Bezpieczeństwo pożarowe instalacji fotowoltaicznej

Złącza DC – konieczność i źródło błędów

Oba przedstawione badania wykazały, że złącza DC są jedną z głównych przyczyn pojawiania się łuków elektrycznych w instalacji fotowoltaicznej. Inne kraje, takie jak Holandia (ECN TNO 2019) i Włochy (Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco 2015), również zgłosiły, że problemy ze złączami prądu stałego są główną przyczyną awarii, które mogą doprowadzić do pożaru. Podczas ostatnich pożarów w Stanach Zjednoczonych, które dotyczyły instalacji fotowoltaicznych na dachu w kilku sklepach Walmart w latach 2012-2018, złącza DC zostały podobnie uznane za najbardziej prawdopodobną główną przyczynę pożarów (Roselund, PV Magazine 2019, Lopez, Business Insider 2019).

Dwie główne przyczyny występowania łuków szeregowych w złączach prądu stałego to:

  • Błędy instalacji: złącza nieprawidłowo połączone razem oraz słabe mocowanie złącz na kablu.
  • Połączenia realizowane za pomocą złączy różnych producentów (niedopasowanie).

W tym rozdziale omówiono główne problemy ze złączami prądu stałego.

3.1 Błędy instalacji

Błąd ludzki jest uważany za główną przyczynę pożarów (Sepanski i in. 2015, BRE 2017c, s. 10). Najczęstsze rodzaje błędów instalacji obejmują złącza, które nie są całkowicie włożone, a także słabe zaciskanie złączy na kablach w miejscu instalacji, oba skutkujące złymi połączeniami o wyższej rezystancji przejścia, co znacznie zwiększa ryzyko powstania łuku.

Typowe źródła błędów to:

  • użycie niewłaściwych narzędzi do zaciskania, takich jak szczypce uniwersalne (rysunek 5) lub tanie szczypce niskiej jakości.
  • brak precyzji podczas montażu złączy, np. z powodu presji czasu lub niewygodnych warunków.
  • niewystarczające przeszkolenie personelu instalacyjnego.
Rys. 5. Porównanie połączenia z poprawnymi i nieprawidłowymi szczypcami do zaciskania (Berginski, 2013)

3.2 Niedopasowanie złączy DC

Mówiąc o problemach ze złączami DC, często pojawia się termin „niedopasowanie” (lub „brak kompatybilności”). Niedopasowanie oznacza, że połączenie między złączem męskim i żeńskim jest wykonywane za pomocą złączy DC różnych producentów.Mówiąc o problemach ze złączami DC, często pojawia się termin „niedopasowanie” (lub „brak kompatybilności”). Niedopasowanie oznacza, że połączenie między złączem męskim i żeńskim jest wykonywane za pomocą złączy DC różnych producentów.

Poza nieprawidłowym montażem złączy, niedopasowanie jest uważane za jedno z głównych źródeł błędów, co sprawia, że złącza DC częściej się zapalają. Ale dlaczego to takie duże ryzyko? Zidentyfikowano następujące przyczyny:

  • Różni producenci używają różnych materiałów. Może to prowadzić do:
    – niekompatybilności chemicznej powodującej łuk elektryczny
    – różnej rozszerzalności cieplnej powodującej wnikanie wody i korozję.
  • Małe różnice w konstrukcji i tolerancjach mechanicznych złączy, które mogą powodować iskrzenie

Multi-Contact (obecnie Stäubli Electrical Connectors AG), producent najczęściej stosowanego złącza DC MC4, przeprowadził testy laboratoryjne na połączeniach ze złączami pochodzącymi od innych producentów. Wyniki wykazały zwiększoną oporność, prowadzącą do wzrostu temperatury do 97°C (rysunek 6), podczas podłączania złączy MC4 różnych producentów.

Chociaż wielu producentów złącz DC często twierdzi, że ich produkty są „kompatybilne z MC4”, nie istnieją żadne międzynarodowe standardy testowania współdziałania, jak podkreśla UL (IAEI NEWS, 2016). Ponadto sam Stäubli nie rozpoznaje żadnego produktu innej firmy jako kompatybilnego ze złączami MC4. W normie IEC-TR-63225:2019, s. 4 stwierdzono, że „to twierdzenie o zgodności jest potencjalnie mylące, ponieważ sugeruje bezpieczną interoperacyjność złączy prądu stałego różnych producentów”.

Rys. 6. Wyniki przyspieszonych testów degradacji dla niedopasowanych kombinacji złączy między Stäubli MC4 i złączami różnych producentów (Berginski, 2013)

IEC 60364-7-712: 2017, sekcja 712.526.1 – Połączenia elektryczne, oświadcza, że „Złącza męskie i żeńskie połączone ze sobą powinny być tego samego typu od tego samego producenta, tj. złącze męskie jednego producenta i złącze żeńskie innego producenta producent lub odwrotnie nie mogą być wykorzystywane do wykonania połączenia”. Inne ważne instytuty krajowe zgadzają się również, że niedopasowanie złącz DC jest główną przyczyną przypadkowych pożarów, np. VDE DKE. W ogłoszeniu VDE DKE wyraźnie stwierdzono, że złącza męskie i żeńskie różnych producentów nie mogą być łączone (VDE DKE, 2018).

