Zabezpieczenie przed łukiem elektrycznym DC w instalacjach PV: NEC 690.11 a IEC 63027

Szybka odpowiedź

Ochrona przed łukiem elektrycznym DC w instalacjach PV to dedykowana funkcja bezpieczeństwa służąca do wykrywania niebezpiecznych wyładowań łukowych w obwodach fotowoltaicznych. Nie jest ona zapewniana automatycznie przez bezpieczniki, wyłączniki nadprądowe DC (MCB), ograniczniki przepięć (SPD), rozłączniki izolacyjne ani standardowe domowe urządzenia wykrywające łuk elektryczny AC.

Dwa najczęściej porównywane odniesienia służą różnym celom:

NEC 690.11 to wymóg instalacyjny obowiązujący w Ameryce Północnej. W najnowszych wydaniach NEC systemy PV z obwodami DC pracującymi pod napięciem 80 V DC lub wyższym między przewodami wymagają zazwyczaj certyfikowanej ochrony przed łukiem elektrycznym PV, zgodnie z przyjętym wydaniem NEC, jego wyjątkami, lokalnymi poprawkami oraz decyzjami właściwego organu nadzorczego (AHJ).
IEC 63027:2023 to międzynarodowa norma dotycząca parametrów i testów urządzeń wykrywających oraz opcjonalnie przerywających łuki DC w obwodach PV o napięciu do 1500 V DC. Sama w sobie nie nakłada na każdy kraj ani każdy projekt PV obowiązku instalacji takiego sprzętu.
UL 1699B to północnoamerykańska norma produktowa stosowana dla urządzeń zabezpieczających przed łukiem elektrycznym prądu stałego w instalacjach fotowoltaicznych.

Głównym zagadnieniem inżynieryjnym jest:

Łuk szeregowy może przewodzić mniejszy prąd niż normalne obciążenie robocze. Standardowe zabezpieczenie nadprądowe może zatem pozostać zamknięte, podczas gdy łuk nadal wytwarza skoncentrowane ciepło.

Kluczowe wnioski

Norma NEC 690.11 wskazuje projektantowi kiedy instalacja wymaga zabezpieczenia w ramach przyjętych wytycznych NEC; norma IEC 63027 informuje producenta lub nabywcę w jaki sposób urządzenia do wykrywania łuku w instalacjach PV są klasyfikowane i testowane w ramach swojego zakresu.
Norma IEC 63027 koncentruje swoje procedury testowe na łukach szeregowych. Uwzględnia ona zarówno urządzenia służące wyłącznie do detekcji, jak i urządzenia łączące detekcję z przerywaniem obwodu.
Falownik fotowoltaiczny oznaczony jako "AFCI" nie powinien być zatwierdzany wyłącznie na podstawie tego skrótu. Należy potwierdzić jego certyfikację lub normę testową, zakres chronionego obwodu, zakres napięcia/prądu, liczbę ciągów i kanałów, metodę przerywania, oprogramowanie układowe oraz sposób ponownego załączenia.
Otwarcie wejścia falownika może zgasić łuk szeregowy w monitorowanej ścieżce prądowej, ale nie gwarantuje to wyeliminowania każdego możliwego łuku równoległego lub doziemnego. Architektura zabezpieczeń musi być dostosowana do rodzaju zwarcia.
Prawidłowe połączenie złączy, jakość zaciskania, moment dokręcenia zacisków, podparcie kabli, ochrona przed wnikaniem wody oraz dokumentacja z uruchomienia pozostają kluczowe. Elektronika wykrywająca łuk elektryczny nie jest w stanie zrekompensować błędów w sztuce instalacji fotowoltaicznej.

Czym jest łuk elektryczny DC w instalacji fotowoltaicznej?

Łuk elektryczny to samopodtrzymujące się wyładowanie elektryczne przez zjonizowany gaz. W instalacji fotowoltaicznej światło słoneczne utrzymuje moduły pod napięciem, a prąd stały (DC) nie posiada naturalnego przejścia przez zero, jak ma to miejsce w przebiegu prądu przemiennego (AC). Gdy łuk stanie się stabilny, może prowadzić do ciągłego nagrzewania niewielkiego obszaru złącza, przewodu, zacisku, puszki przyłączeniowej lub modułu.

Typowe punkty inicjacji obejmują:

złącze, które nie zostało w pełni osadzone;
styki wynikające z użycia niezatwierdzonych kombinacji złączy;
nieprawidłowe lub niekompletne zaciśnięcie;
poluzowany zacisk w skrzynce zbiorczej lub rozłączniku;
przewód uszkodzony na skutek zgięcia, wibracji lub niewłaściwego podparcia kabla;
uszkodzoną izolację spowodowaną ścieraniem, działaniem zwierząt, ekspozycją na promieniowanie UV lub pracami instalacyjnymi;
wilgoć, zanieczyszczenia lub korozję w obrębie połączenia;
uszkodzone połączenie lutowane, wyprowadzenie modułu, puszka przyłączeniowa lub połączenie diody bocznikującej.

System może kontynuować wytwarzanie energii podczas pogłębiania się usterki. Sprawia to, że zabezpieczenie przed łukiem elektrycznym jest środkiem kontroli ryzyka pożarowego, a nie substytutem zwykłego zabezpieczenia przeciążeniowego.

