Nejčastější příčinou poškození střídače po bouřce v instalaci C&I není přímý úder blesku, ale špatně postavený ochrana fotovoltaických instalací před bleskem, tj. nesprávné připojení ochranného uzemnění PE střídače k systému ochrany před bleskem budovy. Pokud ochrana před bleskem a uzemnění PE fotovoltaického systému sdílejí společný vodič nebo jsou připojeny příliš blízko sebe, bleskový proud vstupuje do skříně střídače jako cesta s nejnižší impedancí a ničí elektroniku na straně DC nebo AC – často obchází i svodiče přepětí. Správný princip je jednoduchý: ochrana před bleskem a uzemnění PE střídače by měly být vedeny odděleně ke společnému uzemňovacímu bodu, ale s použitím různých vodičů, a vzduchové koncovky by měly být udržovány v bezpečné vzdálenosti od zařízení. V tomto článku ukážeme, jak to provést na komerční střeše, se specifickými průřezy a vzdálenostmi materiálů. Growatt.
Vyžaduje ochrana před bleskem pro fotovoltaickou instalaci na střeše C&I samostatný systém ochrany před bleskem?
Ve většině případů ne. Ochrana před bleskem pro fotovoltaickou instalaci na střeše komerční nebo průmyslové budovy může využít stávající systém ochrany před bleskem v zařízení, pokud existuje a je v provozu. To zkracuje dobu instalace a snižuje náklady, protože využívá infrastrukturu již vybudovanou ve fázi výstavby – v železobetonových konstrukcích jsou vzduchotechnické terminály a uzemňovací mřížka často zabudovány do betonového rámu.
Přístup k ocelovým střechám je podobný jako k železobetonovým střechám. Výběr vzduchových koncovek, svodů, uzemňovacích elektrod a spojovacích materiálů je založen na stejných principech. Od samého začátku projektu je však třeba mít na paměti důležitý rozdíl: ochrana před bleskem pro fotovoltaické instalace není totéž co ochranné uzemnění pro elektrická zařízení . Záměna těchto dvou systémů je zdrojem většiny poruch po bouřce.
Ochrana před bleskem pro fotovoltaické instalace: výběr materiálů a uzemnění
Materiály musí odolávat bleskovému proudu a dlouhodobé korozi střechy. Níže jsme shromáždili parametry z materiálů výrobců, které jsou základem ochrany před bleskem pro fotovoltaické instalace – užitečné pro odhad nákladů a výběr na místě.
| Prvek | Materiál a minimální rozměry |
|---|---|
| Vertikální vzduchový terminál (tyč) | Kulatá ocel, průměr 12–16 mm |
| Horizontální vzduchové koncovky (páska/drát) | Kulatá ocel, min. 8 mm silná, nebo plochá ocel, min. 4 mm silná |
| Odtokové potrubí | Žárově zinkovaná ocel, kulatý průřez min. 8 mm nebo plochý průřez min. 4 mm; pro vyšší požadavky dvouvrstvý izolovaný měděný drát 35 mm² |
| Trubková uzemňovací elektroda | Žárově pozinkovaná ocelová trubka, průměr 50 mm, tloušťka stěny min. 3,5 mm |
| Úhlová zemnící tyč | Úhelník 50×50×5 mm, min. délka 2,5 m |
| Plochá zemnící tyč | Plochá tyč 40×4 mm, délka 2,5–4 m |
| Hloubka umístění ploché tyče | Min. 0,5 m horizontálně |
| Hloubka úhlové zemnící tyče | Min. 2,5 m svisle |
| Vyrovnání potenciálů modulů | Žlutozelený vodič 4 mm² |
Každý svařovaný spoj musí být chráněn před korozí. Na střeše, kde je kontakt s vodou a solí každodenní záležitostí, ztrácí neomítnutý svar po dvou sezónách elektrickou kontinuitu a ochrana fotovoltaické instalace před bleskem selže právě ve chvíli, kdy je to nejvíce potřeba.
