Pożary instalacji solarnych – awarie łuku DC

Usterka łuku DC to przepływ energii elektrycznej przez szczelinę powietrzną za pomocą cząsteczek zjonizowanego gazu. Podczas gdy powietrze jest zwykle uważane za medium nieprzewodzące, wysoka różnica potencjałów (napięcie) między dwoma przewodami znajdującymi się w bliskim sąsiedztwie może spowodować rozpad cząsteczek powietrza na ich zjonizowane składniki (zwane „plazmą”), które mogą następnie przenosić ładunek od jednej elektrody do drugiej.

Temperatura łuku elektrycznego zależy od wielu czynników, takich jak poziom przepływu prądu, ale w typowym systemie PV łuk elektryczny jest wystarczająco gorący, aby stopić szkło, miedź i aluminium oraz zainicjować spalanie otaczających materiałów.

Awarie łuku DC występują na okablowaniu DC systemów fotowoltaicznych.

TRADYCYJNY SYSTEM PV OPARTY O INWERTER STRINGOWY Z NIEZABEZPIECZONYM OBWODEM DC

Dla domowych instalacji solarnych napięcie DC oznaczone kolorem czerwonym zazwyczaj mieści się w przedziale od 200V do 600V. Napięcie zależy od rodzaju i liczby modułów solarnych połączonych szeregowo. Na przykład: 8 modułów 260W połączonych szeregowo, pokazanych na poniższym rysunku, wygeneruje w przybliżeniu napięcie równe 8 x 38VDC = 304VDC.

Łuki nie są postrzegane jako powszechne zagrożenie w zwykłych systemach elektrycznych prądu przemiennego. Dzieje się tak częściowo dlatego, że normy, praktyki i projekty komponentów dla przemysłu elektrycznego ewoluowały w ciągu ostatnich 100 lat do punktu, w którym nowoczesne instalacje AC są bardzo bezpieczne.

Wyładowania łukowe stanowią mniejszy problem w systemach prądu przemiennego, ponieważ łuki prądu zmiennego mają tendencję do samowygaszania się, gdy napięcie zmienia się, przechodząc przez 0 woltów sto razy na sekundę dla standardowych zasilaczy sieciowych. Aby łuk był samopodtrzymujący się, warunki rozpoczęcia łuku muszą być stale obecne. W obwodzie prądu stałego występuje napięcie ciągłe, dlatego po powstaniu łuku elektrycznego będzie on podtrzymywany tak długo, jak długo będzie ono obecne.

Awarie łuku DC występują tylko w instalacjach z inwerterem stringowym, które mają niezabezpieczone obwody napięcia stałego powyżej około 80V.

Awarie łuku DC nie występują w systemach solarnych wykorzystujących mikroinwertery i niektóre systemy wykorzystujące optymizery DC, które redukują napięcie DC do bezpiecznego poziomu w przypadku awarii.

Mikroinwertery i systemy zoptymalizowane pod kątem prądu stałego zostały opracowane ponad 10 lat temu, aby zapobiec powstawaniu pożarów spowodowanych awariami łuku DC. Technologie te są łatwo dostępne w Australii od 2012 r., więc każdemu pożarowi od tego czasu można było zapobiec.

Awarie mogą wystąpić w dowolnym miejscu na okablowaniu DC, które biegnie od modułów PV na dachu do inwertera stringowego, który jest zwykle instalowany w pobliżu głównej tablicy rozdzielczej. W obwodzie prądu stałego niewielkiej instalacji domowej (2 kW) znajduje się około 26 połączeń, które są instalowane na miejscu przez instalatora i około 50 połączeń w systemie 5 kW. Wszystkie te połączenia wykonywane są potencjalnymi punktami awarii.

Potencjalnymi punktami awarii mogą być również dodatkowe połączenia wewnątrz modułów solarnych, izolatory DC oraz inwerter stringowy.