Łuk szeregowy a łuk równoległy a doziemienie

Te typy zwarć są ze sobą powiązane, ale nie są zamienne.

Typ zwarcia	Aktualna ścieżka	Typowe źródło	Dlaczego konwencjonalne zabezpieczenia mogą zareagować lub nie	Główna odpowiedź projektowa
Łuk szeregowy	W poprzek nieciągłości w zamierzonej ścieżce prądu	Luźne złącze, zerwana żyła, wadliwe zaciśnięcie, luźny zacisk	Prąd łuku jest ograniczony przez ciąg i obciążenie; może pozostać poniżej progu zadziałania bezpiecznika lub wyłącznika	Dedykowana detekcja łuku szeregowego oraz przetestowana metoda przerwania obwodu
Łuk równoległy	Pomiędzy przewodami o różnych potencjałach	Przebicie izolacji, uszkodzone przewody dodatnie i ujemne, zanieczyszczenie	Prąd może być wysoki, ale jego wartość zależy od topologii układu i dostępnych ścieżek źródła	Zabezpieczenie nadprądowe, ochrona przed przebiciem izolacji/doziemieniem, separacja oraz wyłączanie specyficzne dla danego typu zwarcia
Błąd uziemienia	Od przewodu pod napięciem do uziemionego metalu lub ścieżki doziemnej	Uszkodzony przewód, wnikanie wody, przygnieciona izolacja	Prąd zwarciowy może być ograniczony lub rozproszony w sposób, który nie powoduje zadziałania konwencjonalnego zabezpieczenia nadprądowego (OCPD)	Wykrywanie zwarć doziemnych, monitorowanie izolacji, połączenia wyrównawcze oraz odpowiednie odłączanie

Normy NEC 690.11 oraz główny zakres testowy IEC 63027 dotyczą zwarć spowodowanych przerwaniem ciągłości obwodu prądu stałego (DC) instalacji fotowoltaicznej: łukach szeregowych.

Ta granica ma znaczenie. Badania przeprowadzone przez Sandia wykazały, że łuki szeregowe i równoległe mogą generować podobne sygnatury wysokiej częstotliwości, jednak właściwe działanie przerywające może się różnić. Przerwanie szeregowej ścieżki prądowej gasi łuk szeregowy. Łuk równoległy może pozostać zasilany z innych ścieżek układu, a niewłaściwa reakcja może przekierować prąd przez miejsce zwarcia. Dlatego system nie powinien deklarować szerszej ochrony przed łukiem elektrycznym, chyba że funkcjonalność ta została specjalnie oceniona.

Dlaczego bezpiecznik fotowoltaiczny lub wyłącznik nadprądowy DC może nie zgasić łuku szeregowego

Urządzenia zabezpieczające nadprądowe działają, gdy prąd przekroczy określony próg czasowo-prądowy. Łuk szeregowy dodaje impedancję do normalnej ścieżki przepływu. Zamiast zwiększać natężenie prądu, często je zmniejsza.

Rozważmy ciąg (string) przewodzący 9 A w normalnych warunkach pracy. Jeśli uszkodzone złącze zacznie iskrzyć szeregowo, prąd może pozostać na poziomie zbliżonym do roboczego lub poniżej niego, zamiast wzrosnąć powyżej progu zadziałania bezpiecznika sznurkowego lub wyłącznika. Niewielka szczelina łukowa może mimo to wytworzyć wystarczającą temperaturę lokalną, aby zwęglić izolację lub zapalić pobliski materiał polimerowy.

Dlatego poniższe urządzenia nie zapewniają automatycznie ochrony przed łukiem szeregowym:

Urządzenie	Podstawowa funkcja	Dlaczego nie jest to detektor łuku fotowoltaicznego (PV)
Bezpiecznik gPV	Chroni przewody i moduły PV przed określonymi warunkami nadprądowymi	Łuk szeregowy może nie powodować wystarczającego przetężenia
Wyłącznik instalacyjny (MCB) lub wyłącznik kompaktowy (MCCB) prądu stałego (DC)	Przerywa prąd przeciążeniowy i zwarciowy w ramach znamionowego zastosowania prądu stałego (DC)	Wyzwalacz termomagnetyczny lub elektroniczny nie identyfikuje automatycznie sygnatury łuku elektrycznego
SPD	Odprowadza energię przepięć przejściowych	Nie analizuje w sposób ciągły szumów prądu w łańcuchu pod kątem łuków szeregowych
Izolator DC	Zapewnia łączenie lub izolację w ramach deklarowanych parametrów znamionowych	Wymaga polecenia operacyjnego i zazwyczaj nie wykrywa łuku elektrycznego
Detektor prądu doziemnego	Identyfikuje niepożądany przepływ prądu do ziemi lub pogorszenie stanu izolacji	Przerwa w obwodzie szeregowym między przewodami może nie powodować powstania prądu doziemnego
AFDD/AFCI prądu przemiennego (AC)	Wykrywa określone sygnatury łuku w obwodach końcowych prądu przemiennego (AC)	Algorytmy i normy produktowe dla urządzeń AC w budownictwie mieszkaniowym nie określają wydajności dla prądu stałego (DC) z instalacji fotowoltaicznych

Urządzenia te pozostają niezbędne tam, gdzie wymaga tego projekt. Ochrona przed łukiem elektrycznym jest dodatkową warstwą koordynacyjną, a nie zamiennikiem dla Zabezpieczeń obwodów prądu stałego (DC) dedykowanych dla instalacji fotowoltaicznych, bezpieczników, ochrony przeciwprzepięciowej lub bezpiecznej izolacji.

