Bezpieczeństwo i wydajność instalacji fotowoltaicznej

1. Wstęp

Wydajne wykorzystanie naturalnych źródeł w przy zapewnieniu niezawodności i bezpieczeństwa użytkowania – oto cele stawiane operatorowi instalacji produkującej energię elektryczną ze źródeł odnawialnych.
Realizację dwóch ostatnich, czyli:

  • utrzymania bezpieczeństwa porażeniowego i pożarowego
  • utrzymania ciągłości pracy

znacznie ułatwia prowadzenie ciągłej kontroli stanu izolacji systemu i właściwej reakcji na otrzymywane z niego sygnały ostrzegawcze oraz alarmy .

Systemy fotowoltaiczne są bardzo zróżnicowane: budowane są na moce od W do MW, produkują napięcia od 12 V do ponad 700 V, wykonywane są jako instalacje uziemione i izolowane, z przekształtnikami wyposażonymi lub nie w transformatory separacyjne. Wybór metody i urządzeń do kontroli izolacji będzie więc w każdym przypadku nieco inny. Można jednak zaproponować kilka typowych rozwiązań wśród których znajdzie się właściwe dla każdej instalacji.

2. Instalacje uziemione

Małe instalacje fotowoltaiczne, przeznaczone do wykorzystania, np. przy domkach jednorodzinnych, są z natury bardzo uproszczone. Składają się na nie zwykle pojedyncze moduły ogniw i przekształtnik dopasowujący wytworzoną energię do napięć i częstotliwości sieci. Najczęściej jest to przekształtnik beztransformatorowy a całość pracuje jako sieć uziemiona w układzie TN-S.

Układ TN-S

Rys.1 Instalacja fotowoltaiczna w układzie TN-S

W tych instalacjach informację o stanie izolacji uzyskuje się monitorując poziomu prądu upływu. Należy przy tym pamiętać, że ponieważ ogniwa fotowoltaiczne wytwarzają napięcia stałe więc, w przypadku wystąpienia zwarć doziemnych, w ścieżce prądu upływu mogą pojawić się składowe stałe. Należy to uwzględnić przy doborze elementów monitorujących prąd upływu.

Przekładnik pomiarowy w przekaźnikach i wyłącznikach różnicowoprądowych typu A, czyli dostosowanych do pomiaru prądów sinusoidalnych i pulsujących stałych, w przypadku przepływu prądu stałego o natężeniu przekraczającym 6mA może ulec nasyceniu. W takim wypadku aparat taki nie będzie w stanie zmierzyć wartości prądu upływu a więc i zgłosić alarmu.

Dlatego jako elementy monitorujące prądy różnicowe muszą być tu zastosowane elementy różnicowoprądowe typu B czyli reagujące na dowolny rodzaj prądu różnicowego: sinusoidalny, odkształcony oraz na gładki stały. Tylko takie urządzenie zapewni właściwą reakcję przy wystąpieniu uszkodzenia w dowolnym miejscu instalacji.

Firma BENDER od wielu lat dostarcza przekaźniki różnicowoprądowe typu B do zastosowań w obiektach komunalnych i przemysłowych (przekaźniki serii RCMA420, RCMA423). W wielu wypadkach mogą one być zastosowane także w instalacjach fotowoltaicznych do kontroli prądów upływu. Z uwagi jednak na to, że w małych instalacjach solarnych układ kontroli powinien być dostarczony jako element układów zabezpieczeń przekształtnika, powstała seria przekaźników przeznaczonych dla producentów układów fotowoltaicznych do wmontowania w ich układy na etapie produkcji. Są to przekaźniki RCMB100 i RCMA126P1-S.

