Распределительная коробка для солнечных батарей своими руками: почему большинство самодельных конструкций представляют собой опасность возгорания (и что вам действительно нужно)

Дуга, которая не умирает: Почему постоянный ток разрушает оборудование переменного тока

В тот момент, когда вы переключаете Автоматический выключатель переменного тока размыкается под нагрузкой, между расходящимися контактами образуется электрическая дуга. Это плазма — ионизированный газ, проводящий тысячи ампер через то, что раньше было воздухом, создавая температуры, достигающие 19 400°C, что, для справки, в четыре раза горячее поверхности солнца.

Но вот что касается дуг переменного тока: они гаснут сами по себе.

Шестьдесят раз в секунду стандартный переменный ток проходит через ноль вольт, когда ток меняет направление. В этот самый момент — длящийся всего миллисекунды — дуга теряет источник энергии и гаснет. Контакты продолжают расходиться. Цепь размыкается. Готово.

С постоянным током это не так.

Когда вы прерываете 93,4 вольта постоянного тока, эта дуга загорается и горит до тех пор, пока контакты достаточно близко, чтобы поддерживать ее. Нет нулевого перехода. Нет естественного прерывания. Просто непрерывный, неумолимый ток, пытающийся преодолеть этот зазор рекой плазмы, которая плавит металл, воспламеняет изоляцию и продолжает гореть до тех пор, пока контакты физически не разойдутся достаточно далеко — обычно в 3-4 раза дальше, чем рассчитано оборудование переменного тока.

Это “Дуга, которая не умирает”, и именно поэтому каждый компонент внутри настоящей распределительной коробки, рассчитанной на постоянный ток, выглядит иначе, чем оборудование переменного тока. Расстояние между контактами больше. Дугогасительные камеры (эти зигзагообразные металлические пластины, которые растягивают и охлаждают дугу) длиннее. Некоторые автоматические выключатели постоянного тока даже используют магнитные катушки для физического гашения дуги, как тушение свечи.

В вашей подпанели переменного тока $60 ничего этого нет.

Ее выключатели рассчитаны на то, что дуга естественным образом погаснет в течение 8 миллисекунд. Пропустите через них 93 вольта постоянного тока, и это предположение станет проблемой. Контакты пытаются разомкнуться, образуется дуга, и вместо того, чтобы погаснуть при переходе через ноль, она просто… продолжается. Дугогасительные камеры выключателя недостаточно длинные. Разделение контактов недостаточно широкое. Материалы не рассчитаны на устойчивое образование дуги постоянного тока.

В конце концов, происходит одно из двух: контакты свариваются вместе (навсегда замыкая цепь, даже когда вы думаете, что она “выключена”), или внутренние компоненты выключателя плавятся и выходят из строя катастрофически. Ни один из этих исходов не предполагает безопасного отключения вашей солнечной системы, когда вам это нужно.

Путаница с 48 В: Напряжение вашей батареи ≠ Напряжение вашей цепочки

Именно здесь большинство планов самодельных солнечных распределительных коробок идут наперекосяк.

Вы видите “система 48 В” в своих плановых документах. Вы находите подпанель переменного тока, рассчитанную на “48 вольт”. Идеальное совпадение, верно?

Неправильно по трем пунктам.

Во-первых: Этот номинал батареи 48 В является номинальным напряжением — средней рабочей точкой. Ваша батарея 48 В фактически работает между 40 В (разряжена) и 58 В (заряжается). Не имеет значения для определения размера распределительной коробки, но важно знать, что цифры меняются.

Второе: Вашим солнечным цепочкам все равно, при каком напряжении работают ваши батареи. Каждая панель REC мощностью 350 Вт имеет напряжение холостого хода (Voc) 46,7 В. Две панели последовательно? Это 93,4 вольта — почти вдвое больше напряжения вашей батареи — и это число, которое должна выдерживать ваша самодельная распределительная коробка. Вы объединяете не 48 В; вы объединяете пять отдельных цепочек по 93,4 В в одну выходную цепь постоянного тока.

