Korszerű inverterek védelmi kialakításai, különös tekintettel az AFCI védelemre

Szerző: Véghely Tamás  

Összefoglalás

A cikk áttekinti a napelemes rendszerek egyik lehetséges hibáját, az ív-áthúzást, mely akár komoly tüzet is okozhat. Az ív-áthúzás (arc-fire) bizonyos módszerekkel és eszközökkel megelőzhető, erre a célra szolgálnak az AFCI eszközök. A korszerű inverterek egyre intelligensebbek, és egyre több olyan védelmi feladatot vesznek át, melyeket korábban csak külön eszközök beépítésével lehetett megvalósítani. Az intelligens inverterek csökkentik a beruházás kockázatát.  

Bevezetés

Egyre több napelemes rendszert létesítenek világszerte. A napelemes ipar – immár közel 25 éve - töretlen lendülettel fejlődik. A fejlődés üteme 12…20% körül van, ez területenként változik. A mennyiség növekedésével, a rendszerrel szemben támasztott követelmények is növekednek. A napelem piacon korábban sok mindent gond nélkül el lehetett adni, de ma már a +/- 5% tűrésű szállítmányokat szinte lehetetlen értékesíteni. A kedvezőbb, + 0…3(5)% tűrésű szállítmányok megszokottá váltak. A mennyiségi növekedés sajnos minőségi problémákat is a felszínre hozott (PID mentes napelemek, ammónia teszt, stb.,). Nemcsak a napelemek változtak, de hasonló minőségi változások észlelhetők a többi rendszerelem (inverter, AC/DC illetve túlfeszültség védelmek, elosztó dobozok, stb.,) esetében is. A beruházók kockázat elemzései azt jelzik, hogy nagyobb hangsúlyt kell fektetni a minőségre, a kivitelezés magasabb színvonalára. Tudomásul kell venni, hogy ez egy szakma, méghozzá villamos szakma, és a gyakorlat és az alaptudás nem nélkülözhető. Az elmúlt évek döbbenetes tűzesetei (a két legnagyobb, USA, Bakersfield 2008, és Mount Holly 2011) kapcsán világossá vált, hogy a korábban elfogadott és alkalmazott védelmi rendszerek nem felelnek meg a napelemes rendszerekben. A tűzesetek okainak vizsgálata mindkét esetben ugyanazon hibaforrást tárta fel és rámutatott a napelemes rendszerek rejtett hibaforrásaira is (vakfolt, blind spot, PID). Ez egyben azt is jelenti, hogy nagyobb hangsúlyt kell fektetni a minőség biztosítására. A napelemek gyártása is fontos, de ne felejtsük, a napelem csak ezután kezdi az életét, és 25…35…40 évig kell működnie. Ezekkel a hibákkal egy következő cikkünkben foglalkozunk.

1 Gyorstalpaló tanfolyamokon nem lehet elsajátítani, a képzéshez gyakorlattal rendelkező szakemberek kellenek.

NEC    GFDI

Az amerikai szabvány szerint (NEC) egy napelemes rendszernek tartalmaznia kell, egy un.  „földelési hiba detektort” (GFDI) melynek feladata a földelési hiba jelzése. Ha azonban a hiba értéke (potenciálérték) túl kicsi vagy a rendszernek olyan pontjain keletkezett ahonnan nem éri el a védelmi eszközt, akkor az inverter nem tud lekapcsolni. A vakfolt tehát egy olyan potenciálérték mely az inverterek jelenlegi védelmi eszköze számára „láthatatlan” érzékelhetetlen. A problémát nehezíti, hogy a mivel a rendszer egyik áramvezetője eleve földelt, és hibából eredő „második földelődés” okozta potenciál változás igen csekély.

