Prepäťová ochrana a uzemnenie

Prečo je prepäťová ochrana a uzemnenie kľúčové vo FV sústavách

Fotovoltické (FV) sústavy sú rozsiahle elektrické inštalácie s veľkou plochou zberačov a dlhými DC vedeniami. Kombinácia exponovaných plôch, výkonovej elektroniky (meniče) a prepojenia na rozvod elektriny zvyšuje citlivosť na prepätia z bleskových udalostí aj spínacích javov. Správne navrhnutá prepäťová ochrana (SPD), ekvipotenciálne pospájanie a uzemnenie minimalizujú riziko porúch, požiaru a výpadkov výroby, zvyšujú životnosť komponentov a chránia investíciu.

Riziká a zdroje prepätí vo FV

• Priamy úder blesku do objektu alebo konštrukcie – indukcia vysokých napätí do DC/AC vedení, čiastočné prúdy cez rám, koľajnice a káblové trasy.
• Blízky úder (impulzné elektromagnetické pole) – indukované napäťové špičky (kV) na dlhých slučkách stringov a káblových zväzkoch.
• Spínacie prepätia z distribučnej siete – rázové javy pri spínaní veľkých záťaží, poruchy vodiča N/PE, asymetrie.
• Elektrostatické javy a kapacitné väzby – najmä pri dlhých paralelných trasách DC a AC.

Normatívne rámce a zásady

Pri návrhu sa opierame o zásady bleskovej ochrany a nízkonapäťových inštalácií (napr. EN/IEC 62305 – ochrana pred bleskom, EN/IEC 61643 – SPD, EN/IEC 60364-7-712 – FV inštalácie). Hoci konkrétne znenie noriem sa môže meniť, prax stojí na týchto princípoch:

• Koncept bleskových zón (LPZ): zmierňovanie impulzu postupným prechodom cez hranice zón a koordinovanými SPD.
• Ekvipotenciálne pospájanie: zjednotenie potenciálov všetkých vodivých častí s cieľom obmedziť napäťové rozdiely počas impulzu.
• Koordinovaná ochrana: viacstupňové SPD (T1/T2/T3) s dostatočnou vzdialenosťou alebo indukčnostným oddelením.

Typy SPD a kde sa používajú

• Typ 1 (T1) – pre miesta s rizikom priameho alebo blízkeho zásahu (budova s LPS/zemniacou sústavou). Schopnosť viesť impulz I_imp (10/350 µs). Vhodné na rozhrania LPZ 0A/1, typicky hlavný rozvádzač AC a DC rozvádzač pri vstupe stringov do budovy.
• Typ 2 (T2) – pre ochranu proti spínacím a zvyškovým bleskovým prepätiam (8/20 µs), parameter I_n/I_max. Použitie v podružných rozvádzačoch AC, pri meničoch a v DC string/combiner boxoch, ak nie je vyžadovaný T1.
• Typ 3 (T3) – jemná „koncová“ ochrana s nízkym Up v tesnej blízkosti citlivej elektroniky (napr. meracie/komunikačné zariadenia).

SPD pre DC stranu: kritériá výberu

• Menovité jednosmerné napätie U_CPV ≥ 1,2 × V_{OC-array(minT)}. V_OC sa zvyšuje s poklesom teploty; počítajte s najnižšou projektovou teplotou (napr. −20 až −25 °C).
• Topológia: Y (3P) voči zemi (±/PE) pri plávajúcej FV sústave; 2P medzi + a − v špecifických architektúrach podľa výrobcu meniča.
• Parametre prúdu: T1 – I_imp na pól (napr. 12,5 kA 10/350 µs); T2 – I_n (napr. 20–40 kA 8/20 µs).
• Napäťová ochranná úroveň Up: čo najnižšia, ale nad maximom, ktoré toleruje menič na DC vstupe.
• Odpojovače/iskrište a varistory: pre DC voľte moduly s iskrišťom (nižší unikajúci prúd) alebo kombinované (T1+T2) podľa požiadaviek LPS.
• Počet pólov: 2P (L+/L−), 3P (L+/L−/PE) – podľa systému uzemnenia DC časti a pokynov výrobcu meniča.

