Mengapa Sistem Solar yang Dipasang di Tanah Membutuhkan Desain Listrik yang Unggul
Instalasi solar yang dipasang di tanah menghadirkan tantangan listrik yang unik yang memisahkan instalasi amatir dari sistem kelas profesional: jarak. Tidak seperti susunan atap di mana inverter berada 20-30 kaki jauhnya, sistem yang dipasang di tanah seringkali membutuhkan kabel DC sepanjang 100-300 kaki dari susunan ke bangunan. Jarak ini memperkenalkan dua pertimbangan desain penting yang dapat membuat atau menghancurkan kinerja sistem: Penurunan tegangan (voltage drop) dan proteksi arus lebih.
Setiap kaki kabel antara susunan solar dan inverter Anda bertindak sebagai resistansi, mencuri watt dari panen energi Anda. Secara bersamaan, kabel yang lebih panjang meningkatkan risiko arus gangguan, membuat sekering penentuan ukuran yang tepat bukan hanya persyaratan kode tetapi juga kebutuhan pencegahan kebakaran. Panduan ini memberi kontraktor listrik dan pemasang solar metode perhitungan, spesifikasi yang sesuai dengan NEC, dan alur kerja praktis yang diperlukan untuk merancang sistem PV yang dipasang di tanah yang aman dan efisien.
Memahami Penurunan Tegangan DC pada Kabel Panjang
Fisika Kehilangan Daya
Penurunan tegangan bukanlah teoretis—itu adalah uang yang meninggalkan sistem Anda sebagai panas. Ketika arus DC mengalir melalui konduktor tembaga, resistansi kawat mengubah energi listrik menjadi energi termal mengikuti Hukum Ohm. Untuk instalasi yang dipasang di tanah, ini penting karena:
- Kabel sepanjang 150 kaki memiliki enam kali resistansi dari kabel atap sepanjang 25 kaki
- Penurunan tegangan bertambah dengan arus; menggandakan ukuran susunan dapat melipatgandakan kerugian jika kawat tidak diperbesar ukurannya
- Sistem DC tidak memiliki keuntungan transformasi tegangan dari distribusi AC
Standar Penurunan Tegangan NEC
Sementara Kode Listrik Nasional (NEC) tidak mewajibkan batasan penurunan tegangan tertentu untuk keselamatan, Catatan Informasi NEC 210.19(A) No. 4 merekomendasikan untuk menjaga penurunan tegangan di bawah 2% untuk sirkuit DC. Industri solar telah mengadopsi ini sebagai standar desain untuk sirkuit sumber PV (susunan ke penggabung) dan sirkuit keluaran PV (penggabung ke inverter).
Mengapa 2%? Karena penurunan tegangan secara langsung mengurangi efisiensi Pelacakan Titik Daya Maksimum (MPPT). Jika inverter Anda mengharapkan 400V DC tetapi menerima 392V karena kehilangan kabel, algoritma MPPT berjuang untuk mempertahankan titik operasi optimal, yang merugikan Anda 3-5% produksi energi tahunan.
Rumus Perhitungan Penurunan Tegangan
Rumus standar untuk penurunan tegangan DC adalah:
VD% = (2 × L × I × R) / V × 100
Dimana:
- VD% = Persentase penurunan tegangan
- L = Panjang kabel satu arah (kaki)
- I = Arus dalam ampere (biasanya string Imp atau total arus susunan)
- R = Resistansi konduktor per 1.000 kaki pada 75°C (dari NEC Bab 9, Tabel 8)
- V = Tegangan sistem (Vmp untuk susunan, Voc untuk kepatuhan kode)
- 2 = Memperhitungkan konduktor positif dan negatif (jarak pulang pergi)
Contoh Praktis:
Anda memiliki susunan yang dipasang di tanah 10kW, 120 kaki dari inverter, beroperasi pada 400V dengan arus 25A. Menggunakan kawat tembaga 10 AWG (R = 1,24Ω per 1.000 kaki pada 75°C):
VD% = (2 × 120 × 25 × 1,24) / (400 × 1.000) × 100 = 1.86% ✓ (Dapat diterima)
Jika Anda menggunakan 12 AWG sebagai gantinya (R = 1,98Ω per 1.000 kaki):
VD% = (2 × 120 × 25 × 1,98) / (400 × 1.000) × 100 = 2.97% ✗ (Melebihi batas 2%)
Tabel Referensi Penurunan Tegangan
| Ukuran AWG | Resistansi (Ω/1000 kaki @ 75°C) | Jarak Maksimum untuk Penurunan VD 2% (25A @ 400V) | Jarak Maksimum untuk Penurunan VD 3% (25A @ 400V) |
|---|---|---|---|
| 6 AWG | 0.491 | 326 kaki | 489 kaki |
| 8 AWG | 0.778 | 206 kaki | 308 kaki |
| 10 AWG | 1.24 | 129 kaki | 194 kaki |
| 12 AWG | 1.98 | 81 kaki | 121 kaki |
| 14 AWG | 3.14 | 51 kaki | 76 kaki |
Tabel mengasumsikan konduktor tembaga, tegangan sistem 400V, arus 25A. Untuk parameter yang berbeda, gunakan rumus di atas.