AFCI

Az AFCI az Arc Fault Circuit Interrupter angol kifejezés rövidítése, magyarul azt jelenti, hogy „Ív hiba áramkör megszakító”. Egy kis magyarázatot kell tennünk annak érdekében, hogy a villamos iparban kevéssé járatos olvasóink is jobban megérthessék e fontos jelenséget. A villamos iparban egy igen fontos elem az elektromos vezető (vezeték, kábel), mert ezen keresztül jut el hozzánk az energia. Ugyanilyen fontos, hogy azok a részek, ahol nem kívánatos az elektromosság, kellően el legyenek szigetelve. Ezt szigetelő anyagokkal tudjuk biztosítani. A vezetők és a szigetelő anyagok megfelelő megválasztásával és alkalmazásával elérhetjük, hogy csak ott legyen áram (feszültség) ahol az nekünk megfelelő. Sajnos tökéletes vezető és tökéletes szigetelő anyagok nincsenek, ezért a gyakorlatban sokszor előfordul, hogy kompromisszumokat kell kötnünk. A levegő többnyire jó szigetelő, de a nedves levegő már korántsem tekinthető jó szigetelőnek. A nedvesség jelenléte rendszerint lecsökkenti az elektromosan nem vezető anyagok (üveg, műanyag, fa…, stb)  szigetelő képességét, mert a víz jól vezeti az áramot. Ha két tárgy (anyag) különböző nagyságú feszültségen van és közöttük vezetőképes anyag van, akkor áram folyik. Ha ezt szabályozni tudjuk, akkor kedvező a helyzet, ha nem tudjuk, akkor általában bajok szoktak lenni. A különféle anyagoknak különféle a szigetelési tulajdonsága. Ez a tulajdonság jól mérhető villamos mennyiség. A napelemes rendszerek tervezésekor jól kezelhető, ismert nagyságú áramokkal és feszültségekkel dolgozunk. Az időjárás extrém körülményei, vagy esetleg a beépített eszközök, alkatrészek hibái, szakszerűtlen telepítés, azonban olyan áramok megjelenését is okozhatják, melyre nem igen vagyunk felkészülve. Ezeket szivárgási áramoknak, vagy esetleg rövidzárnak nevezzük. Ezeket a váratlanul kialakuló helyzeteket a mérnöki tudás képes ugyan valamelyest kezelni „váratlan eseményt előre megjósolni” de csak igen korlátozott mértékben. Ezeknek a havária eseteknek körülményei valóban váratlanok és kiszámíthatatlanok, ezért egyediek. Mindennapi környezetünkben is előfordul, ha két, eltérő feszültség alatt lévő vezetőt összeérintünk, akkor közöttük szikra keletkezik. Villamos szaknyelven úgy mondjuk: átüt. A szikra tulajdonképpen a levegőben folyó áram. Sokszor nem is kell összeérinteni, elég csak közelíteni, a szikra (átütés) akkor is létrejön. Az átütési szilárdság az anyag egyik jellemzője, de attól is függ mekkora feszültséget alkalmazunk a vizsgálat közben. Minél nagyobb a feszültség annál hamarabb (kisebb közelítési közzel) keletkezik a kisülés. A kisülés egy villamos ívet képez a két vezető között, angol elnevezéssel arc. Jelentős különbség észlelhető az egyenáramú ív (DC villamos ív) és a váltakozó áramú ív között. A DC ívet nagyon nehéz eloltani, megszüntetni. A váltakozó áramú rendszerek esetében az áram időbeli alakjában nullpont átmenetek vannak, az ívoltást ekkor hatékonyabban lehet elvégezni.  

Mi köze ennek az én napelemes rendszeremhez? Miért fontos ez nekünk?

A napelem, a nap sugárzását elektromos feszültséggé, árammá alakítja át. A napelemek alapegységeit (celláit) műanyag vagy üveghordozókra szerelik és szigeteléssel (üveg hordozók, vagy műanyag lapok) határolják el a környezettől. Az 1. és 2. ábrákon napelemek keresztmetszetét mutatjuk be. Az 1. ábrán egy szelet alapú napelem keresztmetszetét láthatjuk. A 2. ábrán egy vékonyréteg (thin film) technológiával gyártott napelem keresztmetszete látható. Figyeljük meg, mindkét esetben egy jelentősebb – mintegy 10 mm – szigetelősáv van a cellák és a napelem külső széle között. Ez azért szükséges, hogy cellákban lévő elektromos feszültség ne okozhasson áthúzást a belső és külső tér között.

2Arc – ív (angol) kifejezés

3 A villamos ívet ívhegesztésre is használják, de jelentős szerepe van fém-kohászatban is. Használatával tisztán (szénmentesen) tudunk fémet olvasztani.

