Typy kabli fotowoltaicznych: objaśnienie przewodów fotowoltaicznych, kabli USE-2 i AC

Decydującą różnicą między typami kabli fotowoltaicznych jest to, czy są one przeznaczone do bezpośredniego zakopywania w układzie fotowoltaicznym prądu stałego, czy też do połączenia prądu przemiennego pomiędzy falownikiem a siecią elektroenergetyczną. Drut fotowoltaiczny (UL4703) to jedyny typ kabla przystosowany do bezpośredniego zakopywania w ziemi i ciągłego narażenia na światło słoneczne w układzie prądu stałego, z temperaturą znamionową 90°C w stanie mokrym i 150°C w stanie suchym, co czyni go obowiązkowym w przypadku nieuziemionych, beztransformatorowych systemów inwerterowych pracujących przy napięciu 1000 lub 1500 V DC. Kabel UŻYJ-2, choć nadal przeznaczony do bezpośredniego zakopywania, nie ma pełnej odporności na światło słoneczne i wyższej temperatury, których wymagają nowoczesne układy wysokiego napięcia.

Cztery podstawowe kategorie kabli fotowoltaicznych

System fotowoltaiczny składa się z odrębnych stref elektrycznych, z których każda podlega określonemu typowi kabla i odpowiedniemu zestawowi wymagań instalacyjnych zgodnie z art. 690 krajowego kodeksu elektrycznego (NEC). Cztery typy kabli występujące w prawidłowo zaprojektowanym systemie od układu do punktu połączenia są następujące.

Drut fotowoltaiczny, zgodny z normą UL 4703 i normą przedmiotową UL 4703, jest kablem jednożyłowym z izolacja z polietylenu usieciowanego (XLPE). oraz odporną na działanie promieni słonecznych kurtkę zewnętrzną. Jest oceniany za 600 V, 1000 V lub 2000 V w zależności od grubości izolacji, przy czym wariant 2000 V jest określony dla tablic o napięciu 1500 VDC w skali użytkowej. Izolacja XLPE zapewnia stabilność termoutwardzalną, co oznacza, że ​​kabel zachowuje swoją wytrzymałość dielektryczną i właściwości mechaniczne nawet po długotrwałym narażeniu na maksymalną temperaturę roboczą przewodnika wynoszącą 90°C w stanie mokrym i 150°C w stanie suchym. Cynowany przewodnik miedziany, skręcony zgodnie z normą ASTM B174, klasa B lub C, jest odporny na korozyjne działanie wilgoci przenikającej przez izolację przez dziesięciolecia użytkowania. Przewód fotowoltaiczny to jedyny kabel w branży fotowoltaicznej, który przenosi: Ocena płomienia VW-1 i ocena bezpośredniego zakopania jednocześnie spełniając zarówno wymagania bezpieczeństwa przeciwpożarowego w instalacjach dachowych, jak i wymagania dotyczące prowadzenia podziemnego w naziemnych systemach gromadzenia prądu stałego.

Kabel USE-2, zbudowany zgodnie z normą UL854 i uznany przez NEC Artykuł 338, jest kablem jednożyłowym przystosowanym do wejścia do obiektów podziemnych. Używa Izolacja XLPE identyczny pod względem chemicznym jak drut fotowoltaiczny, ale ma grubszą, bardziej wytrzymałą osłonę zaprojektowaną tak, aby wytrzymać mechaniczne ścieranie podczas przeciągania przez podziemne przewody i bezpośredni kontakt z ziemią. Jego napięcie znamionowe jest ograniczone do 600 V, a maksymalna temperatura przewodu wynosi 90°C na mokro i 90°C na sucho , krytyczne ograniczenie w porównaniu z przewodem fotowoltaicznym. Brak wartości znamionowej 150°C w stanie suchym oznacza, że ​​USE-2 nie można używać na wolnym powietrzu w układzie dachowym, gdzie temperatury tylnej ścianki modułu zwykle osiągają od 75°C do 85°C, a wzrost temperatury przewodu pod pełnym obciążeniem wypycha izolację w obszar przeciążenia termicznego.