Czego wymaga norma NEC 690.11

NEC 690.11 nosi tytuł Zabezpieczenie obwodu przed łukiem elektrycznym (prąd stały). Zgodnie z brzmieniem stosowanym w ostatnich cyklach NEC, systemy fotowoltaiczne z obwodami prądu stałego pracujące przy napięciu 80 V DC lub wyższym pomiędzy dowolnymi dwoma przewodami wymagają zastosowania certyfikowanego wyłącznika łukowego PV lub certyfikowanych komponentów systemowych zapewniających równoważną ochronę.

Oczekuje się, że chroniony system wykryje i przerwie łuk elektryczny spowodowany utratą ciągłości przewodu, połączenia, modułu lub innego komponentu prądu stałego instalacji PV.

NEC 690.11 jest przepisem instalacyjnym

Jego skutek prawny zależy od:

wydanie NEC przyjęte przez stan, miasto, zakład energetyczny lub inny organ;
lokalne poprawki;
czy obwód prądu stałego (DC) znajduje się na budynku, w budynku lub jest z nim powiązany, zgodnie z definicją w danym wydaniu;
czy określony wyjątek ma zastosowanie do konkretnej trasy i obiektu;
certyfikacja sprzętu oraz instrukcje instalacji;
akceptacja przedłożonego projektu przez właściwy organ (AHJ).

Aktualne brzmienie przepisów zawiera wyjątki dla określonych obwodów fotowoltaicznych znajdujących się na zewnątrz lub powiązanych z konkretnymi warunkami budowlanymi, pod warunkiem, że przewody są zainstalowane w kwalifikowanych metalowych systemach okablowania lub pod ziemią. Sformułowania zmieniały się w kolejnych cyklach aktualizacji przepisów. Nie należy kopiować wyjątków ze starych notatek projektowych do nowych projektów bez sprawdzenia lokalnie przyjętego wydania przepisów.

Wielkoskalowe stacje zasilania fotowoltaicznego mogą również podlegać dodatkowym postanowieniom Artykułu 691 oraz specyficznym dla projektu wymogom ochrony przeciwpożarowej. Samo określenie "montaż naziemny" nie jest wystarczającą informacją do oceny zgodności z przepisami.

NEC 690.11 nie jest przepisem dotyczącym szybkiego wyłączania (rapid shutdown)

NEC 690.11 oraz NEC 690.12 odnoszą się do różnych zagrożeń:

Ochrona przed łukiem elektrycznym wykrywa niebezpieczne łuki przerywane i inicjuje przerwanie obwodu.
Szybkie wyłączanie (rapid shutdown) kontroluje napięcie przewodów wokół instalacji fotowoltaicznych na budynkach w celu ograniczenia ryzyka porażenia osób reagujących na zagrożenia.

Jeden produkt może realizować obie funkcje, jednak zgodność z jedną sekcją nie oznacza automatycznie zgodności z drugą.

Czego faktycznie dotyczy norma IEC 63027:2023

IEC 63027:2023, Systemy fotowoltaiczne – wykrywanie i przerywanie łuku elektrycznego prądu stałego, ma zastosowanie do urządzeń używanych do wykrywania i opcjonalnie przerywania łuków prądu stałego w obwodach systemów fotowoltaicznych.

Opublikowany zakres normy wyznacza trzy ważne granice:

Określa procedury testowe dotyczące wykrywania łukach szeregowych w obwodach fotowoltaicznych.
Odnosi się do reakcji urządzeń używanych do przerywania tych łuków.
Obejmuje urządzenia podłączone do systemów fotowoltaicznych o maksymalnym napięciu obwodu źródła PV nieprzekraczającym 1500 V DC.

Jest to norma produktowa, a nie uniwersalny nakaz instalacji. Krajowe przepisy dotyczące okablowania, przepisy budowlane, specyfikacje przetargowe, wymagania ubezpieczycieli lub lokalne organy decydują o tym, czy i gdzie należy zainstalować zabezpieczenia przed łukiem elektrycznym.

AFD, AFI oraz AFPE

Terminologia IEC rozdziela funkcje wykrywania i przerywania:

Termin	Znaczenie	Funkcja
AFD	Detektor łuku elektrycznego	Wykrywa łuk elektryczny i generuje odpowiedni sygnał lub polecenie
AFI	Wyłącznik łukowy	Odbiera polecenie i przerywa ścieżkę prądu łuku
AFPE	Urządzenie ochrony przed łukiem elektrycznym	Łączy wykrywanie i przerywanie łuku jako kompletną funkcję ochronną
AFS	Czujnik łuku elektrycznego	Element pomiarowy lub kanał powiązany z architekturą wykrywania

To rozróżnienie zapobiega częstemu błędowi zakupowemu: AFD może wykryć łuk elektryczny bez jego samodzielnego przerywania. Jeśli produkt służy wyłącznie do detekcji, projekt musi określać kompatybilne urządzenie AFI, łącze komunikacyjne, zachowanie typu fail-safe oraz zweryfikowany kompletny system.

