MIKROINWERTERY - CZY SĄ BEZPIECZNE I DLACZEGO?

Bezpieczeństwo instalacji fotowoltaicznych.

Dlaczego mikroinwertery są uznawane za najbezpieczniejsze rozwiązanie dla domowym instalacji fotowoltaicznych?

Wraz z upowszechnianiem domowych instalacji fotowoltaicznych pojawiają się pytania o ich bezpieczeństwo. Inwestorzy coraz częściej zadają pytania, jakie jest ryzyko związane z tego typu instalacjami, szczególnie jeśli chodzi o możliwość porażenia prądem i ryzyko pożaru. W końcu często chodzi o dorobek całego życia.

Jest już znaczna liczba szczegółowych publikacji poświęconych temu tematowi więc ograniczamy się do przypomnienia najważniejszych wiadomości i wniosków natury „strategicznej”. Problem nie jest również bagatelizowany przez branżę – powstają opracowania i zalecenia, na przykład „10 przykazań” bezpiecznej instalacji PV autorstwa Stowarzyszenia Branży Fotowoltaicznej. Są jak najbardziej słuszne i uzasadnione, ale naszym zdaniem wszystkie one koncentrują się na unikaniu skutków a nie na wyeliminowaniu źródła problemu.

Bezpieczeństwo pożarowe.

Panele fotowoltaiczne są zbudowane głównie z aluminium i szkła – są trudno zapalne więc nie przyczyniają się do rozprzestrzeniania się ognia. Prawidłowo wykonana, z użyciem dobrych materiałów, instalacja fotowoltaiczna jest bezpieczna i sama z siebie nie zwiększa ryzyka pożaru. Jednak nie ma pewności, że ten nigdy nie wystąpi. Głównym „sprawcą” pożarów obiektów wyposażonych w fotowoltaikę nie są instalacje fotowoltaiczne. Czy tylko dlatego, że jest ich stosunkowo niewiele i są jeszcze całkiem nowe? 

Brak jest informacji o pożarach instalacji PV w Polsce, według dostępnych informacji straży pożarnej mają one charakter incydentalny. Opieramy się więc na publikowanych danych z krajów o bardziej rozwiniętym rynku fotowoltaiki (np. https://www.acsolarwarehouse.com/news/solar-fires-dc-arc-faults-on-solar-systems/). Wynika z nich, że podstawową przyczyną pożarów rozpoczynających się od instalacji PV są tzw. awarie łuku DC. Awarie łuku DC zostały zidentyfikowane jako główna przyczyna ponad 400 pożarów budynków mieszkalnych i komercyjnych w Australii.

Awarie łuku DC występują na okablowaniu DC systemów fotowoltaicznych.

Wysokie napięcie między dwoma przewodami znajdującymi się w bliskim sąsiedztwie w sprzyjających warunkach może spowodować powstanie wyładowania zwanego łukiem elektrycznym. W obwodzie prądu stałego o dużym napięciu (600-1000V), jakim jest typowy łańcuch szeregowo połączonych paneli fotowoltaicznych, są wyjątkowo sprzyjające warunki do powstania samopodtrzymującego się łuku elektrycznego. Temperatura takiego łuku jest wystarczająco wysoka aby stopić szkło, miedź i aluminium oraz zainicjować pożar.

Taka awaria może wystąpić w dowolnym miejscu okablowania DC, które biegnie od paneli fotowoltaicznych na dachu do inwertera zainstalowanego zwykle w pobliżu głównej tablicy rozdzielczej. Oczywiście wraz z rozwojem fotowoltaiki zaczęły pojawiać różne metody zabezpieczeń, na przykład reklamowane przez producentów układy detekcji łuku w falownikach. Jednak układy te nie wykrywają wszystkich rodzajów łuku (na przykład łuku powstałego wskutek zwarcia równoległego lub doziemnego). Podobnie jak specjalne, szybkie wyłączniki przeciwpożarowe instalowane na dachu w pobliżu modułów, które nie zapewniają m. in. ochrony przed zwarciami doziemnymi.

