Łuk elektryczny - fotowoltaika i jej wróg
Nasze rozważania zacznijmy od wyjaśnienia, czym jest łuk elektryczny, zagrażający fotowoltaice (ale oczywiście nie tylko jej).
Łuk elektryczny to przepływ prądu przez powietrze, który odbywa się za pośrednictwem zjonizowanego gazu (plazmy) pomiędzy dwoma przewodami elektrycznymi. W kontrolowany sposób, zjawisko to wykorzystuje się m.in. w sektorze przemysłowym. Powstająca przy okazji łuku elektrycznego wysoka temperatura (w zależności od warunków, temperatura łuku elektrycznego osiąga nawet kilka tysięcy stopni Celsjusza!) znajduje zastosowanie przy spawaniu czy w piecach łukowych.
Bywa jednak, że pojawia się ono w instalacjach elektrycznych, w następstwie przerwania obwodu. Łuk elektryczny może pojawić się zarówno przy prądzie zmiennym, jak i przy prądzie stałym. Jednak to właśnie ten drugi - łuk elektryczny prądu stałego DC, jest zjawiskiem o wiele bardziej niebezpiecznym. Dlaczego? W uproszczeniu, dlatego że prąd stały, jak nazwa wskazuje, przepływa przez cały czas (a przynajmniej tak długo, jak dostarczają go panele fotowoltaiczne). Dla porównania prąd zmienny zmieniając kierunek przepływu, przez krótką chwilę przestaje płynąć (przechodzi przez 0), co ułatwia wygaszenie się łuku.
W gospodarstwach domowych, prąd stały można znaleźć głównie w instalacjach solarnych. Dlatego, łuk elektryczny w fotowoltaice budzi najwięcej obaw.
Rodzaje łuków elektrycznych w fotowoltaice
Warto dodać, że wyróżnia się różne typy stałoprądowych łuków elektrycznych - w fotowoltaice i nie tylko. Podstawowy podział to:
- Łuki elektryczne szeregowe - to najbardziej prawdopodobne zjawisko, które trudno zidentyfikować. W instalacji PV istnieje wiele punktów, w których występuje połączenie szeregowe (a zatem gdzie może pojawić się łuk) np.: połączenia między ogniwami, na złączach przewodów, w skrzynkach przyłączeniowych DC i inne.
- Łuki elektryczne równoległe, pojawiają się między dwoma pobliskimi przewodami o przeciwnej biegunowości, w tym samym obwodzie prądu stałego.
Skąd się bierze łuk elektryczny w fotowoltaice?
Wyładowanie łukowe może pojawić się zawsze wtedy, gdy mamy do czynienia z instalacją pracującą pod napięciem, w której nastąpiło przerwanie obwodu. Dla przypomnienia, w przypadku fotowoltaiki łączonej szeregowo, napięcie prądu stałego może sięgać nawet 1000 V. Łuk elektryczny w fotowoltaice jest zatem realnym zagrożeniem. Jego pojawieniu sprzyjają następujące problemy i niedociągnięcia:
- W obrębie wtyczek DC:
- niedopasowane wtyczki MC4 (od różnych producentów),
- źle lub słabo zaciśnięte zaciski elektryczne, lub wtyczki,
- niecałkowicie wciśnięte wtyczki,
- uszkodzone mechanicznie wtyczki,
- niska jakość wtyczki (uszkodzenia i niedoróbki z etapu produkcji).
- W obszarze zacisków śrubowych (rozdzielnica, falownik po stronie DC):
- niedokładnie dokręcone styki,
- niedbale włożone przewody,
- zbyt mocne dokręcanie gwintów powodujące ich zerwanie,
- zbyt blisko ułożone przewody.
- Przy połączeniach lutowanych:
- nieprecyzyjne lutowanie,
- starzenie się połączeń.
- Przy diodach obejściowych:
- przepięcia wywołane np. wyładowaniem elektrostatycznym (piorun),
- długotrwałe przegrzewanie się.
- W modułach:
- uszkodzenia komórek (ogniw), związane np. mikropęknięciami,
- oderwane złącza ogniw,
- pęknięcia szyby lub ogniw.