Klasyfikacja i zakres ochrony mają znaczenie

Klasyfikacja według normy IEC 63027 ma na celu opisanie praktycznych charakterystyk instalacji, w tym:

zakresu ochrony wewnątrz systemu fotowoltaicznego;
implementacji zintegrowanej, autonomicznej lub rozproszonej;
funkcjonalności polegającej wyłącznie na detekcji w porównaniu z detekcją i przerywaniem;
maksymalnej liczby monitorowanych ciągów i wejść;
liczba i rozmieszczenie kanałów detekcji lub czujników;
sposób ponownego załączenia po zadziałaniu.

Dwa falowniki mogą deklarować zgodność z normą "IEC 63027 w zakresie detekcji łuku elektrycznego", obsługując jednocześnie różną liczbę ciągów (stringów), różne przekroje przewodów lub różne funkcje wyłączania. Należy uzyskać klasyfikację i dowody z badań dla konkretnego modelu i wersji oprogramowania układowego, zamiast zatwierdzać broszurę dla całej rodziny produktów.

NEC 690.11 kontra IEC 63027 kontra UL 1699B

Pozycja	NEC 690.11	UL 1699B	IEC 63027:2023
Rola dokumentu	Wymagania przepisów dotyczących instalacji elektrycznych	Północnoamerykańska norma bezpieczeństwa produktu	Międzynarodowa norma dotycząca wydajności i badań produktu
Główne zastosowanie	Określa, kiedy wymagane jest stosowanie certyfikowanych zabezpieczeń przed łukiem elektrycznym prądu stałego (DC) w instalacjach fotowoltaicznych w jurysdykcjach stosujących normy NEC	Wspiera ocenę/certyfikację urządzeń zabezpieczających obwody przed łukiem elektrycznym prądu stałego (DC) w instalacjach fotowoltaicznych	Klasyfikuje i testuje urządzenia do wykrywania oraz opcjonalnego przerywania łuku elektrycznego prądu stałego (DC) w instalacjach fotowoltaicznych
Skutek prawny	Egzekwowane po przyjęciu, interpretowane przez właściwy organ (AHJ)	Istotne poprzez certyfikację, specyfikację i zgodność z przepisami	Staje się istotne pod względem umownym lub prawnym po przyjęciu przez rynek, zasady instalacji lub specyfikację projektu
Granica napięcia	Najnowsze wydania stosują napięcie 80 V DC lub wyższe między przewodami, w zależności od wydania i wyjątków	Należy stosować zakres i parametry znamionowe określone dla produktu	Urządzenia podłączone do obwodów źródła PV o napięciu do 1500 V DC
Główny punkt skupienia na uszkodzeniach	Łuk szeregowy spowodowany utratą ciągłości obwodu	Zabezpieczenie przed łukiem elektrycznym DC w instalacjach PV objęte zakresem normy	Procedury testowe dla wykrywania łuku szeregowego i reakcji wyłączania
Wyłączenie	Wymagane jako część wyniku ochrony	Oceniane jako część wymienionej funkcji ochronnej	Opcjonalne w zakresie wyposażenia: AFD może tylko wykrywać; AFPE obejmuje przerwanie obwodu
Dokumentacja projektowa	Przyjęte przepisy, rysunki, wymieniony sprzęt, instrukcje, akceptacja AHJ	Rejestr certyfikacji/wpisów na listę oraz oznaczenia modelu	Klasyfikacja, certyfikat/dowód testu, parametry znamionowe, oprogramowanie układowe i ograniczenia instalacyjne

UL Solutions wskazuje UL 1699B jako normę dla ochrony przed łukiem elektrycznym w instalacjach fotowoltaicznych DC. Deklaracja "zgodności z NEC 690.11" powinna zatem być poparta odpowiednim wpisem na listę lub wymienionymi równoważnymi komponentami systemu, a nie tylko wewnętrznym algorytmem wykrywania łuku.

IEC 63027 to nie to samo co IEC 62606

Podobna terminologia może wprowadzać nabywców w błąd:

IEC 62606 dotyczy urządzeń wykrywających łuk elektryczny (AFDD) dla obwodów prądu przemiennego (AC) w gospodarstwach domowych i podobnych zastosowaniach.
IEC 63027 dotyczy urządzeń do wykrywania i przerywania łuku prądu stałego (DC) w systemach fotowoltaicznych.

Domowe urządzenie AFDD prądu przemiennego (AC), przetestowane zgodnie z normą IEC 62606, nie jest automatycznie przystosowane do pracy w łańcuchach fotowoltaicznych o napięciu 1000 V lub 1500 V. Kształt fali, charakterystyka źródła, zakłócenia łączeniowe, układ izolacji, warunki środowiskowe oraz problem przerywania prądu są odmienne.

W kwestii kategorii urządzeń dla obwodów końcowych prądu przemiennego (AC), zapoznaj się z oddzielnym przewodnikiem VIOX dotyczącym ochrony AFDD zgodnie z normą IEC 62606.

Gdzie można umieścić zabezpieczenie przed łukiem elektrycznym w instalacjach PV

Prawidłowa lokalizacja zależy od testowanego zakresu ochrony, topologii układu, liczby ciągów oraz metody przerwania obwodu.

Zabezpieczenie zintegrowane z falownikiem

Detektor analizuje jedno lub więcej wejść DC, a falownik lub powiązana rozdzielnica przerywa ścieżkę prądową po wykryciu łuku.

