Заземлення масиву на даху складається з півтора десятка контактних з’єднань. Рама кожної панелі зв’язується з несучим профілем, профілі з’єднуються між собою, групи профілів зводяться до магістрального провідника, і вже він іде вниз, до головної заземлювальної шини будинку. Коло виконує свою функцію лише тоді, коли працюють усі з’єднання без винятку.
Слабке місце в цьому колі майже завжди одне й те саме. Алюміній рам і напрямних анодований, а оксидна плівка струму не проводить, тому з’єднання, зібране звичайним кріпленням, існує механічно, але не електрично. Нижче розібрано, як зробити заземлення панелей на даху своїми руками: чим з’єднувати метал, де потрібні перемички, який переріз приймати і з яким моментом затягувати різьбу.
Що саме заземлюють на даху
При пошкодженні ізоляції напруга з’являється на будь-якій доступній для дотику металевій частині, тому в коло вмикають усю конструкцію повністю:
- рами всіх панелей;
- монтажні профілі;
- кронштейни та гаки, якими конструкція кріпиться до крокв;
- металеву покрівлю, якщо масив установлений безпосередньо на ній;
- кабельні лотки й короби;
- металевий бокс із запобіжниками або рубильником на боці постійного струму.
Заземлити крайню панель ряду і розраховувати, що решта підхопиться крізь спільний профіль, не можна. Прямого електричного контакту між рамами сусідніх панелей немає: їх розділяють пластикові вставки притискних клем і те саме анодування.
Що відбувається при пробої ізоляції і чому функціональне заземлення модулів не замінює захисного, розібрано в першій статті циклу. Чим небезпечна станція, у якої рами взагалі не заземлені, і чому після заземлення інвертор може вперше показати помилку ізоляції, пояснює стаття про сонячні панелі без заземлення.
Чому провід під звичайний болт не працює
Рами панелей і монтажні профілі випускають анодованими. Анодування нарощує на поверхні шар оксиду алюмінію, який захищає метал від корозії й зберігає зовнішній вигляд на весь строк служби. Для сонячних рам товщина шару зазвичай лежить у межах 10-25 мкм, а клас покриття позначають прямо в мікронах: AA10, AA15, AA20.
Оксид алюмінію належить до діелектриків. Це не поганий провідник, а ізолятор, зіставний за властивостями з керамікою, і на цій самій властивості будується захист рами від електрохімічної корозії в контакті зі сталевим кріпленням.
Для монтажу звідси випливає цілком конкретне обмеження. Наконечник провідника, притягнутий до рами звичайним болтом із плоскою шайбою, відокремлений від алюмінію ізолювальною плівкою. З’єднання виглядає зібраним, протягування нічого не змінює, а електричного кола немає. Контакт з’явиться тільки після того, як анодування в точці з’єднання буде зруйноване механічно.
Три способи пробити анодування
Сертифіковані рішення роблять одне й те саме: продавлюють ізолювальний шар гострим металом. Різняться вони конструкцією та сферою застосування.
Затискач заземлення із зубцями
Клема з нержавіючої сталі або лудженої міді з гострими зубцями на прилеглому боці. Кріпиться до рами або до профілю болтом, провідник заводиться у гвинтовий затискач. При затягуванні зубці вминаються в алюміній і розкривають чистий метал під плівкою; площа контакту виходить невеликою, але провідною.
Затискачі розраховані на певний діапазон перерізів. У IronRidge клема допускає одножильний або багатожильний мідний провідник 14-4 AWG, тобто приблизно від 2,5 до 25 мм².
Притискна клема зі штифтами
Клема, яка механічно утримує панель на профілі, але несе металеві шипи в місцях контакту з рамою і з напрямною. Окрема операція під час монтажу не потрібна: панель установлюють, клему затягують, і електричне з’єднання утворюється разом із механічним.
