Системи за защита на PV паркове от атмосферни и комутационни пренапрежения

Директните и индиректни попадения на мълнии върху фотоволтаична система могат да индуцират атмосферни и комутационни пренапрежения, които да предизвикат сериозни повреди на PV модулите, инверторите и другите електрически компоненти в централата.

Поради тази причина всички чувствителни елементи в системата трябва да бъдат надеждно обезопасени. Изборът на тип защитно устройство зависи от спецификите на самата фотоволтаична инсталация и нейното разположение. За всички видове защити е препоръчително да се направи предварителна оценка на риска от попадение на мълнии и резултатите да се вземат предвид при проектирането на системата.

Защита на PV системи върху покриви
За фотоволтаичните инсталации върху покриви на сгради се използват два вида взаимно допълващи се защитни системи, които обезопасяват сградата и самата инсталация – външна и вътрешна система. Външната система защитава от директни попадения на мълнии, като използва един или повече мълниеприемници, които привличат мълниите и ги отвеждат към земята чрез защитни проводници. Вътрешната мълниезащита намалява риска от пренапрежения, индуцирани в инсталацията и се отнася до всички мерки за защита против неблагоприятни ефекти от удара и свързаните с него електрически и магнитни полета върху металните елементи и компоненти на инсталацията.
При проектирането на системите за защита на PV централата най-напред се установява дали сградата вече разполага с изградена мълниезащита или не. Инсталацията на самата PV система не повишава риска от попадение на мълния, но е възможно да създаде повишена опасност за електрическите устройства в сградата. Причината е, че кабелите на фотоволтаичните инсталации се намират вътре в сградата и често са разположени близо до други кабелни линии. При преминаване на част от тока на мълния по фотоволтаичните линии съществува опасност от интерферентно излъчване и значително повишение на напрежението в кабелните линии, захранващи електроуредите.

Интеграция със сградната мълниезащитна система
Защитата на фотоволтаичната система трябва да бъде проектирана в съответствие със съществуващата мълниезащитна система на сградата. Необходимо e мълниеприемниците да бъдат инсталирани така, че първо да предотвратят директно попадение на мълния върху фотоволтаиците и второ, да не правят сянка върху модулите, което би повлияло на тяхната производителност. Друго основно правило при инсталацията на фотоволтаична система върху сграда със съществуваща мълниезащита е фотоволтаичните модули да се разположат в защитната зона на мълниеприемника, за да се осигури защита от директно попадение на мълния. Токоотводите се свързват със заземителната система, като се използват изводи. Поради опасността от корозия в точката, където изводите излизат от земята или бетона, те трябва да бъдат направени от корозоустойчив материал.
Също така, важно условие е спазването на определено разстояние между носещата конструкция на фотоволтаичните панели и външната мълниезащитна система, което може да бъде изчислено според IEC 62305-3. Ако панелите са разположени върху целия покрив на сградата и това условие не може да бъде изпълнено, носещата конструкция трябва да бъде интегрирана във външната мълниезащитна система. В тези случаи специалистите препоръчват еквипотенциалното свързване за DC проводниците, провеждащи тока на мълниите. Изискваното еквипотенциално свързване се осъществява с директно свързване на всички метални системи и с индиректно свързване на всички “живи” системи през арестери. То трябва да бъде осъществено близо до входа на сградата, за да се предотврати проникване на токове на мълния вътре в нея. Еквипотенциално свързване трябва да бъде изпълнено също и за входа НН. Ако разстоянието между инвертора и входа НН е не по-голямо от 5 м, AC изходът на инвертора също е защитен. Обикновено фотоволтаичният инвертор се инсталира на тавана, поради което това условие често не е изпълнено. По тази причина са необходими допълнителни устройства. При защитата на инвертора от пренапрежение, от двете му страни (откъм постояннотоковата част и от тази на променливотоковата) се монтират защитни устройства. Изборът на тип защитно устройство зависи от вида на външната мълниезащитна уредба (изолирана или неизолирана); разстоянието между главното разпределително табло и инвертора; разстоянието между фотоволтаичните панели и инвертора. При фотоволтаични системи без външна мълниезащитна уредба е необходимо да се монтират два комплекта защитни устройства - един след инвертора и друг – в разпределителното табло, ако разстоянието между главното разпределително табло (АC) или панелите и инвертора е по-голямо от 10 м.
В сгради без изградена външна мълниезащита възможни места за инсталиране на катодни отводители са: постояннотоковият вход на инвертора; АС изходът на инвертора и влизащата захранваща линия ниско напрежение. Работното напрежение на избраната арестерна защита трябва да бъде около 10% по-високо от очакваното максимално напрежение на фотоволтаичната система.