Kabel TC-ER, z kablem korytkowym, przeznaczony do pracy na zewnątrz, służy jako magistrala zbiorcza prądu stałego pomiędzy skrzynką przyłączeniową a wejściem falownika lub pomiędzy wieloma falownikami szeregowymi w konfiguracji łańcuchowej. TC-ER to zespół wieloprzewodowy, zwykle składający się z trzech przewodów plus uziemienie, z wewnętrzną izolacją z PCV i płaszczem zewnętrznym z nylonu lub PCV. Jest oceniany za 600 V i 90°C na sucho , a jego wykaz umożliwia prowadzenie w korytku kablowym bez przepustu dla odcinka odsłoniętego. Konstrukcja wielożyłowa upraszcza okablowanie w porównaniu z ciągnięciem pojedynczych kabli jednożyłowych, ale płaszcz z PVC ulega degradacji pod wpływem promieniowania ultrafioletowego, dlatego TC-ER musi być zamknięty w przypadku instalacji na zewnątrz w bezpośrednim świetle słonecznym.

Przewód budowlany THHN/THWN-2 nie jest dedykowanym kablem fotowoltaicznym, ale pojawia się po stronie prądu przemiennego wyjścia falownika aż do głównego panelu serwisowego lub punktu połączenia sieci energetycznej. Oceniono 600 V i 90°C na sucho, 75°C wet z nylonową osłoną i izolacją z PVC, jest ekonomiczny, szeroko dostępny i zgodny z przepisami dla wszystkich wewnętrznych przewodów prądu przemiennego za falownikiem. Jego odporność na światło słoneczne wynosi zero i nie ma bezpośredniego wykazu zakopywania, więc jego użycie jest ściśle ograniczone do wewnętrznych torów, przewodów i zamkniętych paneli łączników prądu przemiennego.

Tabela porównawcza specyfikacji typów kabli fotowoltaicznych

Wybór klasy napięcia i przejście na 1500 V

Przejście z architektury systemów 1000 VDC na 1500 VDC w elektrowniach fotowoltaicznych na skalę przemysłową zmniejsza prąd zbierania prądu stałego o około jedną trzecią przy tej samej przepustowości mocy, zmniejszając liczbę skrzynek połączeniowych, zasilaczy prądu stałego i związanych z nimi prac wykopowych o podobną proporcję. Jednakże wyższe napięcie nakłada bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące izolacji. Układ o napięciu 1500 VDC wymaga przewodu fotowoltaicznego o parametrach znamionowych 2000 V prądu stałego , a nie 1000 VDC. Grubość izolacji przewodu fotowoltaicznego 2000 V wynosi w przybliżeniu 2,4 mm dla przewodów 10 AWG w porównaniu do 1,14 mm dla wariantu 1000 V . Ta zwiększona grubość ścianki zmniejsza elastyczność kabla i zwiększa minimalny promień zgięcia, co komplikuje zarządzanie przewodami w skrzynkach przyłączeniowych modułów i obudowach falowników DC.

Norma IEC 62930, stosowana na całym świecie poza Ameryką Północną, harmonizuje wymagania eksploatacyjne dla kabli fotowoltaicznych 1500 V. Określa minimalną rezystancję izolacji wynoszącą 10 MΩ·km przy 20°C , wartość zweryfikowana podczas fabrycznych testów produkcyjnych każdej szpuli przed wysyłką. Testowanie w terenie zainstalowanego przewodu fotowoltaicznego 1500 V za pomocą megaomomierza 5000 V musi dać wartości rezystancji izolacji nie mniejsze niż 4 MΩ na ciąg przed podłączeniem ciągu do falownika bramka uruchomieniowa identyfikująca uszkodzenia montażowe płaszcza lub nieprawidłowo zaciśnięte uszczelki złącza MC4.

Obniżenie temperatury i korekta obciążalności prądowej

Tabele obciążalności prądowej zawarte w artykule 310.15 NEC zakładają temperaturę otoczenia 30°C i nie więcej niż trzy przewody przewodzące prąd w bieżni. System gromadzenia energii słonecznej DC rutynowo narusza oba założenia. Na dachu w Phoenix w Arizonie, gdzie temperatura powietrza otoczenia 12 cali nad powierzchnią dachu osiąga 65°C w letnie popołudnie, współczynnik korekcji temperatury dla przewodu fotowoltaicznego o temperaturze znamionowej 90°C wynosi 0.58 zgodnie z tabelą NEC 310.15(B)(1)(1). W związku z tym wartość znamionowa przewodu fotowoltaicznego o średnicy 10 AWG i obciążalności prądowej wynoszącej 40 amperów w temperaturze 30°C jest obniżona do 23,2 ampera w temperaturze 65°C. Jeżeli ten sam drut jest owinięty w wiązkę z trzema innymi sznurami przewodzącymi prąd w kanale kablowym na odległość przekraczającą 24 cale, dodatkowy współczynnik korygujący wynoszący 0.80 ma zastosowanie, dodatkowo zmniejszając dopuszczalny prąd do 18,6 A.

