Блискавкозахист сонячних панелей розв’язує дві різні задачі, які на практиці часто змішують. Зовнішній блискавкозахист приймає прямий удар блискавки і відводить струм у землю осторонь від модулів і кабелів. Пристрої захисту від імпульсних перенапруг (ПЗІП) обмежують напругу, яка наводиться в проводці при ударі в будівлю або поруч із нею, і тим самим захищають ізоляцію модулів та інвертора від пробою. Зовнішній захист потрібен далеко не кожному будинку, ПЗІП потрібні значно частіше, а вибір конкретного рішення залежить від того, чи є на будівлі блискавкоприймач і на якій відстані від панелей його встановлено.
Блискавкозахист спирається на той самий заземлювальний пристрій, що й захисне заземлення станції. Навіщо заземлювати рами і конструкцію, розібрано в першій частині циклу, навіщо потрібне заземлення сонячних панелей, а чому станція і будинок повинні мати один спільний заземлювач, у статті про заземлення наземної сонячної станції. Що відбувається, якщо рами залишилися без заземлення, розібрано в статті про сонячні панелі без заземлення. Як рами і профілі з’єднують між собою на покрівлі, описано в статті про заземлення сонячних панелей на даху. Як обрати сам провід, тобто його переріз, марку, клас жили й наконечники, розібрано в статті про кабель для заземлення сонячних панелей.
Нормативні посилання нижче наведено за чинними документами: ДСТУ EN 62305-3:2021 (українська версія європейського стандарту блискавкозахисту, заснованого на IEC 62305-3:2010), ДСТУ HD 60364-7-712:2022 (вимоги до фотоелектричних установок, чинний з 31 грудня 2023 року замість ДСТУ IEC 60364-7-712:2019) і міжнародний стандарт IEC 61643-32:2017, присвячений вибору і застосуванню ПЗІП у фотоелектричних системах. Колишній ДСТУ Б В.2.5-38:2008 втратив чинність з 1 листопада 2019 року, тому посилання на нього в проектах і довідниках застаріли.
Чи підвищують сонячні панелі ризик удару блискавки в будинок
Сонячні панелі ризик удару не підвищують. Технічний звіт IEC TR 63227:2020, присвячений блискавкозахисту фотоелектричних систем, у пункті 5.1 прямо вказує, що встановлення звичайної сонячної станції на будівлі або поруч із нею ризику удару блискавки не змінює. Такого самого висновку доходять німецька спілка електротехніків VDE і виробник систем блискавкозахисту DEHN.
Причина в тому, що ймовірність удару визначається висотою будівлі і площею, з якої вона збирає розряди, а модулі, покладені на покрівлю, майже не змінюють ні того, ні іншого. Змінюється інше: на даху з’являються дороге обладнання і десятки метрів кабелю, в якому при близькому ударі наводиться перенапруга. Тому захист сонячних панелей від блискавки зводиться насамперед до захисту обладнання від перенапруг, а зовнішній блискавкозахист стає окремим рішенням для будівлі загалом.
Чи потрібен блискавкозахист сонячної станції приватного будинку за нормами
ДБН В.2.2-15:2019 “Житлові будинки” поширюються зокрема на одноквартирні будинки і після зміни № 1, чинної з 1 вересня 2022 року, відсилають з питань блискавкозахисту до серії ДСТУ EN 62305. Необхідність захисту та його клас за цією серією визначаються оцінкою ризику за ДСТУ IEC 62305-2: ризик втрат від удару блискавки порівнюють із допустимим, і якщо він вищий, обирають заходи, які його знижують. Національні стандарти за законом “Про стандартизацію” застосовуються добровільно, якщо їх обов’язковість не встановлено нормативно-правовим актом.
Для сонячної станції з цього випливає практичний висновок. Якщо на будинку вже є зовнішній блискавкозахист, станцію необхідно вписати в нього за правилами, викладеними нижче, інакше блискавкоприймач почне відводити струм через каркас панелей. Якщо блискавкозахисту немає, встановлення модулів не збільшує ймовірності удару в будівлю, а питання про зовнішній блискавкозахист вирішується окремою оцінкою ризику для будинку, в якій враховуються й можливі втрати, зокрема вартість обладнання. VDE формулює це так: коли зовнішній блискавкозахист законом не вимагається, рішення про нього ухвалює власник установки.