Vyrovnání potenciálů modulů, na které se často zapomíná
Výrobci potahují hliníkové rámy modulů a pozinkované nebo hliníkové konstrukce. To znamená, že samotné upínání nezajišťuje správné uzemnění – povlak izoluje kontakt. Účinného uzemnění modulu je dosaženo pouze tehdy, když je zemnicí otvor v modulu skutečně připojen k nosné konstrukci. V praxi funguje ochrana před bleskem pro fotovoltaické instalace na úrovni jednotlivých modulů takto: žlutozelený vodič o průřezu 4 mm² vedený k bodu vyrovnání potenciálů.
Spojení mezi konstrukčními prvky musí mít také trvalou elektrickou kontinuitu. Používá se kulatá ocel o tloušťce nejméně 8 mm nebo plochá ocel o tloušťce nejméně 4 mm a metody spojování zahrnují svařování mědi a zinku, bodové svařování, ohýbání hran, překrývání nebo šroubování. Zkušenosti ukazují, že svařování je nejodolnější, ale každý svar vyžaduje následnou úpravu a ochranu proti korozi.
Zóny instalace svodičů přepětí a bezpečná vzdálenost S
Svody vzduchu a svody, které do značné míry určují ochranu fotovoltaických instalací před bleskem, musí dodržovat bezpečnou vzdálenost S od panelů, střídačů, kabelů a rozvaděčů. Pro typickou střechu pětipatrové budovy s výškou přibližně 15 metrů je doporučená hodnota S přibližně 2,5 metru. Tuto hodnotu lze zjednodušit a upravit nepřímo úměrně výšce budovy – čím vyšší je konstrukce, tím menší je požadovaná vzdálenost.
Uspořádání svodičů přepětí závisí na tom, zda je dodržena vzdálenost S:
- Když je S zachováno: Moduly přepětí jsou instalovány v pozicích 1, 2 a 3 systému.
- Pokud S není zachováno: Kromě pozic 1, 2 a 3 je v pozici 4 přidán také přepěťový modul.
V praxi to znamená, že na úzkých střechách, kde jsou vzduchový terminál a střídač od sebe vzdáleny méně než 2,5 metru, je nutné přidat další úroveň přepěťové ochrany. Ignorování této skutečnosti je jedním z nejčastějších důvodů, proč ochrana před bleskem ve fotovoltaických instalacích selhává a střídač selhává i přes přítomnost SPD.
SPD typu I a typu II na straně DC a AC
Střídač má interní svodiče přepětí na straně stejnosměrného i střídavého proudu, uzemněné k uzemňovací svorce zařízení. To je dobrý základ, ale nevylučuje potřebu ochrany na úrovni instalace. Na střechách vystavených přímým úderům blesku se používá SPD typu I (zkušební třída I), kde může protékat určitý bleskový proud, a SPD typu II se používá na dalších úsecích k ochraně před indukovanými přepětími. Samotné SPD však nestačí, pokud je ochrana fotovoltaické instalace před bleskem založena na nesprávném uzemňovacím systému – o tom budeme hovořit níže.
Uzemnění střídače: Funkční (PE) a ochranné pouzdro
Střídač je elektrickým srdcem fotovoltaické elektrárny, takže ochrana před bleskem pro fotovoltaickou instalaci vyžaduje robustnější uzemnění než ostatní komponenty. Rozlišujeme dva systémy.
Funkční uzemnění (svorka PE) připojuje se k PE sběrnici v rozvaděči a poté se uzemní přes distribuční systém. PE svorka střídače slouží jako funkční uzemnění a spolupracuje s detekcí zemního spojení na straně FV systému. To zajišťuje, že ochrana v případě zemního spojení včas vypne. Strana stejnosměrného proudu je obzvláště náchylná k přepětí vyvolanému bleskem – tato přechodová napětí mohou poškodit izolaci stejnosměrného systému a vést k uzemnění kladného nebo záporného pólu řetězce, čímž se zabrání synochrana před sítí a vypíná výrobu.
Ochranné uzemnění (PE) je uzemňovací bod vně krytu střídače. Slouží jako doplňkové uzemnění k ochraně zařízení i bezpečnosti obsluhy.