A napelemek cellái sorosan kapcsolódnak, így az egyes cellák alap feszültsége mindig összeadódik. A cellák soros illetve párhuzamos kapcsolatát a 3. és 4. ábrán mutatjuk be. A mai napelemek akár 72 cellát is tartalmazhatnak így feszültségük is tetemes (30 Vdc feletti) lehet. A soros kapcsolás esetében a feszültségek összeadódnak, a párhuzamos kapcsolás esetében az áramok adódnak össze. Ugyanez érvényes rendszerek esetében a napelemek összekapcsolására is. A korábbi gyártású napelemek esetében a legnagyobb megengedhető rendszerfeszültség 600 Vdc körüli érték volt. A technológia fejlődése megkívánta, hogy olyan napelemek kerüljenek kifejlesztésre, melyek maximális rendszerfeszültsége közelíti vagy eléri az 1000 Vdc értéket. Ugyanakkor tudnunk kell, hogy egy 600 V-os illetve egy 1000-os feszültségű rendszer átütési szilárdság szempontjából másképpen viselkedik. Az 5. ábrán az a folyamatot láthatjuk mely során a soros kapcsolás miatt egyre nagyobb feszültség alakul ki. Ez a fejlesztés sajnos – úgy tűnik a gyakorlatból – nem teljesen konzekvens. Egy rendszer csak annyira erős, mint a rendszer leggyengébb láncszeme. A fejlesztéseket a teljes rendszerkomponens halmazra ki kell terjeszteni, de ez időben egymástól elcsúszhat, mert a kábelt, vagy a kötődobozt más gyártó gyártja. A 6. ábrán egy régebbi kötődobozt mutatunk be. A kötődobozban kábelek és diódák helyezkednek el, egymástól adott távolságban. A kötő doboz – általában -  villamos szempontból a napelemhez illetve a rendszerhez illesztett, de a meghibásodás lehetősége azért fenn áll. A kötődoboznak teljesen hermetikusnak kell lennie és megfelelő villamos szilárdsággal kell rendelkezni. Ha bármelyik feltétel nem teljesül a napelem meghibásodik, és hibája további hibákat gerjeszthet a rendszerben. Ha a rendszerben villamos túlfeszültség keletkezik (villámlás, vagy egyéb okok) a tervezett „villamos szilárdság” nem lesz elegendő, a hiba bekövetkezik.  A 6. ábrán a középső két csatlakozó vezeték túl közel van egymáshoz. A meghibásodás bármikor, láthatatlanul bekövetkezhet. A hiba a gyártó felelőssége, ilyen hibát rendszerint csak szakértő tud feltárni. A 7. ábrán egy meghibásodott, szétégett kötődobozt mutatunk be, ahol jól látszik az áthúzás keletkezési pontja is. A doboz azért égett szét, mert DC ív keletkezett a dobozban. Villamos rendszerek esetében máshol és másképpen is keletkezhet ív kisülés. A 8. ábra egy úgynevezett „villamos beállási pont” kábelkötegét mutatja átütött állapotban. Az ív áthúzást időjárás vagy helytelen szerelés is okozhatta.

