Optimalizace vedení kabelů pro zajištění bezpečnosti a účinnosti ve FV systémech pro komunální sítě

Fotovoltaické (FV) systémy pro veřejné účely obvykle vyrábějí několik megawattů (MW) elektřiny a jsou klíčovým přínosem pro zelenou energii a udržitelnost. Každý MW vyžaduje přibližně 2 900 solárních panelů rozmístěných na několika akrech půdy, jeden nebo více střídačů a regulátorů a zařízení pro připojení k síti. Propojení všech těchto prvků do FV systému může vyžadovat kilometry napájecích a monitorovacích kabelů a desítky tisíc komponent pro správu kabelů. Pokud nejsou kabely a komponenty pro vedení kabelů správně instalovány, mohou se stát doslova slabým článkem, který snižuje účinnost, omezuje dostupnost, zvyšuje bezpečnostní rizika a zvyšuje náklady na instalaci a provoz.

Navrhování bezpečných a efektivních instalací kabelového vedení je složité. Zahrnuje kabelové příchytky pro ochranu silové kabeláže před zkratem, zkoušečky nepřítomnosti napětí pro ochranu personálu provádějícího servis instalace, stahovací pásky s okrajovými sponami pro spolehlivou signalizaci a monitorování připojení a konektory s lisovacími oky pro napájení a uzemnění. Kromě toho musí tyto komponenty splňovat různé mezinárodní normy. Například kabelové příchytky musí splňovat normu IEC 61914:2015, aby bylo zajištěno, že vydrží poruchu uzemnění, zkoušečky nepřítomnosti napětí musí fungovat podle požadavků Národní asociace požární ochrany (NFPA) a bezpečnostních norem UL a CSA a musí splňovat obecné požadavky na solární komponenty, aby odolaly venkovním podmínkám, jak je definováno v normě IEC 61215 pro FV instalace.

Tento článek se zabývá jednotlivými prvky FV instalace pro komunální sítě a zaměřuje se zejména na velké množství potřebných součástí kabelového vedení, podrobně popisuje některé související mezinárodní bezpečnostní normy a přezkoumává požadavky na provoz v náročných podmínkách a cenově výhodnou instalaci. V průběhu diskuse jsou zvýrazněny ukázkové výrobky od společnosti Panduit.

Rostoucí význam komponent BOS

Ve FV instalacích zahrnuje rovnováha systému (BOS) vše kromě FV panelů, jako jsou stojany, kabely, kabelové vedení, střídače a další systémová zařízení, a také práci a software. Se zdokonalováním technologie FV panelů klesaly ceny panelů rychleji než ceny komponent BOS. Podle analýzy Mezinárodní agentury pro obnovitelné zdroje energie (IRENA) bylo 62% snížení nákladů na FV instalace způsobeno poklesem cen FV panelů a střídačů¹.

Klesající náklady na FV panely a střídače upozornily na komponenty BOS. Podle agentury IRENA tvoří BOS stále větší procento nákladů na FV instalace – z 58 % v roce 2007 vzrostlo na 80 % v roce 2017 (obrázek 1). Posílení sběrnicového rozvodu na 1 kV_DC a více současně zvýšilo význam komponent BOS vzhledem k účinnosti a bezpečnosti systému. Do budoucna budou komponenty BOS pro snižování nákladů a zlepšování provozu stále důležitější, včetně zvyšování bezpečnosti a účinnosti v síťových FV systémech.

Obrázek 1: Procentuální podíl nákladů na instalaci FV panelů klesl, což zvýšilo význam BOS ve FV systémech. (Zdroj obrázku: společnost Panduit)

Vedení kabelů je v síťových FV systémech kritickým aspektem BOS. Má významný vliv na bezpečnost, náklady a účinnost. Dobrým příkladem výhod optimalizovaného vedení kabelů jsou kabelové příchytky. Zajišťují ochranu proti zkratu pro napájecí kabely. Bez správné ochrany mohou vysoké proudy vznikající při zkratu zahřívat vodiče, takže vzniká nebezpečí požáru nebo výbuchu. Zkratové proudy také vedou k velkému elektromechanickému namáhání rozvodné kabeláže.

Pro zajištění maximální bezpečnosti musí kabelové příchytky splňovat požadavky normy IEC 61914:2015. K maximálnímu elektromechanickému namáhání dochází při zkratu přibližně po 5 ms. To je mnohem dříve než 60 až 100 ms, které jsou nutné k tomu, aby zareagovala ochranná zařízení, jako jsou jističe. Norma IEC 61914:2015 stanoví pro kabelové příchytky, někdy nazývané kabelové svorky, dobu trvání zkratové zkoušky 100 ms. Společnost Panduit při návrhu svých kabelových příchytek používá simulační software a poté je vystavuje zkratu pod napětím, aby potvrdila shodu s normou IEC 61914:2015 (obrázek 2).