Proč střídač selže po bouři: Mechanismus selhání
Podstata problému spočívá v tom, co se stane, když dojde ke zkratu nebo přílišnému těsnému spojení mezi uzemněním ochrany před bleskem a PE střídače. Bez úderu blesku se zdá, že oba systémy fungují správně a střídač pracuje bezpečně. Problém se projeví až během bouřky.
Svodiče DC a AC uvnitř střídače jsou uzemněny k uzemňovací svorce šasi, která je poté připojena pomocí kabelové pásky ke krátké vzduchové svorce nebo k nosné konstrukci modulu. Tím se vytvoří ekvipotenciální spojení mezi uzemňovacím bodem střídače a externím systémem ochrany před bleskem. Během úderu blesku to vytváří několik nebezpečí:
- Když bleskový proud pronikne do země přes systém ochrany před bleskem, stává se vstupní cestou pro tento proud uzemňovací bod šasi střídače. Potenciál na zemnící svorce dramaticky vzroste – až o desítky kilovoltů – a překročí napětí na střídavém a stejnosměrném vedení. To vytváří jev zpětného napájení.
- Obvod střídače je uzemněn v několika bodech a obsahuje kondenzátory X a Y, které odvádějí přechodné přepětí. To umožňuje vstup zpětných přepětí do obvodů DC/DC nebo DC/AC, často daleko od místa instalace SPD. SPD pak může selhat a přechodné napětí překročí vnitřní obvody střídače.
- V případě přímého úderu do vzduchotechnického terminálu nebo nosné konstrukce se přepěťový proud dostane k střídači nejkratší cestou podél uzemňovacího systému – kvůli krátké vzdálenosti a nízké impedanci. Toto je nejzávažnější scénář – katastrofické proudové přetížení může vést k explozi součástí.
- Pokud je zemnící odpor vzduchového terminálu příliš vysoký, uzemňovací síť tvořená moduly, střídači a systémem ochrany před bleskem vytváří zpětné cesty s vysokou impedancí. To vytváří vysoká zpětná napětí, která poškozují obvody střídače. Problém se zhoršuje u zjednodušených konstrukcí se špatně konstruovanými nebo nedostatečně uzemněnými svody.
Správné řešení: rozdělené uzemnění
Princip vyplývající přímo z analýzy poruch je jasný: účinná ochrana před bleskem pro fotovoltaickou instalaci vyžaduje, aby systém uzemnění ochrany před bleskem a ochranné uzemnění PE střídače zůstaly oddělené. Správný způsob připojení je následující:
- Ochranný vodič PE střídače je nezávisle připojen k vyhrazené zemnící elektrodě.
- Svod PE a svod bleskové ochrany by měly být vedeny co nejdále od sebe – nejlépe více než 10 metrů.
- Oba systémy propojujeme pouze ve společném uzemňovacím bodě, ale přes oddělené vodiče - nikdy ne společný vodič.
To znamená, že když bleskový proud pronikne do země přes systém ochrany před bleskem, rychle se rozptýlí do okolní země, čímž se snižuje riziko návratu proudu do střídače přes vedení PE. I když se nějaký proud vrátí v důsledku nevyvážené impedance, bude dostatečně malý, aby nepoškodil zařízení.
Z praxe instalatéra
- Nepřipojujte ochranný vodič (PE) střídače k nejbližší konstrukci. Toto je nejčastější chyba na stavbách – instalatér vidí kovový rám a připojí k němu ochranný vodič, protože „je uzemněný“. Funguje to bez úderu blesku. Po první větší bouřce je třeba vyměnit střídač a farma je mimo provoz.
- Zkontrolujte uzemňovací odpor vzduchového terminálu, neinstalujte jej. Vysoký zemní odpor v chabé půdě vytváří zpětné cesty s vysokou impedancí. Měření zemního odporu po instalaci trvá několik minut a neprovedení testu stojí střídač peníze.