Третье — и это ловушка номинального напряжения: Когда на панели, рассчитанной на переменный ток, написано “48 вольт”, это означает 48 вольт AC. Если у нее вообще есть номинал постоянного тока (у большинства нет), он похоронен мелким шрифтом и значительно ниже. Выключатель, рассчитанный на 240 В переменного тока, может быть безопасен только до 48 В постоянного тока. Панель, рассчитанная на 480 В переменного тока? Может быть, 60-80 В постоянного тока, если вам повезет.

Почему такая огромная разница? Вернемся к «Дуге, которая не умирает». Номиналы напряжения переменного тока предполагают, что дуга гаснет естественным образом. Номиналы напряжения постоянного тока предполагают, что дуга сопротивляется и пытается поддерживать себя через более широкие зазоры. Чем выше напряжение постоянного тока, тем шире зазор, который она может перепрыгнуть, и тем более надежным должен быть механизм прерывания.

Так что эта панель Square D, “рассчитанная на 48 В”? Даже если это номинал постоянного тока (проверьте технические характеристики — я подожду), вы пытаетесь пропустить через нее 93,4 В. Вы работаете при 195% от ее расчетного напряжения. Это не запас прочности; это таймер обратного отсчета.

Что на самом деле дает вам $240: Внутри сертификации UL 1741

“Это всего лишь наклейка UL”, — можете подумать вы. “Я могу пропустить это для самодельной установки”.”

Но UL 1741 — стандарт для солнечных распределительных коробок и оборудования для межсоединений — проверяет не то, есть ли у вашей коробки закругленные углы и красивая покраска. Он проверяет, выдерживает ли ваше оборудование именно те режимы отказа, которые происходят в реальных фотоэлектрических системах.

Вот что проходит распределительная коробка, чтобы получить этот список UL 1741:

Испытание на дуговой пробой постоянного тока: Могут ли выключатели прервать дугу при полном напряжении цепочки при максимальном токе? Это проверяется сотни раз. Выключатели вашей панели переменного тока? Никогда не проверялись на образование дуги постоянного тока. Ноль раз.

Испытание на ток короткого замыкания: Что произойдет, если две цепочки случайно замкнутся вместе, сбрасывая 90 ампер через шину, рассчитанную на 20? Испытание подвергает каждую точку соединения токам короткого замыкания, в 10-20 раз превышающим нормальный рабочий ток. Все, что должно расплавиться, расплавляется в лаборатории, а не на вашей крыше.

Термоциклирование: Распределительные коробки на крыше колеблются от -40°C зимними ночами до 60°C летними днями под прямыми солнечными лучами. UL циклически изменяет температуру оборудования в этих экстремальных условиях при полной нагрузке. Соединения, которые ослабнут после трех лет теплового расширения? Они выходят из строя в испытательной камере.

Защита окружающей среды: Этот рейтинг NEMA 3R не является декоративным. Это означает, что коробка выдерживает горизонтальный дождь, не накапливает лед, который блокирует вентиляцию, и защищает шины от пыли даже при установке в пыльной промышленной среде. Ваша гаражная подпанель имеет рейтинг NEMA 1 — предназначена для приятного, чистого использования в помещении при комнатной температуре.

Реальная стоимость этого обновления $240 — это не материалы. Выключатель, рассчитанный на постоянный ток, стоит, может быть, $30 вместо $12 за выключатель переменного тока. Металлический корпус стоит еще $50. Остальное? Это инженерные часы, потраченные на то, чтобы убедиться, что эти компоненты надежно работают вместе в наихудших условиях, и испытания, чтобы доказать это.

Когда вы пропускаете UL 1741, вы пропускаете не просто наклейку. Вы пропускаете 10 000 часов разрушительных испытаний, которые выявили каждый режим отказа, с которым столкнется ваша коробка, установленная на крыше, в течение следующих 20 лет. Вы сами бета-тестируете эти режимы отказа.

В режиме реального времени.

На вашей крыше.

4 Не подлежащих обсуждению требования к безопасной самодельной солнечной распределительной коробке

Давайте внесем ясность: собрать собственную солнечную распределительную коробку технически возможно. Но это стоит делать только в том случае, если вы выполняете каждое из этих требований. Пропустите хотя бы одно, и вам лучше купить готовую коробку.