Penentuan Ukuran Kabel untuk Susunan yang Dipasang di Tanah: Menyeimbangkan Ampasitas dan Penurunan Tegangan
Masalah Kendala Ganda
Memilih ukuran kawat untuk instalasi PV yang dipasang di tanah membutuhkan pemenuhan dua kriteria independen:
- Ampasitas: Kawat harus menangani arus maksimum tanpa terlalu panas (NEC 690.8)
- Penurunan Tegangan: Kawat harus membatasi kehilangan resistif hingga ≤2% untuk efisiensi
Kesalahan yang dilakukan pemasang? Memilih kawat hanya berdasarkan tabel ampasitas, kemudian menemukan penurunan tegangan melebihi batas yang dapat diterima setelah instalasi.
Langkah 1: Hitung Persyaratan Ampasitas Minimum
Sesuai NEC 690.8(A)(1), Konduktor sirkuit sumber PV harus diukur pada 125% dari arus hubung singkat modul (Isc) sebelum menerapkan faktor koreksi apa pun:
Ampacity Minimum = 1.25 × Isc
Untuk string paralel, kalikan dengan jumlah string. Selain itu, NEC 690.8(B)(1) mengharuskan konduktor sirkuit keluaran PV (combiner ke inverter) untuk menangani 125% dari arus gabungan.
Contoh: Tiga string paralel, masing-masing dengan Isc = 11A:
- Isc Gabungan = 33A
- Ampacity konduktor minimum = 33A × 1.25 = 41.25A
- Dari Tabel NEC 310.16 (kolom 75°C), tembaga 8 AWG = ampacity 50A ✓
Langkah 2: Terapkan Faktor Koreksi Suhu
Instalasi ground-mount memaparkan konduktor ke suhu ekstrem. Jika suhu sekitar melebihi 30°C (86°F), Anda harus menurunkan ampacity menggunakan Tabel NEC 310.15(B)(1):
| Suhu Sekitar | Faktor Koreksi (isolasi 75°C) |
|---|---|
| 30°C (86°F) | 1.00 |
| 40°C (104°F) | 0.88 |
| 50°C (122°F) | 0.75 |
| 60°C (140°F) | 0.58 |
Untuk contoh 41.25A kita di lingkungan 50°C:
- Ampacity yang dibutuhkan setelah koreksi = 41.25A / 0.75 = 55A
- 8 AWG (50A) sekarang tidak mencukupi; harus ditingkatkan ke 6 AWG (65A) ✓
Langkah 3: Verifikasi Penurunan Tegangan
Menggunakan kabel 6 AWG yang dikoreksi untuk jalur 150 kaki pada 33A dan 400V:
VD = (2 × 150 × 33 × 0.491) / (400 × 1,000) × 100 = 1.21% ✓ (Sangat Baik)
Matriks Keputusan Ukuran Kabel
| Arus Array | Jarak | AWG Minimum (Hanya Ampacity) | AWG yang Direkomendasikan (Batasan VD 2%) | Kompatibilitas Lug Kabel VIOX |
|---|---|---|---|---|
| 15-20A | <100 kaki | 12 AWG | 10 AWG | Seri CL-10 |
| 20-30A | <150 kaki | 10 AWG | 8 AWG | Seri CL-8 |
| 30-45A | <200 kaki | 8 AWG | 6 AWG | Seri CL-6 |
| 45-65A | <250 kaki | 6 AWG | 4 AWG | Seri CL-4 |
| 65-85A | <300 kaki | 4 AWG | 2 AWG | Seri CL-2 |
Mengasumsikan sistem 400V, suhu sekitar 50°C, tembaga USE-2 atau kabel PV. Selalu verifikasi dengan perhitungan penurunan tegangan.