Три варіанти зв’язку блискавкозахисту будинку із сонячними панелями
Подальший вибір перерізу провідника для рам, типу ПЗІП на боці постійного і змінного струму визначається тим, у якій із трьох ситуацій перебуває станція. Їх виокремлюють IEC 61643-32 у пунктах 6.2.1-6.2.3 та IEC TR 63227. Ключове поняття тут розділова відстань, тобто мінімальний проміжок між частинами блискавкозахисту і металом станції, за якого струм блискавки не перекриває повітря або стіну іскрою; як її рахувати, розібрано в наступному розділі.
| Ситуація | Рами і конструкція станції | ПЗІП на боці постійного струму | ПЗІП на вводі змінного струму |
|---|---|---|---|
| Зовнішнього блискавкозахисту немає | функціональне зрівнювання потенціалів, мідь не менше ніж 6 мм² | тип 2 | тип 2 |
| Блискавкозахист є, розділову відстань витримано | мідь не менше ніж 6 мм², до блискавкозахисту не приєднуються | тип 2 | тип 1 |
| Блискавкозахист є, розділову відстань не витримано | приєднуються до блискавкозахисту міддю не менше ніж 16 мм² | тип 1 | тип 1 |
Перерізи 6 і 16 мм² наведено за таблицею 1 IEC TR 63227; значення 16 мм² стосується блискавкозахисту класу III, типового для житлового будинку. Третій варіант найнесприятливіший: рами стають частиною системи блискавкозахисту, частина струму блискавки йде в кабелі постійного струму, і захищати їх доводиться пристроями, розрахованими на цей струм. Тому під час проектування намагаються витримати розділову відстань і залишитися в другому варіанті.
Зона захисту блискавкоприймача: метод кулі, що котиться, і класи захисту
Зовнішній блискавкозахист складається з трьох частин: блискавкоприймачів, які приймають розряд (стрижні, натягнуті провідники, сітка на покрівлі), струмовідводів, які спускають струм донизу по стіні, і заземлювача, який віддає його в ґрунт. Розміри всіх трьох частин залежать від класу системи блискавкозахисту. Класів чотири, клас I найсуворіший, клас IV найм’якший; для житлових будинків за оцінкою ризику найчастіше виходить клас III.
Захищену зону визначають методом кулі, що котиться. Уявну кулю заданого радіуса перекочують будівлею і землею навколо неї в усіх напрямках; місця, яких куля торкається, відкриті для удару, а простір під блискавкоприймачами, куди вона не проникає, захищений. Панелі мають повністю перебувати в цьому просторі із запасом.
| Клас блискавкозахисту | Радіус кулі, що котиться | Розмір комірки блискавкоприймальної сітки | Типова відстань між струмовідводами |
|---|---|---|---|
| I | 20 м | 5 × 5 м | 10 м |
| II | 30 м | 10 × 10 м | 10 м |
| III | 45 м | 15 × 15 м | 15 м |
| IV | 60 м | 20 × 20 м | 20 м |
Значення взято з таблиць 2 і 4 IEC 62305-3:2010, на якому заснований ДСТУ EN 62305-3:2021. Міжнародна редакція IEC 62305-3:2024 уже вийшла, але в Україні чинний ДСТУ EN 62305-3:2021, і номери пунктів і таблиць у статті наведено за ним.
Стрижневі блискавкоприймачі на даху зі станцією мають ще одне обмеження: стрижень відкидає на модулі тінь. Повна тінь вимикає частину комірок модуля, і спрацьовують обхідні діоди, тому стрижень ставлять так, щоб на модуль падала тільки розсіяна півтінь. DEHN наводить для цього відстань не менше ніж 108 діаметрів стрижня, тобто для стрижня діаметром 10 мм близько 1,08 м.
Для наземної станції метод той самий. Блискавкоприймачі встановлюють на окремих щоглах або на стояках масиву так, щоб увесь масив опинився всередині захищеної зони, а між блискавкоприймачами і рамами дотримувалася розділова відстань.
Розділова відстань між блискавкозахистом і панелями: формула і приклад розрахунку
Розділову відстань s розраховують за формулою з пункту 6.3 стандарту: s = ki × (kc / km) × l. Коефіцієнт ki залежить від класу блискавкозахисту, km від матеріалу проміжку, kc від того, на скільки струмовідводів ділиться струм, а l це довжина шляху струму блискавкоприймачем і струмовідводом від розглянутої точки до найближчої точки зрівнювання потенціалів, зазвичай до рівня землі.
| Коефіцієнт | Умова | Значення |
|---|---|---|
| ki, клас блискавкозахисту | клас I | 0,08 |
| клас II | 0,06 | |
| класи III і IV | 0,04 | |
| km, матеріал проміжку | повітря | 1 |
| бетон, цегла, дерево | 0,5 | |
| kc, кількість струмовідводів | один (тільки для ізольованого блискавкозахисту) | 1 |
| два | 0,66 | |
| три і більше | 0,44 |
Приклад для будинку з блискавкозахистом класу III і двома струмовідводами. Стрижень біля краю масиву розташований на висоті 9 м від землі, проміжок до найближчої рами повітряний. Тоді s = 0,04 × 0,66 / 1 × 9 ≈ 0,24 м: рама повинна відстояти від стрижня і від струмовідводу не менше ніж на 24 см. Якщо між ними опиняється кладка або дерев’яна конструкція, km дорівнює 0,5, і потрібна відстань подвоюється до 48 см.