Требование №1: Компоненты, рассчитанные на постоянный ток, с надлежащими номиналами напряжения

Ваш список покупок для самодельной солнечной распределительной коробки начинается здесь: каждый выключатель, предохранитель, шина, terminal block, и разъединитель внутри этой коробки должны быть явно рассчитаны на напряжение постоянного тока и не менее 600 вольт постоянного тока.

Не 600 В переменного тока. Не “подходит для солнечной энергии”. Не “вероятно, все в порядке”. В технических характеристиках должно быть указано: “600 В постоянного тока” простым текстом.

Почему 600 В, когда ваши цепочки всего 93,4 В? Две причины. Во-первых, статья 690.7 NEC требует расчета напряжения на основе самой низкой ожидаемой температуры в вашем регионе. Солнечные панели производят более высокое напряжение в холодную погоду — до 10-15% выше, чем номинальное Voc, в зависимости от вашей климатической зоны. Ваши панели 46,7 В могут достигать 53 В каждая январским утром. Две последовательно? 106 вольт на цепочку.

Во-вторых, вам нужен запас прочности для переходных скачков напряжения во время эффектов облачного края (когда интенсивность солнечного света быстро меняется) и для ухудшения оборудования с течением времени. Отраслевой стандарт: если ваше максимальное напряжение системы составляет менее 150 В постоянного тока, используйте компоненты, рассчитанные на 600 В постоянного тока. Это не перебор; это минимум для 25-летнего срока службы.

Где найти компоненты, рассчитанные на постоянный ток:

• Прерыватели постоянного тока: Такие производители, как ABB, Eaton, Mersen и Littelfuse, производят автоматические выключатели в литом корпусе (MCCB), рассчитанные на постоянный ток. Ожидайте заплатить $35-60 за выключатель по сравнению с $12-18 за эквивалентные выключатели переменного тока. Ищите маркировку “дополнение UL 489” для номинала постоянного тока или “IEC 60947-2 DC”.
• Предохранители: Ferraz Shawmut, Mersen и Littelfuse предлагают предохранители, рассчитанные на фотоэлектрические системы, с номиналами от 600 В постоянного тока до 1000 В постоянного тока. Используйте предохранители на 15 А для стандартных панелей мощностью 350 Вт (рассчитано как Isc × 1,56 в соответствии с NEC 690.8). Стоимость: $8-15 за предохранитель плюс $25-40 за держатель предохранителя.
• Шины: Медь или алюминий, рассчитанные на температуру не менее 90°C. Многие шины, рассчитанные на переменный ток, работают нормально, но убедитесь, что спецификация материала выдерживает плотность тока постоянного тока (1,5-2,0 А/мм² для меди).

Профессиональный совет №1: Эта маркировка “48 В” на оборудовании переменного тока? Она относится к напряжению вашей батареи, а не к напряжению цепочки панелей. Ваша система батарей 48 В имеет цепочки 93,4 В, для которых требуется надлежащее оборудование постоянного тока, рассчитанное на 600 В постоянного тока.

Требование #2: UL 1741-Корпус, внесенный в список UL, или эквивалентная защита

Металлический корпус сам по себе имеет большее значение, чем вы думаете, при создании самодельной распределительной коробки для солнечных батарей.

Для установки на крыше вам как минимум потребуется Защита от дождя, града, снега с дренажными отверстиями (влагозащищенный) или IP54 (защищенный от пыли и брызг) корпус. Панели NEMA 1 для помещений не подходят. Корпус должен:

Выдерживать температурные циклы: Температура на крыше ежедневно колеблется в пределах 80-100°F. Корпусу нужны прокладки, сохраняющие герметичность, выбивные отверстия, не трескающиеся от расширения/сжатия, и краска, не отслаивающаяся и не загрязняющая электрические соединения.

Обеспечивать надлежащую вентиляцию: Автоматические выключатели постоянного тока выделяют тепло при прохождении тока. Без надлежащей вентиляции внутренняя температура может превышать номинальные значения компонентов, даже если температура окружающей среды приемлема. Ищите корпуса с вентиляцией, рассчитанной как минимум на 30% больше тепловой нагрузки, чем ваш максимальный ток цепи.

