Ograniczniki przepięć do ochrony instalacji fotowoltaicznych mogą być zbudowane albo z samych warystorów, albo z połączonych warystorów i iskierników. To pierwsze wykonanie jest zwykle tańsze, to drugie zaś posiada wiele zalet technicznych.
Co to jest iskiernik gazowy?
Jeszcze do niedawna w Polsce posługiwano się najczęściej pojęciem „iskiernik gazowany”, obecnie stosuje się raczej podział na iskierniki powietrzne i gazowe, co jest związane ze zmianami w ich budowie i ich stałym rozwojem technicznym. W niniejszym artykule chciałbym omówić temat na przykładzie iskierników gazowych francuskiej firmy CITEL, która od 80 lat produkuje iskierniki gazowe i pod względem produkowanych ilości jest drugim na świecie producentem w tej dziedzinie. W swojej ofercie ma dwie grupy iskierników: ponad 1000 typów wykonań w technologii GDT (ang. Gas Discharge Tube), które są normalnie sprzedawane na rynku, oraz ok. 20 typów specjalnych iskierników w wykonaniu GSG (ang. Gas-filed Spark Gap), które są instalowane wyłącznie w ogranicznikach przepięć firmy CITEL i nie można ich zamówić oddzielnie. Iskierniki gazowe są to małe puszki o średnicy od kilku do nawet ponad 20 mm, korpus mają wykonany z ceramiki, po dwóch stronach znajdują się metalowe elektrody, wewnątrz zaś mieszanka gazów szlachetnych takich jak neon, argon itp. Iskiernik taki zainstalowany w ograniczniku przepięć przy normalnym napięciu jest bardzo dobrym izolatorem, ma impedancję ponad 10 GΩ i dlatego może być zainstalowany na stałe między przewodem fazowym i przewodem uziemiającym. W momencie pojawienia się przepięcia i na skutek wzrostu wartości napięcia powyżej napięcia zapłonu iskiernika maleje gwałtownie jego impedancja i przechodzi on natychmiast w stan przewodzenia, czyli zaczyna odprowadzać prąd do ziemi przy stosunkowo niewielkim napięciu. Iskiernik gazowy jest w stanie odprowadzić nawet do 99% prądu udarowego, podczas gdy sam warystor odprowadza zazwyczaj zaledwie ok. 75–80% prądu udarowego przy stosunkowo wysokim napięciu. W przypadku ograniczników przepięć PV jest to często 2–3 [kV] (jest to tzw. poziom ochrony Up zapewniany przez dany ogranicznik). Dlatego zaleca się stosowane iskierników w ogranicznikach przepięć typu T1, mimo że również ograniczniki zbudowane z samych warystorów przechodzą próby testowe dla klasy I.
Iskierniki w ogranicznikach przepięć dedykowanych dla systemów fotowoltaicznych
Ogólne zasady stosowania ograniczników przepięć w instalacjach PV można znaleźć w specyfikacji technicznej CLS/TS 50539-12 i normie PN-HD 60364-7-712. Specyfikacja techniczna CLC/TS 50539-12 w aneksie A zaleca w tym przypadku stosowanie ograniczników z elementem ucinającym, takim jak iskiernik gazowy. Ponadto wskazuje przewagę technologii połączenia szeregowego iskiernika gazowego i warystora. Przykładowo w tabeli A.2.2 w specyfikacji CLS/TS 50539-12 dla LPL I (ang. Lightning Protection Level), czyli dla prądów udarowych do 200 kA, przy dwóch zwodach pionowych sugeruje się zastosowanie ograniczników o połączeniu szeregowym iskiernika gazowego i warystora na prąd udarowy 10/350 µs minimum 10 kA na biegun (ograniczniki DS60VGPV o szeregowym połączeniu iskiernika gazowego i warystora firmy CITEL mają Iimp = 12,5 kA). Według tabeli A.2.3 ograniczniki o połączeniu równoległym iskiernika gazowego i warystora muszą dla istniejącej instalacji odgromowej z dwoma zwodami wytrzymywać minimum 25 kA prądu 10/350 µs na biegun lub trzeba zastosować cztery zwody pionowe dla wykonania 12,5 kA na biegun.