Istnieją trzy typowe rodzaje zwarć łukowych DC:

Szeregowe – łuk szeregowy występuje, gdy połączenie jest przerwane, gdy moduł PV wytwarza prąd. Każde przerywane połączenie w obwodzie prądu stałego ma potencjał do wytworzenia łuku DC.Połączenia te mogą obejmować połączenia lutowane w module, połączenia kablowe typu kompresyjnego, złącza stosowane na przewodach podłączonych do modułów PV, połączenia w izolatorach prądu stałego, połączenia w falowniku, dowolne obwody prądu stałego w falowniku lub dowolne okablowanie DC.

Równoległe – łuki równoległe występują, gdy następuje awaria systemu izolacji, a przepływ prądu przebiega pomiędzy przewodem dodatnim i ujemnym. Dwa przewody o przeciwnej biegunowości w tym samym obwodzie prądu stałego często biegną blisko siebie. Izolacja między dwoma przewodami może stać się nieskuteczna z powodu przegryzienia jej przez zwierzę, przebicia UV, kruchości i pękania warstwy izolującej, wnikania wilgoci i uszkodzeń mechanicznych. Równoległe awarie łuku elektrycznego mogą postępować wzdłuż przewodów w kierunku palących się materiałów po drodze.

Do ziemi – ta usterka wymaga awarii tylko jednego systemu izolacji do ziemi. Może to być rama modułu solarnego, konstrukcja z panelem PV, dach lub inna uziemiona powierzchnia.

Uszkodzenie ciągłości przewodu spodowodane przez:

• Luźne połączenia z powodu niedokładnej instalacji.
• Luźne połączenia z powodu złej jakości złącz.
• Korozja

Uszkodzenie izolacji:

• Degradacja izolacji spowodowana ekspozycją na promieniowanie UV.
• Pękanie izolacji z powodu zmian temperatury.
• Starzenie się materiału izolacyjnego.
• Uszkodzenia spowodowane przez gryzonie, owady, ptaki.
• Uszkodzenia izolacji powstałe podczas instalacji.
• Uszkodzenie izolacji przez prace budowlane.
• Wnikanie wody do kabli, przewodów.
• Wnikanie wody do izolatorów DC spowodowane niedokładną instalacją.
• Wnikanie wody do izolatorów DC z powodu degradacji uszczelnień z upływem czasu.
• Wnikanie wody do falownika.
• Wnikanie wody do modułu PV lub skrzynki przyłączowej.

Awarie łuku DC zostały zidentyfikowane jako główna przyczyna ponad 400 pożarów budynków mieszkalnych i komercyjnych w Australii – pożarów, które zagrażają bezpieczeństwu mieszkańców oraz powodują uszkodzenia mienia. Usterki łuku DC powodują również znaczne uszkodzenia sprzętu
solarnego.

Można zadbać o najwyższą jakość elementów okablowania DC, można wykonać instalację z największą starannością, jednakże izolacja kabli i degradacja przewodów wystąpią z czasem, co może spowodować zwarcie łuku DC.

Awarię łuku DC występują na okablowaniu DC pod panelem solarnym, w dowolnym miejscu wzdłuż okablowania DC od panelu słonecznego na dachu do falownika stringowego, a nawet wewnątrz falownika. Wyłączenie inwertera nie rozłącza okablowania DC. Okablowanie prądu stałego od paneli PV do falownika jest aktywne zawsze, gdy świeci słońce i nie ma metody na jego izolowanie. Wyłączenie falownika nie spowoduje wygaszenia łuku DC. W zależności od lokalizacji usterki, działanie izolatora DC może izolować awarię i wygasić łuk, jednak będzie to wymagało dostępu do dachu i zlokalizowania odpowiedniego izolatora DC. Przerwanie łuku DC za pomocą izolatora jest obarczone dużym ryzykiem zagrożenia bezpieczństwa i może być uznane za ostateczność.