Pemilihan dan Ukuran Sekering untuk Sistem PV Ground-Mount
Mengapa Sekering Tidak Dapat Dinegosiasikan dalam Konfigurasi String Paralel
Dalam instalasi ground-mount dengan beberapa string paralel, sekering memberikan perlindungan arus lebih utama terhadap tiga skenario gangguan:
- Gangguan Line-to-Line: Hubung singkat antara konduktor positif dan negatif
- Gangguan Tanah: Jalur yang tidak disengaja ke ground bumi
- Arus Balik: Ketika satu string mengembalikan arus ke string yang teduh atau rusak
NEC 690.9(A) menyatakan: “Sistem fotovoltaik surya harus dilindungi terhadap arus lebih.” Sekering berfungsi sebagai elemen pengorbanan yang membuka sirkuit sebelum isolasi kabel meleleh atau modul mengalami kegagalan katastropik.
Aturan Ukuran 1.56× Isc Dijelaskan
Landasan dari ukuran sekering PV adalah Pengali 1.56 diterapkan pada arus hubung singkat modul. Ini berasal dari NEC 690.8(A)(1) yang mengharuskan:
Rating Sekering Minimum ≥ 1.56 × Isc (per string)
Dari mana angka 1.56 berasal?
- 1.25 = Faktor keamanan untuk arus kontinu
- 1.25 = Faktor tambahan untuk kondisi iradiasi yang melebihi Kondisi Pengujian Standar (STC)
- 1.25 × 1.25 = 1.5625 (dibulatkan menjadi 1.56)
Contoh Perhitungan:
Lembar data modul menunjukkan Isc = 11.5A
- Hitung rating sekering minimum: 11.5A × 1.56 = 17.94A
- Pilih ukuran sekering standar terdekat: 20A (rating standar: 10A, 15A, 20A, 25A, 30A)
- Verifikasi terhadap rating sekering seri maksimum modul (dari lembar data): Jika terdaftar sebagai 25A, maka 20A ✓
Pemeriksaan Kritis: Sekering yang dipilih juga harus ≤ ampacity konduktor. Jika kabel 10 AWG Anda berperingkat 30A, sekering 20A memberikan perlindungan kabel yang tepat ✓
Sekering String vs. Sekering Output Combiner
Sistem ground-mount biasanya memerlukan dua tingkat perlindungan arus lebih:
Sekering Tingkat String (Di Dalam Kotak Combiner):
- Tujuan: Melindungi konduktor string individual dari arus balik
- Lokasi: Satu sekering per konduktor positif string
- Ukuran: 1.56 × Isc per string
- Contoh: Untuk Isc = 11A, gunakan Sekering DC berperingkat gPV 15A
Sekering Output Combiner (Antara Combiner dan Inverter):
- Tujuan: Melindungi kabel feeder DC utama
- Lokasi: Setelah titik koneksi paralel
- Ukuran per NEC 690.8(B)(1): 1.25 × (jumlah semua nilai Isc string)
- Contoh: 6 string × 11A = 66A gabungan; 66A × 1.25 = 82.5A → gunakan Sekering 90A atau 100A
Spesifikasi Dudukan Sekering VIOX untuk Aplikasi Ground-Mount
VIOX memproduksi Dudukan sekering DC berperingkat gPV yang direkayasa khusus untuk aplikasi fotovoltaik:
| Seri Produk | Peringkat Tegangan | Peringkat Saat Ini | Peringkat IP | Fitur |
|---|---|---|---|---|
| VIOX FH-15DC | 1000V DC | 15-30A | IP66 | Aman disentuh, indikator kesalahan LED |
| VIOX FH-30DC | 1000V DC | 30-60A | IP66 | Mekanisme pelepas cepat, kutub ganda |
| VIOX FH-100DC | 1500V DC | 60-125A | IP66 | Busbar terintegrasi, cocok untuk sistem 1500V |
Semua dudukan sekering VIOX memenuhi UL 248-14 (untuk sekering gPV) dan IEC 60947-3 standar, memastikan kompatibilitas dengan produsen sekering utama (Mersen, Littelfuse, Bussmann).