SPD pre AC stranu: kritériá výberu

• Úroveň siete a sústava: TN-S, TN-C-S, TT; podľa toho voľba schémy pripojenia (L–PE, N–PE, L–N).
• Typ 1 v hlavnom rozvádzači, ak je objekt vybavený vonkajšou LPS alebo je v oblasti s vysokou bleskovou hustotou; Typ 2 v podružných rozvádzačoch a pri meničoch.
• Menovité napätie U_c kompatibilné s 230/400 V a konfiguráciou N/PE.
• Selektivita/koordinácia s následnými SPD, dodržanie min. dĺžok vedení (5–10 m) alebo použitým decoupling prvkom.

Ekvipotenciálne pospájanie a uzemnenie FV polí

• Mechanické časti (rámy panelov, koľajnice, konštrukcia, káblové lávky) pripojte k hlavnému pospájaniu (MEB) cez PE/EB vodiče s primeraným prierezom (napr. ≥ 6 mm² Cu pre pospájanie, vyššie podľa LPS a prúdov).
• Kontinuita pospájania: používať certifikované svorky, antikorózne rozhrania, kontrolovať premostenia medzi segmentmi koľajníc.
• Oddelenie od zvodov LPS: dodržať separačnú vzdialenosť s (danú geometriou, izoláciou a LPS triedou). Ak s nie je možné, nutné cílené pospájanie a T1 SPD na DC.
• Uzemňovač: preferovať spoločnú uzemňovaciu sústavu objektu; v TT sústave dbať na Ra a koordináciu nadprúdových a RCD prvkov.

Káblové trasy a minimalizácia slučiek

• Krátke a paralelné vedenia DC+/DC− v tesnom zoskupení, vyhýbať sa veľkým slučkám (zníženie indukovaného napätia).
• Súčtové trasy: DC a AC veďte oddelené, kríženie pod pravým uhlom, minimalizovať paralelné vedenia na dlhých úsekoch.
• Vstupy do budovy: SPD a pospájanie čo najbližšie k miestu prieniku; kovové prechody pospájať.

Umiestnenie SPD v typickej FV topológii

1. Na streche / pri poliach: DC string/combiner box – SPD T1/T2 podľa LPS, pospájanie rámov a konštrukcie.
2. Pri meničoch: DC SPD (T2 alebo T1+T2) a AC SPD (T2), krátke pripojenie k PE lište.
3. Hlavný AC rozvádzač: T1 (ak LPS/požiadavka) + koordinácia s downstream SPD.

Koordinácia SPD (stupňovanie a odstupy)

• Stupňovanie T1 → T2 → T3 so vzdialenosťou 5–10 m vedenia medzi stupňami (alebo s vloženým oddeľovacím reaktorom podľa pokynov výrobcu).
• Up-suma: výsledná napäťová úroveň na chránenom zariadení ≤ jeho impulzná odolnosť.
• Spoločný PE bod: prívody SPD (L/N/±) a uzemnenie čo najkratšie, súčet dĺžok < 0,5–1 m; vyhýbať sa slučkám.

Príklad výpočtu: voľba U_CPV pre DC SPD

String s 12 modulmi, V_OC,STC = 41 V/kus → V_{OC,STC,string} = 492 V. Teplotný koeficient V_OC = −0,3 %/°C. Pri min. teplote −20 °C a STC 25 °C je ΔT = −45 °C → nárast V_OC ≈ 0,3 % × 45 = 13,5 %. V_OC,minT ≈ 492 × 1,135 = 558 V. Zvoľte U_CPV SPD ≥ 1,2 × 558 ≈ 670 V DC (bežný nominál 700/800 V DC).

Voľba schémy pripojenia podľa siete

Uzemnenie: dimenzovanie a pripojenie

• Prierezy: pre ochranné pospájanie kovových častí bežne ≥ 6 mm² Cu (lokálne), pre hlavné pospájanie a LPS zvodové vodiče typicky 16–25–50 mm² Cu (podľa triedy LPS a prúdov).
• Trasy PE/EB: rovné, krátke, s min. ohybmi; použitie plochých pásov znižuje indukčnú impedanciu.
• Korózia: galvanická kompatibilita materiálov (Al rámy – nerez/Al svorky, bariéry proti elektrolytu).

Špecifiká pre strešné inštalácie

• Separačná vzdialenosť s medzi FV časťami a zvodmi LPS; ak nemožné, realizovať priame pospájanie a T1 SPD na DC/AC.
• Trasy DC: vstup do budovy v kovovom chráničku/žľabe pripojenom na pospájanie pri priechode.
• Konštrukcia panelov: overiť elektrickú kontinuitu rámov a premostenia v dilatačných rezoch.