- Przy bezpiecznikach DC:
- nieprawidłowy dobór lub instalacja.
- Na przewodach:
- zniszczenie związane z warunkami atmosferycznymi (światło, wilgoć, zmiany temperatur),
- uszkodzenia wywołane przez zwierzęta,
- problemy wynikające ze złego montażu (uszkodzenia mechaniczne na luźno zwisających przewodach, złamanie izolacji lub przewodu).
- Ogólne problemy:
- wilgoć, kurz.
W praktyce, jeśli chodzi o instalację fotowoltaiczną, łuk elektryczny może pojawić się zatem niemal w każdym miejscu, m.in. w połączeniach wewnątrz modułu, w okolicy złącz podłączonych do paneli PV czy przy połączeniach w falowniku.
Łuk elektryczny - fotowoltaika. Skutki
Jak już wspominaliśmy, z pojawieniem się łuku elektrycznego w fotowoltaice zwykle wiąże się bardzo wysoka temperatura (nawet 4.000 - 5.000 stopni Celsjusza). To oznacza, że bardzo szybko może dojść do zapłonu elementów znajdujących się w jego pobliżu.
Z badań przeprowadzonych przez m.in. TÜV Rheinland i Instytut Systemów Energetyki Słonecznej im. Fraunhofera (2015) oraz z raportu BRE National Solar Center (2017) wynika, że łuk elektryczny będący następstwem błędów montażowych jest jedną z najczęstszych przyczyn powstawania pożarów fotowoltaiki.
Łuk elektryczny może być również bezpośrednim zagrożeniem dla ludzi. Może powodować rozległe oparzenia, uszkodzenia oczu, słuchu, płuc, a także uszkodzenia ciała wywołane ewentualnym wybuchem. Również dla osób prowadzących akcję gaśniczą, praca w warunkach obecności wysokiego napięcia prądu stałego jest niebezpieczna.
Dlatego, kwestie związane z wykrywaniem łuku elektrycznego stały się jednym z priorytetów branży PV. Dobra wiadomość jest taka, że istnieją już skuteczne sposoby nie tylko na wykrywanie łuku elektrycznego w fotowoltaice, ale również jego przerwanie - zanim przejdzie on w zjawisko zagrażające życiu i mieniu. Jakie są dostępne rozwiązania?
AFCI - Arc-Fault Circuit Interrupter. Co to jest?
Podstawowym narzędziem do wykrywania łuku elektrycznego oraz jego przerywania jest tzw. moduł AFCI. Co to za funkcjonalność?
AFCI (z ang. Arc-Fault Circuit Interrupter) to inaczej przerywacz obwodu łuku zwarciowego. Jest to rozwiązanie, które wykrywa i wygasza łuk elektryczny. Jednocześnie moduł AFCI informuje użytkownika o wystąpieniu niebezpiecznej sytuacji. Dzięki temu, ma on szansę znaleźć i usunąć potencjalnie niebezpieczny element instalacji fotowoltaicznej.
Sama koncepcja AFCI nie jest ściśle związana z branżą fotowoltaiczną. Wyłączniki AFCI są stosowanego w różnego rodzaju instalacjach elektrycznych, jako zabezpieczenie przed łukiem elektrycznym. W Stanach Zjednoczonych i Kanadzie są koniecznym elementem instalacji chroniącym gniazda elektryczne.
Jedną z pierwszych firm, która wykorzystała AFCI w falownikach była marka SMA, która w 2012 roku zaprezentowała model inwertera ze wbudowanym modułem AFCI. Produkt został opracowany na rynek amerykański - miał m.in. odpowiadać wprowadzonych w 2011 roku normom National Electrical Code (NEC).
Zabezpieczenie przed łukiem elektrycznym w fotowoltaice - jak działa?
