Bezpieczeństwo pożarowe, a funkcja AFCI w falownikach FoxESS
Bezpieczeństwo pożarowe instalacji fotowoltaicznych stało się bardzo istotnym tematem w momencie pojawienia się nowelizacji prawa budowlanego, która miała miejsce we wrześniu 2020 r. Od tej chwili obowiązkiem jest uzgadnianie z rzeczoznawcami ds. zabezpieczeń przeciwpożarowych projektów mikroinstalacji o mocy przyłączeniowej powyżej 6,5 kWp.
Temat bezpieczeństwa pożarowego jest poruszony w zakresie podstawowych wymagań Prawa budowlanego, którego art. 5 brzmi:
„Obiekt budowlany jako całość oraz jego poszczególne części, wraz ze związanymi z nim urządzeniami budowlanymi należy, biorąc pod uwagę przewidywany okres użytkowania, projektować i budować w sposób określony w przepisach, w tym techniczno-budowlanych, oraz zgodnie z zasadami wiedzy technicznej, zapewniając: (…) b) bezpieczeństwa pożarowego”.
Z racji braku szczegółowych przepisów krajowych, w praktyce podstawą stały się zasady wynikające z wiedzy technicznej fachowców, jakimi są normy, standardy krajowe i zagraniczne, podręczniki dobrych praktyk opracowane przez producentów czy stowarzyszenia (jedno z pierwszych takich opracowań wydało SBF Polska PV).
Stało się jasne, że spojrzenie na bezpieczeństwo pożarowe instalacji fotowoltaicznych jest zagadnieniem znacznie szerszym, ponieważ obejmuje również zagadnienia wykraczające poza wspomniane zasady wiedzy technicznej, a związane z przepisami krajowymi – dotyczące chociażby stosowania w obiektach przeciwpożarowych wyłączników prądu i problematyki związanej z koniecznością odcinania w budynku zasilania po stronie DC.
– Obecnie branża ochrony przeciwpożarowej mierzy się z kolejnym wyzwaniem jakim jest rosnąca liczba pożarów instalacji fotowoltaicznych. Według aktualnych światowych statystyk, jedną z najczęstszych przyczyn pożaru jest wystąpienie łuku elektrycznego prądu stałego elementów wchodzących w skład instalacji PV. Jak zauważyli autorzy „Najlepszych praktyk w zakresie bezpieczeństwa pożarowego (…)” opracowanych m.in. przez Wydział Inżynierii Lądowej Uniwersytetu Putra w Malezji, pożary instalacji PV występują z częstotliwością na poziomie 0,029 pożaru na 1 MW. Przy bardzo dużym wzroście liczby mikroinstalacji w Polsce (na koniec 2021 r. było to 4,9 GW) wzrasta także ryzyko wystąpienia pożarów – mówi Damian Kubera, rzeczoznawca ds. zabezpieczeń ppoż.
Łuk elektryczny to zjawisko wyładowania elektrycznego prądu o wysokim natężeniu przepływającego przez lukę powietrzną między dwoma przewodnikami umieszczonymi blisko siebie. Dochodzi wówczas do jonizacji cząsteczek gazów, czego efektem jest powstająca plazma o temperaturze kilku tysięcy stopni. Już kilka chwil działania łuku elektrycznego na palne elementy dachu wystarczy, aby spowodować zapłon, a w konsekwencji pożar.
Łuk elektryczny jest mniej niebezpieczny w systemie prądu przemiennego, ponieważ zabezpieczenie urządzeń AC w zakresie przeciwpożarowym znacznie rozwinęło się w ciągu ostatnich stuleci. Ponadto łuk elektryczny w systemie prądu przemiennego ma tendencję do samowygaszania się w przeciwieństwie do łuku prądu stałego, który utrzymuje się w sposób ciągły.
Przyczyn powstawania łuków elektrycznych może być bardzo wiele. Do najczęstszych należą uszkodzenia przewodów DC, gdzie dochodzi do przerwania obwodu elektrycznego. Takie sytuacje mogą być związane z montażem instalacji fotowoltaicznej niezgodnie ze sztuką budowlaną czy dobrą praktyką instalatorską. Zalicza się do nich niewłaściwie prowadzone trasy kablowe, które w późniejszym okresie eksploatacji doprowadzają do uszkodzenia powłok izolacyjnych przewodów, źle zamontowane konektory DC czy też niewłaściwe łączenie złączek różnych producentów.
– Należy zwrócić uwagę, że już na etapie projektu instalacji fotowoltaicznej jesteśmy w stanie znacząco wpłynąć na bezpieczeństwo jej późniejszej pracy, począwszy od prawidłowego doboru komponentów (od elementów łączeniowych, po elementy bazowe, takie jak serce każdej instalacji, czyli solidny falownik) po prawidłowy montaż – komentuje Damian z działu technicznego FoxESS Polska.
Strona stałoprądowa instalacji fotowoltaicznej jest tak skonstruowana, że napięcie występuje na przewodach przez cały czas, kiedy moduły oświetlane są promieniami słonecznymi. Napięcie to może sięgać nawet 1000 V. Wyjątkiem są instalacje wyposażone w system obniżenia napięcia po stronie prądu stałego do napięcia bezpiecznego, który może być dołączony do instalacji PV lub wbudowany w modułach fotowoltaicznych w postaci optymalizatorów mocy. W przypadku takiego rozwiązania znacząco zwiększa się jednak liczba połączeń w okablowaniu DC, co z drugiej strony podnosi ryzyko awaryjności instalacji. Ograniczając liczbę połączeń po stronie DC do minimum, wpływamy na zmniejszenie ryzyka powstanie potencjalnych punktów zapalnych. Pozwala to zachować pełną kompaktowość instalacji PV.