Працює це лише в тій комбінації, для якої конструкцію випробувано за стандартом UL 2703: конкретні профілі, конкретні клеми, конкретні типорозміри рам. Клема одного виробника на профілі іншого виводить вузол за межі сертифіката, і безперервність кола в такому складанні ніким не підтверджена.
Зубчаста шайба
Шайба з нержавіючої сталі з рядами зубців по обидва боки, закладається між рамою і профілем у штатне болтове з’єднання. Поширене позначення таких шайб WEEB, скорочення від Washer, Electrical Equipment Bond.
Інструкція виробника обумовлює дві умови. Шайба одноразова: після розбирання з’єднання зубці зім’яті, і повторно вона не встановлюється. Зубці мають цілком потрапляти під кромку рами, а не виходити за неї.
Штатний отвір у рамі
Виробник панелі передбачає в рамі отвір під заземлення і позначає його відповідним значком. Діаметр і момент затягування наведені в інструкції з монтажу: у JA Solar це отвір діаметром 4,2 мм на короткому боці рами ближче до середини, момент на болті заземлення 2,3 Н·м.
Та сама інструкція забороняє свердлити в рамі додаткові отвори і прямо обумовлює, що при порушенні цієї вимоги гарантія на модуль не діє.
Заборона технічно обґрунтована. Рама сприймає вітрове та снігове навантаження і передає його на точки кріплення, тому отвір у довільному місці стає концентратором напружень. Крім того, на зрізі оголюється алюміній без анодування, і в зовнішньому середовищі він починає кородувати вже в перші сезони.
Перемички між профілями
Панелі спираються на дві або три паралельні напрямні, кожна з яких електрично ізольована від сусідньої. Перемички потрібні в трьох місцях.
Між паралельними профілями одного стола. Верхню й нижню напрямні зв’язують перемичкою, інакше заземленою виявиться тільки одна з них.
На стиках профілів по довжині. Ряд із шести або восьми панелей довший за стандартну напрямну, тому профілі нарощують з’єднувачами. Звичайний з’єднувач забезпечує механічний зв’язок, але не електричний. Застосовують або сертифікований з’єднувач із зубцями, для якого безперервність кола підтверджена випробуваннями, або шунтують стик окремою перемичкою.
Між столами. Групи панелей на різних схилах або рознесені по даху зв’язують між собою в один вузол.
Як перемичку застосовують короткий гнучкий провідник з опресованими наконечниками або готову плетену шину. Кріплять її тими самими затискачами із зубцями.
Схема з’єднання: зірка, а не ланцюжок
Економічна на вигляд схема, в якій корпуси з’єднані послідовно один за одним, заборонена нормативно. ПУЕ, пункт 1.7.159: послідовно вмикати в PE-провідник або заземлювальний провідник відкриті провідні частини не допускається.
Причина заборони в поведінці такого кола при відмові. Порушення одного з’єднання відключає від землі все, що підключене після нього, причому зовнішніх ознак у цього немає: проводи на місці, кріплення затягнуте, а захист при замиканні не спрацює.
Правильна схема будується інакше. Металоконструкція масиву збирається в один вузол і зв’язується з головною заземлювальною шиною будинку магістральним провідником. Інвертор, бокс постійного струму і шафу накопичувача приєднують до тієї самої шини кожен своїм окремим провідником.
Усередині самого масиву з’єднання перемичками припустиме: це єдина конструкція, а не послідовно ввімкнені корпуси обладнання. Системи кріплень, випробувані цілком, ідуть далі. У IronRidge на безперервний підмасив достатньо одного затискача заземлення незалежно від його розміру, оскільки безперервність кола всередині підмасиву підтверджена випробуваннями за UL 2703.
Переріз провідників
Переріз визначають за трьома вимогами і приймають найбільше з отриманих значень.
Як захисний провідник. ПУЕ, пункт 1.7.139: мідний захисний провідник, прокладений окремо від живильних жил, має мати переріз не менше 2,5 мм² за наявності механічного захисту і не менше 4 мм² за його відсутності. На даху провідник прокладений відкрито, тому нижня межа становить 4 мм².