W rezultacie przewodnik o średnicy 10 AWG, który na pierwszy rzut oka wydaje się znacznie przewymiarowany dla prądu w stringach o natężeniu 9 A, działa z prędkością prawie 50% obniżonej wydajności po korektach temperatury i wiązania . Praktyka inżynierska dotycząca systemów dachowych określa 10 AWG jako minimalny rozmiar przewodu fotowoltaicznego dla połączeń między modułami, przy czym 8 AWG jest wymagane w przypadku przewodów domowych obsługujących więcej niż dwa ciągi, co jest praktyczną zasadą wywodzącą się z danych dotyczących temperatury dachu w najgorszym przypadku, a nie ze stałego standardu.

Chemia izolacji i zaleta XLPE

Materiał izolacyjny odróżnia kabel solarny od przewodu budowlanego ogólnego przeznaczenia bardziej niż jakakolwiek inna cecha. XLPE, usieciowany polietylen stosowany w drutach fotowoltaicznych i USE-2, jest materiałem termoutwardzalnym, co oznacza, że ​​łańcuchy polimeru są chemicznie usieciowane podczas procesu utwardzania. Po usieciowaniu materiał nie topi się ani nie płynie po podgrzaniu. Drut fotowoltaiczny wystawiony na działanie temperatury przewodnika wynoszącej 150°C zachowuje swój kształt fizyczny i wytrzymałość dielektryczną, podczas gdy drut THHN w izolacji PVC w tej samej temperaturze zmięknie, płynnie i spowoduje wewnętrzne zwarcie.

Proces sieciowania, uzyskiwany poprzez utwardzanie wilgocią na bazie silanu lub napromienianie wiązką elektronów, poprawia również odporność izolacji na płynięcie na zimno pod wpływem ściskania. Kiedy przewód fotowoltaiczny zostanie zaciśnięty pomiędzy ramą modułu a szyną montażową, izolacja XLPE wytrzymuje odkształcenie ściskające, które z czasem powoduje pocienienie ścianki izolacji z PVC. Zachowana grubość ścianki po 1000 godzin obciążenia ściskającego w temperaturze 90°C to zazwyczaj 85% do 90% pierwotnej grubości w przypadku XLPE w porównaniu z 60% lub mniej w przypadku PVC . Ta właściwość jest niezbędna w układzie fotowoltaicznym, w którym zaciski modułów i zaciski przewodów wywierają lokalne punkty nacisku, które utrzymują się przez projektowany 25-letni okres użytkowania systemu.

Kompatybilność złącza i standard MC4

Sam kabel słoneczny jest jedynie przewodnikiem; zakończenie złącza jest punktem awarii na poziomie systemu. Standardem branżowym jest złącze MC4, pierwotnie opracowane przez firmę Multi-Contact, a obecnie produkowane na licencji przez kilkunastu światowych dostawców. MC4 jest przystosowany do Prąd ciągły 1500 VDC i 30 amperów z przewodem fotowoltaicznym 4 mm² lub 6 mm² (12 AWG do 10 AWG) i po połączeniu zachowuje stopień ochrony IP68, co oznacza, że wytrzymuje ciągłe zanurzenie w wodzie na głębokość 1 metra.

