Ochrana před bleskem a přepětím pro solární články

Účinná ochrana před bleskem a přepětím pro solární články je nutná z hlediska životnosti solárních generátorů (asi 20 let) a citlivé elektroniky měničů. Nejen majitelé objektů, ale také vlastníci soukromých společností se rozhodují stále častěji pro investici do solární techniky, která je ve většině případů instalována na volných střešních prostorách objektů. Z důvodu velkých prostorových nároků jsou tato zařízení ohrožena obzvlášť při bouřkách bleskovými výboji. Příčinou přepětí v solárních kolektorech jsou induktivní a kapacitní vazby, které jsou způsobeny bleskovými výboji i vzdálenými a spínacími přepětími ze sítě nn. Přepětí vzniká v důsledku šíření bleskového proudu a může způsobit škody na solárních modulech a měničích. Toto má zpravidla závažné následky na provoz zařízení. K nákladům na opravu zařízení je nutno přičíst také ztráty způsobené výpadkem zařízení.

Nutnost ochrany před bleskem

Obecně je třeba rozlišit, zda na objektu je, či není instalován hromosvod. U objektu veřejného charakteru, např. školy, nemocnice, je vyhláškami a normami daná povinnost zřídit hromosvod. Je nutno rozlišit umístění, provedení a využití objektu a je zapotřebí instalovat trvalou účinnou hromosvodní ochranu. U soukromých (neveřejných) staveb hromosvod je někdy opomenut. Je to dáno nejen finančním hlediskem, ale také z důvodu nerespektování citlivosti vnitřních elektrických a elektronických zařízení. Byla-li budova, kde se mají instalovat solární kolektory, bez hromosvodu, je na zvážení, zda po instalaci kolektorů nedojde k nutnosti zřízení hromosvodu pro celou budovu. Podle aktuálního stavu ekonomických poznatků nezvyšuje instalace solárních článků na budovách riziko úderu blesku do těchto budov, přitom by však solární články neměly být přímo spojeny s hromosvodní ochranou. Články představují zvýšené nebezpečí pro elektrická a elektronická zařízení uvnitř budovy z důvodu svedení části bleskového proudu přes existující kabelové šachty a kabelové rošty (galvanická vazba). V nich se také mohou indukovat přepětí v důsledku elektromagnetického pole. Proto je nutno při projektování ochrany přihlížet k tolerovatelnému (maximálnímu) riziku objektu a vypočtenému (skutečnému) riziku na základě nového připravovaného souboru norem EN 62305-2 (Řízené riziko). Jsou rozlišovány čtyři třídy LPS (systému ochrany před bleskem) I až IV. Na základě výpočtu řízeného rizika bude zjištěno, zda navržená ochranná opatření před bleskem a přepětím jsou dostatečná.

Solární články na objektech bez hromosvodu

Možná místa instalace přepěťových ochran:

• rozváděč generátorů;
• vstup (DC) měniče;
• vstup (AC) měniče.

Provozní napětí přepěťové ochrany je nutno navrhnout tak, aby bylo vyšší než napětí naprázdno generátoru za studeného zimního dne při maximálním slunečním svitu. Přepěťové ochrany jsou v různých provedeních a napětích. Také pro napětí generátorů jsou k dispozici speciální přepěťové ochrany až do 1 000 V (tabulka 1). Tyto přepěťové ochrany jsou řady DEHNguard s bezpotenciálovým kontaktem pro dálkovou signalizaci stavu svodiče. Tím dojde k úspoře nákladů za kontrolu (revizi) svodičů po bouřkách.

Tabulka 1 - Rychlý přehled DEHNguard Y PV

Ochranná opatření před přepětím jsou účinná jen místně. Součástí solárních článků je zejména měnič, který může být vzdálen několik metrů od rozváděče generátoru. Je rovněž chráněn svodiči přepětí na straně stejnosměrného napětí. Svodiče přepětí stejných typů jsou instalovány rovněž v rozváděči generátoru. Pro snížení příčných přepětí v hlavním stejnosměrném vedení generátoru je doporučeno použití stíněného vedení.