Obrázek 2: Simulace elektromagnetických sil na kabelech během počátečních fází zkratu v softwaru ANSYS. (Zdroj obrázku: společnost Panduit)

Norma IEC 61914:2015 se zabývá více než jen ochranou proti zkratu; obsahuje ustanovení pro:

• předepsané hodnoty teploty,
• odolnost proti šíření plamene,
• odolnost proti korozi,
• zkoušku osového zatížení,
• zkoušku bočního zatížení,
• odolnost vůči rázům,
• odolnost vůči UV záření.

Kabelové příchytky Trefoil společnosti Panduit jsou vyrobeny z nerezové oceli 316L, nazývané také nerezová ocel pro námořní použití, a jejich modely jsou vhodné pro kabely o průměru od 20 do 69 mm. Například model CCSSTR6269-X zvládne kabely o průměru 62 až 69 mm. Tyto kabelové příchytky lze nainstalovat po natažení kabelu pomocí montážní konzoly Panduit nebo před položením kabelu instalací příchytky přímo na příčku kabelového žlabu skrze upevňovací otvor pomocí šroubu M8 (obrázek 3).

Obrázek 3: Jak je vidět na obrázku, kabelové příchytky Trefoil společnosti Panduit lze instalovat pomocí upevňovacího úchytu. (Zdroj obrázku: společnost Panduit)

Složitost elektromechanických sil vznikajících při zkratu a přísné výkonnostní požadavky normy IEC 61914:2015 dohromady způsobují, že určení potřebné kabelové svorky představuje náročné matematické cvičení. Společnost Panduit nabízí aplikaci Cable Cleat kAlculator, která pro řešení zkratu podle normy IEC 61914:2015 doporučuje kabelové příchytky z nabídky více než 60 výrobků Panduit a urychluje tak proces výběru. Použití aplikace kAlculator zkracuje výběr kabelové svorky na jednoduchý proces o třech krocích:

1. výběr rozmístění kabelů,
2. zadání průměru kabelu,
3. zadání vrcholového zkratového proudu.

Aplikace poskytuje doporučení pro komponenty a rozteče.

Napájení a uzemnění

Kromě kabelových svorek pro napájecí a zemnicí kabely vyžadují FV instalace pro komunální sítě také napájecí a zemnicí přípojky. Účinné připojení zajišťují měděná lisovací oka a Panduit nabízí jediná měděná lisovací oka, která v testech společnosti Telcordia Technologies splnila požadavky úrovně 3 podle předpisu Network Equipment Building Systems (NEBS). Splnění úrovně 3 dle NEBS zaručuje uživatelům, že lisovací konektory Pan-Lug budou spolehlivě fungovat například v komunálních fotovoltaických sítích s minimálními požadavky na přerušení provozu po celou dobu životnosti zařízení.

Projektanti FV instalací pro komunální sítě mohou využít standardní válcové konektory Panduit se dvěma otvory a ohebnými vodiči, které lze použít s ohebnými, velmi ohebnými a kódově vázanými měděnými vodiči a zajistit tak efektivní a spolehlivé připojení napájení a uzemnění. Například model LCDX1/0-14B-X je určen pro použití s kabely velikosti AWG (American wire gauge) č. 1 a má dva otvory pro čepy o průměru 0,25 palce (in) s roztečí 0,75 palce (obrázek 4). Mezi společné vlastnosti všech lisovacích konektorů Pan-Lug patří:

• Zařazení na seznam UL a certifikace CSA do 35 kV a teplotní odolnost do +90 °C.
• Vnitřně zkosené konce válce zjednodušují vkládání vodičů.
• Kontrolní okénko pro zajištění úplného zasunutí.
• Tělo z 99,9% čisté mědi s pocínováním zabraňujícím korozi.

Obrázek 4: Podobná lisovací oka lze použít pro připojení k napájení a uzemnění ve FV systémech pro komunální sítě. (Zdroj obrázku: společnost Panduit)

Spony a stahovací pásky

Kromě napájecí kabeláže mohou FV instalace pro komunální sítě zahrnovat kilometry kabelů pro řídicí a monitorovací funkce. Pokud nejsou správně specifikovány a instalovány, mohou kabelové spony a stahovací pásky používané pro vedení kabelů snížit spolehlivost systému a zvýšit náklady na instalaci a provoz. Univerzální kabelové spony nejsou určeny pro dlouhodobé působení slunečního záření a venkovních povětrnostních podmínek. Při použití ve FV instalacích mohou univerzální plastové spony a pásky, které nejsou odolné proti ultrafialovému (UV) záření, zkřehnout a vyžadovat pravidelnou výměnu. Také působení soli může způsobit korozi kovových spon a poškodit pozinkované hrany FV panelů. V obou případech se mohou výrazně zvýšit náklady na údržbu a utrpět spolehlivost.

