Bezpieczniki i wyłączniki PV: dobór DC i AC

Każdy raport po pożarze instalacji fotowoltaicznej opowiada podobną historię: string paneli oddaje prąd do miejsca zwarcia, złącze iskrzy godzinami, a żadne zabezpieczenie nie przerwało przepływu prądu. Solar Energy UK odnotowało 38 pożarów fotowoltaicznych w domowych instalacjach w latach 2023–2024, z czego mniej więcej połowę powiązano ze zwarciami po stronie DC, które powinny były spowodować zadziałanie bezpiecznika, ale tego nie zrobiły.

Bezpieczniki i wyłączniki nadprądowe nie są opcjonalnymi dodatkami. To jedyny element między prądem zwarciowym a pożarem dachu. Wybór właściwego typu, prawidłowy dobór i instalacja po właściwej stronie instalacji (DC lub AC) decydują o tym, czy mała usterka pozostanie mała, czy stanie się problemem konstrukcyjnym.

Ten sam przewód w prądzie przemiennym przenosi prąd w obu kierunkach, a w prądzie stałym tylko w jednym. Ta różnica zmienia wszystko w sposobie działania zabezpieczenia. Standardowy bezpiecznik domowy bez problemu zgasi łuk 230 V AC 100 razy na sekundę (bo prąd co pół okresu przechodzi przez zero), ale ten sam bezpiecznik w stringu 600 V DC może utrzymać łuk elektryczny w nieskończoność. Łuk pali się dalej, aż coś się stopi.

Bezpieczniki stringów DC chronią każdy równoległy łańcuch przed przyjęciem prądu zwarciowego z pozostałych łańcuchów. Pojedynczy string bez innych równoległych łańcuchów nie może oddać prądu sam sobie, więc nie potrzebuje bezpiecznika. Gdy masz trzy lub więcej stringów połączonych równolegle — albo dwa stringi, których suma Isc przekracza wartość Maximum Series Fuse panelu — bezpieczniki stają się obowiązkowe.

Norma IEC 62548:2023 podaje zarówno dolną, jak i górną granicę prądu znamionowego bezpiecznika. Dolna granica eliminuje zbędne zadziałania przy gorącym Isc, górna chroni panel przed uszkodzeniem, zanim bezpiecznik się przepali.

Imod_max_OCPR to parametr z karty katalogowej panelu oznaczony jako „Maximum Series Fuse” lub „Maximum Overcurrent Protection Rating” — to największy bezpiecznik, jaki łańcuchy ogniw wewnątrz panelu są w stanie wytrzymać. Typowe wartości to 20 A, 25 A lub 30 A. NEC 690.9 w USA stosuje jedną regułę 1.56 × Isc (1.25 dla pracy ciągłej × 1.25 dla warunków zewnętrznych), która zawsze mieści się w paśmie IEC.

Po stronie AC nie chronisz przed prądem wstecznym — odłączasz falownik od sieci w razie awarii i nie pozwalasz, by przewody między falownikiem a rozdzielnicą się przegrzały. Prąd ciągły, który widzi wyłącznik, to znamionowa moc AC falownika podzielona przez napięcie sieci.

Zaokrąglij w górę do najbliższej standardowej wartości wyłącznika (10, 13, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63 A w szeregu IEC). Standardowym wyborem jest MCB typu B lub C; typ B szybciej zadziała przy niewielkich zwarciach, typ C lepiej znosi krótki udar prądowy przy starcie falownika.

Dla instalacji jednofazowych 230 V używanych w większości Europy, Wielkiej Brytanii i Ukrainie, podziel moc falownika w watach przez 230. Dla amerykańskich systemów 240 V split-phase podziel przez 240. Dla układów trójfazowych 400 V podziel przez (√3 × 400) ≈ 693, aby uzyskać prąd przypadający na fazę.

Zdolność wyłączania (oznaczana czasem jako Icu lub Icn, mierzona w kA) informuje, jak duży prąd zwarciowy urządzenie potrafi przerwać bez eksplozji. To parametr oddzielny od prądu znamionowego — wyłącznik 32 A o zdolności wyłączania 3 kA bez problemu zadziała przy przeciążeniu 100 A, ale przy prawdziwym zwarciu o prądzie 8 kA może gwałtownie rozerwać obudowę.