Як провідник зрівнювання потенціалів. ПУЕ, пункт 1.7.149: провідник основної системи зрівнювання потенціалів приймають перерізом не менше 6 мм² по міді, 16 мм² по алюмінію і 50 мм² по сталі.
Як елемент блискавкозахисту. Якщо той самий провідник входить до системи блискавкозахисту, вимога посилюється до 16 мм² по міді. Цей випадок розібрано в статті про блискавкозахист сонячних панелей.
Для звичайної домашньої станції практичний вибір виходить такий: магістраль від масиву до головної заземлювальної шини мідь 6 мм², перемички й відводи до рам мідь 4-6 мм². Як обрати сам провід, тобто його переріз, марку, клас жили й наконечники, розібрано в статті про кабель для заземлення сонячних панелей.
Ізоляція провідника жовто-зелена, це забарвлення закріплене за захисними провідниками і для інших цілей не застосовується. Для зовнішнього прокладання ізоляція має бути стійкою до ультрафіолету: звичайний ПВ-3 на відкритому даху втрачає еластичність за один-два сезони і починає обсипатися.
Мідь і алюміній
Мідний провідник, притягнутий голою жилою до алюмінієвої рами, утворює з нею гальванічну пару. У вологому середовищі активніший метал, тобто алюміній, починає розчинятися; контакт заростає пухкими продуктами корозії, перехідний опір росте, і через кілька сезонів з’єднання перестає проводити.
Виробники задають цьому кількісний критерій. JA Solar посилається на рекомендацію, за якою різниця електрохімічних потенціалів між металами, що стикаються, не повинна перевищувати 0,6 В.
Практичних рішень два. Мідну жилу опресовують у луджений наконечник: олово за потенціалом ближче до алюмінію, і пара виходить щадною. Або з’єднання виконують крізь нержавіючу сталь затискача, і прямого контакту міді з алюмінієм не виникає взагалі.
Скрутки й саморізи в зовнішніх з’єднаннях кола заземлення не застосовують.
Момент затягування
У з’єднаннях із зубцями момент затягування визначає, відбудеться контакт чи ні: саме зусилля заганяє зубці крізь оксидний шар. Недотягнуте з’єднання виглядає зібраним, але зубці залишаються в межах плівки, і продзвонювання показує десятки ом замість часток. Перетягнуте зриває різьбу в тонкостінному алюмінії або сминає зубці.
Значення з інструкцій виробників:
- болт заземлення у штатному отворі рами, JA Solar: 2,3 Н·м;
- кріплення крізь монтажний отвір рами із зубчастою шайбою, JA Solar: 2,0-2,2 Н·м;
- гвинт клеми на затискачі заземлення, IronRidge: близько 2,3 Н·м;
- гайка затискача заземлення на профілі, IronRidge: близько 9 Н·м;
- Т-болт М8 із шайбою WEEB, Hubbell Wiley: 16,3 Н·м.
Розкид значень показує, що універсальної цифри не існує. Момент приймають за інструкцією до конкретної панелі та конкретної системи кріплень і контролюють динамометричним ключем.
Прокладання провідника по даху
Провідник заземлення прокладають однією трасою із силовими кабелями постійного струму. Рознесені вбік провідники утворюють контур, і чим більша його площа, тим вища напруга, яку наводить у ньому близький грозовий розряд. Наведений імпульс приходить на вхід інвертора найкоротшим шляхом, і вартість наслідків незіставна з вартістю додаткових стяжок.
Решта вимог до траси:
- провідник кріплять до профілю стяжками або кліпсами; вільно покладений провід перетирається об покрівлю за два-три сезони;
- залишають слабину, оскільки алюмінієва конструкція помітно змінює довжину при нагріванні;
- наконечники опресовують; пайка в зовнішніх з’єднаннях розтріскується від вібрації та температурних циклів;
- прохід крізь покрівлю виконують через гермоввід з ущільненням.
