Запобіжники та автомати для сонячних систем: DC і AC

Кожен звіт про пожежу на сонячній станції розповідає схожу історію: стрінг панелей подає струм у місце пошкодження, конектор годинами палає дугою, і немає захисного пристрою, який перервав би струм. Solar Energy UK зафіксувала 38 пожеж у домашніх PV-системах за 2023–2024 роки, і приблизно половина припала на несправності з боку DC, які мав би вимкнути запобіжник, але не вимкнув.

Запобіжники та автоматичні вимикачі — це не додаткові аксесуари. Це єдиний компонент між струмом короткого замикання і пожежею на даху. Правильно обрати тип, точно підібрати номінал і встановити пристрій на потрібному боці системи (DC чи AC) — саме так невелика несправність залишається невеликою, а не перетворюється на проблему всієї будівлі.

Один і той самий провід проводить струм в обидва боки на AC і лише в один бік на DC. Ця різниця змінює все у роботі захисного пристрою. Звичайний домашній запобіжник без проблем гасить дугу 230 В AC 100 разів на секунду (бо струм перетинає нуль у кожному півперіоді), але той самий запобіжник на стрінгу 600 В DC може утримувати дугу нескінченно. Дуга горітиме доти, доки щось не розплавиться.

DC-запобіжники стрінгу захищають кожен паралельний стрінг від струму короткого замикання з інших стрінгів. Один стрінг без інших паралельних стрінгів не може сам у себе подати зворотний струм, тому запобіжник на ньому не потрібен. Щойно з'являється три або більше паралельних стрінги — або два стрінги, сумарний Isc яких перевищує параметр Maximum Series Fuse панелі — запобіжники стають обов'язковими.

IEC 62548:2023 задає і нижню, і верхню межу номіналу запобіжника. Нижня межа усуває хибні спрацювання при гарячому Isc; верхня — не дає панелі пошкодитися раніше, ніж відкриється запобіжник.

Imod_max_OCPR — це параметр у даташиті панелі, позначений як "Maximum Series Fuse" або "Maximum Overcurrent Protection Rating". Це найбільший запобіжник, який витримують комірки всередині панелі. Типові значення — 20 А, 25 А або 30 А. NEC 690.9 у США використовує єдине правило 1,56 × Isc (1,25 за тривалий режим × 1,25 за зовнішні умови), і це значення завжди потрапляє всередину діапазону IEC.

На боці AC ви захищаєте не від зворотного струму — ви ізолюєте інвертор від мережі під час несправності та не даєте проводам між інвертором і щитом перегрітися. Тривалий струм, який бачить автомат, дорівнює номінальній AC-потужності інвертора, поділеній на напругу мережі.

Округлюйте до наступного стандартного номіналу (10, 13, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63 А у лінійці IEC). Автомат типу B або C — стандартний вибір; тип B швидше спрацьовує при невеликих коротких замиканнях, а тип C краще витримує короткочасний пусковий сплеск інвертора.

Для однофазних систем 230 В, які поширені в більшості Європи, Великій Британії та Україні, ділимо ватти інвертора на 230. Для систем США 240 В (split-phase) ділимо на 240. Для 3-фазних 400 В ділимо на (√3 × 400) ≈ 693, щоб отримати струм на одну фазу.

Вимикальна здатність (іноді записується як Icu або Icn, вимірюється в кА) показує найбільший струм короткого замикання, який пристрій може перервати, не вибухнувши. Це окрема характеристика від номінального струму — автомат 32 А з вимикальною здатністю 3 кА спокійно спрацює на перевантаженні 100 А, але може зруйнуватися, якщо справжнє коротке замикання пропустить через нього 8 кА.

Побутові автомати зазвичай мають вимикальну здатність 3 кА, 6 кА або 10 кА. Очікуваний струм короткого замикання (prospective short-circuit current, PSCC) у вашому щиті залежить від опору мережі і зазвичай становить 1,5–6 кА для побутового вводу — точне значення підкаже постачальник електроенергії. Як безпечне значення за замовчуванням, обирайте 6 кА Icu для типових побутових установок у Великій Британії та ЄС, і 10 кА Icu для комерційних об'єктів або там, де мережа "жорстка".

На боці DC запобіжники gPV маркуються відключальною здатністю в кА при відповідній номінальній напрузі DC. Типовий gPV-запобіжник на 1000 В DC має 10 кА — це значно більше за струм, який може створити побутовий масив панелей, тому вимикальна здатність DC рідко є визначальним обмеженням; зазвичай — це номінальна напруга.

Три паралельні стрінги по 12 панелей TOPCon 450 Вт (Isc 13,9 А, Imod_max_OCPR 25 А), що живлять однофазний мережевий інвертор 6 кВт при напрузі мережі 230 В. Підбираємо два захисні пристрої: DC-запобіжники стрінгів і AC-автомат на виході.

Ви ставите три запобіжники 20 А gPV всередині DC-комбайнера (по одному на стрінг, на позитивному провіднику) і один автомат 32 А типу C на виході AC інвертора, перш ніж він з'єднається зі щитом. ПЗВ типу A на 30 мА встановлюється між автоматом і рештою домашнього кола, якщо даташит інвертора не вимагає типу B.

Три нормативні системи домінують у побутових PV-установках у світі. Числа між ними трохи відрізняються, але логіка безпеки однакова.

Австралія та Нова Зеландія мають найсуворішу вимогу до DC-ізоляції (роз'єднувач і біля масиву, і перед інвертором). США забезпечують найжорсткішу електричну відповідність через UL-сертифікацію, а IEC найгнучкіший щодо топології системи. Хоч би яка норма стосувалася вас, базова фізика розрахунку запобіжника майже не змінюється.

Два інструменти Solar Stack і один супутній гайд закривають решту робочого процесу проєктування захисту.

1. Використання запобіжника gG на боці DC

   Запобіжники gG зроблені для AC-щитів розподілу і фізично не здатні погасити DC-дугу при напрузі понад ~24 В. Запобіжник відкривається, дуга утримується, а тримач плавиться. Для будь-якого DC-захисту завжди використовуйте gPV (IEC 60269-6).

2. Підбір автомата за потужністю інвертора, а не за AC-струмом

   Інвертору "6 кВт" не потрібен автомат 6 А — йому потрібен автомат за AC-струмом, який становить 26 А при 230 В. Спочатку ділимо ватти на напругу мережі, а потім множимо на 1,25.

3. Відсутність запобіжників на трьох і більше паралельних стрінгах

   Два стрінги не можуть подати один в одного небезпечний зворотний струм, але три — можуть. Сумарний струм короткого замикання з двох справних стрінгів, що тече у пошкоджений третій, за лічені секунди перевищить Imod_max_OCPR пошкодженої панелі.

4. Ігнорування обмеження Imod_max_OCPR панелі

   Якщо верхня межа діапазону запобіжника за розрахунком (2,4 × Isc) виявилася більшою за параметр Maximum Series Fuse у даташиті панелі, як верхню межу треба брати саме значення панелі. Інакше внутрішні комірки панелі вийдуть з ладу раніше, ніж спрацює запобіжник.

5. Ігнорування вимикальної здатності (Icu/Ics)

   Автомат 32 А з вимикальною здатністю 3 кА — це не те саме, що автомат 32 А з вимикальною здатністю 10 кА. Підбирайте Icu під очікуваний струм короткого замикання у точці монтажу — це число надасть оператор розподільчої мережі (DNO) або постачальник електроенергії.