekwentne stosowanie systemów złączy jednego producenta zapewnia utrzymanie certyfikatów.

Należy również zauważyć, że nazwy producentów, takie jak „kompatybilny z MC4”, są mylące. W tym kontekście kompatybilność nie oznacza, że złącza są bezpieczne lub certyfikowane. Nawet jeśli wtyczki pozornie pasują do siebie, korozja, interakcje między różnymi materiałami, zanieczyszczenia lub naprężenia rozciągające mogą w dłuższej perspektywie uszkodzić połączenie. Obecnie nie ma międzynarodowego standardu testowania zgodności złącza. Sekcja 712-5256.1 normy IEC 60364-7-712 stwierdza, że połączone ze sobą złącza męskie i żeńskie muszą być tego samego typu i producenta.

Rozwiązania problemu, który nie istnieje?

Klasyczne systemy falowników łańcuchowych są tworzone od dziesięcioleci i każdego dnia udowadniają swoją funkcjonalność na całym świecie. Są teraz również częścią rozszerzonego podstawowego szkolenia dla strażaków, ponieważ systemy fotowoltaiczne muszą być brane pod uwagę podczas operacji na coraz większej liczbie budynków. Wcześniejsze szczegółowe rozważenie połączeń wtykowych DC w systemach PV będzie teraz pomocne w ocenie tak zwanych dodatkowych instalacji bezpieczeństwa w celu ochrony personelu ratunkowego. Wszystkie systemy niskonapięciowe, w tym również systemy fotowoltaiczne, wymagają specjalnego podejścia od strażaków. Odpowiednie procedury i wytyczne dotyczące usuwania są stosowane w praktyce od około 30 lat i zostały wystarczająco przetestowane. Niemniej jednak regularne szkolenia powinny oczywiście zapewniać zapoznanie się ze wszystkimi krokami na wypadek sytuacji awaryjnej.

Wraz z optymalizatorami mocy prądu stałego i tak zwanymi „wyłącznikami straży pożarnej” – odłączniki prądu stałego umieszczane w pobliżu dachu, oferowane są dodatkowe elementy chroniące służby ratownicze przed napięciem elektrycznym w przypadku pożaru. Choć brzmi to obiecująco, zasadniczo bezpieczny system PV staje się złożony i podatny na błędy. Niezawodna funkcjonalność w przypadku pożaru nie została jeszcze potwierdzona w przypadku optymalizatorów mocy prądu stałego. Raczej istnieje ryzyko, że służby ratownicze będą narażać się na niebezpieczeństwa wynikające z zakładanej ochrony.

Optymalizator mocy prądu stałego – potencjalnie niebezpieczne urządzenie zabezpieczające?

Optymalizatory prądu stałego (elektronika mocy na poziomie modułu, ang. Module Level Power Electronics, MLPE) zostały zaprojektowane w celu zmniejszenia strat wydajności, gdy występuje cień. W tym celu optymalizatory DC są przymocowane z tyłu każdego pojedynczego modułu PV i połączone dwoma dodatkowymi złączami wtykowymi DC. Oznacza to, że liczba punktów przyłączenia prądu stałego na dachu potroi się, a jak na rys.2 jest to problematyczne z kilku powodów. Oprócz wyższych kosztów zakupu i konserwacji zwiększa to również ryzyko błędów montażowych (potencjalne źródła łuku) oraz ryzyko niekompatybilności z parami złączy DC innych producentów. Duża liczba punktów kontaktowych DC do zainstalowania nie przyczynia się do prewencyjnej ochrony przeciwpożarowej: im bardziej złożony system fotowoltaiczny, tym bardziej staje się również podatny na błędy.