Wyłączniki domowe mają zwykle zdolność wyłączania 3 kA, 6 kA lub 10 kA. Prospektywny prąd zwarciowy (PSCC) w rozdzielnicy zależy od impedancji sieci i dla zasilania domowego wynosi zwykle 1,5–6 kA — operator sieci może to potwierdzić. Jako bezpieczna wartość domyślna wybierz Icu 6 kA do typowych instalacji domowych w Wielkiej Brytanii/UE oraz Icu 10 kA dla obiektów komercyjnych lub wszędzie tam, gdzie sieć jest „twarda”.

Po stronie DC bezpieczniki gPV mają zdolność wyłączania w kA przy napięciu znamionowym DC urządzenia. Typowy bezpiecznik gPV 1000 V DC ma zdolność 10 kA, znacznie powyżej prądu, jaki domowa instalacja fotowoltaiczna jest w stanie wyprodukować, więc zdolność wyłączania DC rzadko jest ograniczeniem wiążącym — kluczowe jest napięcie znamionowe.

Trzy równoległe stringi po 12 × 450 W paneli TOPCon (Isc 13.9 A, Imod_max_OCPR 25 A), zasilające jednofazowy falownik stringowy 6 kW przy sieci 230 V. Do doboru dwa zabezpieczenia: bezpieczniki stringów DC i wyłącznik AC na wyjściu.

W skrzynce zbiorczej DC instalujesz trzy bezpieczniki 20 A gPV (po jednym na string, na przewodzie dodatnim) oraz jeden wyłącznik 32 A MCB typu C na wyjściu AC falownika, zanim trafi on do rozdzielnicy. Pomiędzy wyłącznikiem a resztą obwodów domowych umieszcza się RCD 30 mA typu A, chyba że karta katalogowa falownika wymaga typu B.

W instalacjach domowych na całym świecie dominują trzy zestawy przepisów. Liczby nieco się między nimi różnią, ale logika bezpieczeństwa jest identyczna.

Australia i Nowa Zelandia utrzymują najostrzejszy wymóg izolacji DC (rozłącznik zarówno przy polu paneli, jak i przy falowniku). USA egzekwują najściślejszą zgodność elektryczną poprzez certyfikację UL, podczas gdy IEC jest najbardziej elastyczna w kwestii topologii instalacji. Niezależnie od tego, która norma obowiązuje u Ciebie, podstawowa fizyka doboru bezpiecznika prawie się nie zmienia.

Dwa narzędzia Solar Stack i jeden powiązany artykuł obejmują pozostałe etapy projektowania zabezpieczeń.

1. Używanie bezpiecznika gG po stronie DC

   Bezpieczniki gG są przeznaczone do rozdzielnic AC i fizycznie nie ugaszą łuku DC powyżej około 24 V. Bezpiecznik otwiera się, łuk się utrzymuje, a podstawa topi. Do każdej ochrony DC zawsze wybieraj gPV (IEC 60269-6).

2. Dobór wyłącznika do mocy falownika, a nie do prądu AC

   Falownik „6 kW” nie potrzebuje wyłącznika 6 A — potrzebuje wyłącznika dobranego do swojego prądu AC, czyli 26 A przy 230 V. Najpierw zawsze podziel waty przez napięcie sieci, a dopiero potem pomnóż przez 1.25.

3. Pomijanie bezpieczników przy trzech lub więcej równoległych stringach

   Dwa stringi nie są w stanie oddać sobie nawzajem prądu do niebezpiecznego poziomu, ale trzy już tak. Połączony prąd zwarciowy z dwóch sprawnych stringów wpływający do trzeciego zwartego przekroczy Imod_max_OCPR uszkodzonego panelu w ciągu sekund.

4. Ignorowanie limitu Imod_max_OCPR panelu

   Jeśli wyliczona górna granica zakresu bezpiecznika (2.4 × Isc) jest większa niż wartość Maximum Series Fuse z karty panelu, jako pułap musisz przyjąć wartość z karty panelu. W przeciwnym razie wnętrze panelu ulegnie awarii, zanim bezpiecznik zadziała.

5. Zapominanie o zdolności wyłączania (Icu/Ics)

   Wyłącznik 32 A o zdolności wyłączania 3 kA to nie to samo, co wyłącznik 32 A o zdolności 10 kA. Dopasuj Icu do prospektywnego prądu zwarciowego w miejscu instalacji — tę liczbę poda Ci operator sieci dystrybucyjnej.