W odniesieniu do farm fotowoltaicznych przy zał.
ożeniu, że zastosowana instalacja odgromowa dzieli obszar chroniony na kwadraty nie większe niż 20 × 20 m, tabela A.3 z CLC/TS 50539-12 zaleca dla ochrony w obszarze LPL III lub IV zastosowanie ograniczników przepięć typu T1+T2 z szeregowym połączeniem iskiernika i warystora o wartości 5 kA prądu udarowego 10/350 µs na biegun (np. DS50VGPVS-1000G/10KT1 firmy CITEL) lub 10 kA na biegun, gdy połączenie iskiernika i warystora jest równoległe.
Na rynku oferowane są również ograniczniki przepięć PV typu T1+T2 zbudowane z samych trzech warystorów lub z dwóch warystorów na biegunach „+” i „-” i wspólnego dla nich iskiernika gazowego. Tutaj dużą przewagę techniczną ma wykonanie z iskiernikiem gazowym nad wykonaniem złożonym wyłącznie z warystorów. Dla wyjaśnienia: większość producentów stosuje takie same warystory we wszystkich trzech biegunach, co oznacza, że wspólny środkowy warystor musi wytrzymywać prąd dwukrotnie większy niż warystory w biegunach „+” i „-”. Przykładowo, gdy w ograniczniku przepięć PV zainstalowane są trzy warystory na prąd udarowy 10 kA/biegun, to taki ogranicznik przepięć odprowadzi prawidłowo tylko po 5 kA/biegun, gdyż we wspólnym biegunie popłynie 10 kA. Jeżeli natomiast we wspólnym biegunie zainstalowany jest iskiernik gazowy, to wówczas warystory na obu biegunach odprowadzą bezpiecznie prąd o wartości większej, np. 10 kA/biegun.
Ograniczniki warystorowe typu T2 dobrze odprowadzają prądy indukowane o kształcie fali 8/20 µs. Ich jedyną poważniejszą wadą jest starzenie się pod wpływem tzw. prądu upływu i prądu roboczego, co w przypadku instalacji na prąd stały jest znacznie poważniejszym problemem niż w przypadku prądu przemiennego. Można temu zapobiec, stosując ograniczniki przepięć trójmodułowe w układzie „Y”, gdzie w środkowym module łączącym bieguny„+” i „-” z ziemią zostaje zastosowany iskiernik gazowy uniemożliwiający przepływ prądu upływu, jak w ograniczniku DS50PVS-1000G/51 firmy CITEL. Iskiernik zamiast warystora we wspólnym module ma jeszcze jedną istotną zaletę. Na rynku dostępne są falowniki, które sprawdzają przy uruchomieniu stan izolacji w instalacji PV i nie załączą się w przypadku stwierdzenia prądu upływu w warystorze o wartości większej niż dopuszczalna. Na ograniczniki przepięć w konstrukcji dwa warystory + iskiernik gazowy na wspólnym module firma CITEL udziela 5 lat gwarancji. Konstrukcja trójmodułowa typu „Y” dodatkowo zapobiega uszkodzeniu ogranicznika w przypadku zwarcia powstałego np. w wyniku uszkodzenia izolacji kabla. Najlepszym i najtrwalszym wykonaniem są ograniczniki trójmodułowe w technologii VG, gdyż wtedy w każdym z biegunów zainstalowane są szeregowo iskiernik gazowy i warystor, co zapobiega samoistnemu procesowi starzenia. Na wykonania DS50VGPV w technologii VG producent oferuje 10-letnią gwarancję liczoną od daty produkcji.