Producenci optymalizatorów prądu stałego twierdzą również, że systemy z optymalizatorami są bezpieczniejsze w przypadku pożaru, ponieważ każdy moduł fotowoltaiczny można wyłączyć. Podobnie jak falowniki łańcuchowe, optymalizatory prądu stałego są certyfikowane zgodnie z IEC 62109-1 i -2. Gwarantuje to bezpieczeństwo użytkowania na zewnątrz w temperaturze otoczenia od -20 do +50 stopni Celsjusza. Jednak temperatura pożaru na dachu znacznie przekracza + 50°C (nawet kilkunastokrotnie), dlatego te normy bezpieczeństwa nie są reprezentatywne dla warunków panujących za modułem PV, w którym znajdują się optymalizatory mocy. Strażacy nie powinni polegać na elektronice mocy optymalizatora prądu stałego faktycznie działającej niezawodnie na dachu w przypadku pożaru oraz na tym, że system PV powinien być traktowany jak każdy inny system pod napięciem.

Rozłącznik DC – bezpieczeństwo na wypadek pożaru?

To samo można założyć dla rozłączników DC, tzw. „wyłączników strażaka”. Powinny one oddzielać obwód prądu stałego w pobliżu modułów – zwykle za pomocą zdalnego sterowania. Ich funkcjonalność jest certyfikowana zgodnie z normą IEC 60947, normą dotyczącą rozdzielnic niskiego napięcia IEC do +40°C na zewnątrz. To, że produkt jest certyfikowany zgodnie z tą normą, nie oznacza, że można go używać w przypadku pożaru w znacznie wyższych temperaturach. Dlatego zaleca się, jako środek ostrożności, przyjąć, że system nadal działa.

Podsumowując, wyłączenie na poziomie modułu i odłączniki DC wydają się być rozwiązaniem problemu bezpieczeństwa, który nie istniał w praktyce straży pożarnej. Zamiast tego, według TÜV Rheinland i Fraunhofer ISE[1], wiąże się to z większym prawdopodobieństwem błędów instalacji i ryzykiem niedopasowania złącza. Niezawodna funkcjonalność w przypadku pożaru nie została jeszcze udowodniona.

---

[1] Sepanski et al. 2015, p. 204

Ochrona przeciwpożarowa i ochrona służb ratowniczych

Bezsprzecznie duże znaczenie ma zarówno prewencyjna ochrona przeciwpożarowa, jak i ochrona służb ratowniczych. Przede wszystkim należy zwrócić uwagę na unikanie i zapobieganie pożarom, ponieważ jeśli w ogóle nie ma pożaru, służby ratownicze nie muszą interweniować. To najlepszy sposób na ochronę ludzi i mienia. Niemniej jednak, z wielu różnych powodów, w budynkach z systemem fotowoltaicznym i bez niego będzie się powtarzać. Dlatego artykuł w następnym magazynie poświęcony jest informowaniu i szkoleniu strażaków w zakresie bezpiecznego użytkowania systemów PV.

Literatura:

1. Berginski M., Multi-Contact, 2013, Bezpieczne połączenia wtykowe: parowanie produktów innych firm / zaciskanie w terenie, 2. warsztat Bezpieczeństwo przeciwpożarowe PV: http://www.pv-brandsicherheit.de/fileadmin/WS_24-01 -13/09_Berginki_Sichere_Steckverbindungen.pdf, Freiburg
2. BRE National Solar Center, 2017a, Fire and Solar PV Systems – Investigations and Evidence. https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/630639/fire-solar-pv-systems-investigations-evidence.pdf, Cornwall
3. Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco, 2015, Relazione tecnica sugli incendi coinvolgenti impianti fotovoltaici 1a cura del NUCLEO INVESTIGATIVO ANTINCENDI, Rzym
4. ECN TNO, 2019, Incydenty pożarowe systemów fotowoltaicznych (PV) w Holandii – Een Inventarisatie, www.tno.nl, Petten
5. Fronius International, 2020, Bezpieczeństwo systemów PV, spostrzeżenia i zalecenia; Biała księga.
6. Sepanski i in., 2015, Ocena ryzyka pożaru w macierzach PV i opracowanie koncepcji bezpieczeństwa w celu minimalizacji ryzyka. TÜV Rheinland Energy and Environment GmbH, Kolonia

---

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