Istnieje wiele technologii solarnych, które są dostępne od ponad dziesięciu lat, co eliminuje ryzyko związane z defektami łuku DC. Należą do nich mikroinwertery produkowane przez takie firmy, jak Enphase Energy czy AP Systems, a także niektóre systemy zoptymalizowane pod kątem DC, takie jak SolarEdge, które mają bezpieczny tryb DC.

Eliminacja niebezpiecznych napięć DC jest bezpieczniejszym podejściem niż wdrażanie środków kontrolnych, takich jak ochrona przed zwarciami łukowymi DC. Zawsze istnieje ryzyko, że system ochrony, który nie jest poprawnie zainstalowany i utrzymywany, nie zadziała, gdy wystąpi awaria.

Technologie eliminujące ryzyko zwarć łukowych DC są dostępne od 2012r., dlatego można było zapobiec każdemu pożarowi instalacji PV uruchomionej po roku 2012.

Inwertery z wbudowaną detekcją łuku DC lokalizują awarię na podstawie szumu na okablowaniu DC wytwarzanym przez łuk. Po wykryciu łuku obwód prądu stałego w falowniku zostanie odizolowany. Spowoduje to wygaszenie łuku „szeregowego”, ale NIE wygasi „łuku równoległego” lub „łuku do uziemienia”. Okablowanie DC pod panelem słonecznym oraz to biegnące do falownika pozostanie pod napięciem, gdy obwód DC jest izolowany w falowniku. Usterka równoległa lub ziemnozwarciowa będzie nadal występować w systemach fotowoltaicznych zbudowanych na inwerterach stringowych z ochroną przed zwarciem łukowym DC.

Dostępne są urządzenia szybkiego wyłączania, które można zainstalować na dachu obok systemu solarnego. Znajdują się one zazwyczaj na końcu połączenia szeregowego. Są one przeznaczone do izolowania obwodu DC, gdy wykryta zostanie awaria łuku DC. Niestety, nie izolują one żadnych usterek występujących na wielu połączeniach pod panelem słonecznym ani nie zapewniają ochrony przed zwarciami doziemnymi.

Wśród instalatorów systemów PV panuje powszechne przekonanie, że awarie łuku DC występują tylko w izolatorach prądu stałego. To przekonanie jest błędne. Usterki łuku DC występują wszędzie tam, gdzie występują połączenia w kablach DC, uszkodzenia ciągłości kabla lub izolacji. Problem dotyczy również modułów solarnych, wtyków i okablowania DC, złącz w izolatorach DC lub wewnątrz falownika.

Niezainstalowanie izolatorów DC na dachu z pewnością wyeliminuje możliwość ich awarii w przyszłości. Jednak podstawowa teoria elektryczna mówi, aby stworzyć możliwość wyizolowania generatora energii elektrycznej jak najbliżej źródła. Na przykład, jeśli wystąpi usterka okablowania DC w komorze dachowej lub w dowolnym miejscu między modułami słonecznymi a falownikiem stringowym, system musi być wyposażony w sposób wyłączania zasilania w celu odizolowania usterki. Jeśli dojdzie do kontaktu człowieka z okablowaniem prądu stałego, standardowa bezpieczna procedura ratunkowa polega na odizolowaniu zasilania przed próbą udzielenia pomocy.

Chociaż demontaż izolatora DC z dachu może wydawać się łatwym sposobem zapobiegania jego awarii, nie zaleca się pozbawiania systemu możliwości odizolowania układu solarnego w przypadku awarii lub wypadku.

Awarie łuku DC występują wszędzie tam, gdzie występują połączenia w kablach DC, uszkodzenia ciągłości kabla lub izolacji. Jeśli izolator DC został zastąpiony skrzynką przyłączeniową lub skrzynką rozgałęźną złącza DC, awarie nadal będą występować zarówno w tych punktach, jak i w pozostałych obszarach obwodu DC. Najskuteczniejszym sposobem zapobiegania defektom łuku DC jest wyeliminowanie obecności niebezpiecznych napięć DC za pomocą mikroinwerterów lub zastosowanie niektórych systemów zoptymalizowanych pod kątem bezpiecznego napięcia DC.