Zalety

mniej komponentów zewnętrznych;
dostęp do danych MPPT oraz prądowych;
możliwość rejestrowania zdarzeń i zdalnej diagnostyki;
rozwiązanie powszechne w konstrukcjach falowników łańcuchowych.

Kwestie do wyjaśnienia

Ile ciągów (stringów) można podłączyć do każdego monitorowanego wejścia?
Czy każdy ciąg jest monitorowany niezależnie, czy kilka z nich jest łączonych przed jednym czujnikiem?
Czy otwarcie wejścia falownika powoduje odłączenie zasilania całej zabezpieczanej sekcji?
Czy funkcja ta jest zależna od konkretnej wersji oprogramowania układowego lub ustawień?
Jaki przekrój przewodu między zestawem paneli, skrzynką zbiorczą a falownikiem mieści się w testowanym zakresie?

Zabezpieczenie na poziomie skrzynki zbiorczej lub ciągu

Wykrywanie bliżej zestawu paneli może poprawić lokalizację usterek i zmniejszyć liczbę ciągów przypadających na jeden kanał pomiarowy. Urządzenie AFD lub AFPE może być zintegrowane z Skrzynka sumacyjna PV lub zainstalowane jako dedykowane wyposażenie dla ciągu.

Ta architektura musi uwzględniać:

liczbę ciągów równoległych;
prąd płynący ze sprawnych ciągów w kierunku zwarcia;
rozmieszczenie czujników i niezależność kanałów;
napięcie przerywania prądu stałego (DC) oraz polaryzację;
temperaturę otoczenia i stopień ochrony obudowy;
awarię komunikacji i zasilania pomocniczego;
koordynacja z bezpiecznikami sznurkowymi, rozłącznikami i sterownikami falownika.

Standardowa skrzynka przyłączeniowa nie staje się urządzeniem AFPE tylko dlatego, że zawiera bezpieczniki, ogranicznik przepięć (SPD) i wyłącznik prądu stałego (DC).

Zabezpieczenie na poziomie modułu lub rozproszone.

Rozproszone czujniki lub przerywacze mogą zawęzić strefę chronioną i poprawić lokalizację usterek. Zwiększają one jednak liczbę komponentów, ekspozycję na dachu, złożoność komunikacji oraz kwestie związane z wymianą.

Projekt powinien zweryfikować, co się stanie, gdy:

jedno urządzenie modułowe utraci zasilanie lub komunikację;
tylko część ciągu (stringu) zostanie przerwana;
sterownik centralny będzie niedostępny;
wersje oprogramowania układowego różnią się w zależności od urządzenia;
zwarcie równoległe pozostaje pod napięciem z sąsiednich ciągów.

Koordynacja AFCI z bezpiecznikami, wyłącznikami, ogranicznikami przepięć (SPD) i rozłącznikami

Kompletny projekt zabezpieczeń DC instalacji fotowoltaicznej przypisuje jedno zadanie każdej warstwie ochronnej.

Warstwa zabezpieczeń	Wykrywa lub steruje	Kwestia koordynacji
Bezpiecznik łańcuchowy	Prąd zwrotny i zdefiniowane warunki przetężeniowe	Czy jego wartość znamionowa jest skoordynowana z maksymalną wartością znamionową bezpiecznika szeregowego modułu oraz prądem ciągu równoległego?
Wyłącznik prądu stałego	Zabezpieczenie przeciążeniowe/zwarciowe oraz łączenie w deklarowanym zakresie	Czy urządzenie jest przystosowane do napięcia stałego (DC) PV, polaryzacji, prądu zwarciowego oraz charakterystyki czasowo-prądowej?
SPD	Przepięcia wywołane wyładowaniami atmosferycznymi oraz łączeniowe	Czy ogranicznik przepięć (SPD) jest odpowiedni dla architektury napięciowej PV oraz układu uziemienia?
Izolator DC	Ręczne lub sterowane łączenie/izolacja	Czy urządzenie może przerywać deklarowane obciążenie DC i czy jest uwzględnione w ścieżce wyłączania AFPE?
Monitorowanie doziemień/izolacji	Upływność lub pogorszenie stanu izolacji	Jakie uszkodzenia pozostają niewykryte w układzie nieuziemionym lub funkcjonalnie uziemionym?
AFD/AFPE	Sygnatura łuku szeregowego i przetestowana reakcja wyłączenia	Jaka sekcja obwodu, liczba ciągów, zakres roboczy i scenariusze awarii są objęte zakresem?

AFPE może sterować falownikiem, stycznikiem, przełącznikiem półprzewodnikowym lub Urządzenie izolujące DC przystosowane do instalacji fotowoltaicznych w celu przerwania szeregowej ścieżki prądowej. Urządzenie wykonawcze musi stanowić część ocenianej architektury. Dodanie wyzwalacza wzrostowego do niepowiązanego wyłącznika DC nie zapewnia samo w sobie zgodności z normą IEC 63027 lub UL 1699B.

W jaki sposób złącza i zakończenia PV tworzą łuki szeregowe

Złącza fotowoltaiczne są częstym punktem krytycznym, ponieważ łączą niewielką powierzchnię styku z cyklicznymi zmianami temperatury zewnętrznej, wilgocią, ruchami przewodów oraz długim okresem eksploatacji.