Referensi Cepat Pemilihan Sekering
| Modul Isc | Rating Sekering Minimum (1.56× Isc) | Ukuran Sekering Standar | Perlindungan Konduktor Maksimum |
|---|---|---|---|
| 9A | 14.0A | 15A | 12 AWG (20A) |
| 11A | 17.2A | 20A | 10 AWG (30A) |
| 13A | 20.3A | 25A | 10 AWG (30A) |
| 15A | 23.4A | 25A | 8 AWG (40A) |
| 18A | 28.1A | 30A | 8 AWG (40A) |
Selalu verifikasi lembar data modul “Rating Sekering Seri Maksimum” sebelum pemilihan akhir.
Alur Kerja Desain Praktis: Daftar Periksa Langkah demi Langkah
Ikuti pendekatan sistematis ini untuk merancang sistem kelistrikan PV ground-mount yang sesuai dan efisien:
Tahap 1: Pengumpulan Data
- Dapatkan lembar data modul (Voc, Vmp, Isc, Imp, koefisien suhu)
- Ukur jarak fisik dari array ke titik masuk inverter
- Tentukan rentang suhu lingkungan (gunakan data cuaca lokal untuk kasus terburuk)
- Identifikasi tegangan sistem (12V, 24V, 48V off-grid; 300-600V grid-tied)
- Hitung total string dalam konfigurasi paralel
Fase 2: Penentuan Ukuran Kabel
- Hitung ampacity minimum: 1.25 × Isc × jumlah string paralel
- Terapkan faktor penurunan suhu (Tabel NEC 310.15(B)(1))
- Pilih ukuran AWG awal dari Tabel NEC 310.16
- Hitung penurunan tegangan menggunakan rumus: VD = (2 × L × I × R) / V × 100
- Jika VD > 2%, perbesar ukuran konduktor dan hitung ulang
- Verifikasi AWG akhir memenuhi kriteria ampacity DAN penurunan tegangan
Fase 3: Spesifikasi Sekering
- Penentuan ukuran sekering string: 1.56 × Isc per string → pilih ukuran standar berikutnya
- Verifikasi sekering ≤ ampacity konduktor (misalnya, sekering 20A ≤ konduktor 30A)
- Verifikasi sekering ≤ peringkat sekering seri maksimum modul (dari lembar data)
- Sekering keluaran combiner: 1.25 × (jumlah semua Isc string) → pilih ukuran standar berikutnya
- Tentukan sekering DC berperingkat gPV dengan peringkat interupsi ≥ arus gangguan yang tersedia
Fase 4: Pemilihan Komponen
- Pilih kotak combiner VIOX berperingkat IP66 (ukuran berdasarkan jumlah string)
- Tentukan dudukan sekering VIOX (peringkat tegangan dan arus)
- Pilih sakelar pemutus berperingkat DC (harus menangani Voc sistem)
- Tentukan lug kabel yang kompatibel dengan ukuran AWG (VIOX seri CL)
- Sertakan perangkat pelindung lonjakan arus (SPD) jika diperlukan oleh kode lokal
Kesalahan Desain Umum yang Harus Dihindari
| Kesalahan | Konsekuensi | Solusi |
|---|---|---|
| Menentukan ukuran kabel hanya berdasarkan ampacity | Penurunan tegangan berlebihan (>3%), inefisiensi MPPT | Selalu hitung VD; prioritaskan batas VD daripada ampacity |
| Menggunakan sekering berperingkat AC dalam sirkuit DC | Sekering gagal menginterupsi busur DC; bahaya kebakaran | Tentukan berperingkat gPV sekering (terdaftar UL 248-14) |
| Mengabaikan penurunan suhu | Kabel terlalu panas di musim panas; pelanggaran kode | Terapkan faktor koreksi Tabel NEC 310.15(B)(1) |