Мълниезащита на PV паркове в открити зони
За фотоволтаични инсталации по-големи от 10 kW се изисква мълниезащитна система от клас III и вътрешна защита от пренапрежение по препоръка на VdS (европейски стандарт за противопожарна защита и сигурност). Системата на мълниезащита от клас III отговаря на обичайните изисквания за фотоволтаични системи съгласно DIN EN 62305-3 5 (VDE 0185-305-3 5):2009. С цел ограничаване на пренапреженията е необходимо да се избягват затворени контури, разположени на големи площи, както и съвпадащи трасета за слаботокови и силнотокови проводници. Добре би било да се избягва и кръстосване на снопове проводници, както и да се предвидят достатъчно големи разстояния между тях. Необходимо е, също така, да се отчита присъствието на уреди или инсталации, които генерират пренапрежения. Важно е и да се анализира местоположението им по отношение на чувствителното оборудване.
Възможните точки, в които могат да бъдат монтирани устройства за защита от пренапрежения, са разпределителната кутия на фотоелектрическата система, постояннотоковият вход на инвертора, изходът на инвертора (230 V) и в главната захранваща мрежа. Инверторът е най-важният блок на съоръжението и е подложен на особена опасност вследствие на възникване на импулсни пренапрежения. Те могат да се предотвратят с помощта на мълниезащита, заземяване, изравняване на потенциалите и екраниране, а така също и посредством правилно кабеловодене. Кабелите за изравняване на потенциали трябва да се полагат плътно и успоредно на кабелите за постоянен ток. Телекомуникационните кабели също трябва да бъдат включени в концепцията за защита от пренапрежение. Локалното заземяване трябва да бъде свързано с главната система за изравняване на потенциалите.
Мълниезащитната система се монтира на определена в DIN EN 62305 дистанция от детайлите на фотоволтаичната инсталация. Като правило е достатъчно разстояние от 0,5 м до 1 м.

Заземителната система
на фотоволтаични инсталации, разположени в открити пространства, се проектира като затворен контур с размери 20х20 м до 40х40 м. Носещите конструкции на панелите се свързват със заземителната система на всеки 10 м. Заземителите за дълбоко заземяване до дълбочина на замръзване на почвата се считат за неефикасни в при този тип инсталации. Повърхността на заземителите се разполага на най-малко 0.5 м дълбочина в почвата. Клетките се свързват помежду си с 4-проводна връзка. Връзките, намиращи се в почвата трябва да бъдат завити с антикорозионна лента. Препоръчва се ниско заземително съпротивление (по-ниско от 10 Щ, измерено при ниска честота).
Измервателните сензори за скоростта на вятъра и температурата на модула също се инсталират в зоната, защитена от мълнии. По този начин се предотвратява постъпването на ток от мълния в измервателната линия. С цел да се осигури надеждност и непрекъснатост на предаването на измерванията, е необходимо кабелите на сензорите, влизащи в сградата, също да бъдат защитени със съответните устройства.

Нормативна рамка в областта
При изграждането на фотоволтаични инсталации трябва да се съблюдават различни стандарти. Сред най-важните европейски предписания са:
- DIN EN 62305-1 (IEC 62305-1:2006):2006-10 Мълниезащита – Част 1: Основни принципи
- DIN EN 62305-2 (IEC 62305-2:2006):2006-10 Мълниезащита – Част 2: Оценка. Управление на риска - процедури и данни за изчисляване на рисковете от попадение на мълнии и избора на мълниезащитни системи.
- DIN EN 62305-3 (IEC 62305-3:2006):2006-10 Мълниезащита – Част 3: Защита на строителни съоръжения и хора
- DIN EN 62305-4 (IEC 62305-4:2006):2006 Мълниезащита – Част 4: Електрически и електронни системи в строителни съоръжения
- DIN EN 62305-3 Bbl 5 (VDE 0185-305-3 Bbl 5):2009-10 Мълниезащита – Част 3: Защита на строителни съоръжения и хора – Приложение 5: Мълниезащита и защита от пренапрежение за фотоволтаични системи
- DIN EN 61643-11 (IEC 61643-1) Устройства за защита от пренапрежение за ниско напрежение – Част 11: Устройства за защита от пренапрежение за използване в съоръжения за ниско напрежение
- DIN VDE 0100-534 (IEC 60364-5-534) Изграждане на съоръжения за ниско напрежение – част 5-53: Избор и въвеждане в действие на електрообзавеждане – изолация, превключвания и контрол –раздел 534: Устройства за защита срещу пренапрежения
- DIN VDE 0100-443 (IEC 60364-4-44) Изграждане на съоръжения за ниско напрежение – Част 4-44: Защита за безопасност – Защита срещу смущения в захранващото напрежение и електромагнитни смущения – Раздел 443: Защита срещу пренапрежения от атмосферни явления или комутационни процеси
- VDE 0100-712 (IEC 60364-7-712):2006-06 Изисквания за слънчеви фотоволтаични енергийни захранващи системи (PV).