Łączenie złączy różnych producentów

Produkty określane jako "kompatybilne z MC4" niekoniecznie są kwalifikowane jako jedna para złączy. Geometria styków, powłoki, siła sprężyny, kompresja uszczelki, tolerancje, wymiary dławików kablowych oraz narzędzia montażowe mogą się różnić. Należy stosować kombinacje złączy dozwolone przez dokumentację modułów, złączy oraz projektu.

Nieprawidłowe zaciskanie

Niewłaściwe matryce, zużyte narzędzia, nieprawidłowa długość odizolowania, niedopasowany przekrój przewodu lub niecałkowite wprowadzenie żyły mogą prowadzić do powstania połączenia o wysokiej rezystancji. Sam test wytrzymałości na rozciąganie nie potwierdza niskiej rezystancji elektrycznej, a sam test elektryczny nie potwierdza trwałości mechanicznej. Należy przestrzegać pełnego procesu montażu i kontroli określonego przez producenta złączy.

Luźne zaciski i uszkodzone przewody

W zaciskach skrzynek przyłączeniowych, podstawach bezpiecznikowych, wyłącznikach DC oraz wejściach falowników mogą powstawać słabe połączenia w przypadku nieprawidłowego przygotowania przewodu, niewłaściwego momentu dokręcania lub braku odciążenia naciągu. Przetarcia przewodów pod modułami mogą powodować zarówno przerwy w obwodzie szeregowym, jak i uszkodzenia izolacji.

Dlatego skuteczna prewencja łuku elektrycznego zaczyna się przed układami elektronicznymi:

stosować udokumentowane kombinacje złączy;
używać skalibrowanych i określonych narzędzi do zaciskania;
przestrzegać wartości momentu dokręcania zacisków podanych dla danego komponentu;
prowadzić przewody z dala od ostrych krawędzi i stojącej wody;
zachować promień gięcia i odciążenie naciągu;
rejestrować szczegóły instalacji ciągów i złączy;
kontrolować modyfikacje i wymienione złącza z taką samą starannością, jak w przypadku instalacji pierwotnej.

Uruchomienie zabezpieczenia przed łukiem elektrycznym w instalacjach PV

Uruchomienie powinno potwierdzić zarówno funkcję ochronną, jak i poprawność instalacji, bez wywoływania niekontrolowanego łuku elektrycznego.

Rejestr:

numery modeli falownika, AFD, AFI oraz AFPE;
klasyfikacja według listy lub normy IEC oraz numer certyfikatu;
wersja oprogramowania układowego (firmware) oraz aktywne ustawienia zabezpieczeń;
maksymalne skorygowane napięcie obwodu otwartego ciągu;
zakres prądu roboczego oraz liczba ciągów na wejście;
mapowanie czujników/kanałów;
przekroje przewodów ochronnych;
urządzenie przerywające i ścieżka sterowania;
alarm, rejestr zdarzeń, komunikacja i zachowanie po resecie;
rodziny złączy, narzędzia do zaciskania, protokoły momentów dokręcania i wyniki inspekcji.

Należy stosować wyłącznie metodę testu funkcjonalnego lub uruchomienia zatwierdzoną przez producenta. Nie należy tworzyć improwizowanego łuku prądu stałego (DC) w celu sprawdzenia działania. Testy rezystancji izolacji i ciągłości muszą być również zgodne z instrukcjami falownika, optymalizatora, ogranicznika przepięć (SPD) oraz urządzenia AFPE, aby napięcie testowe nie było przykładane do podłączonej elektroniki, która nie jest na nie odporna.

Rozwiązywanie problemów z wyzwoleniami AFCI w instalacjach fotowoltaicznych

Wyzwolenie spowodowane łukiem elektrycznym należy traktować jako potencjalnie rzeczywistą wadę okablowania, dopóki dochodzenie nie wykaże inaczej. Wielokrotne resetowanie bez przeprowadzenia inspekcji może doprowadzić do ponownego zasilenia uszkodzonego połączenia.

Należy zacząć od dowodów, a nie od wyłączenia ustawień.

Wykwalifikowany personel powinien sprawdzić:

dokładny kod zdarzenia i znacznik czasu;
dotknięte wejście MPPT, ciąg (string), kanał lub czujnik;
napięcie i prąd stały (DC) przed operacją;
warunki pogodowe i poziom napromieniowania;
przełączenia falownika, zdarzenia sieciowe lub komunikacyjne;
ostatnie prace konserwacyjne, wymianę modułów lub prace przy okablowaniu;
historię występowania tego samego błędu, przemieszczającego się między kanałami lub utrzymującego się w jednym ciągu.

Następnie należy postępować zgodnie z procedurą izolacji i diagnostyki producenta urządzenia. Sprawdzić złącza, zaciski, końcówki, prowadzenie kabli, szczelność pod kątem wnikania wody, punkty przetarć, komponenty skrzynki przyłączeniowej oraz izolatory DC. Brak widocznych śladów spalenia nie stanowi dowodu na to, że nie wystąpił łuk elektryczny o charakterze przerywanym.

Źródła niepożądanego działania

Algorytmy detekcji muszą odróżniać szum łuku od normalnych zjawisk wysokoczęstotliwościowych. Trudne warunki mogą obejmować:

widma przełączania falownika;
przejścia operacyjne MPPT;
długie odcinki kabli DC oraz sprzężenia między sąsiednimi ciągami (stringami);
przetwornice DC/DC lub energoelektronikę na poziomie modułu;
zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne;
niestabilne złącza generujące słyszalne zakłócenia przed wystąpieniem widocznych uszkodzeń;
nieprawidłowe przypisanie czujników lub nieobsługiwana konfiguracja stringów;
przestarzałe lub niedopasowane oprogramowanie układowe (firmware).