Prawdopodobieństwo awarii łuku DC wzrasta wraz z wiekiem systemu ponieważ nawet w instalacji najstaranniej wykonanej, z najlepszych materiałów, z czasem następuje degradacja izolacji, korozja, pogorszenie uszczelnienia izolatorów i podobne zjawiska. Możliwe są uszkodzenia izolacji powodowane zarówno przez gryzonie, owady, ptaki, jak i w trakcie prac remontowych. Regularne przeglądy i konserwacje też niczego nie gwarantują bo nie ma pewności, że następnej nocy jakiś gryzoń nie uszkodzi izolacji. Znany jest nam przypadek, gdy kuna „wprowadzająca” się na poddasze uszkodziła okablowanie budynku powodując zwarcie w instalacji 230V. 

Awaria łuku DC może wystąpić tylko w instalacji z inwerterem stringowym, w której występuje napięcie stałe powyżej około 80V. W przeciętnej instalacji tego typu napięcie wynosi 800V, czasem nawet 1000V. 

Awarie łuku DC nie występują w instalacjach wykorzystujących mikroinwertery i niektóre typy optymizerów.

Zawsze istnieje ryzyko, że system ochrony nie zadziała gdy wystąpi awaria. Dobrym tego przykładem są zwykłe „różnicówki” zacinające się po kilku latach od instalacji, bo nikt ich nie testował co miesiąc jak to zaleca ich producent. 

Jedynym pewnym sposobem wykluczenia ryzyka wystąpienia zwarć łukowych w obwodzie DC jest wyeliminowanie niebezpiecznego napięcia stałego z systemu. Nie będą wtedy potrzebne żadne systemy zabezpieczające.

Zastosowanie mikroinwerterów zamiast inwertera centralnego definitywnie eliminuje z systemu napięcia stałe wyższe od bezpiecznego, wytworzoną energię przesyła się w postaci prądu przemiennego. W typowym obwodzie AC, w którym napięcie przechodzi przez zero 100 razy na sekundę, łuk ma tendencję do wygaszania się, nie jest to zjawisko tak groźne jak w obwodzie DC. 

Możliwość porażenia prądem.

Możliwość taka występuje zazwyczaj w czasie pożaru lub prac serwisowych, budowlanych.

W typowej instalacji fotowoltaicznej zawierającej np. 20 paneli połączonych szeregowo występuje napięcie stałe o wartości ok. 800V a niektórych systemach nawet 1000V. Są to już wartości bardzo

niebezpieczne dla życia i zdrowia. Prąd z paneli płynie przewodami do inwertera, który zamienia napięcie stałe na napięcie zmienne 230/400V wykorzystywane w domach. Wszystkie przewody na dachu są przewodami prądu stałego DC i prowadzą one do inwertera. Od inwertera w kierunku sieci energetycznej biegną już przewody AC, czyli prądu przemiennego. Jeśli inwerter znajduje się na dachu budynku, wówczas są tam również przewody z napięciem zmiennym. Sytuację taką mamy w przypadku instalacji wykorzystującej mikroinwertery.

Wartość bezpiecznego napięcia dotykowego wynosi 25V dla napięcia zmiennego (AC) i 60V dla napięcia stałego (DC). Jak wspomniano wcześniej napięcie stałe w instalacji PV może osiągać wartości rzędu kilkuset voltów! 