Вимога стосується всіх металевих частин станції, а не тільки рам: профілів, кабельних лотків, металевих коробів і самих кабелів постійного струму, прокладених уздовж стіни поруч зі струмовідводом. Якщо витримати відстань не вдається, наприклад тому що масив займає всю площу покрівлі, рами приєднують до блискавкозахисту мідним провідником не менше ніж 16 мм², і станція переходить у третій варіант із таблиці вище.
Мінімальні перерізи блискавкоприймачів, струмовідводів і заземлювачів
Блискавкоприймачі і струмовідводи проводять імпульсний струм у десятки кілоампер, тому їх перерізи помітно більші, ніж у захисних провідників електроустановки. Мінімальні значення за таблицями 6-9 IEC 62305-3:2010 для найпоширеніших матеріалів:
| Елемент | Мідь | Гарячеоцинкована сталь |
|---|---|---|
| Блискавкоприймач і струмовідвід, круглий пруток або штаба | 50 мм² | 50 мм² (пруток діаметром 8 мм) |
| Заземлювач, круглий пруток | 50 мм² | 78 мм² (пруток діаметром 10 мм) |
| Заземлювач, штаба | 50 мм² | 90 мм² |
| Провідник між шинами зрівнювання потенціалів | 16 мм² | 50 мм² |
| Провідник від металевих частин до шини зрівнювання | 6 мм² | 16 мм² |
Круглий пруток діаметром 8 мм має переріз близько 50 мм² і тому найчастіше застосовується для струмовідводів з оцинкованої сталі. Круглий пруток з нержавіючої сталі нормується так само: 50 мм² для блискавкоприймачів і струмовідводів, 78 мм² для заземлювачів. Алюмінієві провідники допускаються в блискавкоприймачах і струмовідводах, але в ґрунт їх не укладають: алюміній у землі руйнується, і ця заборона діє й для заземлювачів захисного заземлення.
Заземлювач блискавкозахисту: тип A, тип B і об’єднання з контуром будинку
Стандарт розрізняє два типи заземлювачів блискавкозахисту. Тип A складається з окремих горизонтальних або вертикальних електродів, по одному на кожен струмовідвід. Для класів III і IV мінімальна довжина горизонтального електрода l1 становить 5 м незалежно від питомого опору ґрунту, вертикального 0,5 × l1, тобто 2,5 м; якщо опір заземлення менший за 10 Ом, ці довжини можна не витримувати (пункт 5.4.2.1). Тип B являє собою кільцевий заземлювач навколо будівлі, який щонайменше на 80 % довжини контактує з ґрунтом (пункт 5.4.2.2), або фундаментний заземлювач, замкнений у контур.
Кільцевий заземлювач рекомендується укладати на глибину не менше ніж 0,5 м і на відстані близько 1 м від стін (пункт 5.4.3). Опір заземлення стандарт рекомендує тримати нижче 10 Ом під час вимірювання на низькій частоті (пункт 5.4.1), але це рекомендація: для відведення імпульсного струму форма і розміри заземлювача важливіші за абсолютне значення опору.
Заземлювач блискавкозахисту, захисне заземлення будинку і заземлювач станції об’єднують в один заземлювальний пристрій. Причина та сама, що й у випадку з окремим контуром біля наземної станції: роздільні заземлювачі при ударі блискавки отримують різні потенціали, і різниця прикладається до обладнання, зв’язаного з обома, тобто насамперед до інвертора.
Який ПЗІП ставити на боці постійного струму: тип 1 чи тип 2
ПЗІП типу 1 випробовують імпульсом форми 10/350 мкс, який відтворює частину прямого струму блискавки, ПЗІП типу 2 імпульсом 8/20 мкс, що відповідає наведеним перенапругам. Тип 1 потрібен там, де в проводку може потрапити частина струму блискавки, тобто в третьому варіанті з таблиці зв’язку блискавкозахисту з панелями. У двох інших варіантах на боці постійного струму достатньо типу 2.