Działaniem naprawczym nie jest automatyczne obniżenie czułości lub wyłączenie funkcji AFCI. Najpierw należy usunąć wady fizyczne, zweryfikować obsługiwaną konfigurację układu oraz zastosować wyłącznie oprogramowanie i ustawienia zatwierdzone przez producenta.

Lista kontrolna zakupów dla systemów AFCI i AFPE w instalacjach fotowoltaicznych

Pytanie kupującego	Wymagane dowody
Który wymóg rynkowy jest spełniony?	Przyjęta klauzula i certyfikacja NEC, klasyfikacja/dowody badań zgodnie z IEC 63027 lub wskazane lokalne wymagania instalacyjne
Czy produkt jest urządzeniem AFD czy kompletnym systemem AFPE?	Schemat blokowy funkcji identyfikujący detektor, przerywacz, ścieżkę komunikacji oraz zasilanie pomocnicze
Która sekcja obwodu jest chroniona?	Schemat pokrycia od modułów przez sumator aż po wejścia falownika
Jakie są parametry elektryczne graniczne?	Maksymalne napięcie PV, zakres Voc, zakres Vmpp, Isc, Impp, polaryzacja oraz współczynniki obniżenia parametrów w zależności od warunków środowiskowych
Ile ciągów (stringów) i wejść jest obsługiwanych?	Maksymalna liczba ciągów na wejście, liczba wejść na czujnik oraz liczba niezależnych kanałów
W jaki sposób przerywany jest łuk elektryczny?	Typ AFI, znamionowa zdolność wyłączania prądu stałego (DC), ścieżka sterowania oraz zachowanie w stanie awaryjnym
Jaki typ uszkodzenia jest testowany?	Zakres testu łuku szeregowego oraz wszelkie oddzielnie oceniane funkcje łuku równoległego lub doziemnego
W jaki sposób kontrolowane jest ponowne załączenie?	Zasady ręcznego/automatycznego sterowania, zachowanie blokady, wymogi inspekcji oraz rejestracja zdarzeń
Czy oprogramowanie układowe (firmware) wpływa na zgodność z normami?	Certyfikowana wersja oprogramowania układowego, polityka kontroli zmian, procedura aktualizacji oraz ograniczenia ustawień
W jaki sposób obsługiwane są zdarzenia niepożądane (fałszywe alarmy)?	Testy EMC, obsługiwana topologia, dzienniki diagnostyczne, procedura serwisowa oraz wsparcie techniczne
Jakie certyfikaty są ważne?	Numer certyfikatu, jednostka certyfikująca, dokładny model, miejsce produkcji (jeśli dotyczy) oraz aktualny status
W jaki sposób system zostanie uruchomiony?	Zatwierdzona procedura testowa, rejestry, alarmy, komunikacja oraz instrukcje konserwacji

Należy unikać specyfikacji zawierających jedynie zapis "falownik musi zawierać AFCI". Sformułowanie to nie określa normy, strefy chronionej, liczby monitorowanych ciągów, funkcji przerwania ani dowodów akceptacji.

Typowe błędy specyfikacji

Traktowanie NEC 690.11 oraz IEC 63027 jako dokumentów równoważnych

Jeden z nich jest przepisem instalacyjnym, drugi natomiast normą dotyczącą wydajności i testowania produktu. Projekt może odwoływać się do obu, ale odpowiadają one na inne pytania.

Zakładanie, że wykrycie zawsze obejmuje przerwanie obwodu

Norma IEC 63027 dopuszcza w swoim zakresie urządzenia służące wyłącznie do wykrywania. Należy potwierdzić, czy dostarczony system jest urządzeniem AFD, czy kompletnym systemem AFPE.

Liczenie wyłącznie wejść prądu stałego (DC) falownika

Liczba fizycznych wejść nie świadczy o liczbie niezależnych czujników łuku lub monitorowanych ciągów. Należy uzyskać klasyfikację oraz mapę kanałów.

Używanie standardowego wyłącznika DC jako “solarnego AFCI”

Wyłącznik DC może wykonać polecenie wyzwolenia tylko wtedy, gdy jest do tego przystosowany i zintegrowany z ocenionym systemem. Jego zwykły człon nadprądowy nie wykrywa automatycznie łuku szeregowego.

Wyłączenie zabezpieczenia po wielokrotnych zadziałaniach

Luźne złącze lub uszkodzenie przewodu może generować sygnały przypominające łuk elektryczny, zanim widoczne staną się uszkodzenia termiczne. Przed zmianą ustawień zabezpieczeń należy sprawdzić obwód oraz konfigurację odbiorników.

Mylenie łuku elektrycznego (arc fault) z wybuchem łuku elektrycznego (arc flash)

Zabezpieczenie przed łukiem elektrycznym w instalacjach fotowoltaicznych ma na celu wykrywanie trwałych, niezamierzonych łuków, które mogą wywołać pożar. Analiza wybuchu łuku elektrycznego dotyczy energii cieplnej i narażenia pracowników podczas zwarć o wysokiej energii. Zjawiska te są powiązane z fizyką łuku, ale stanowią odrębne zagadnienia i funkcje ochronne.