Pomimo jasnych oświadczeń i przepisów problem niedopasowania nadal występuje, a często niedopasowane połączenia są wykonywane w zewnętrznych punktach łączenia łańcuchów. Zdarza się to często, ponieważ instalatorzy, szczególnie podczas łączenia różnych łańcuchów lub łańcuchów z falownikiem, muszą używać dłuższych kabli z ewentualnie zainstalowanym innym złączem. W takich sytuacjach, aby nie unieważnić gwarancji modułu poprzez odcięcie złącza DC od kabli modułu, instalatorzy są zwykle zmuszeni do instalowania złącza DC różnych producentów.

Aby rozwiązać te problemy, IEC omawia obecnie środki długoterminowe, mające na celu opracowanie wspólnego standardu interfejsu, a także tymczasowe (IEC-TR-63225:2019). Ta ostatnia obejmuje zakaz stosowania terminu „kompatybilny z MC4”, a także wymóg, aby producenci modułów określali złącza lub dostarczali zapasowe złącza tego samego typu co stosowane w modułach, w przeciwnym razie powinni pozwolić na przecięcie złącz bez unieważnienia gwarancji na moduł.

3.3 Optymalizatory mocy – niebezpieczny środek bezpieczeństwa

Oczywiste jest, że złącza DC są potrzebne do połączenia modułów fotowoltaicznych, a także do podłączenia powstałych ciągów do falownika, ale każde dodatkowe połączenie na dachu zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia pożaru. Dlatego przy projektowaniu systemu fotowoltaicznego minimalizacja liczby punktów kontaktowych na dachu powinna być ważnym założeniem w celu zwiększenia bezpieczeństwa systemów fotowoltaicznych.

Jak zauważyli TÜV Rheinland i Fraunhofer ISE (Sepanski i in. 2015, s. 204): „Każdy dodatkowy element stwarza ryzyko dodatkowych punktów kontaktowych i innych źródeł błędów. „Elegancki” system z jak najmniejszą liczbą komponentów ma tę zaletę, że ma mniej punktów, w których może dojść do uszkodzenia systemu”.Jak zauważyli TÜV Rheinland i Fraunhofer ISE (Sepanski i in. 2015, s. 204): „Każdy dodatkowy element stwarza ryzyko dodatkowych punktów kontaktowych i innych źródeł błędów. „Elegancki” system z jak najmniejszą liczbą komponentów ma tę zaletę, że ma mniej punktów, w których może dojść do uszkodzenia systemu”.

Badania, które nastąpiły po pożarach USA w Walmart, o których mowa powyżej, ujawniły, że zanim te zdarzenia miały miejsce, firma instalacyjna będąca właścicielem instalacji fotowoltaicznych wymieniała wadliwe złącza i optymalizatory w całym kraju (Lopez, Business Insider 2019). Oczywiste jest, że chociaż złącza zostały uznane za główną przyczynę pożaru, dodatkowe urządzenia MLPE (ang. Module Level; Power Electronics – elektronika mocy na poziomie modułu) mogą nadal mieć negatywny wpływ na bezpieczeństwo, zwłaszcza jeśli chodzi o określenie liczby złączy na dach.

Niezintegrowane układy elektroenergetyczne, takie jak klasyczne optymalizatory mocy prądu stałego, stosowane w celu spełnienia wymagań wyłączania na poziomie modułu w USA (NEC 2017), wymagają zastosowania dodatkowych złączy prądu stałego na każdym module. Oznacza to, że liczba punktów połączenia na dachu zostanie znacznie zwiększona. W celach ilustracyjnych rysunek 7 pokazuje układ PV o mocy 6 kW z dwiema możliwymi konfiguracjami: jedną z modernizowanymi optymalizatorami prądu stałego, a drugą z falownikiem szeregowym.

Jak pokazano, dodatkowe urządzenia zainstalowane na modułach fotowoltaicznych w obwodzie prądu stałego z grubsza trzykrotnie zwiększają liczbę punktów styku na dachu: 61 złączy z optymalizatorami, w porównaniu do 21 złączy dla falownika łańcuchowego. Sytuacja nie zmieniłaby się znacząco przy użyciu jednego optymalizatora co 2 lub 4 moduły (odpowiednio 51 i 46 złączy), jednak optymalizacja byłaby mniej skuteczna.

Dlatego znacznie bardziej prawdopodobne jest wystąpienie błędów instalacji i niedopasowania złączy prądu stałego, co z kolei zwiększa ryzyko pożaru. Ta ostatnia jest dalej zwiększana, ponieważ niektórzy producenci optymalizatorów dostarczają swoim produktom bardzo niewiele opcji różnych producentów złącz DC (ECN TNO 2019), co stwarza większe ryzyko niedopasowania podczas instalacji.

Rys. 7. Porównanie dwóch konfiguracji systemu o mocy 6 kW z dodatkowymi optymalizatorami (u góry) i falownikiem łańcuchowym (u dołu).

Ponadto posiadanie energoelektronicznych urządzeń dla każdego modułu dodaje znaczną liczbę komponentów do dachu, co zwiększy złożoność systemu i wskaźnik awaryjności produktu. Oznacza to, że konserwacja będzie wymagana częściej, co powoduje wzrost kosztów i większe ryzyko dla personelu serwisowego z powodu dodatkowego czasu spędzonego na dachu (upadki są główną przyczyną śmierci w miejscach pracy na budowie), jak podkreślono w Elsevier SciTech Połącz (Plante, 2018).

Zbliżone tematy