Sposoby wykrywania łuku elektrycznego
Występuje różnica w pomiarze obwodu elektrycznego, który pracuje poprawnie i tego, w którym występuje łuk elektryczny. W przypadku poprawnego połączenia kablowego – wartości napięcia i natężenia prądu są stałe, gdy łuk elektryczny nie występuje. Pojawienie się łuku między dwoma stykami powoduje gwałtowny wzrost napięcia, a w odczycie prądowym falownika powstaje duże zaszumienie, uwidaczniające zwiększenie emisji energii w szerokim spektrum częstotliwości – tak jak pokazuje rys. 1 i 2 poniżej.
Rys. 1. Wykres napięcia i natężenia prądu w momencie wystąpienia łuku elektrycznego.
Rys. 2. Wykres spektrum prądowego w obwodzie, w którym występuje łuk elektryczny oraz działającym poprawnie
Jak wspomniano wcześniej, w instalacji fotowoltaicznej występuje bardzo dużo połączeń elektrycznych, a co za tym idzie – trudno na bieżąco monitorować każde połączenie osobno. Ekonomiczniej i sprawniej jest monitorować całą instalację pod kątem występowania łuku gdziekolwiek w jej obrębie.
Ochrona AFCI w falownikach FoxESS
AFCI – czyli z języka angielskiego, Arc-Fault Circuit Interrupter – to funkcja wykrywania łuków elektrycznych w obwodach prądu stałego.
Każdy falownik nowej serii trójfazowej FoxESS oznaczonej jako T-G3 ma w standardowym wyposażeniu wbudowany algorytm AFCI.
Jego działanie polega na wykrywaniu wystąpienia łuku w układzie i jego natychmiastowym wygaszeniu oraz jednoczesnej sygnalizacji błędu na wyświetlaczu falownika oraz w platformie monitorującej FoxCloud. Po wyeliminowaniu błędu falownik automatycznie wznawia pracę. Jeśli ponownie wykryje problem, kolejny raz zatrzyma pracę urządzenia. Powtórzy się to pięciokrotnie, po czym falownik wejdzie na stałe w tryb awaryjny. W takiej sytuacji konieczne będzie sprawdzenie instalacji pod kątem występowania przyczyny zadziałania AFCI oraz ręczne usunięcie sygnalizowanego na urządzeniu błędu.
Logika działania algorytmu AFCI w falownikach FoxESS
Falownik FoxESS monitoruje krzywe prądowe na wejściu prądu DC w zakresie odchyleń AC w spektrum od 1 kHz do 250 kHz. AFCI wykrywa nieliniowe zaburzenia w krzywej prądowej w przyłączonych stringach PV, jednocześnie ignorując wystąpienie zaburzeń prądowych spowodowanych uruchomieniem instalacji czy włączeniem falownika.
Jeśli zaburzenie pokrywa się z widmem wykresu prądowego wskazującym na wystąpienie łuku i przekracza zaprogramowane granice pomiarowe, falownik rozpoczyna sprawdzanie czy łuk wystąpił i czy wymagane jest wstrzymanie produkcji energii. Jeśli algorytm wykrywania łuku zdecyduje, że łuk elektryczny występuje, falownik zostanie zatrzymany w ciągu 2,5 s.
Rys. 3. Przykład wykresu częstotliwości z zaznaczonym obszarem wykrywania anomalii.
Rys. 4. Układ wykrywania i gaszenia łuku elektrycznego (AFCI) w falowniku FoxESS
Bezpieczeństwo przede wszystkim
Bezpieczeństwo instalacji fotowoltaicznych stanowi priorytet w kontekście ich coraz szerszej popularności. W szczególności istotne jest bezpieczeństwo pożarowe obiektów. Oprócz dokładnego i profesjonalnego montażu szczególną uwagę należy poświęcić doborowi komponentów składowych instalacji fotowoltaicznej. Należy przeanalizować funkcjonalności jakie oferują producenci komponentów oraz ich faktyczny wpływ na zwiększone bezpieczeństwo i monitorowanie instalacji pod tym kątem.
– System AFCI w falownikach marki FoxESS oferuje sprawdzone funkcjonalności w zakresie omawianych zabezpieczeń. Układ wykrywania i gaszenia łuku, poprzez zatrzymanie pracy falownika stanowi prosty i skuteczny sposób ograniczający ryzyko pożaru. Rozwiązania zastosowane w tych falownikach znacząco obniżają ryzyko wystąpienia awarii w instalacji fotowoltaicznej mogących stworzyć zagrożenie pożarowe – mówi Damian Kubera, rzeczoznawca ds. zabezpieczeń ppoż.
Wybierając falownik marki FoxESS nie ma konieczności stosowania dodatkowych elementów elektronicznych takich jak np. optymalizatory mocy oraz zewnętrzne urządzenia do przerywania łuku. Dodatkowo, zastosowany system weryfikuje poprawny montaż instalacji fotowoltaicznej między innymi poprzez sprawdzenie trasy kablowej DC i wyświetlenie komunikatu o zarejestrowaniu łuku elektrycznego.
Urządzenia FoxESS są dostępne u autoryzowanych partnerów: https://www.fox-ess.pro/partnerzy/
artykuł sponsorowany