FAQ

Czy norma IEC 63027 wymaga stosowania AFCI w każdej instalacji fotowoltaicznej?

Nie. Norma IEC 63027 jest standardem dotyczącym testowania produktów i ich wydajności. Wymogi instalacyjne wynikają z przepisów krajowych, lokalnych norm, specyfikacji projektowych, wymogów ubezpieczycieli lub właściwych organów nadzorczych (AHJ).

Czy urządzenie AFDD zgodne z IEC 62606 nadaje się do łańcucha PV DC?

Nie na podstawie samej normy IEC 62606. Norma ta dotyczy zastosowań AFDD w obwodach prądu przemiennego (AC). Urządzenia PV DC wymagają odpowiedniej oceny pod kątem napięcia, obwodu źródłowego, detekcji, przerywania prądu oraz warunków środowiskowych, zgodnie z wymogami normy IEC 63027.

Czy przepis NEC 690.11 ma zastosowanie do każdego naziemnego systemu fotowoltaicznego?

Niekoniecznie. Zastosowanie zależy od przyjętej edycji NEC, napięcia obwodu, relacji z budynkami, metody okablowania, wszelkich wyjątków zawartych w Artykule 690 lub 691, lokalnych poprawek oraz interpretacji organu właściwego (AHJ). Należy przeanalizować konkretny projekt, zamiast polegać wyłącznie na określeniu "montaż naziemny"."

Czy zintegrowany z falownikiem system AFCI może chronić ciągi (stringi) podłączone przez skrzynkę połączeniową (combiner box)?

Tylko w ramach swojej ocenionej konfiguracji. Należy potwierdzić maksymalną liczbę równoległych ciągów, przydział czujników, długość i strefę chronionych przewodów, układ skrzynki połączeniowej oraz ścieżkę przerwania obwodu. Łączenie większej liczby ciągów niż przewiduje limit testowy może zmienić zarówno siłę sygnału łuku, jak i ścieżki prądu zwarciowego.

Czy bezpiecznik fotowoltaiczny lub wyłącznik nadprądowy DC (MCB) zastępuje system AFCI dla instalacji solarnych?

Nie. Urządzenia te chronią przed określonymi warunkami nadprądowymi. Łuk szeregowy może pozostać poniżej ich progu zadziałania, dlatego dedykowana detekcja łuku może być nadal wymagana.

Jaka jest różnica między solarnym AFCI a AFPE?

Solar AFCI to powszechna w Ameryce Północnej terminologia dotycząca przerywania obwodu łuku elektrycznego w instalacjach PV. AFPE to terminologia IEC dla urządzeń łączących detekcję i przerywanie łuku elektrycznego. Zawsze należy weryfikować obowiązującą normę i funkcję, zamiast traktować te akronimy jako uniwersalnie zamienne.

Czy systemy mikroinwerterów wymagają zabezpieczenia zgodnie z normą NEC 690.11?

Wiele architektur mikroinwerterów utrzymuje obwody prądu stałego (DC) poszczególnych modułów poniżej progu napięcia określonego w NEC, jednak odpowiedź zależy od rzeczywistego napięcia obwodu oraz przyjętych przepisów. Należy potwierdzić architekturę sprzętu oraz wymagania lokalnego organu nadzoru (AHJ).

Czy wyzwolenie AFCI można zresetować zdalnie?

Tylko jeśli zezwala na to produkt, odpowiednia norma/certyfikat, zasady instalacji oraz procedura operacyjna. Zdalny reset nie powinien pomijać wymaganej inspekcji ani wielokrotnie ponownie zasilać połączenia, co do którego istnieje podejrzenie uszkodzenia. Należy sprawdzić deklarowaną metodę ponownego załączenia oraz historię zdarzeń.

Ostateczna zasada inżynieryjna

Zabezpieczenie przed łukiem elektrycznym po stronie DC w instalacjach fotowoltaicznych musi być określone jako funkcja systemowa, a nie jako trzyliterowy skrót w broszurze falownika.

W przypadku projektów zgodnych z NEC należy potwierdzić przyjętą wersję normy NEC 690.11, granicę obwodu 80 V, wszelkie obowiązujące wyjątki, certyfikację sprzętu, trasę przewodów oraz akceptację AHJ. W przypadku projektów zgodnych z IEC należy potwierdzić, czy urządzenie jest typu AFD czy AFPE, jego klasyfikację zgodnie z IEC 63027, zakres napięcia/prądu, monitorowane ciągi i kanały, strefę chronioną, metodę przerwania obwodu, oprogramowanie układowe oraz zachowanie przy ponownym załączeniu.

Następnie należy skoordynować tę funkcję z bezpiecznikami fotowoltaicznymi, wyłącznikami DC, ogranicznikami przepięć (SPD), izolatorami, zabezpieczeniami ziemnozwarciowymi, złączami, trasami kablowymi oraz protokołami z uruchomienia. Bezpiecznik, wyłącznik DC (MCB), SPD lub izolator pozostają użyteczne, jednak żaden z nich nie powinien być przedstawiany jako dedykowane zabezpieczenie przed łukiem szeregowym w instalacjach PV, chyba że kompletny system został oceniony pod kątem tej funkcji.