ČSN 33-2000-7-712 ed.2

712.521.101 – Kabely na DC straně musí být vybrány a montovány tak, aby minimalizovaly riziko zemní poruchy a zkratu. Toto musí být dosaženo použitím: jednožilového kabelu s nekovovým pláštěm, nebo izolovaným ( jednožilovým) vodičem uloženým v samostatně izolovaném žlabu nebo kanálu. Kabel ( kabely) nesmí být umístěny přímo na povrchu střechy.

712.521.102 – Pro minimalizaci indukce napětí z důvodu blesků musí být plocha všech smyček tak malá, jak jen je to možné a to zejména pro kabely PV řetězců. DC kabely a vodič ekvipotenciálního pospojování mají být vedeny společně.

Solární kabely jsou vyráběny s vyšší schopností proti oděru, to je sice pravda, ale proč vystavovat celou značnou investici za pořízení FVE a k tomu ještě ohrozit požárem celou nemovitost a v podstatě celoživotní úspory jen za neodbornou práci montážníků, když to úhledně a kvalitně provést jde a při dnešní dostupnosti všech možných pomocných prvků, drátěných žlabů, opletů držáků a příchytek.

o prostupech do půdních prostor až příště:

Ochrana před bleskem a přepětím pro solární elektrárny

Účinná ochrana před bleskem a přepětím pro solární články je nutná z hlediska životnosti solárních generátorů (asi 20 let) a citlivé elektroniky měničů. Nejen majitelé objektů, ale také vlastníci soukromých společností se rozhodují stále častěji pro investici do solární techniky, která je ve většině případů instalována na volných střešních prostorách objektů. Z důvodu velkých prostorových nároků jsou tato zařízení ohrožena obzvlášť při bouřkách bleskovými výboji. Příčinou přepětí v solárních kolektorech jsou induktivní a kapacitní vazby, které jsou způsobeny bleskovými výboji i vzdálenými a spínacími přepětími ze sítě nn. Přepětí vzniká v důsledku šíření bleskového proudu a může způsobit škody na solárních modulech a měničích. Toto má zpravidla závažné následky na provoz zařízení. K nákladům na opravu zařízení je nutno přičíst také ztráty způsobené výpadkem zařízení.

Nutnost ochrany před bleskem

Obecně je třeba rozlišit, zda na objektu je, či není instalován hromosvod. U objektu veřejného charakteru, např. školy, nemocnice, je vyhláškami a normami daná povinnost zřídit hromosvod. Je nutno rozlišit umístění, provedení a využití objektu a je zapotřebí instalovat trvalou účinnou hromosvodní ochranu. U soukromých (neveřejných) staveb hromosvod je někdy opomenut. Je to dáno nejen finančním hlediskem, ale také z důvodu nerespektování citlivosti vnitřních elektrických a elektronických zařízení. Byla-li budova, kde se mají instalovat solární kolektory, bez hromosvodu, je na zvážení, zda po instalaci kolektorů nedojde k nutnosti zřízení hromosvodu pro celou budovu. Podle aktuálního stavu ekonomických poznatků nezvyšuje instalace solárních článků na budovách riziko úderu blesku do těchto budov, přitom by však solární články neměly být přímo spojeny s hromosvodní ochranou. Články představují zvýšené nebezpečí pro elektrická a elektronická zařízení uvnitř budovy z důvodu svedení části bleskového proudu přes existující kabelové šachty a kabelové rošty (galvanická vazba). V nich se také mohou indukovat přepětí v důsledku elektromagnetického pole. Proto je nutno při projektování ochrany přihlížet k tolerovatelnému (maximálnímu) riziku objektu a vypočtenému (skutečnému) riziku na základě nového připravovaného souboru norem EN 62305-2 (Řízené riziko). Jsou rozlišovány čtyři třídy LPS (systému ochrany před bleskem) I až IV. Na základě výpočtu řízeného rizika bude zjištěno, zda navržená ochranná opatření před bleskem a přepětím jsou dostatečná.

Solární články na objektech bez hromosvodu

Možná místa instalace přepěťových ochran:

• rozváděč generátorů;
• vstup (DC) měniče;
• vstup (AC) měniče.