Krytyczną zasadą niezawodności jest jednorodność złączy: złącza męskie i żeńskie na jednym ciągu muszą pochodzić od tego samego producenta. Połączenie złącza Amphenol H4 z oryginalnym złączem Staubli MC4, pomimo ich fizycznej kompatybilności i certyfikatu UL, stwarza ryzyko korozji galwanicznej na styku, ponieważ metale nieszlachetne i grubość powłoki są różne. Wynikowa rezystancja styku, mierzona za pomocą czteroprzewodowego miliomomierza, może zaczynać się od akceptowalnej wartości 0,5 milioma ale może wzrosnąć 5 miliomów lub więcej w ciągu trzech lat cykli termicznych, w którym to momencie nagrzewanie I²R na złączu przekracza temperaturę otoczenia kabla i przyspiesza utlenianie. Awarie w terenie spowodowane niedopasowanymi złączami to najczęstsza roszczenie ubezpieczeniowe dotyczące systemów dachowych w budynkach mieszkalnych.

Wymagania dotyczące przewodów uziemiających i łączących urządzenia

Przewód uziemiający sprzęt (EGC) w układzie fotowoltaicznym służy jako ścieżka powrotna prądu zwarciowego i musi być tak dobrany, aby przenosił pełny prąd zwarciowy układu bez przekraczania jego temperatury znamionowej. Tabela NEC 250.122 reguluje dobór EGC w oparciu o parametry urządzenia zabezpieczającego nadprądowego, ale w przypadku falowników beztransformatorowych, w których zintegrowana jest funkcja wykrywania zwarcia doziemnego prądu stałego, zgodnie z najlepszą praktyką inżynieryjną zaleca się EGC nie mniejszy niż największy przewód obwodu prądu stałego, nawet jeśli kod dopuszcza mniejszy rozmiar. Do przewodu fotowoltaicznego 10 AWG stosowanego jako nieuziemiony przewód dodatni prądu stałego musi być dołączony a co najmniej 10 AWG EGC , rozmiar zgodny z 690,45 NEC.

Po stronie prądu przemiennego EGC pomiędzy falownikiem a głównym panelem serwisowym to zazwyczaj przewód THHN/THWN-2 z zieloną izolacją, o wymiarach zgodnych z tabelą 250.122 w oparciu o wartość znamionową zabezpieczenia nadprądowego wyjścia AC falownika. 40-amperowy wyłącznik wyjściowy falownika wymaga: co najmniej 10 AWG z miedzi EGC . EGC nie jest przewodnikiem przewodzącym prąd w normalnej pracy, ale musi być w stanie przewodzić cały prąd zwarcia doziemnego przez czas wymagany, aby urządzenie nadprądowe usunęło zwarcie, czyli czas trwania zwykle krótszy niż 0,1 sekundy w przypadku nowoczesnych wyłączników ograniczających prąd.

Zarządzanie kablami i ochrona przed promieniowaniem UV

Nawet drut fotowoltaiczny odporny na światło słoneczne wymaga fizycznej ochrony przed ostrymi krawędziami, szkodami spowodowanymi przez dzikie zwierzęta i skoncentrowaną degradacją UV w punktach naprężeń. Kable w układzie do montażu naziemnego są prowadzone przez korytko kablowe z metalu lub polietylenu o dużej gęstości (HDPE), zabezpieczone opaskami kablowymi ze stali nierdzewnej w odstępach nieprzekraczających 1,5 metra . Opaski kablowe nie mogą nadmiernie ściskać izolacji; naprężenie ściągu przekraczające specyfikację producenta może spowodować płynięcie izolacji XLPE na zimno i zmniejszenie grubości ścianki w miejscu wiązania o 50% w ciągu jednego cyklu termicznego.

W instalacjach na dachu przewody fotowoltaiczne muszą być podparte nad powierzchnią dachu za pomocą zacisków kablowych lub kanałów do prowadzenia przewodów zintegrowanych z ramą modułu. Bezpośredni kontakt płaszcza kabla z gontami asfaltowymi przenosi ciepło z powierzchni dachu na kabel, podnosząc temperaturę żyły o szacunkową 5°C do 10°C powyżej temperatury powietrza otoczenia , margines, który może podnieść temperaturę przewodu powyżej jego wartości znamionowej w stanie mokrym wynoszącej 90°C w połączeniu z prądem pełnego obciążenia i wysokim promieniowaniem tylnej warstwy modułu. Kabel należy także poprowadzić tak, aby uniknąć stojącej wody w najniższych punktach dachu, gdzie cykle zamrażania i rozmrażania powodują obciążenie płaszcza w wyniku powtarzającego się rozszerzania i kurczenia się formacji lodowych.