Dobór przewodów i kabli w instalacjach fotowoltaicznych

W instalacjach fotowoltaicznych, podobnie jak we wszystkich instalacjach elektrycznych, podczas projektowania należy odpowiednio dobrać rodzaj oraz przekroje poprzeczne kabli i przewodów. Osobnym tematem jest wybranie odpowiedniego sposobu prowadzenia okablowania. W poniższym artykule zajmiemy się tematem prostego doboru okablowania po stronie DC oraz AC systemu. Skupimy się na okablowaniu prądowym pomijając temat okablowania związanego z uziemieniem i ekwipotencjalizacją.

Kryteria doboru przewodów i kabli

Kable i przewody należy dobrać w taki sposób, aby w trakcie eksploatacji były zdolne do obciążenia występującym w systemie prądem i napięciem, oraz aby nie występowała ich przedwczesna degradacja i nie powodowały zagrożeń dla środowiska, ludzi i zwierząt. Jednym słowem, okablowanie musi być tak dobrane aby instalacja fotowoltaiczna pracowała bezpiecznie, wydajnie i bez dodatkowych strat. W związku z tym wyróżnia się kilka kryteriów, które trzeba wziąć pod uwagę podczas projektowania:

1. Rodzaj prądu, napięcie znamionowe i częstotliwość
2. Wartości prądów maksymalnych i zwarciowych oraz czas trwania zwarcia
3. Dopuszczalny spadek napięcia
4. Zagrożenia pożarowe i porażeniowe
5. Sposób i miejsce ułożenia kabli, przewodów oraz narażenia na uszkodzenia mechaniczne
6. Spodziewana najwyższa i najniższa temperatura otoczenia
7. Obecność cieczy, par i gazów oddziałujących szkodliwie na przewody oraz działanie promieni słonecznych
8. Inne specyficzne istotne warunki środowiskowe

Projektując instalację fotowoltaiczną należy się skupić na obliczeniach związanych z punktami 1, 2, 3. Punkty 4, 5, 6, 7, 8 są związane ze sposobem ułożenia przewodów i są równie ważne w procesie projektowania. Po stronie DC systemu, częściowo warunki te są spełnione poprzez zastosowanie przewodów solarnych. Zdarza się jednak, że projekt dopuszcza po stronie DC zastosowanie innych przewodów niż przewody solarne, np.  w sytuacji kiedy linia DC jest ułożona w ziemi można zastosować kable typu YKY lub YAKY przy spełnieniu wszystkich pozostałych w/w kryteriów. Po stronie DC instalacji fotowoltaicznej powinniśmy trzymać się zasady, że bezpośrednio pod panelami zawsze wykorzystujemy przewody solarne. Takie przewody są odporne na wpływ promieniowania UV oraz posiadają podwójną izolację. Mogą być układane bezpośrednio na konstrukcji bez dodatkowych osłon pod warunkiem, że nie są narażone na inne szkodliwe oddziaływania mechaniczne i środowiskowe. Okablowanie strony AC dobiera się w podobny sposób. Jeżeli przewody są układane w warunkach mieszkaniowych wewnątrz budynku to stosuje się okablowanie typu YDY. Jeśli przewód ma być układany w ziemi to należy zastosować kable YKY. Okablowanie AC narażone na promieniowanie UV powinno być osłonięte przeznaczonymi do tego kanałami lub rurami.

Dobór okablowania instalacji fotowoltaicznej ze względu na napięcie znamionowe

W instalacjach fotowoltaicznych wyróżniamy napięcie po stronie DC oraz po stronie AC. Po stronie AC systemu zazwyczaj występuje napięcie przemienne 230V/400V o częstotliwości 50 Hz. Przy instalacjach o większej mocy mogą pojawić się wyższe napięcia i należy wziąć to pod uwagę przy doborze okablowania. Jeśli w instalacji występuje standardowe napięcie przemienne 230V/400V to kable po stronie AC powinny charakteryzować się napięciem 450V/750V.

Po stronie DC napięcie systemu różni się w zależności od ilości zastosowanych modułów w łańcuchu. Zawsze należy brać pod uwagę napięcie STC obwodu otwartego obliczone dla wartości granicznej w najniższej występującej temperaturze otoczenia. Takie napięcie dla pojedynczego modułu można wyznaczyć z poniższego wzoru:

Wśród oferty producentów mamy do wyboru kable solarne o dopuszczalnym napięciu 500V, 1000V oraz 1500V.