Provozní napětí přepěťové ochrany je nutno navrhnout tak, aby bylo vyšší než napětí naprázdno generátoru za studeného zimního dne při maximálním slunečním svitu. Přepěťové ochrany jsou v různých provedeních a napětích. Také pro napětí generátorů jsou k dispozici speciální přepěťové ochrany až do 1 000 V (tabulka 1). Tyto přepěťové ochrany jsou řady DEHNguard s bezpotenciálovým kontaktem pro dálkovou signalizaci stavu svodiče. Tím dojde k úspoře nákladů za kontrolu (revizi) svodičů po bouřkách.

Tabulka 1 – Rychlý přehled DEHNguard Y PV

Ochranná opatření před přepětím jsou účinná jen místně. Součástí solárních článků je zejména měnič, který může být vzdálen několik metrů od rozváděče generátoru. Je rovněž chráněn svodiči přepětí na straně stejnosměrného napětí. Svodiče přepětí stejných typů jsou instalovány rovněž v rozváděči generátoru. Pro snížení příčných přepětí v hlavním stejnosměrném vedení generátoru je doporučeno použití stíněného vedení.

V případě absence ochrany před bleskem existuje riziko přímého úderu blesku do fotovoltaického panelu. V případě spojení hromosvodu s kovovou konstrukcí fotovoltaické elektrárny (a to i takové spojení, které je provedeno v souladu s technickou normou ČSN 33 2000-7-712, ed. 2, čl. 712.534.101) existuje riziko přeskoku bleskového proudu na vnitřní slaboproudé obvody fotovoltaických panelů, které nemají schopnost vést bleskový proud v řádu kA. Příčinou je velký rozdíl potenciálu mezi vnitřními obvody fotovoltaického panelu (impulsní odolnost panelů je pouze 8 až 16 kV) a rámem fotovoltaických panelů (blesk vytváří potenciál 100 kV vůči zemi). Pokud jde o přepěťovou ochranu, tak s ohledem na její umístění v rozvaděčích stringů nemá tato vliv na ochranu fotovoltaických panelů, neboť není umístěna v jejich bezprostřední blízkosti. V případě popsaných rizik může dojít ke škodné události, zejména k tepelnému nebo mechanickému poškození fotovoltaických panelů, nebo i k jejich shoření.

 

Solární články na objektech s hromosvodem

Řádný stav systému ochrany před bleskem a přepětím je ověřen výchozí nebo pravidelnou revizí. Zjištěné závady na hromosvodu (silná koroze součástí, uvolněné nebo chybějící spoje) by měl revizní technik písemně oznámit majiteli objektu nebo provozovateli zařízení. Při instalaci kolektorů by mělo být přihlíženo k aktuálnímu stavu hromosvodu. Solární kolektory by měly být umístěny do ochranného prostoru vnější jímací soustavy. Jímací soustava (např. jímací tyče) by měla zabránit přímému úderu blesku a zároveň by neměla zastínit kolektory (obr. 1). Vnější jímací soustava bude spojena se stávající jímací soustavou a přes svody spojena se zemí. Je nutno upozornit na to, aby byla dodržena dostatečná vzdálenost s mezi jímací soustavou a solárními články, okapy nebo anténami. Dostatečnou vzdálenost je možno vypočítat podle EN 62305-3. Není-li možno dodržet dostatečnou vzdálenost s, je nutno vodivě spojit na těchto místech hromosvod a konstrukci solárních článků (obr. 2). Ve všech jiných případech je potřeba zabránit přímému vodivému spojení hromosvodu a kovových konstrukcí článků.

Obr. 1 – Návrh jímací soustavy

Obr. 2 – Solární články na budově s hromosvodem

Na obr. 3 je zobrazena koncepce ochrany před přepětím pro budovu s hromosvodem. Možná místa instalací jsou:

• rozváděč generátoru;
• vstup (DC) měniče;
• vstup (AC) měniče;
• vstupní vedení sítě nn.

Na vstupu (DC) měniče bude zapojena přepěťová ochrana na hlavní vedení generátoru. Provozní napětí přepěťové ochrany je nutno navrhnout tak, aby bylo vyšší než napětí naprázdno generátoru za studeného zimního dne při maximálním slunečním svitu. Přepěťové ochrany na vstupu měniče chrání měnič před přepětím, které může vzniknout na nestíněném vedení generátoru.