Металева покрівля та кронштейни
Якщо масив установлений на металочерепиці, профнастилі або фальцевій покрівлі, сама покрівля також вмикається в систему зрівнювання потенціалів. Розраховувати на те, що вона з’єднається з масивом крізь точки опори, не варто: листи мають захисне покриття, з’єднуються саморізами й замками, а кріплення з часом слабшає.
Покрівлю заземлюють окремим провідником, приєднаним до того самого вузла, що й металоконструкція масиву.
Кронштейни та гаки, які проходять крізь покрівлю до крокв, входять у коло крізь профілі. Окремий провідник до кожного кронштейна не потрібен за умови, що з’єднання кронштейна з профілем виконане з порушенням анодування, тобто зубчастою шайбою або затискачем.
Введення в будинок і приєднання до шини
Магістральний провідник приєднують до головної заземлювальної шини, а не до корпусу інвертора і не до найближчого розподільчого щита.
Вимоги до приєднання:
- кожен провідник закріплюють на шині окремим гвинтом, щоб його можна було від’єднати, не чіпаючи решту;
- шина мідна або латунна, допускається сталева. Алюмінієві шини ПУЕ, пункт 1.7.128, не допускає, а ДСТУ Б В.2.5-82:2016, пункт 6.1.4.3, не рекомендує;
- приєднання і від’єднання провідників має бути можливим тільки інструментом, цього вимагають ПУЕ, пункт 1.7.129, і ДСТУ Б В.2.5-82:2016, пункт 6.1.4.2.
Якщо заземлювач виконується заново, мінімальні розміри елементів, прокладених у землі, задає ПУЕ: мідний круглий провідник діаметром 12 мм або штаба перерізом 50 мм², чорна сталь діаметром 16 мм для вертикального електрода і 10 мм для горизонтального.
Заземлення станції приєднують до того самого заземлювального пристрою, що й заземлення будинку. Окремий автономний контур створює в межах однієї будівлі два заземлювачі з різними потенціалами, і при грозовому розряді або замиканні різниця між ними прикладається до обладнання, яке пов’язане з обома. Як улаштувати контур заземлення і де ставити електроди, розібрано в статті про заземлення наземної сонячної станції.
Часті помилки при заземленні панелей на даху
Перелік того, що трапляється в реальних монтажах найчастіше:
- провідник притягнутий до рами звичайним болтом із плоскою шайбою;
- заземлена одна панель ряду, решта підключена крізь спільний профіль;
- між паралельними профілями немає перемичок;
- стик профілів по довжині не зашунтований;
- у рамі просвердлений власний отвір замість штатного;
- гола мідь притягнута безпосередньо до алюмінію;
- застосоване оцинковане кріплення замість нержавіючого;
- момент затягування не контролювався динамометричним ключем;
- провідник заземлення прокладений окремою трасою великою петлею;
- корпуси обладнання з’єднані послідовно, а не кожен до шини;
- заземлення приєднане до трубопроводу опалення або водопостачання;
- ізоляція провідника не стійка до ультрафіолету.
Після монтажу
Зібране коло перевіряють одразу, не чекаючи приймання. Продзвонювання мультиметром займає близько десяти хвилин і показує, чи є електричний зв’язок між рамами та шиною: як перевірити заземлення сонячних панелей мультиметром.
Протокол електровимірювальної лабораторії знадобиться окремо. Мультиметр відповідає лише на питання про безперервність кола, тоді як опір розтіканню заземлювача вимірюють спеціальним приладом із виносними електродами, і без протоколу станція формально не введена в експлуатацію.
Повторний огляд контактних з’єднань планують через рік після монтажу і далі з тією самою періодичністю. Температурні переміщення алюмінієвої конструкції, вітрові навантаження та забруднення послаблюють контакт швидше, ніж старіє ізоляція.
Наступна частина циклу: заземлення наземної сонячної станції, де розглянуто відмінності від дахового монтажу, улаштування контуру та вибір місця для електродів.