Przekaźniki różnicowoprądowe

Rys.2 Przekaźniki różnicowoprądowe RCMB100 i RCMA126P1-S do instalacji fotowoltaicznych w układzie TN-S

Ich konstrukcja pozwala na wpięcie mechaniczne i elektryczne bezpośrednio w płytkę elektroniki układu. Pomiar prądu upływu realizowany jest przez wbudowany przekładnik różnicowoprądowy. Wartość skuteczna prądu upływu jest sumą składowych AC i DC prądu różnicowego. Sygnał wyjściowy proporcjonalny do wartości prądu upływu jest wystawiany na wyjście w postaci analogowej lub PWM i może zostać użyty do sygnalizacji stanu izolacji oraz uruchomienia zabezpieczeń.

Główne cechy przekaźników:

  • pomiar prądów AC/DC w zakresie 0…100mA
  • zakres częstotliwości 0…500Hz
  • monitorowane połączenie przekładnika pomiarowego
  • różne możliwości sygnałów wyjściowych: analogowy lub PWM.

Niekiedy oprócz kontroli prądu upływu wymagane jest sprawdzenie dodatkowych warunków. Niemiecka norma dotycząca małych instalacji generacyjnych DIN V VDE V 0126-1-1:2006-01 określa na przykład, że w instalacjach beztransformatorowych wartość rezystancji izolacji nie może być mniejsza niż 1kW/V (min. 500kW) zanim system zostanie dołączony do sieci. Dlatego stosuje się tu dodatkowo przekaźniki kontroli izolacji serii isoPV (omówione w następnym punkcie) mierzące rezystancję izolacji zanim system fotowoltaiczny zostanie dołączony do sieci i wystawiające sygnał zezwolenia na zamknięcie włączników łączących źródło fotowoltaiczne z siecią publiczną.

3. Instalacje izolowane – średnie i duże elektrownie solarne

Dążenie do prostoty i redukcji kosztów powoduje w małych instalacjach stosownie układu TN-S, który w przypadku wystąpienia uszkodzenia izolacji wymaga wyłączenie instalacji. Jest to dopuszczalne, ponieważ najczęściej są to instalacje pomocnicze i wyłączenie awaryjne jest traktowane raczej jako uciążliwość niż sytuacja krytyczna.

Inaczej wygląda to w elektrowniach nastawionych na produkcję. Tu każda przerwa w pracy stanowi istotną stratę finansową i niezawodność jest, obok bezpieczeństwa eksploatacji, parametrem krytycznym. Dlatego tam stosuje się systemy fotowoltaiczne izolowane galwanicznie od sieci publicznej lub od ziemi, definiowane jako sieci izolowane (układ IT) zgodnie z PN HD 60364-4-41 i PN-HD 60364-7-712.

Robi się tak ponieważ olbrzymią zaletą sieci nieuziemionych jest to, że pierwsze doziemienie nie tworzy błędu krytycznego i nie wymaga przerwania ich pracy. W odróżnieniu od sieci uziemionych sieci izolowane mogą kontynuować w tych warunkach pracę pod warunkiem, że informacja o tym stanie jest przekazana do obsługi.

Do kontroli stanu izolacji i wykrywania doziemień służą przekaźniki kontroli izolacji. W odróżnieniu do instalacji beztransformatorowych rezystancja izolacji jest tu monitorowana w sposób ciągły, także podczas pracy systemu. Ich dobór zależy m.in. od parametrów sieci: wartości i rodzaju napięcia, pojemności doziemnych, zakłóceń i innych.

Układ IT

Rys.3 Instalacja fotowoltaiczna odizolowana od ziemi (układ IT)

Podobnie jak w przypadku przekaźników różnicowoprądowych podobnie i tu firma BENDER oferuje cała gamę przekaźników kontroli izolacji, które mogłyby znaleźć zastosowanie w instalacjach fotowoltaicznych. Powstała jednak specjalna grupa urządzeń do tego typu zastosowań – przekaźniki serii isoPV. Wiąże się to z nietypowymi wymaganiami występującymi w dużych instalacjach solarnych. Dotyczy to głównie maksymalnej pojemności doziemnej instalacji, która w rozległych instalacjach fotowoltaicznych może osiągać wartości sięgające 2000µF co znacznie przekracza zakresy standardowych przekaźników przemysłowych (typowo do 500µF).

tabela

Tab. 1. Podstawowe parametry przekaźników serii isoPV

Duże instalacje fotowoltaiczne składają się z wielu modułów łączonych w łańcuchy, tworząc zestawy generacyjne. Ze względu na oczekiwaną niezawodność systemu i maksymalną moc przekształtników w instalacji pracuje równolegle wiele takich generatorów.