Obr. 3 – Solární články na objektu s hromosvodem, schéma zapojení přepěťových ochran

Nachází-li se hlavní vedení generátoru mimo ochranný prostor jímací soustavy, musí být buď stíněné (dimenzováno na bleskový proud), nebo musí být uloženo např. v kovové trubce, která je schopna vést bleskový proud. Stínění vedení musí být vodivě spojeno s konstrukcí nejen na straně generátoru, ale také na straně vstupu (DC) se zemí. Je-li použito stíněné vedení, má kromě snížení přepětí další ochranný účinek ve vztahu k EMC (anténní charakteristika vedení generátoru). Vyzařované elektromagnetické pole tohoto vedení bude značně sníženo. Průřez stínění by měl být minimálně 16 mm² Cu, aby vydržel účinky bleskových proudů.

Napájecí síť nn

Vyrovnání potenciálů bleskového proudu je podstatnou součástí ochrany před bleskem pro všechna kovová vedení vstupující do chráněného objektu. Požadavky na vyrovnání potenciálů bleskového proudu budou splněny přímým spojením neživých kovových částí a nepřímým spojením živých vodičů přes svodiče bleskových proudů na hlavní vyrovnání potenciálů co nejblíže vstupu do objektu. Tímto ochranným opatřením dojde k zabránění šíření bleskového proudu v objektu. Zvolené svodiče bleskového proudu, např. DEHNbloc Maxi, musí odpovídat danému typu napájecí sítě nn (TNC, TNS, TT) a měly by být na bázi jiskřiště. Svodiče přepětí mohou být i kombinované, např. DEHNventil (typ 1 a 2). DEHNventil umožňuje instalaci i citlivých elektronických zařízení do 5 m od jeho místa instalace. Je-li koncové zařízení vzdáleno více než 5 m od DEHNventilu, je potřeba před něho umístit svodič přepětí, např. DEHNguard nebo S-Protector (typ 2 nebo 3) – obr. 4.

Obr. 4 – Ochranná opatření pro objekt se solárními články

Vyrování potenciálů

Solární generátory jsou svou funkcí srovnatelné s anténami. Z tohoto důvodu je nutno odborně provést uzemnění kovových konstrukcí solárních generátorů. Pro zabránění přeskoků na jiné konstrukce nebo součásti budov a pro snížení elektromagnetického pole by měly být uzemňovací přívody (vedení vyrovnání potenciálů) přednostně vedeny vně budovy co nejpříměji k zemniči. Následná rozhodnutí by měla vycházet z přehledu, kde budou umístěny přepěťové ochrany a instalováno vyrovnání potenciálů.

Shrnutí

• začlenění solárního generátoru do koncepce hromosvodní ochrany;
• použití stíněného vedení generátoru;
• instalace přepěťových ochran na vstupu (DC) měniče;
• instalace přepěťových ochran na vstupu (AC) měniče;
• instalace kombinovaného svodiče na vstupním napájecím vedení sítě nn (vyrovnání potenciálů bleskového proudu);
• vyrovnání potenciálů vně i uvnitř budovy.

Důležité jsou správně dimenzované průřezy vedení:

Jedna ukázka celkově nekvalitní práce nejmenované, ale renomované firmy, která prošla revizí vlastním revizním technikem, ale za mne tedy rozhodně ne… 🙁

špatně dimenzované vodiče způsobují nejen ztráty na zisku výkonu celé elektrárny, ale především zkracují životnost kabeláže a ohrožují stavbu vznikem požáru.

  

 
              

Stejnosměrný proud

Stejnosměrný proud je takový proud tvořený nosiči nábojů, který probíhá neustále jen jedním směrem.

Elektrický obvod

Elektrický obvod je nejčastěji tvořen zdrojem a spotřebičem, který je ke zdroji připojen pomocí vodičů. Spotřebičem (zátěží) může být například žárovka, topné těleso, elektromagnet nebo motor. Obvod bývá přerušen spínačem, kterým se zapíná proud v obvodu.

Protéká-li proud vodičem, dochází k jeho zahřívání – průchodem proudu vzniká teplo. To se využívá například u žárovky a topného tělesa.

Elektrické obvody se zakreslují schematicky pomocí standardizovaných elektrotechnických značek.

Orientace napětí se zakresluje šipkou od vyššího potenciálu k nižšímu (od kladného pólu k zápornému) a směr proudu se zakresluje plnou šipkou tak, aby vytékal z kladného pólu zdroje (tento směr byl určen dohodou, i když v případě vodičů je vlastně opačný, než jakým se pohybují nosiče nábojů – elektrony).