- S nátěry zacházejte jako s izolantem. Tlaková svorka na eloxovaném rámu a potažené konstrukci neposkytuje spolehlivé uzemnění. K zemnícímu otvoru modulu připojte žlutozelený vodič o průřezu 4 mm² – jinak existuje vyrovnání potenciálů pouze na papíře.
- Zajistěte každý svar. Svar bez antikorozní úpravy je tikající bomba – po dvou sezónách ztratí svou kontinuitu a celý řetězec ochrany před bleskem přestane neviditelně fungovat.
Měniče C&I s vestavěnou přepěťovou ochranou
Sériové měniče Growatt WIT-HU a MOD-HU mají interní svodiče přepětí na straně stejnosměrného i střídavého proudu, uzemněné k uzemňovací svorce šasi. To je dobrý hardwarový základ, ale – jak ukazuje analýza mechanismu poruchy – vestavěná svodič přepětí nenahrazuje řádně oddělené uzemnění. Hardware a konstrukce musí spolupracovat.
Stojí za to se podívat na nabízený model Growatt WIT25K-HU pro komerční instalace a třífázové Growatt MOD 15KTL3-HUÚplné specifikace, požadavky na uzemnění a schémata zapojení naleznete v katalogových listech a manuálech v centrum pro stahování GrowattVšechna zařízení jsou dodávána s evropskou zárukou.
Nejčastější dotazy
Vyžaduje ochrana před bleskem pro fotovoltaickou instalaci na střeše C&I samostatný systém ochrany před bleskem?
Obvykle ne. Stávající systém ochrany před bleskem v budově lze použít, pokud je funkční. Za předpokladu, že je mezi vzduchovými terminály a FV komponenty dodržena bezpečná vzdálenost S a uzemnění ochrany před bleskem je odděleno od PE střídače.
Jaká by měla být vzdálenost mezi ochranným vodičem a svodem ochrany proti blesku?
Podle materiálů Growatt Oba svody by měly být vedeny co nejdále od sebe, nejlépe více než 10 metrů. Měly by být spojeny pouze ve společném uzemňovacím bodě, ale vždy samostatnými vodiči, nikdy ne jedním společným vodičem.
Proč se střídač s vestavěným SPD po bouřce stále poškozuje?
Protože při nesprávném, společném nebo příliš blízkém uzemnění se zpětné napěťové přepětí dostává do střídače přes vodič PE, v blízkosti obvodů DC/DC nebo DC/AC, daleko od místa instalace SPD. Přechodové napětí pak přesahuje kapacitu vnitřních obvodů i přes přítomnost přepěťové ochrany.
Jaký průřez vodiče by měl být použit k uzemnění FV modulů?
K vyrovnání potenciálů mezi moduly se používá žlutozelený vodič o průřezu 4 mm², který je přiveden k zemnícímu otvoru modulu. Pouhé sevření potaženého rámu nezajišťuje správné uzemnění.
Kontrolní seznam implementace: Ochrana před bleskem pro fotovoltaické instalace v projektech C&I
- Zkontrolujte, zda má budova funkční systém ochrany před bleskem a zda jej lze použít.
- Mezi vzduchovými terminály a fotovoltaickými články dodržujte bezpečnou vzdálenost S (cca 2,5 m pro budovu ~15 m); pokud S chybí, přidejte do pozice 4 přepěťovou ochranu (SPD).
- Uzemnění ochrany před bleskem a PE střídače veďte oddělenými vodiči a připojte je pouze ke společnému uzemňovacímu bodu.
- Udržujte rozteč svodového potrubí větší než 10 m.
- Uzemnění PE střídače proveďte samostatně a nezávisle.
- Proveďte ekvipotenciální připojení modulů pomocí vodiče o průřezu 4 mm² k uzemňovacímu otvoru, nespoléhejte se na přítlak svorky.
- Chraňte každý svar a spoj před korozí.
- Po instalaci změřte zemní odpor a výsledek zdokumentujte.
Výběr střídače C&I se správným přepěťovým ochranným zařízením začíná naší řadou střídačů pro komerční instalace – a zbytek bezpečnosti je zajištěn řádně odděleným uzemněním.