| Mencampur konduktor aluminium dan tembaga | Korosi galvanik pada sambungan | Gunakan tembaga di seluruh bagian ATAU gunakan senyawa anti-oksidan dengan aluminium |
| Memperbesar ukuran sekering “agar aman” | Isolasi kabel meleleh sebelum sekering putus | Peringkat sekering harus ≤ ampacity kabel |
Referensi Cepat Parameter Desain
| Parameter | Kisaran Khas | Referensi Kode | Lini Produk VIOX |
|---|---|---|---|
| Batas Penurunan Tegangan | ≤2% (maksimum 3%) | NEC 210.19(A) Catatan 4 | N/A |
| Sekering String | 15-30A (perumahan) | NEC 690.9 | FH-15DC, FH-30DC |
| Sekering Combiner | 60-125A (perumahan) | NEC 690.8(B) | FH-100DC |
| Kabel AWG | 6-10 AWG (tipikal) | NEC 310.16 | Lug CL-6, CL-8, CL-10 |
| Peringkat Kotak Combiner | Minimum IP65 (disarankan IP66) | NEC 690.31(E) | Seri CB-6, CB-12, CB-18 |
Pertanyaan yang Sering Diajukan
T: Apakah saya memerlukan sekering jika saya hanya memiliki dua string panel surya secara paralel?
A: Menurut NEC 690.9(A) Pengecualian, sekering tidak diperlukan ketika hanya dua string terhubung secara paralel, karena arus balik maksimum dari satu string tidak dapat melebihi ampacity konduktor. Namun, banyak pemasang profesional tetap menambahkan sekering karena tiga alasan: (1) pemecahan masalah dan isolasi yang lebih mudah, (2) kemampuan ekspansi di masa depan tanpa pemasangan kabel ulang, dan (3) perlindungan tambahan terhadap gangguan tanah. VIOX merekomendasikan penggunaan sekering untuk semua konfigurasi paralel dalam sistem ground-mount karena jalur kabel yang lebih panjang dan paparan arus gangguan yang lebih tinggi.
Q: Bisakah saya menggunakan sekering AC standar di sistem solar DC saya?
A: Jangan pernah menggunakan sekering berperingkat AC dalam aplikasi DC. Arus DC mempertahankan polaritas konstan, menciptakan busur listrik berkelanjutan yang tidak dapat diputus dengan aman oleh sekering AC. Sistem PV memerlukan Sekering berperingkat gPV (terdaftar UL 248-14) yang dirancang khusus untuk aplikasi fotovoltaik DC. Sekering ini memiliki material pemadam busur khusus dan peringkat interupsi yang lebih tinggi (biasanya 20kA-50kA pada 1000V DC). Dudukan sekering VIOX direkayasa secara eksklusif untuk sekering gPV dan memenuhi kategori penggunaan IEC 60947-3 DC-PV2.
Q: Bagaimana cara menghitung penurunan tegangan jika susunan saya memiliki beberapa string pada jarak yang berbeda?
A: Hitung penurunan tegangan untuk jalur kabel terpanjang dalam sistem Anda—ini menjadi skenario terburuk Anda. Untuk konfigurasi kompleks dengan kotak penggabung perantara, jumlahkan penurunan tegangan setiap segmen: Array → Penggabung Perantara (VD1%) + Penggabung Perantara → Penggabung Utama (VD2%) + Penggabung Utama → Inverter (VD3%). Total VD% harus tetap ≤2%. Jika jarak string sangat bervariasi, pertimbangkan beberapa kotak penggabung yang lebih dekat ke bagian array daripada satu penggabung terpusat.
Q: Apa perbedaan antara ampacity konduktor dan peringkat sekering?