4 A katalógusokban ezt Vsys vagy Vsys(max) jelölésnél találjuk meg.

5 Junction box - a napelemek kivezetésére szolgál, többnyire a napelem hátoldalán található.

6 Esetleg tűz okozója is lehet.

Az ív áthúzás hiba a napelem belsejében is előfordulhat, akár egyszerű hiba okból (gyártási hiba, túlfeszültség), vagy sorozatos hiba okok miatt (helytelen telepítés, árnyékhatás). A 9. ábra egy ilyen napelem meghibásodást mutat egy szimulációs laboratóriumban. A napelemek szerelése a szerelő kereten, úgynevezett térköz tartással történik. Ennek több oka van. A térközre szükség van, de egyben azt is jelenti, ha villamos szempontból potenciál különbség lehet az egyes napelemek fémes részei között, akkor fennállhat az íváthúzás veszélye is. A térköztartással való szerelést a 10. ábra mutatja. Térjünk vissza a cikk elején tett megjegyzéseinkhez, hogy az ív áthúzás valójában mekkora veszélyt jelent. A következő képeken a valóságban láthatjuk azokat a szomorú képeket melyek ilyen tragédia helyszínén készültek (11,12 ábrák). A 11. ábra egy szerelt tető részletét mutatja, még a tűz előtt. A 12. ábra ugyanezt a helyszínt mutatja de már a katasztrófa után. A tűz okainak kivizsgálása nagy szakértelmet igényel. De ugyanakkora, avagy még nagyobb tapasztalatot igényel, olyan intézkedések megtétele vagy olyan berendezések beszerelése melyekkel megakadályozhatjuk ilyen tragédiák bekövetkezését, vagy csökkenthetjük a hiba bekövetkezésének esélyét. A DC oldali ív-áthúzások következtében sajnos kialakulhatnak ilyen helyzetek. Korábban a DC (és AC) oldali védelmek gondos megtervezésével és még gondosabb kivitelezésével lehetett elkerülni a hibákat. Ekkor azonban még mindig fennállhatott az emberi tévedés lehetősége vagy a szakértelem hiánya. (Sok esetben maga beruházó jelentette a problémát, mert ismervén ugyan a veszélyeket, de nem vállalta a magasabb költségeket, így komolyabb védelmek nem kerültek kialakításra. Ezzel a teljes rendszerét kockáztatta!)  Ha azonban a védekezést egy olyan eszközbe telepítjük, mely gyakorlatilag kihagyhatatlan a rendszerből, akkor a tévedés lehetőségét szinte teljesen ki tudjuk zárni. így születtek meg azok az ötletek, hogy alkalmazzunk inverterbe telepített védelmeket. A 13. ábra azt mutatja, hogy egy napelemes rendszerben mely helyeken alakulhatnak ki veszélyes ív-áthúzások. Ha figyelmesen elemezzük a 13. ábra jelöléseit legalább kilenc olyan adott hely vagy helyzet van ahol az íváthúzás veszélye fokozott. Ha azt is figyelembe vesszük, hogy egy nagyobb rendszer több száz, több ezer napelemből áll, és ebben több veszélyes csatlakozási pont, és akár több kilométer kábel is található akkor aligha kell ennél jobban hangsúlyoznunk a védelem szükségességét. Nem beszéltünk még néhány fontos tényezőről mely íváthúzás hibát idézhet elő. Mint oly sokan, mi is elsiklottunk néhány fontos veszélyforrás felett. Az egyik az állatok okozta károk. A napelemes rendszerek elemeinek többsége szabadtérben telepített és bizony a helybeli állatvilág is hamarosan belakja a jó kis meleg helyeket. A kábelek szigetelése ínséges időkben akár finom étel is lehet. A csupasz vezetékek szigetelési ellenállása eltűnik, a hiba megtörténik. Hasonló hatása lehet a nap kemény UV sugárzásának is a kábel szigetelésre, ha az nincs ellátva hatékony UV védelemmel. (és egyébként is honnan tudhatjuk, hogy van-e vagy nincs ilyen?) Hangsúlyoznunk kell, hogy a befektetett összeg elenyésző ahhoz képest, amekkora kárt okozhatnak a hiányuk. A napelemes rendszerek esetében a szigetelő közeg a levegő. A mindennapi gyakorlatban ez szinte elegendőnek mutatkozik, ez a 30000 V/cm érték azonban száraz levegőre vonatkozik, így ha nedvesebb az időjárás, előadódhatnak olyan esetek (pl. eső után hirtelen napsütés) amikor a veszély hirtelen megjelenik. A 14. ábra a levegő átütési szilárdságának változását mutatja be. Figyeljük meg hogy a relatív nedvesség (RH%) arányának függvényében, a villamos szilárdság [6] akár az eredeti érték 30%-ra csökkenhet.

7 DC oldal – a napelemes rendszerek azon része ahol egyenáram folyik. AC oldal – a rendszer azon része ahol váltakozó áram folyik (az inverter utáni részek)

8 Villamos szilárdság http://vili.pmmf.hu/jegyzet/elektrom/emt_1_20.htm

A napelemes rendszerekben jószerint egyedül az inverter az az eszköz, amely némi mesterséges intelligenciát tartalmaz, ezért szerepére nagyobb figyelmet fordítani.