Ohmův zákon

Protéká-li elektrický proud vodičem, atomy krystalické mřížky vodičů tvoří překážky pohybu elektronů. Elektrony do nich naráží a zpomalují svůj pohyb. Vodič tedy klade průchodu proudu odpor a práce vynaložená na jeho překonání se projeví tím, že na vodiči vznikne úbytek napětí.

Simulace chování vodiče v programu…

Když u uzavřeného elektrického obvodu změříme Voltmetrem úbytek napětí U mezi dvěma konci vodiče a zároveň Ampérmetrem proud vodičem I, po změně zdroje za jiný zjistíme, že se změní hodnota napětí a samozřejmě i hodnota proudu, ale poměr těchto dvou veličin bude pořád stejný (za předpokladu že vodič má konstantní teplotu). Tento poměr se nazývá elektrický odpor, značí se R a byla pro něj zvolena jednotka Ohm Ω.

Mnemotechnická pomůcka

Naměřené údaje můžeme vynést do grafu, ve kterém vidíme, že spojením průsečíků dvojic naměřených hodnot získáme přímku.

Ohmův zákon

Následující vztah se nazývá Ohmův zákon, který objevil a popsal německý fyzik Georg Simon Ohm a na jeho počest byly po něm pojmenovány zákon i jednotka elektrického odporu.

 Ohmův zákon

Poměr úbytku napětí na vodiči a proudu protékajícího tímto vodičem je konstantní a udává hodnotu odporu tohoto vodiče (za předpokladu konstantní teploty vodiče).

Vodiče z různých materiálů se liší v tom, že různou měrou kladou vedení proudu odpor. Takže čím víc se vodič vedení proudu brání, neboli čím větší odpor klade, tím víc práce neboli větší napětí je zapotřebí k přenesení stejného náboje.

Elektrický odpor

Elektrický odpor R (cizím slovem Rezistance) je charakteristickou vlastností vodiče.
Velikost odporu vodiče se měří v Ohmech Ω a závisí na materiálu, ze kterého je vodič vyroben, na jeho geometrických rozměrech a na teplotě.

Různé materiály mají různé atomové struktury a kladou tedy elektrickému proudu různě velký odpor. Tato vlastnost se popisuje materiálovou konstantou: rezistivita neboli měrný elektrický odpor materiálu.
Značí se ρ a říká, jaký odpor v Ω má vodič o délce 1m a průřezu 1m² při teplotě 20°C.

Pomocí této materiálové konstanty lze spočítat odpor vodiče při teplotě 20°C podle vzorce:

Ukázka vlivu materiálu a geometrických rozměrů na odpor vodiče…

Protože hodnoty rezistivity různých materiálů jsou v jednotkách Si Ω·m velmi malé, v tabulkách se často uvádí v jednotkách Ω·mm²·m^-1 nebo µΩ·m, které vychází 10⁶ krát větší.

Kov	ρ [µΩm]		Kov	ρ [µΩm]
stříbro	0,0163		železo	0,13
měď	0,0178		bronz	0,17
zlato	0,023		olovo	0,21
hliník	0,028		manganin	0,43
wolfram	0,055		nikelin	0,43
zinek	0,059		konstantan	0,49
platina	0,105		rtuť	0,958
cín	0,12		topný drát	1,25

Aplikace pro výpočty hodnot odporů vodičů z různých materiálů…

Součástka, jejíž hlavní vlastností je odpor, se nazývá Rezistor. Používá se v mnoha elektrických a elektronických obvodech nejčastěji pro snížení velikosti elektrického proudu procházejícího obvodem.
Rezistor se ve schématech zakresluje takovouto značkou:

Elektrická vodivost

Elektrická vodivost G (cizím slovem konduktance) je převrácená hodnota odporu a má jednotku S (Siemens).

Závislost odporu na teplotě

Průchodem proudu se vodič ohřívá, což způsobuje kmitání atomů a ještě častější srážky elektronů s nimi, což zvýší odpor, který vodič klade vedení elektrického proudu.

Jak moc se odpor vodiče změní vlivem změny teploty, popisuje materiálová konstanta: Teplotní součinitel odporu α, která se pro různé materiály udává v tabulkách v jednotkách K^-1.

