...

Bezpieczeństwo systemów fotowoltaicznych

3 lipca 2020
Bezpieczeństwo systemów fotowoltaicznych

Niedawno w prawie budowlanym wprowadzono zapis o konieczności uzgodnienia projektów instalacji PV z rzeczoznawcą ds. zabezpieczeń przeciwpożarowych. Z uwagi na brak przepisów wykonawczych panuje bardzo duża dowolność i uznaniowość zakresu tych uzgodnień. Instalacje fotowoltaiczne, czyli instalacje elektryczne wyposażone w urządzenia fotowoltaiczne, powinny być projektowane i budowane zgodnie z przepisami oraz zasadami wiedzy technicznej i tak też powinny być uzgadniane. Rzeczoznawcy nie mogą bazować na materiałach marketingowych, plotkach i niesprawdzonych informacjach.

W tym artykule podsumowujemy najważniejsze zasady i kryteria wyboru elementów systemu oraz zalecenia dotyczące instalacji. Podstawowa zasada brzmi: „Mniej znaczy więcej!”. Odchudzony projekt systemu, jak najmniejsza liczba (profesjonalnie zainstalowanych, kompatybilnych) połączeń wtykowych prądu stałego oraz wysokiej jakości falownik ze zintegrowanymi zabezpieczeniami sprawiają, że technologia fotowoltaiczna jest jeszcze bezpieczniejsza.

Normy i profilaktyczna ochrona przeciwpożarowa

Już podczas produkcji komponenty PV są rygorystycznie testowane pod kątem bezpieczeństwa i niezawodności, aby zapewnić, że spełniają wymogi różnych norm krajowych i międzynarodowych. Dbałość o dobór komponentów, projekt systemu oraz profesjonalny montaż są niezbędne do zminimalizowania ryzyka pożaru i wdrożenia zapobiegawczych środków ochrony przeciwpożarowej. W tym kontekście szczególnie ważną rolę odgrywa zgodna z normami instalacja złączy prądu stałego.

– Normy produktowe dla komponentów PV definiują użyteczność i bezpieczeństwo produktu. Ważne są tu normy Polskiego Komitetu Normalizacyjnego (PKN), a zwłaszcza dwie pierwsze części normy PN-EN 62109:2010 Bezpieczeństwo konwerterów mocy stosowanych w fotowoltaicznych systemach energetycznych. Część 1: Wymagania ogólne i Część 2: Wymagania szczegółowe dotyczące falowników.     

– Normy instalacyjne stanowią podstawę planowania, budowy i testowania instalacji elektrycznych. Służą one do ochrony ludzi, zwierząt gospodarskich, dóbr materialnych itp. W szczególności przywołana w tym miejscu powinna być norma PN-EN 60364-7-712:2016-05 Instalacje elektryczne niskiego napięcia — Część 7-712: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji — Fotowoltaiczne (PV) układy zasilania.

– Krajowe wytyczne w zakresie ochrony przeciwpożarowej określają środki zapobiegania pożarom i ochrony pożarowej. W Austrii są to wytyczne ÖVE R 11-1:2013 03 01: Systemy PV – Dodatkowe wymagania bezpieczeństwa, Część 1: Wymagania dotyczące ochrony służb ratowniczych, lub w Niemczech VDE-AR-E 2100-712: 2018-12 Środki dla obszaru DC systemu fotowoltaicznego w celu utrzymania bezpieczeństwa elektrycznego w przypadku pożaru lub pomocy technicznej. Nie ma obecnie obowiązującej w Polsce dyrektywy, normy, rozporządzenia ani wytycznych dotyczących ochrony przeciwpożarowej instalacji fotowoltaicznych.

Akty prawne:

– Ustawa z dnia 7 lipca 1993 roku – Prawo budowlane

– Ustawa z dnia 24 sierpnia 1991 roku o ochronie przeciwpożarowej

– Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie

– Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 roku w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów

Delikatne złącza DC

Połączenia wtykowe prądu stałego pomiędzy modułami oraz łańcuchem modułów z falownikiem są niezbędne przy budowie systemu PV. Połączenia te są niezwykle ważne i muszą być starannie wykonane podczas instalacji, aby zapewnić ich wieloletnie funkcjonowanie. Wadliwe połączenia w obwodzie prądu stałego są drugą najczęstszą przyczyną pożaru PV, zaraz po czynnikach zewnętrznych (np. wyładowanie atmosferyczne). Niewłaściwie zainstalowane złącza DC lub kombinacja niekompatybilnych par złączy może prowadzić do wzrostu temperatury, łuku elektrycznego, a w najgorszym przypadku do pożaru. Dlatego projekt systemu uwzględniający ochronę przeciwpożarową redukuje liczbę złączy prądu stałego do niezbędnego minimum.