Включать надлежащие средства заземления: Вашему корпусу требуются выделенные шины заземления с механическими наконечниками (не пружинными зажимами), рассчитанными как минимум на медный провод #6 AWG. Каждая металлическая поверхность внутри коробки должна быть соединена с землей. Это не является необязательным требованием — NEC 690.43 требует этого.

Проверка реальности стоимости: Надлежащий корпус NEMA 3R, рассчитанный на 5-6 цепей (примерно 12″ × 16″ × 6″), стоит $80-150. Всепогодный корпус для наружной установки с правильными выбивными отверстиями, шинами и крепежными элементами? $120-200. Это 50-60% от общей стоимости вашей самодельной распределительной коробки.

Если вы думаете: “Я просто использую панель переменного тока и добавлю всепогодную крышку”, остановитесь. Эти крышки предназначены для защиты выключателей от дождя во время кратковременного использования, а не для обеспечения непрерывной защиты NEMA 3R для оборудования, которое находится на открытом воздухе 24/7 в течение 25 лет.

Требование #3: Защита от дугового пробоя (соответствие NEC 690.11)

Здесь большинство самодельных распределительных коробок для солнечных батарей не проходят проверку на соответствие требованиям.

NEC 690.11 требует наличия устройств защиты от дугового пробоя (AFCI) для любой фотоэлектрической системы с цепями постоянного тока, работающими при 80 вольт или выше. Ваши цепи 93,4 В? Вы на 17% выше порогового значения. AFCI не подлежит обсуждению.

Что на самом деле делает AFCI: Он отслеживает электрическую сигнатуру тока, протекающего через цепи постоянного тока, и обнаруживает специфический шумовой паттерн дугового пробоя — хаотичный высокочастотный сигнал, который появляется, когда ток перескакивает через зазор. При обнаружении он немедленно прерывает цепь, прежде чем дуга сможет воспламенить находящиеся поблизости материалы.

Помните дугу, которая не хочет умирать? AFCI специально разработан для ее уничтожения.

Ваши два варианта:

Вариант 1 – Инвертор со встроенным AFCI: Большинство современных струнных инверторов (SMA, SolarEdge, Fronius и т. д.) имеют встроенную функцию обнаружения дугового пробоя в соответствии с UL 1741. Если ваш инвертор имеет эту функцию, вам не нужен отдельный AFCI в вашей самодельной распределительной коробке. Убедитесь в этом, проверив спецификацию вашего инвертора на наличие надписи “UL 1741 AFCI compliant” или “NEC 690.11 arc fault protection”.”

Вариант 2 – Автономное устройство AFCI: Если ваш инвертор не включает AFCI, вам нужен внесенный в список UL детектор дугового пробоя, установленный в вашей распределительной коробке или в пределах 6 футов от нее. Они стоят $200-400 и требуют дополнительной проводки. К брендам относятся Sensata, Eaton и Mersen. Этого одного может быть достаточно, чтобы ваша самодельная распределительная коробка стала дороже, чем покупка готовой.

Exception: Если ваша проводка постоянного тока проходит в металлической трубе или кабеле с металлической оболочкой и никогда не выходит из этого металлического кабельного канала между панелями и инвертором, вы можете пропустить AFCI. Но реально? В установках на крыше используется открытый провод PV с разъемами MC4, что означает, что AFCI требуется.

Профессиональный совет №2: Дуги постоянного тока не умирают, когда вы щелкаете выключателем — они продолжают гореть при температуре 35 000°F, пока не будут физически подавлены. AFCI — это то, как вы подавляете их, прежде чем они вызовут пожары.

Требование #4: Надлежащая маркировка и документация (NEC 690.7, 690.15)

Инспекторы кода быстрее поставят красную метку на вашу самодельную установку распределительной коробки для солнечных батарей за отсутствие этикеток, чем за сомнительный выбор компонентов.

Требуемые этикетки на вашей самодельной распределительной коробке:

1. Этикетка максимального напряжения постоянного тока (NEC 690.7):

МАКСИМАЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА: 106 В

Эта этикетка должна быть размещена на внешней стороне распределительной коробки и видна без открытия корпуса.