Vztah pro výpočet nové hodnoty odporu vodiče R₂ při nárůstu teploty o Δϑ z původní hodnoty R₁:

Δϑ je rozdíl teplot počítaný buď ve °C nebo v K.

Pokud bychom potřebovali spočítat původní hodnotu odporu vodiče R₁ při jeho ochlazení, upravíme vztah následovně::

Některé materiály (například uhlík, polovodiče a elektrolyty) mají teplotní součinitel záporný, zvýšením teploty jejich odpor klesá. U polovodičů je to proto, že vyšší teplota uvolní více elektronů z vazeb, které pak lépe mohou vést elektrický proud.

Kov	α·10-3 [K-1]		Kov	α·10-3 [K-1]
manganin	0,02		zinek	3,8
konstantan	0,05		olovo	3,9
topný drát	0,1		zlato	3,98
nikelin	0,18		měď	4
rtuť	0,9		hliník	4
bronz	2		wolfram	4,1
platina	3,6		cín	4,7
stříbro	3,8		železo	6,53

Práce elektrického proudu

Pokud obvodem protéká elektrický proud, přenášejí se nosiče nábojů, vykonává se tím práce a vynaložená energie se mění v teplo. Jak už víme, práce potřebná na přenesení jednotkového náboje se nazývá napětí U. Takže když chceme spočítat celkovou práci vykonanou přenesením náboje Q:

Obvodem protéká proud I, který udává, kolik náboje proteče za jednotku času.

Z toho můžeme odvodit množství náboje, který proteče za časový úsek t:

Dosazením dostaneme vztah pro elektrickou práci W, kterou mezi dvěma místy vodiče s napětím U vykoná elektrický proud I za dobu t:

Výkon elektrického proudu

Výkon je práce vykonaná za jednotku času. Výpočtem:

Získáme vztah pro výkon elektrického proudu ve vodiči.

Tepelné účinky ss proudu

Průchodem elektrického proudu vodičem dochází k jeho zahřívání. Na teplo se změní veškerá práce vynaložená na průchod proudu. Tomuto teplu se říká Joul-Lencovo teplo, podle dvou fyziků, kteří tuto skutečnost nezávisle na sobě experimentálně ověřili a matematicky popsali.

S využitím Ohmova zákona U=R·I můžeme předchozí vztahy upravit do tvarů:

Případně ve verzi I=U/R do tvarů:

Práce a výkon elektrického proudu ve vodiči:

Protože množství energie spotřebované při přenosu proudu vodičem na výrobu tepla lze chápat jako ztráty, snažíme se, aby byly co nejmenší. Vzhledem k tomu, že ztráty rostou s druhou mocninou proudu, měl by proud být co nejmenší, proto se při přenosu energie na větší vzdálenosti používá vysoké napětí zdroje a malé proudy ve vodiči.

Úbytek napětí na vedení

U elektrického obvodu chceme přenést energii ze zdroje do spotřebiče, která má vykonat užitečnou práci. Spotřebič je připojen prostřednictvím vodičů, které se starají o vedení elektrického proudu. Čím dále je spotřebič od zdroje, tím delší jsou vodiče a tím je i větší jejich odpor.

Práce vynaložená na překonání odporu vodiče se projeví tím, že na vodiči mezi jeho dvěma konci vznikne úbytek napětí.
Tento úbytek napětí na vodiči lze spočítat ze vztahu:

Ztráty na vedení lze určit jako ztrátový výkon na odporu vedení:

V případě, že vedení je vyrobeno z jednoho typu vodiče, lze odpor vedení spočítat z materiálové konstanty:

Účinnost

Pokud chceme, aby elektrický obvod vykonal na spotřebiči užitečnou práci, zdroj musí dodat více práce, protože musí pokrýt ztráty na vedení. Účinnost je poměr užitečné vykonané práce W₂ ku práci dodané zdrojem W₁ a je vždy menší než 1.

Účinnost se dá vyjádřit i z výkonů – zdroj dodává do obvodu výkon P₁ ale spotřebič odevzdá jen výkon P₂, snížený o ztráty na vedení. Účinnost se často vyjadřuje v procentech.

Totéž platí i pro spotřebič jako takový, protože i uvnitř spotřebiče dochází ke ztrátám. Účinnost se pak počítá jako poměr užitečného výkonu P₂ k dodanému příkonu P₁.