Místo univerzálních spon a stahovacích pásků mohou projektanti FV systémů sáhnout po kabelových stahovacích páskách s okrajovými sponami, jako je model CMSA12-2S-C300 od společnosti Panduit, který je vyroben z tepelně stabilizovaného nylonu 6.6 odolného proti povětrnostním vlivům a pozinkovaných kovových spon a je testován podle norem IEC 61215 pro venkovní FV instalace (obrázek 5). Mezi další vlastnosti patří:

• třída hořlavosti materiálu UL94V-2,
• dimenzování pro nepřetržitý provoz od -60 °C do +115 °C,
• splňuje požadavky normy EN 45545-2 na požární ochranu podle klasifikačních kritérií R22:HL3 a R23:HL3,
• předpokládaná odolnost vůči UV a vlivům počasí 7 až 9 let.

Obrázek 5: Tato stahovací páska má spony z nylonu 6.6 a pozinkované oceli odolné proti povětrnostním vlivům pro zajištění vysoké spolehlivosti v náročných venkovních podmínkách. (Obrázek: společnost Panduit)

Tyto stahovací pásky s okrajovými sponami bezpečně upevňují kabelové svazky bez lepidel nebo vrtání. Jsou předmontované se stahovací páskou a svorkou, kterou lze namontovat na okraje panelu o tloušťce od 0,7 mm do 3 mm v závislosti na modelu. Kovová svorka zajišťuje bezpečné uchycení a lze ji instalovat ručně bez použití nářadí.

Jsou navrženy pro rychlou montáž. Ve srovnání s tradiční vázací páskou, která se montuje asi 21 sekund, lze tyto okrajové svorky nainstalovat za 11 sekund, což ušetří 10 sekund na jednu svorku. To se sčítá. V typické FV instalaci pro komunální sítě s 2 900 FV panely na MW a třemi příchytkami na panel může úspora práce činit 24,17 hodin neboli 47 % (50,75 h při instalaci konvenčních vázacích pásek oproti 26,58 h při instalaci okrajových svorek Panduit pro solární kabeláž) (obrázek 6).

Obrázek 6: Použití svorek pro solární kabeláž může zkrátit dobu instalace o 47 %. (Zdroj obrázku: společnost Panduit)

Servis síťové fotovoltaiky

Při údržbě síťových FV zařízení, zejména při údržbě rozvodných kabelů, se podle bezpečnostních předpisů vyžaduje ověřovací zkouška napětí, aby se potvrdila nepřítomnost nebezpečných napětí. Například předpis NFPA-70E Národní asociace požární ochrany (NFPA) vyžaduje, aby se předtím, než pracovníci údržby začnou provádět práce uvnitř rozváděče, ověřila nepřítomnost vysokého napětí uvnitř rozváděče. Zkoušení nepřítomnosti napětí (AVT) pomocí ručních přenosných zkoušeček je komplikované, zatížené možnými nepřesnostmi a časově náročné. Zkoušečky VeriSafe AVT od společnosti Panduit představují automatizované řešení, které před otevřením dveří testuje přítomnost nebezpečného napětí uvnitř skříně zařízení. Použití automatizovaného testovacího řešení přináší několik výhod, například:

• Spolehlivost zvyšuje bezpečnost a snižuje riziko.
• Jednoduchost zvyšuje produktivitu a zajišťuje dodržování bezpečnostních předpisů.
• Flexibilita zlepšuje implementaci.

Zkoušečky VeriSafe AVT, podobně jako model VS-AVT-C02-L03, obsahuje několik prvků včetně izolačního modulu, který se montuje uvnitř krytu a připojuje záložní senzory k vysokonapěťovým oblastem, nulovým a zemnicím vodičům. Izolační modul se bezpečně připojí k indikačnímu modulu napájenému z baterie, který je viditelný po zavření dveří krytu, a ke kabelům, které oba moduly propojují (obrázek 7).

Obrázek 7: Systém AVT se skládá ze systémového kabelu (vlevo), indikačního modulu (uprostřed) a izolačního modulu s vodiči snímačů (vpravo). (Zdroj obrázku: společnost Panduit)

Při zahájení testu pomocí systému VeriSafe AVT se stiskne tlačítko testu na modulu indikátoru a systém provede autotest. Červené kontrolky a zastavení testování signalizují případné selhání autotestu. Pokud autotest proběhne úspěšně, izolační modul otestuje napětí a poruchy uzemnění. V posledním kroku provede AVT druhý autotest. Pouze v případě, že druhý autotest proběhne úspěšně a není přítomno žádné napětí, indikuje AVT, že je bezpečné, aby personál otevřel skříň a pracoval na systému.

Shrnutí

Komponenty BOS tvoří stále větší procento nákladů na FV instalace pro komunální sítě. Vedení kabelů je důležitým aspektem konstrukce komponent BOS a výběr optimalizovaných kabelových svorek, napájecích a zemnicích ok a stahovacích pásek s okrajovými sponami může výrazně zlepšit provoz a bezpečnost těchto instalací. Doplnění automatického testování nepřítomnosti napětí podporuje činnosti průběžné údržby, zvyšuje bezpečnost a snižuje provozní náklady.

Odkaz:

1. Náklady na výrobu energie z obnovitelných zdrojů v roce 2019, Mezinárodní agentura pro obnovitelné zdroje energie