W badaniu przeprowadzonym przez TÜV Rheinland i Fraunhofer ISE (2015) stwierdzono: „Każdy dodatkowy komponent niesie ze sobą ryzyko wynikające z dodatkowych punktów połączeń i innych źródeł błędów. System »odchudzony«, z jak najmniejszą liczbą komponentów, ma tę zaletę, że jest mniej miejsc, w których może pojawić się usterka”. Badania kilku pożarów w budynkach Walmartu w Stanach Zjednoczonych wykazały, że główną przyczyną pożaru były złącza DC pomiędzy modułami a optymalizatorami (Roselund, PV Magazine, 2019; Lopez, Business Insider, 2019). Te dodatkowe komponenty są zazwyczaj wstawiane do systemu PV z dwoma dodatkowymi punktami połączeń na każdym pojedynczym module PV. To potraja liczbę punktów połączeń po stronie prądu stałego w porównaniu do zwykłej konstrukcji z falownikiem łańcuchowym i stwarza proporcjonalnie więcej potencjalnych źródeł błędów.

Na zdjęciu przedstawiono obrazy termowizyjne z wynikami testów przyspieszonej degeneracji dla kombinacji złączy Stäubli (znanych jako Multi-Contact) i złączy innych producentów.

Najniższa para obrazów pokazuje temperaturę systemu z pasującymi złączami od Stäubli. Powyższe warianty przedstawiają temperaturę dla kombinacji złącza Stäubli MC4 i odpowiednika innego producenta, który deklaruje, że jest kompatybilny z MC4.

W eksperymencie przeprowadzonym na szeroką skalę zbadano wzrost rezystancji i wzrost temperatury, gdy trzy produkty innych firm zostały połączone ze złączem MC4 firmy Stäubli Electrical Connectors. Przetestowano 10 par złączy. Obrazy termograficzne pokazują najbardziej zauważalny wzrost temperatury po starzeniu.

Uszkodzone lub niekompatybilne połączenia wtykowe również mogą powodować powstawanie łuków. Jeśli złącza DC żeńskie i męskie nie pasują do siebie, np. przy łączeniu produktów różnych producentów, może to prowadzić do nieprzewidzianych zachowań związanych z rozszerzalnością cieplną, korozją z powodu niekompatybilności chemicznej lub szczelinami z powodu różnic konstrukcyjnych. Dlatego zgodnie z normą PN-EN 60364-7-712:2016 należy stosować tylko żeńskie i męskie złącza prądu stałego tego samego typu i producenta.

Falowniki z wbudowanym zabezpieczeniem

Falowniki stanowią centrum technologiczne systemu PV i przekształcają prąd stały (DC) na prąd zmienny (AC). Te zaawansowane technologicznie urządzenia zawierają środki techniczne gwarantujące wysokie bezpieczeństwo. Zintegrowany nadzór nad stanem izolacji przewodów DC, zabezpieczenie przepięciowe, zabezpieczenie sieciowe i systemowe są przydatne do wykrywania usterek podczas pracy systemu. Certyfikowane, mechaniczne rozłączniki prądu stałego zapewniają, że w razie problemów można odłączyć połączenia po stronie prądu stałego pomiędzy falownikiem a modułami.

Do instalacji falowników wybierane są odpowiednie, bezpieczne miejsca. Optymalizatory DC są instalowane z tyłu modułów PV i są narażone na bardzo wysokie temperatury w przypadku pożaru. I właśnie wtedy powinny zadziałać, czego obecnie nie zapewnia żaden standard produktu.

Bezpieczne oznaczenia i instrukcje

Ze względów bezpieczeństwa zaleca się, aby w budynkach z systemem PV umieścić oznaczenia z informacją dla straży pożarnej w następujących miejscach:

  • w rozdzielni głównej budynku,
  • obok głównego licznika energii,
  • obok głównego wyłącznika,
  • w rozdzielnicy.

W każdym punkcie dostępu do części pod napięciem po stronie prądu stałego powinno znajdować się stałe ostrzeżenie, że części te mogą być nadal zasilane. Dzieje się tak nawet po wyłączeniu falownika, wyłączeniu napięcia prądu przemiennego w budynku (np. wyłącznikiem głównym) lub ustawieniu odłącznika prądu stałego w falowniku na „0”.

Na falowniku należy umieścić ostrzeżenie, że prace konserwacyjne mogą być wykonywane tylko po odłączeniu zarówno po stronie prądu stałego, jak i przemiennego, oraz ostrzeżenie, że kondensatory w falowniku zgromadziły energię i że rozładowanie do bezpiecznego poziomu może potrwać kilka minut.

Podsumowanie i perspektywy

Najbezpieczniejszym systemem PV dla służb ratowniczych jest ten o najniższym możliwym ryzyku pożarowym: nie ma pożaru – nie ma gaszenia ognia – nie ma ryzyka. W związku z tym zapobieganie pożarom jest najważniejszym priorytetem podczas planowania i instalacji systemu. Niestety, dodatkowe wbudowane w instalację fotowoltaiczną środki bezpieczeństwa dla służb ratowniczych nie oznaczają automatycznie mniejszej liczby pożarów. Przeciwnie, mogą one zwiększyć ryzyko błędów w instalacji lub jeszcze bardziej narazić personel ratowniczy na niebezpieczeństwo ze względu na domniemane bezpieczeństwo.

dr inż. Maciej Piliński

Fronius Polska Sp. z o.o.