A: Ampacity konduktor (dari Tabel NEC 310.16) adalah arus kontinu maksimum yang dapat dibawa oleh kabel tanpa kerusakan isolasi. Peringkat sekering adalah tingkat arus di mana sekering akan putus dalam waktu yang ditentukan. Hubungan utama: Peringkat sekering harus ≤ ampacity konduktor untuk melindungi kabel. Contoh: Tembaga 10 AWG = ampacity 30A. Anda dapat menggunakan sekering 25A (melindungi kabel) tetapi jangan pernah menggunakan sekering 40A (kabel akan terlalu panas sebelum sekering putus).
Q: Apakah saya perlu memperbesar ukuran kabel ground saya ketika saya memperbesar ukuran konduktor pembawa arus?
A: Sesuai NEC 250.122, konduktor pembumian peralatan (EGC) harus diukur sesuai dengan peringkat perangkat proteksi arus lebih, bukan ukuran konduktor. Namun, jika Anda memperbesar ukuran konduktor hanya karena alasan penurunan tegangan, NEC 250.122(B) mengharuskan peningkatan ukuran EGC secara proporsional. Gunakan AWG yang sama untuk kabel ground seperti konduktor pembawa arus Anda, atau rujuk Tabel NEC 250.122. Untuk susunan ground-mount, VIOX merekomendasikan minimum #6 AWG tembaga telanjang untuk pembumian peralatan, konsisten dengan praktik terbaik industri untuk perlindungan petir.
Q: Seberapa sering saya harus mengganti sekering di kotak penggabung solar saya?
A: Sekering yang ukurannya tepat seharusnya tidak pernah putus dalam kondisi operasi normal—mereka hanya aktif selama kejadian gangguan. Jangan mengganti sekering sesuai jadwal; sebagai gantinya, lakukan inspeksi tahunan untuk memeriksa: (1) korosi pada tutup ujung sekering, (2) perubahan warna yang menunjukkan panas berlebih, (3) koneksi longgar di dudukan sekering. Jika sekering putus, selalu selidiki akar penyebabnya (modul rusak, gangguan tanah, arus balik) sebelum penggantian. Dudukan sekering VIOX menyertakan indikator gangguan LED untuk mengidentifikasi sekering yang putus tanpa perlu dilepas.
Q: Bisakah saya menggunakan kabel yang sama untuk sistem 400V dan sistem 1000V?
A: Tidak. Peringkat tegangan kabel harus memenuhi atau melebihi maksimum sistem tegangan rangkaian terbuka (Voc). Standar Kabel PV berperingkat 600V atau 1000V, ketika Kabel USE-2 biasanya 600V. Untuk sistem yang mendekati 600V Voc, Anda harus menggunakan kabel berperingkat 1000V. Selain itu, NEC 690.7 mengharuskan perhitungan tegangan rangkaian maksimum menggunakan faktor yang dikoreksi suhu (tegangan meningkat dalam cuaca dingin). Selalu verifikasi peringkat tegangan isolasi kabel sesuai atau melebihi Voc cuaca dingin susunan Anda. Lug kabel VIOX menentukan peringkat tegangan yang kompatibel—gunakan seri CL-HV untuk sistem >600V.
Bermitra dengan VIOX untuk Keunggulan Ground-Mount
Merancang sistem kelistrikan solar ground-mount menuntut presisi dalam tiga bidang: mitigasi penurunan tegangan, ukuran konduktor, dan proteksi arus lebih. Perhitungan yang diuraikan dalam panduan ini mewakili metodologi standar industri yang selaras dengan Pasal NEC 690 persyaratan.
VIOX Electric memproduksi seluruh Balance of System (BoS) kelistrikan untuk instalasi ground-mount: Kotak penggabung berperingkat IP66, Dudukan sekering gPV DC, Lug kabel 1000V-1500Vdan Sakelar pemutus berperingkat DC. Tim teknik kami menyediakan dukungan teknis untuk konfigurasi array yang kompleks, dan semua produk memenuhi standar internasional UL/IEC.
Unduh Katalog Produk BoS Ground-Mount kami atau hubungi penjualan teknis VIOX untuk rekomendasi komponen khusus proyek.
VIOX Electric – Memberdayakan Inovasi Solar Sejak 2008 | [Katalog Produk] | [Dukungan Teknis] | [Jaringan Distributor]