2. Идентификация распределительной коробки постоянного тока (NEC 690.15):

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ:

3. Идентификация проводника (NEC 690.31):
Каждая входящая цепь должна быть помечена с указанием ее местоположения источника:

• “ЦЕПЬ 1 – МАССИВ СЕВЕР”
• “ЦЕПЬ 2 – МАССИВ СЕВЕР”
• “ЦЕПЬ 3 – МАССИВ ЮГ”
• и т. д.

4. Этикетка проводника заземляющего электрода (если применимо):
Если ваш заземляющий проводник заканчивается в распределительной коробке, пометьте его в соответствии с NEC 690.47.

Используйте этикеточный материал для наружной установки (полиэфирные этикетки 3M или Brady с УФ-стойкими чернилами). Напечатанные бумажные этикетки во всепогодных рукавах не пройдут проверку — они слишком быстро разрушаются.

Необходимая документация:

• Однолинейная схема, показывающая конфигурацию цепи и напряжения
• Паспорта компонентов, подтверждающие номинальные значения постоянного тока
• Расчет, показывающий максимальное напряжение NEC 690.7
• Расчеты тока NEC 690.8

Храните копии внутри распределительной коробки во всепогодном кармане для документов. Инспекторы могут запросить их.

Реальная математика: распределительная коробка за $300 против альтернативы

Давайте поговорим о деньгах. О реальных деньгах.

Ваш список деталей для соответствующей требованиям самодельной распределительной коробки для солнечных батарей:

• Корпус NEMA 3R с креплениями для выключателей: $120
• Пять автоматических выключателей на 15 А, рассчитанных на постоянный ток, по $45 каждый: $225
• Шины и клеммы, рассчитанные на постоянный ток: $60
• Оборудование, этикетки, провод, разъемы: $40
• Итого: $445

Подождите. Готовая распределительная коробка, внесенная в список UL 1741, стоит $320. Ваша “экономия своими руками”? Вы теряете $125 плюс 6-8 часов времени на сборку и проводку.

Но это при условии, что вам не нужен отдельный AFCI. Добавьте это устройство за $300? Теперь у вас $745 против $320 за готовую коробку, которая включает встроенный AFCI.

Математика не работает для большинства проектов самодельных распределительных коробок для солнечных батарей. Если вы не строите для 10+ цепей, где готовые коробки становятся дорогими (более $800), или вам нужна нестандартная конфигурация, недоступная в продаже, самодельные распределительные коробки часто более дороже, чем покупка должным образом сертифицированного оборудования.

Вот математика, которая действительно имеет значение:

Стоимость одного пожара из-за неисправности электрооборудования: от 50 000 до 250 000 долларов США в виде структурных повреждений, в зависимости от того, когда прибудет пожарная служба.

Увеличение страховой премии домовладельца после пожара из-за неисправности электрооборудования: увеличение на 20-40% в течение 3-5 лет = дополнительные расходы в размере 1200-3000 долларов США.

Стоимость отказа в страховой выплате из-за использования оборудования, не прошедшего сертификацию: 100% от суммы ущерба = стоимость пожара.

Стоимость проблем с разрешительной документацией при попытке продать дом: Задержки, повторные проверки, потенциальные затраты на подрядчиков для приведения в соответствие с нормами = 2000-8000 долларов США.

Эта разница в цене в 240 долларов? Это не покупка модной этикетки. Это покупка уверенности в том, что каждый отдельный компонент был подвергнут жестким испытаниям на предмет точных режимов отказа, которые происходят на крышах. Это покупка оборудования, соответствующего требованиям страхования, которое не аннулирует ваш полис. Это покупка одобренного инспектором оборудования, которое не задержит ваше разрешение на три месяца.

Профессиональный совет №3: Настоящее мастерство DIY заключается не в том, чтобы понять, как все построить самостоятельно, а в том, чтобы знать, на каких вещах можно сэкономить, а на каких экономить нельзя. На распределительных коробках экономить нельзя.