Для типу 1 стандарт IEC 61643-32 у додатку A задає мінімальний імпульсний струм залежно від класу блискавкозахисту і кількості струмовідводів. Для класу III за кількості струмовідводів менше чотирьох пристрій, що обмежує напругу, повинен витримувати 5 кА форми 10/350 мкс у кожній гілці, від плюса і від мінуса до землі, і 10 кА сумарно; за чотирьох струмовідводів і більше вимоги вдвічі нижчі, 2,5 і 5 кА.
ПЗІП для боку постійного струму сонячної станції випускають за окремим стандартом IEC 61643-31:2018, і звичайні пристрої для мережі змінного струму тут не застосовують. Дуга постійного струму не гасне сама, оскільки струм не проходить через нуль, а сонячний генератор при цьому є джерелом з обмеженим струмом, який не вибиває автомат. Тому фотоелектричні ПЗІП оснащують роз’єднувачем, здатним розірвати дугу постійного струму, і часто виконують за схемою “зірка” з трьох елементів, яка зберігає працездатність у разі пошкодження ізоляції одного з полюсів. Дія IEC 61643-31 не поширюється на кола акумуляторів, тому захист батарейної шини гібридного інвертора обирають за вказівками виробника інвертора.
Параметри ПЗІП постійного струму: напруга UCPV, рівень захисту Up і струм ISCPV
Фотоелектричний ПЗІП має три параметри, які перевіряють за даними конкретної станції:
| Параметр | Що означає | Умова вибору |
|---|---|---|
| UCPV | найбільша постійна напруга, яку ПЗІП витримує тривало | не нижча за найбільшу напругу холостого ходу рядка (стрінга) UOC MAX |
| Up | рівень захисту: напруга, що залишається на виводах під час спрацювання | не вища за 0,8 від імпульсної міцності захищуваного обладнання Uw |
| ISCPV | струм короткого замикання генератора, за якого ПЗІП безпечно вимикається | не нижчий за найбільший струм короткого замикання підключеного генератора |
Напруга холостого ходу модуля зростає зі зниженням температури, тому UOC MAX визначають для найнижчої розрахункової температури за методикою додатка B ДСТУ HD 60364-7-712:2022. Приклад: рядок із 14 модулів з напругою холостого ходу 49,6 В у стандартних умовах і температурним коефіцієнтом мінус 0,25 % на градус. За мінус 25 °C температура на 50 градусів нижча за стандартні 25 °C, напруга модуля зростає на 12,5 % до 55,8 В, а рядка до 781 В. Виробники ПЗІП як спрощений запас вказують коефіцієнт 1,2 до напруги в стандартних умовах, що для того самого рядка дає 833 В. В обох випадках підходить ПЗІП з UCPV 1000 В. Як той самий розрахунок визначає, скільки модулів можна з’єднати в рядок, розібрано в статті про розрахунок стрінга.
Вимогу до рівня захисту із запасом 20 % встановлено IEC 61643-32 (пункт 9.2.4). Імпульсна міцність Uw вказується в документації на інвертор і модулі; запас потрібен тому, що до Up під час спрацювання додається спад напруги на провідниках підключення.
Де встановлювати ПЗІП на сонячній станції і коли потрібен другий комплект
ДСТУ HD 60364-7-712:2022 у пункті 712.443 ставить встановлення ПЗІП на боці постійного струму в залежність від довжини кабельної траси L, тобто найбільшої довжини кабелів між інвертором і точками підключення модулів різних рядків. Якщо L не менша за критичну довжину Lcrit, ПЗІП обов’язковий. За таблицею 712.102 для житлового будинку Lcrit = 115 / Ng, де Ng це густина ударів блискавки в землю, ударів на квадратний кілометр на рік; для нежитлових будівель і наземних станцій таблиця дає більші значення критичної довжини.
За даними Українського гідрометеорологічного центру, на рівнинній частині країни буває 27-30 грозових днів на рік, у Карпатах до 45. За відсутності даних грозопеленгації IEC 62305-2 для помірного клімату оцінює Ng приблизно як десяту частину кількості грозових днів, що для більшої частини України дає близько 3 ударів на квадратний кілометр на рік. Тоді для станції на житловому будинку Lcrit становить близько 38 м. Коротка траса формально дозволяє обійтися без ПЗІП, але вартість пристрою непорівнянна з вартістю інвертора, тому на практиці їх ставлять і за меншої довжини. За наявності зовнішнього блискавкозахисту ПЗІП на боці постійного струму потрібен незалежно від довжини траси, як випливає з таблиці трьох варіантів вище.