Jak to możliwe, że falownik z AFCI jest w stanie wykryć i przerwać łuk elektryczny w fotowoltaice? Pojawienie się zwarcia łukowego DC nie pozostaje bez wpływu na napięcie i natężenie prądu w instalacji fotowoltaicznej. Przeprowadzając pomiary we właściwym, miejscu można odkryć odkształcenia we wzorcu fali natężenia i napięcia prądu wskazujące na łuk elektryczny.
Uzyskane dane są następnie analizowane przez specjalny przetwornik i porównywane do próbek danych zebranych podczas normalnej pracy oraz podczas występowania łuku zwarciowego. Dzięki temu możliwe jest ustalenie, czy i gdzie występuje łuk elektryczny w instalacji fotowoltaicznej.
Następnie falownik odcina drogę powstawania łuku i wysyła do użytkownika informację o wykryciu problemu. Wszystko odbywa się w ułamkach sekund, dzięki czemu łuk zwarciowy nie ma szans dokonać większych zniszczeń.
Poniżej możecie zobaczyć, jak wygląda łuk elektryczny oraz jak działa funkcja AFCI.
Falowniki z AFCI
Kwestie bezpieczeństwa mają dla producentów falowników fotowoltaicznych coraz większe znaczenie. Dlatego, obecnie wiele marek inwerterów posiada w standardzie zabezpieczenie przed łukiem elektrycznym AFCI. Jakie są falowniki z AFCI?
- Huawei (w standardzie serii - SUN2000XXKTL-L1/M0/M1),
- Growatt (opcjonalna funkcja w większości modeli),
- FoxESS (opcjonalnie w serii T, standard w serii T(G3),
- SolarEdge (w wybranych modelach - funkcja Safe DC),
- GoodWe (opcjonalnie - w modelach z serii SDT G2 oraz DNS - model TDS),
- Sofar (opcjonalnie - w modelach 3.3K - 12KTLX-G3 oraz 15K - 24KTLX-G3).
- Fronius (według informacji producenta funkcja jest wbudowana, jednak będzie dostępna po przyjęciu stosownych norm w Europie).
Na rynku jest zatem sporo inwerterów wyposażonych w zabezpieczenie przed łukiem elektrycznym w fotowoltaice - m.in. te, które znajdziecie w naszym rankingu falowników fotowoltaicznych. Kwestia ochrony przed łukiem DC była jednym z kryteriów oceny.
AFCI to nie wszystko. Jak się chronić przed łukiem elektrycznym w fotowoltaice?
Warto pamiętać, że nawet najbardziej zaawansowane zabezpieczenia przed łukiem elektrycznym w fotowoltaice nie zastąpią dwóch kluczowych aspektów bezpiecznej instalacji PV - profesjonalnego montażu oraz wysokiej jakości materiałów.
Wspominaliśmy już, że łuk DC jest jednym z głównych przyczyn pożarów fotowoltaiki. Nie pojawia się on jednak znikąd. Badania wykazały, że jest on pokłosiem błędów popełnianych przy montażu instalacji fotowoltaicznej, takich jak: łączenie złączek od różnych producentów, niedociśnięte lub źle zaciśnięte wtyczki lub gniazda. Dlatego dla bezpieczeństwa fotowoltaiki, oprócz AFCI warto stawiać na doświadczone, fachowe firmy fotowoltaiczne (jak te z naszego rankingu firm fotowoltaicznych).
Nie mniej ważny jest wybór wysokiej jakości komponentów - wtyczek (koniecznie od tego samego producenta!), przewodów, modułów i falowników. Dzięki temu będziemy mieć pewność, że elementy te są przeznaczone do pracy z wysokim napięciem, w trudnych warunkach zewnętrznych (przy zmianach temperatur, wilgoci, promieniowaniu UV etc.).
Zabezpieczenia przed łukiem elektrycznym, takie jak (AFCI - Arc-Fault Circuit Interrupter, czyli przerywacz łuku elektrycznego) w znacznym stopniu zwiększają bezpieczeństwo instalacji PV. Nie powinny jednak zastępować profesjonalnego montażu i wysokiej klasy podzespołów. Tylko połączenie wszystkich tych elementów może ograniczyć skutki powstawania łuku elektrycznego w fotowoltaice.