Dobór okablowania instalacji fotowoltaicznej ze względu na wartości występujących prądów

Dobór okablowania ze względu na kryterium wartości występujących prądów wykonuje się w oparciu o zasadę:

Obciążalność długotrwałą przewodów odczytuje się z tablic obciążalności długotrwałej dla określonych warunków ułożenia przewodów i kabli. Maksymalny występujący długotrwale prąd w obwodzie należy wyznaczyć. Tablice obciążalności długotrwałej są publikowane przez producentów kabli i przewodów w katalogach i są dostępne zazwyczaj na ich stronach internetowych.

Po stronie AC systemu, maksymalny występujący długotrwale prąd, to prąd znamionowy inwertera występujący przy mocy maksymalnej. Z kolei po stronie DC, maksymalny mogący pojawić się długotrwale prąd to wartość prądu zwarciowego pomnożona o współczynnik bezpieczeństwa 1,25 w warunkach STC. Wartość prądu zwarciowego modułu w warunkach STC odczytuje się z karty katalogowej. Współczynnik bezpieczeństwa wynika z możliwości wzrostu prądu powyżej określonych w karcie katalogowej warunków STC. Sytuacja taka może się pojawić np.  kiedy moduły są nowe, w pierwszych dniach pracy lub w przypadku wystąpienia nietypowych warunków atmosferycznych.

Przykładowo dla przewodu solarnego o przekroju poprzecznym 4 mm2, układanego w rurkach i kanałach możemy odczytać obciążalność długotrwałą wynoszącą 44 A.

Dobór okablowania instalacji fotowoltaicznej ze względu na dopuszczalny spadek napięcia

W instalacjach fotowoltaicznych mogą się pojawić problemy związane zarówno ze zbyt dużym spadkiem napięcia na przewodach (straty), oraz ze zbyt dużym wzrostem napięcia po stronie AC. Problem wzrostu napięcia w sieci opisałem w innym artykule dostępnym na blogu. W związku z tym, że oba problemy musimy maksymalnie zminimalizować, przyjmuje się w obliczeniach jako graniczną wartość spadku napięcia wartość 1%. Po stronie AC jesteśmy także uzależnieni od istniejącej instalacji elektrycznej oraz od sieci elektroenergetycznej zasilającej. W projekcie jednak zazwyczaj nie zakładamy modernizacji istniejącej instalacji, także musimy zminimalizować jakiekolwiek straty i ewentualne problemy po stronie projektowanej instalacji. Przy obliczaniu spadku napięcia bierze się pod uwagę następujące parametry:

• Przekrój kabla
• Materiał wykonania (aluminium, miedź)
• Długość linii
• Parametry elektryczne: prąd, napięcie, moc

Wyjściowymi wzorami na obliczanie procentowego spadku napięcia są następujące:

W obwodach wykonanych przewodami o przekrojach nie większych niż 50mm² Cu oraz 70 mm² Al., reaktancja może zostać pominięta, ponieważ rezystancja takich przewodów jest zazwyczaj czterokrotnie większa od reaktancji. Po wprowadzeniu tego założenia, oraz po uproszczeniach, wzory te przyjmują następującą postać:

Po stronie DC, spadek napięcia wyliczamy z następującego wzoru:

Jeżeli w karcie katalogowej modułu nie są podane wartości NOCT, to można przyjąć wartość około 0,752 wartości w warunkach STC.

Długość linii DC należy oszacować biorąc pod uwagę:

• Długość przewodu polaryzacji dodatniej oraz ujemnej od inwertera do miejsca przyłączenia na module
• Długość przewodu modułu PV – długości można odczytać z karty katalogowej
• Długość dodatkowych połączeń pomiędzy modułami w jednym łańcuchu – np. w sytuacji kiedy łańcuch jest podzielony na dwie połacie dachowe lub dwa stoły (instalacje gruntowe).

W sytuacji, kiedy obliczone procentowe spadki napięć są wyższe niż dopuszczalne, należy zwiększyć przekrój projektowanego przewodu. Dobierając okablowanie w taki sposób, możemy być pewni poprawnie zaprojektowanej instalacji fotowoltaicznej z uwzględnieniem wariantu ekonomicznego. Podczas projektowania należy pamiętać, że dobór okablowania nie zawęża się tylko do obliczenia spadku napięcia i obciążalności prądowej. Projektant musi uwzględnić wszystkie kryteria opisane na początku artykułu.

Bibliografia:

• Henryk Markiewicz, Instalacje Elektryczne, WNT, Warszawa 2017
• Bogdan Szymański, Instalacje fotowoltaiczne, Kraków 2018