Špecifiká pre pozemné (ground-mounted) inštalácie

• Rozsiahle slučky: segmentácia polí, lokálne pospájanie a lokálne SPD boxy znižujú dĺžky vedení.
• Uzemňovače: kruhové a tyčové; jednotná uzemňovacia sieť s roztečou prispôsobenou rezistivite pôdy.

Komunikačné a dátové linky

• SPD pre RS-485/Ethernet medzi meničmi, loggermi a BMS; montáž na rozhraniach zón, koordinácia so zemnením tienenia.
• Vláknová optika pri dlhých trasách eliminuje galvanické väzby.

Skúšky, uvedenie do prevádzky a dokumentácia

• Kontrola SPD: vizuálna (indikátory stavu), meranie súvislosti PE a impedancií prívodov SPD.
• Meranie uzemnenia: odpor uzemňovacej sústavy (metóda 3-bodová/kladivková); overiť súlad s projektom.
• Izolačný odpor DC: meranie R_ISO stringov pri odpojených meničoch podľa odporúčaní výrobcu.
• Revízna správa: zakreslenie SPD, trás pospájania, PE bodov a parametrov zemnenia.

Prevádzka a údržba

• Periodické kontroly: stavové okienka SPD (zelená/červená), dotiahnutie svoriek, vizuálna kontrola korózie/UV degradácie.
• Po búrkach: cielená kontrola SPD s počítadlom impulzov (ak je), termovízia svoriek a spojov.
• Výmena modulov: použitie identických/koordinovaných typov; dodržať selektivitu po výmene.

Bezpečnosť a kompatibilita s meničmi

• Transformerless meniče: typicky vyžadujú plávajúce FV pole (bez DC uzemnenia pólov); SPD a pospájanie musia zohľadniť interný RCMU.
• Transformátorové meniče/zemnený pól: špecifická voľba SPD (konfigurácie voči PE) podľa manuálu výrobcu.

Najčastejšie chyby

• Chýbajúci T1 v objektoch s LPS – zvyšuje riziko preťaženia T2 a preniknutia impulzu do DC/AC.
• Dlhé prívody SPD a slučky v PE – zhoršený účinok (vyššie Up).
• Poddimenzované U_CPV DC SPD – predčasné starnutie a odpájanie modulov SPD.
• Nekoordinované SPD stupne – neúčinné delenie energie impulzu, preťaženie koncových stupňov.
• Nekontinuálne pospájanie rámov – lokálne napäťové rozdiely, iskrenie v spojoch.

Kontrolný zoznam pre projektanta a montéra

1. Je objekt s LPS? → T1 na AC v hlavnom rozvádzači a T1/T2 na DC prieniku do budovy.
2. Výpočet U_CPV z V_OC pri min. teplote, rezerva ≥ 20 %.
3. Koordinácia T1–T2–T3 a dostatočné vzdialenosti alebo oddeľovacie prvky.
4. Ekvipotenciálne pospájanie všetkých vodivých častí; krátke PE prívody k SPD.
5. Minimalizácia slučiek DC vedení a oddelenie AC/DC trás.
6. Ochrana komunikačných liniek a správna zem referencie tienenia.
7. Skúšky: R_ISO, kontinuita PE/EB, zemný odpor, funkcia SPD.
8. Dokumentácia umiestnenia SPD a trás pospájania, revízna správa.

Zhrnutie

Účinná ochrana FV sústavy pred prepätiami stojí na troch pilieroch: koordinované SPD na DC aj AC strane, dôsledné ekvipotenciálne pospájanie všetkých vodivých častí a kvalitná uzemňovacia sústava. Správna voľba typov SPD (T1/T2/T3), ich parametrov (U_CPV, U_c, I_imp, I_n, Up) a montáž s krátkymi prívodmi rozhodujú o reálnom znížení rizika. Doplnkom je premyslené vedenie káblov, ochrana dátových liniek a pravidelná kontrola stavu ochrán. Takto navrhnutá ochrana spoľahlivo chráni meniče, panely aj elektrickú inštaláciu, minimalizuje odstávky a predlžuje životnosť celej FV investície.