Każda instalacja powinna mieć zabezpieczenia pozwalające na odłączenie inwertera od sieci energetycznej oraz od paneli. Każdy dopuszczony do użytku inwerter w przypadku braku napięcia w sieci musi automatycznie się wyłączyć. Po powrocie napięcia w sieci może włączyć się dopiero po kilku minutach. Zauważmy, że po stronie DC, mimo rozłączenia instalacji PV, na zaciskach przewodów prowadzących do modułów PV będzie występowało napięcie wynoszące kilkaset voltów! Nie ma bowiem możliwości „wyłączenia” paneli, nawet w pochmurny dzień na kablu będzie napięcie znacznie przekraczające bezpieczną wartość. Jeśli w pobliżu paneli będą zainstalowane jakieś urządzenia automatycznie je odłączające (na przykład zabezpieczenia p.poż. ProJoy) to wprawdzie na kablu prowadzącym do falownika nie będzie napięcia, ale cały łańcuch na dachu będzie w dalszym ciągu pod wysokim napięciem stałym.

W razie pożaru, nawet nie dotyczącego instalacji PV, strażacy muszą najpierw, zgodnie z procedurami, wyłączyć główny wyłącznik prądu (przeciwpożarowy wyłącznik prądu w obiektach przemysłowych i użyteczności publicznej). Wyłączenie głównego zasilania i wszystkich zabezpieczeń niestety nie zatrzymuje generowania napięcia stałego przez panele PV. Strażacy powinni więc postępować tak, jakby instalacja w budynku znajdowała się pod napięciem (urządzenia elektryczne gasić gaśnicami proszkowymi zgodnie z instrukcją, nie dotykać wystających, nadpalonych przewodów itp.)

Na skutek interwencji strażaków w czasie pożaru budynku istnieje ryzyko przerwania obwodu elektrycznego instalacji PV na dachu lub na trasie, którą prowadzone są przewody z dachu do falownika. Napięcie rażenia może pojawić się wówczas praktycznie w dowolnym miejscu budynku i biorący udział w akcji narażeni są na znalezienie się pod pełnym napięciem DC występującym w instalacji PV. Uszkodzenie obwodu elektrycznego instalacji PV, uszkodzenie kabli na skutek pożaru może powodować tworzenie nowych i niespodziewanych połączeń elektrycznych, np. napięcie z paneli może przebijać się do użytkowych elementów wyposażenia budynku (elementy pokryte blachą, metalowe rynny) i stanowić zagrożenie dla ludzi. Nawet w przypadku gdy są zainstalowane jakieś zabezpieczenia (np. ProJoy, boczniki pożarowe) zabezpieczające od porażeń to w przypadku jakiegoś uszkodzenia konstrukcji dachu, zerwania kabli, napięcie powraca na przewody. 

W indywidualnych domach najczęściej spotykane są instalacje o stosunkowo niewielkiej mocy, około 5kW. Już przy tej mocy generatora rozłączanie przewodów DC, lub ich przecięcie pod obciążeniem, może spowodować powstanie łuku, który jest w stanie zniszczyć standardowe rękawice pożarnicze i doprowadzić do poparzenia palców i oczu.

Podobne zagrożenia mogą występować także w czasie jakichkolwiek prac serwisowych czy budowlanych, na przykład w trakcie zwykłej naprawy dachu.

Żadne z tych zagrożeń nie wystąpi jeśli instalacja jest zbudowana z użyciem mikroinwerterów. W takiej instalacji nigdzie w obwodach DC nie ma wyższego napięcia niż bezpieczne, wystarczy odłączenie głównego zasilania budynku aby zagwarantować, że nikt nie zostanie porażony.

Ponieważ w całym systemie nie ma napięcia DC wyższego niż bezpieczne to nie są potrzebne żadne skomplikowane systemy zabezpieczeń. Dlatego w porównaniu z klasycznym układem stringowym mikroinwertery zapewniają największy możliwy poziom bezpieczeństwa. Umożliwiają też budowę instalacji fotowoltaicznej o znacznie większej wydajności przy tej samej mocy zainstalowanych modułów PV. Jest to szczególnie ważne w przypadku instalacji domowych, pracujących w gorszych warunkach niż budowane na polach farmy fotowoltaiczne.