Prawdopodobieństwo awarii łuku DC wzrasta wraz z wiekiem systemów fotowoltaicznych. Dzieje się tak dlatego, że połączenia w okablowaniu DC korodują z czasem, zwiększając impedancję, powodując nagrzewanie i przerwanie ciągłości złącza. Ponadto uszczelnienia izolatorów, przewodów itp. pogarszają się z czasem, umożliwiając zwiększone pochłanianie wody, co może spowodować zwarcie łuku DC.

Poza tym uszkodzenia izolacji mogą być spowodowane zarówno przez gryzonie, owady, ptaki, jak i przyszłe prace remontowe. Z czasem izolacja ulega teź degradacji zwiększając ryzyko wystąpienia zwarcia DC.

Odnotowano liczne przypadki pożarów, które wywołane zostały przez sprzęt uznany za wysokiej jakości w momencie jego instalacji, ale wycofany przez producenta wiele lat później z powodu wad produkcyjnych lub projektowych. Często wady te zostają zdiagnozowane dopiero po kilku latach funkcjonowania urządzeń na rynku.

Instalacja systemów solarnych na dachach jest trudnym i czasami niebezpiecznym zadaniem, wykonywanym często w niewygodnych warunkach przy wysokich temperaturach. Warunki te nie sprzyjają perfekcyjnemu wykonaniu instalacji i wystarczy tylko chwilowy spadek koncentracji, aby nie dokręcić skrzynki przyłączeniowej lub izolatora DC – co ostatecznie spowoduje narażenie tych punktów na działanie wody i doprowadzi do awarii. Praktyczne doświadczenie mówi, że nawet najlepszy instalator może popełniać błędy, a przy systemach DC błędy te mogą być katastrofalne w skutkach.

Twórcy norm australijskich (szczególnie AS5033) dokładają wszelkich starań, aby wyeliminować wszystkie prawdopodobne przyczyny zwarć łukowych prądu stałego w instalacjach fotowoltaicznych. Przeprowadzane są rygorystyczne inspekcje (znacznie bardziej niż w przypadku zwykłej instalacji elektrycznej), a mimo to każdego dnia w Australii mają miejsce katastrofalne w skutkach awarie łuków prądu stałego w systemach solarnych. To powinien być wystarczający dowód na to, czy przestrzeganie
istniejących norm australijskich jest wystarczające do wyeliminowania zwarć łukowych DC.

Jedynym sposobem wykluczenia ryzyka wystąpienia zwarć łukowych DC jest wyeliminowanie niebezpiecznego napięcia DC z systemu lub zastosowanie technologii specjalnie zaprojektowanej w celu zmniejszenia napięcia systemu do bezpiecznego poziomu w przypadku awarii.

Istnieje powszechne przekonanie, że jeśli system solarny DC z niezabezpieczonym okablowaniem DC średniego napięcia zostanie zainstalowany zgodnie z australijskimi normami AS5033 i będzie regularnie konserwowany, jest całkowicie bezpieczny. To nie jest prawda. Instalator może regularnie kontrolować instalację fotowoltaiczną, jednak nie daje to gwarancji, że następnej nocy po inspekcji gryzoń lub inne zwierzę nie uszkodzi izolacji okablowania DC. Gdy słońce wschodzi, panele słoneczne zaczynają wytwarzać energię, na gołych przewodach pojawia się wysokie napięcie powodując zwarcie łuku DC i pożar budynku. Dla instalatora praktycznie niemożliwe jest sprawdzenie, czy wszystkie uszczelki są wodoszczelne, zapobiegając wnikaniu wody, a także sprawdzenie, czy wszystkie złącza kablowe nie są skorodowane i czy nie są narażone na wysoką impedancję.

Wielka Brytania również rozpoznała ten problem i przeprowadziła szczegółowe dochodzenie w sprawie pożarów instalacji solarnych spowodowanych zwarciami łuku DC.