Solární články na objektech s hromosvodem

Řádný stav systému ochrany před bleskem a přepětím je ověřen výchozí nebo pravidelnou revizí. Zjištěné závady na hromosvodu (silná koroze součástí, uvolněné nebo chybějící spoje) by měl revizní technik písemně oznámit majiteli objektu nebo provozovateli zařízení. Při instalaci kolektorů by mělo být přihlíženo k aktuálnímu stavu hromosvodu. Solární kolektory by měly být umístěny do ochranného prostoru vnější jímací soustavy. Jímací soustava (např. jímací tyče) by měla zabránit přímému úderu blesku a zároveň by neměla zastínit kolektory (obr. 1). Vnější jímací soustava bude spojena se stávající jímací soustavou a přes svody spojena se zemí. Je nutno upozornit na to, aby byla dodržena dostatečná vzdálenost s mezi jímací soustavou a solárními články, okapy nebo anténami. Dostatečnou vzdálenost je možno vypočítat podle EN 62305-3. Není-li možno dodržet dostatečnou vzdálenost s, je nutno vodivě spojit na těchto místech hromosvod a konstrukci solárních článků (obr. 2). Ve všech jiných případech je potřeba zabránit přímému vodivému spojení hromosvodu a kovových konstrukcí článků.

Obr. 1 - Návrh jímací soustavy

Obr. 2 - Solární články na budově s hromosvodem

Na obr. 3 je zobrazena koncepce ochrany před přepětím pro budovu s hromosvodem. Možná místa instalací jsou:

• rozváděč generátoru;
• vstup (DC) měniče;
• vstup (AC) měniče;
• vstupní vedení sítě nn.

Na vstupu (DC) měniče bude zapojena přepěťová ochrana na hlavní vedení generátoru. Provozní napětí přepěťové ochrany je nutno navrhnout tak, aby bylo vyšší než napětí naprázdno generátoru za studeného zimního dne při maximálním slunečním svitu. Přepěťové ochrany na vstupu měniče chrání měnič před přepětím, které může vzniknout na nestíněném vedení generátoru.

Obr. 3 - Solární články na objektu s hromosvodem, schéma zapojení přepěťových ochran

Nachází-li se hlavní vedení generátoru mimo ochranný prostor jímací soustavy, musí být buď stíněné (dimenzováno na bleskový proud), nebo musí být uloženo např. v kovové trubce, která je schopna vést bleskový proud. Stínění vedení musí být vodivě spojeno s konstrukcí nejen na straně generátoru, ale také na straně vstupu (DC) se zemí. Je-li použito stíněné vedení, má kromě snížení přepětí další ochranný účinek ve vztahu k EMC (anténní charakteristika vedení generátoru). Vyzařované elektromagnetické pole tohoto vedení bude značně sníženo. Průřez stínění by měl být minimálně 16 mm² Cu, aby vydržel účinky bleskových proudů.

Napájecí síť nn

Vyrovnání potenciálů bleskového proudu je podstatnou součástí ochrany před bleskem pro všechna kovová vedení vstupující do chráněného objektu. Požadavky na vyrovnání potenciálů bleskového proudu budou splněny přímým spojením neživých kovových částí a nepřímým spojením živých vodičů přes svodiče bleskových proudů na hlavní vyrovnání potenciálů co nejblíže vstupu do objektu. Tímto ochranným opatřením dojde k zabránění šíření bleskového proudu v objektu. Zvolené svodiče bleskového proudu, např. DEHNbloc Maxi, musí odpovídat danému typu napájecí sítě nn (TNC, TNS, TT) a měly by být na bázi jiskřiště. Svodiče přepětí mohou být i kombinované, např. DEHNventil (typ 1 a 2). DEHNventil umožňuje instalaci i citlivých elektronických zařízení do 5 m od jeho místa instalace. Je-li koncové zařízení vzdáleno více než 5 m od DEHNventilu, je potřeba před něho umístit svodič přepětí, např. DEHNguard nebo S-Protector (typ 2 nebo 3) - obr. 4.

Obr. 4 - Ochranná opatření pro objekt se solárními články

Vyrování potenciálů

Solární generátory jsou svou funkcí srovnatelné s anténami. Z tohoto důvodu je nutno odborně provést uzemnění kovových konstrukcí solárních generátorů. Pro zabránění přeskoků na jiné konstrukce nebo součásti budov a pro snížení elektromagnetického pole by měly být uzemňovací přívody (vedení vyrovnání potenciálů) přednostně vedeny vně budovy co nejpříměji k zemniči. Následná rozhodnutí by měla vycházet z přehledu, kde budou umístěny přepěťové ochrany a instalováno vyrovnání potenciálů.

Shrnutí

• začlenění solárního generátoru do koncepce hromosvodní ochrany;
• použití stíněného vedení generátoru;
• instalace přepěťových ochran na vstupu (DC) měniče;
• instalace přepěťových ochran na vstupu (AC) měniče;
• instalace kombinovaného svodiče na vstupním napájecím vedení sítě nn (vyrovnání potenciálů bleskového proudu);
• vyrovnání potenciálů vně i uvnitř budovy.