Когда DIY Действительно Имеет Смысл

Не принимайте эту статью за “никогда ничего не стройте сами”. В солнечных установках есть много законных возможностей для DIY:

Умные DIY проекты:

• Крепление и монтаж: Вы можете абсолютно точно спроектировать и установить свою собственную систему крепления панелей. Это механически, это проверяемо, и нет Дуги, Которая Не Хочет Гаснуть, пытающейся убить вас, если вы что-то сделаете неправильно.
• Прокладка кабелепроводов: Прокладка кабелепровода EMT или PVC от вашей распределительной коробки к инвертору? Отличный DIY проект. Просто следуйте расчетам заполнения кабелепровода NEC.
• Мониторинг системы: Добавление мониторинга производительности, регистрации данных, даже интеграции IoT для отслеживания вашей системы? Дерзайте. В худшем случае вы потеряете некоторые данные.

Безрассудные DIY проекты:

• Распределительные коробки (как мы уже обсуждали)
• Разъединители постоянного тока между распределительной коробкой и инвертором (те же проблемы: прерывание дуги постоянного тока, номинальные значения напряжения)
• Установка инвертора (сложные электрические соединения, точки интеграции AC/DC)
• Подключения к сервисной панели (требуется лицензированный электрик в большинстве юрисдикций)

В чем закономерность? Если это несет высоковольтный постоянный ток или подключается к вашей основной электрической сети, наймите профессионалов или купите сертифицированное оборудование. Если это структурный, механический или низковольтный мониторинг, делайте DIY.

Суть: Стройте умно, а не просто дешево

Если вы дошли до этого места, вы уже опережаете 90% DIY установщиков солнечных батарей. Вы задаете правильные вопросы.

Вот что вы узнали:

Дуга, Которая Не Хочет Гаснуть: Дуги постоянного тока не самозатухают, как дуги переменного тока. Они горят при температуре 35 000°F, пока не будут физически подавлены. Оборудование переменного тока для этого не предназначено.

Путаница с 48 В: Напряжение вашей батареи не является напряжением вашей цепи. Эта система на 48 В имеет цепи на 93,4 В, которым требуется оборудование, рассчитанное на 600 В постоянного тока, а не перепрофилированные панели переменного тока.

Ловушка номинального напряжения: Номинальные значения напряжения переменного тока не соответствуют постоянному току. Автоматический выключатель на 240 В переменного тока может быть безопасен только для 48 В постоянного тока. Ваши цепи на 93,4 В превышают возможности большинства оборудования переменного тока по постоянному току.

Стоимость соответствия: Создание соответствующей нормам DIY солнечной распределительной коробки стоит 445-745 долларов США. Покупка готовой коробки, сертифицированной по стандарту UL 1741? 320 долларов США. Математика не поддерживает DIY, если вам не нужны пользовательские конфигурации.

Можете ли вы технически построить свою собственную распределительную коробку? Да. С правильными компонентами, надлежащими корпусами, защитой AFCI и правильной маркировкой это возможно.

Стоит ли вам это делать? Вероятно, нет. Экономия затрат испаряется, как только вы оцените компоненты, рассчитанные на постоянный ток, и AFCI. Временные затраты (8-10 часов на первую сборку, 4-6 на последующие) редко оправдывают незначительную экономию. И ответственность, если что-то пойдет не так — отказ в страховой выплате, отказ в разрешении, красная метка инспектора — сводит на нет любую финансовую выгоду.

Настоящий DIY ход? Знайте, когда строить, а когда покупать.

Сохраните свою энергию DIY для крепления, систем мониторинга, прокладки кабелепроводов, тех частей солнечных установок, где ваши усилия действительно умножают ваши деньги, а не просто увеличивают ваш риск.

А эту панель Square D на 60 долларов в вашем гараже? Используйте ее там, где ей место — в цепи переменного тока, где переход через ноль выполняет тяжелую работу, и дуги гаснут сами по себе, как и должны.

Потому что в солнечной фотоэлектрике самая дорогая ошибка — это не та, которая стоит вам 300 долларов авансом. Это та, которая экономит вам 240 долларов сегодня и стоит вам 50 000 долларов через шесть месяцев, когда Дуга, Которая Не Хочет Гаснуть, найдет что-то воспламеняющееся.