Przekaźnik kontroli izolacji monitoruje nieustannie rezystancję izolacji całego systemu i sygnalizuje jej spadki mogące być sygnałem zbliżającego się uszkodzenia lub sygnalizuje alarm, kiedy awaria już wystąpiła. W praktyce jednak wobec rozległości i złożoności farm solarnych sama informacja o fakcie wystąpienia szkodzenia izolacji to zbyt mało. Potrzebne są znacznie precyzyjniejsze dane dotyczące miejsca wystąpienia uszkodzenia. Dlatego rozbudowane systemy fotowoltaiczne wyposaża się w system lokalizacji miejsca doziemienia:

Lokalizacja doziemień

Rys.4 Instalacja fotowoltaiczna z systemem lokalizacji doziemień

Stacjonarny system lokalizacji mierzy na bieżąco rezystancje izolacji całej sieci a w przypadku wykrycia faktu powstania doziemienia wskazuje automatycznie, bez przerywania pracy instalacji fotowoltaicznej, w którym z łańcuchów wystąpiło uszkodzenie. Informacje te mogą być łatwo przekazane do nadrzędnego systemu sterowania.

Już informacja o uszkodzonym łańcuchu ogniw znacznie ułatwia i przyspiesza usunięcie awarii. Dodatkowo można jeszcze wykorzystać przenośny systemu lokalizacji, dzięki któremu można wyszukać miejsce doziemienia z dokładnością do pojedynczego modułu wciąż bez przerywania pracy instalacji fotowoltaicznej.

Lokalizacja

Rys.5 Wykorzystanie Instalacja fotowoltaiczna z systemem lokalizacji doziemień

Jak widać cały system lokalizacji doziemień umożliwia śledzenie na bieżąco zmian stanu izolacji, co pozwala uprzedzić o zbliżającej się awarii i podjąć działania zapobiegawcze, a w przypadku wystąpienia uszkodzenia ograniczyć wyłączenie do najmniejszego koniecznego obszaru i najkrótszego możliwego czasu. W efekcie uzyskuje się więc maksymalną wydajność instalacji przy utrzymaniu maksymalnego bezpieczeństwa porażeniowego i pożarowego.

4. Połączenie z siecią publiczną

W zdecydowanej większości wypadków instalacje fotowoltaiczne (i inne wykorzystujące źródła odnawialne) przekazują wytworzoną energię elektryczną do sieci publicznej. Bardzo istotną sprawa jest to , aby odbywało się to w sposób zapewniający pełne bezpieczeństwo. Chodzi zarówno o synchroniczną pracę obu sieci jak i zabezpieczenie przed podaniem napięcia na sieć publiczną pozbawioną napięcia np. dla potrzeb serwisowych.

Do monitorowania tego połączenia i nadzoru niezbędnych parametrów przeznaczony jest przekaźnik VMD460.

Przekaźnik VMD460

Rys.6 Przekaźnik VMD460 do monitorowania połączenia z siecią publiczną

Monitoruje on poziom napięcia, częstotliwość generowanego napięcia, wykrywa obecność składowych stałych w napięciu produkowanym. Dopiero, kiedy wszystkie parametry są zgodne z wymaganiami norm (np. DIN V VDE V 0126-1-1:2006-02) oraz ustaleniami z operatorem sieci publicznej, wystawia zezwolenia na dokonanie połączenia. Podobnie jeżeli podczas pracy instalacji zaistniały jakiekolwiek czynniki zakłócające następuje szybkie (≤0,2s) wyłączenie instalacji fotowoltaicznej dzięki czemu zakłócenie takie nie przeniesie się na innych odbiorców.

Autor: Jarosław Mielczarek.