Другий комплект визначається відстанню. IEC 61643-32 (пункт 9.1) розділяє випадки, коли кабель між ПЗІП і захищуваним обладнанням коротший за 10 м і довший. За довжини понад 10 м наведена в самому кабелі перенапруга до обладнання доходить, тому ПЗІП ставлять з обох кінців: у розподільній коробці біля масиву і біля входу інвертора. Те саме правило діє на боці змінного струму: якщо від інвертора до ввідного щита з ПЗІП понад 10 м, біля виходу інвертора ставлять ще один ПЗІП типу 2.
У багато інверторів ПЗІП типу 2 вбудовано на вході постійного струму, а іноді й на виході. Їх параметри наводяться в паспорті, і якщо вони відповідають вимогам для конкретної станції, вбудований захист замінює окремий пристрій біля інвертора, але не біля віддаленого масиву. Де ПЗІП стоїть у загальному колі від панелей до щита, показано на схемі підключення сонячних панелей до інвертора. Лінії зв’язку інвертора, наприклад RS-485 до лічильника або Ethernet, зазнають тих самих наведень і захищаються власними ПЗІП для сигнальних кіл.
Як підключити ПЗІП: довжина провідників, переріз заземлення і площа петель
Ефективність ПЗІП насамперед залежить від підключення. Індуктивність провідників за крутого фронту імпульсу додає до рівня захисту напругу порядку кіловольта на кожен метр проводу, тому IEC 60364-5-53 (пункт 534.4.8) обмежує сумарну довжину провідників підключення ПЗІП, від точки приєднання до лінії через пристрій до шини заземлення, величиною 0,5 м. Довгий провід до шини, прокладений “для охайності” по периметру щита, зводить захист нанівець.
Переріз провідника заземлення ПЗІП приймають не менше ніж 16 мм² міді для типу 1; для типу 2 різні редакції стандарту вимагають від 4 до 6 мм², і на практиці беруть 6 мм². Шину, до якої приєднують ПЗІП, з’єднують із головною заземлювальною шиною будинку найкоротшим шляхом.
Наведена напруга пропорційна площі петлі, яку утворюють провідники, тому ДСТУ HD 60364-7-712:2022 у пункті 712.521.102 вимагає зводити до мінімуму площу всіх петель у проводці постійного струму, особливо в кабелях рядків, і прокладати кабелі постійного струму поруч із провідниками зрівнювання потенціалів. Плюсовий і мінусовий кабелі рядка з цієї причини не розводять по різних краях масиву. Петля, що охоплює половину покрівлі, при близькому ударі дає перенапругу в багато разів вищу, ніж пара кабелів, прокладених поруч.
Часті помилки під час блискавкозахисту сонячних панелей
- масив змонтовано впритул до блискавкоприймача або струмовідводу без розрахунку розділової відстані;
- рами з’єднано з блискавкозахистом, а на боці постійного струму стоїть ПЗІП типу 2;
- на боці постійного струму встановлено ПЗІП для мережі змінного струму;
- напругу UCPV обрано за напругою рядка в стандартних умовах без урахування морозу;
- ПЗІП стоїть тільки біля інвертора за траси до масиву понад 10 м;
- провідники підключення ПЗІП довші за 0,5 м;
- плюсовий і мінусовий кабелі рядка рознесено, і вони утворюють велику петлю;
- заземлювач блискавкозахисту виконано окремо від заземлення будинку і станції;
- стрижень блискавкоприймача відкидає на модулі повну тінь;
- лінії зв’язку інвертора залишено без захисту.
Обслуговування ПЗІП і перевірка після грози
Варистори в ПЗІП поступово деградують від кожного спрацювання, і відмова пристрою без індикації минає непомітно, доки наступний імпульс не виведе з ладу інвертор. Більшість модульних ПЗІП мають вікно індикатора, яке змінює колір у разі спрацювання теплового роз’єднувача, а частина моделей оснащується контактом дистанційної сигналізації. Індикатори оглядають після сильних гроз і під час планового обслуговування станції, спрацьовані змінні вставки замінюють на вставки того самого типу.
Зовнішній блискавкозахист оглядають разом із покрівлею: перевіряють кріплення блискавкоприймачів і струмовідводів, цілісність з’єднань і те, чи не скоротилася розділова відстань після встановлення додаткових модулів, антен або кондиціонерів. Неперервність кола від рам до головної заземлювальної шини перевіряється мультиметром так само, як описано в статті як перевірити заземлення сонячних панелей мультиметром, а опір заземлювача вимірюють спеціальним приладом з виносними електродами.