A szerelő felelőssége

A beruházók többsége nem szakember – ez nem is várható el tőlük – de sajnos a kivitelezéseknél nem alkalmaznak független szakértőt, és ez hibához vezethet, és többnyire vezet is. A beruházónak (megrendelőnek) ezért nincs lehetősége követni a szerelést végző személyek munkájának megfelelőségét. A végén természetesen mindig megjelenik a szembesülés a helyzetekkel, de akkor már többnyire késő. Ha viszont egy olyan eszközt használunk a rendszerünkben, amelyben beépített – garantáltan hatékony – védelmek találhatók, sok kockázatot egyszerűen kizárunk. Amerikában a NEC és NEISszabályozza a villamos létesítmények építésének szabályait. Az NEC újabb kiegészítései már tartalmazzák az előírásokat, hogy kell ezeket a védelmeket beépíteni és használni, a lecke kemény volt. Napjainkra a világon igen elterjedt inverterekké váltak a Growatt inverterek. Egy igen kemény nemzetközi versenyben kellett megküzdeniük az előkelő első helyek egyikéért. Gyors sikerük egyik titka a stabil megbízható magas minőség. Független nemzetközi laboratóriumok  vizsgálatai bizonyították, hogy igen, stabilan ott a helyük a TOP 10-ben, gyakran a TOP5-ben, sőt a TOP3-ban. A Growatt inverterei hazánkban is népszerűek, akár kis, közepes, vagy nagy rendszerekről beszélünk. A Growatt folyamatosan fejleszti termékeit. Eddigi felhasználóink többségének magas megelégedettségi százaléka azt jelzi, hogy a termék megbízható, a magyarországi forgalmazó csapat kiváló műszaki és szerviz hátteret nyújt. Egy korszerű inverter esetében ma már műszaki elvárás lehet, hogy az alábbi szolgáltatások „standard” beépítettek legyenek:

• DC oldali fordított polaritás elleni védelem
• Minden MPPT körre különálló DC kapcsoló
• AC kapcsoló
• DC oldali túlfeszültség védelem
• GDFI – azaz földelési hiba jelző
• Kimeneti rövidzár védelem
• AC oldali túlfeszültség védelem
• String biztosíték védelem
• String hiba jelzés
• Anti- PID védelem
• AFCI védelem

A fenti lista egyben a GROWATT inverterek új szolgáltatásait is jelentik, ezért fokozott biztonságot nyújtanak Önnek.

9 A száraz levegő átütési szilárdsága E = 3⋅106 V/m (30 000 V/cm).

10 Száraz időben a RH értéke 30…50% között szokásos, nedves időben elérheti a 70…80%-ot is.

11 https://en.wikipedia.org/wiki/National_Electrical_Code

12 http://www.neca-neis.org/

13 It requires all PV systems with DC circuits operating at 80 volts or greater on a building to be protected by an AFCI, PV type, or other system components listed to provide equivalent protection. • In parallel with this new NEC requirement, UL formed a PV AFCI Ad Hoc Working Group to develop requirements for the PV AFCI. • UL Outline of Investigation, Subject 1699B, for PV AFCI equipment.

14 GDFI – ground fault indication

Irodalom [1] Growatt műszaki adatlap (EU-solar szakkönyvtár) [2] http://www.jee.ro/covers/art.php?issue=WK1340642294W4fe893f67c36c [3] https://www.google.hu/imgres?imgurl=https%3A%2F%2Fupload.wikimedia.org%2Fwikipedia%2Fcommons%2Fthumb%2Fe%2Fe2%2FPaschen_curves.svg%2F220px-Paschen_curves.svg.png&imgrefurl=https%3A%2F%2Fen.wikipedia.org%2Fwiki%2FPaschen%27s_law&docid=9Sjmcg7imn6GxM&tbnid=uoCGRU2bxPi0pM%3A&vet=1&w=220&h=218&bih=599&biw=1366&q=wikipedia%20dielectric%20strength%20of%20wet%20air&ved=0ahUKEwjZz8PLnZzRAhXeMlAKHVhRDkIQMwgYKAAwAA&iact=mrc&uact=8#h=218&imgdii=uoCGRU2bxPi0pM%3A%3BuoCGRU2bxPi0pM%3A%3BbG9WCdNTXJW0oM%3A&vet=1&w=220 [4] http://www.met.hu/idojaras/aktualis_idojaras/megfigyeles/nedvesseg/ [5] http://www.vilaglex.hu/Lexikon/Html/Legnedv.htm [6]http://www.vaisala.com/Vaisala%20Documents/White%20Papers/CEN-TIA-power-whitepaper-Moisture-and-Breakdown-Voltage-B211282EN-A-LOW.pdf [7] NEC szabványok Photovoltaic DC Arc-Fault Circuit Protection  and UL Subject 1699B [8] EDU-solar oktatási anyag – szakmai vezető Véghely Tamás