Overspanningsbeveiliging Bliksembeveiliging en overspanningsbeveiliging voor Sunny Boy en Sunny Tripower Inhoud Bij PV-installaties bevindt de PV-generator zich in de buitenlucht, vaak op gebouwen. Afhankelijk van de omstandigheden worden ook de omvormers in de buitenlucht geïnstalleerd. Daarom moet reeds bij de planning van de PV-installatie worden gecontroleerd of maatregelen moeten worden genomen tegen blikseminslag en overspanning. Om verschillende redenen kunnen deze maatregelen vereist zijn. Behalve door nationale technische normen en bouwtechnische voorschriften kan een overspanningsbeveiliging ook door de verzekeraar van de installatie worden geëist. Welke maatregelen voor de betreffende PV-installatie nodig zijn, moet door een vakman worden bepaald. In dit document wordt overspanningsbeveiliging in het algemeen en in samenhang met omvormers toegelicht. Bovendien wordt beschreven wat specifiek bij de combinatie van overspanningsbeveiliging en SMA omvormers van belang is. Op bliksembeveiliging wordt in dit document ingegaan voor zover dit m.b.t. het onderwerp overspanningsbeveiliging relevant is. U_Schutz-TI-nl-13 Versie 1.3 1/9
Bliksembeveiliging / overspanningsbeveiliging 1 Bliksembeveiliging / overspanningsbeveiliging Een bliksembeveiliging moet schade door blikseminslag in gebouwen voorkomen. Daarbij wordt onderscheid gemaakt tussen externe en interne bliksembeveiliging. De externe bliksembeveiliging moet de bliksem opvangen en naar aarde afleiden. Op deze manier worden gebouwen en installaties beschermd tegen de gevolgen van een direct inslaande bliksem. De externe bliksembeveiliging bestaat uit bliksemopvangers, afleiders en de bijbehorende aardingsinstallatie. Afb. 1: externe bliksembeveiliging (links) en interne bliksembeveiliging (rechts). Legenda: A: externe bliksembeveiliging (met aansluiting op funderingsaarding); B: funderingsaarding, C: rail voor potentiaalvereffening, D: aansluiting openbaar stroomnet, E: telefoonaansluiting, F: waterleiding De interne bliksembeveiliging zorgt voor een potentiaalvereffening tussen metalen onderdelen en leidingen binnen de installatie. Metalen en geleidende elementen, zoals waterleidingen, worden daartoe rechtstreeks met elkaar verbonden. Spanningvoerende leidingen zoals de aansluiting op het openbare stroomnet of telefoonleidingen worden indirect via een apparaat voor overspanningsbeveiliging aangesloten op de aardingsinstallatie. De overspanningsbeveiliging dient ter voorkoming van schade aan elektrische en elektronische apparaten door te hoge spanningen. Apparaten voor overspanningsbeveiliging (Engels "Surge Protection Device", afkorting SPD) zorgen bij belasting voor een potentiaalvereffening tussen de aangesloten leidingen. Daardoor wordt voorkomen dat spanningspieken de aangesloten apparaten beschadigen. SMA Solar Technology AG 2/9
Redenen voor bliksem- en overspanningsbeveiliging 2 Redenen voor bliksem- en overspanningsbeveiliging Bliksem- en overspanningsbeveiliging kan om verschillende redenen vereist zijn. Voor bepaalde soorten gebouwen of installaties, zoals ziekenhuizen, zijn deze systemen verplicht. Vaak laten eigenaars van gebouwen een bliksembeveiliging installeren om te voldoen aan de verzekeringsvoorwaarden of om de te beschermen objecten überhaupt te kunnen verzekeren. In dat geval wordt de beveiliging uitgevoerd overeenkomstig de eisen van de betreffende verzekeraar. Onafhankelijk daarvan is het aan te raden om een risicoanalyse uit te voeren. Afhankelijk van de kans op inslag binnen de bedrijfstijd van de installatie en de daaruit voortvloeiende schade zijn de kosten voor een bliksem- en overspanningsbeveiliging meestal lager dan de te verwachten schade. Bij PV-installaties die op bestaande gebouwen worden geplaatst, moet rekening worden gehouden met de richtlijnen voor deze gebouwen. Als reeds een bliksembeveiliging voorhanden is, moeten ook voor de PV-installatie passende maatregelen worden genomen. 3 Typen SPD 1 Apparaten voor overspanningsbeveiliging (SPD) zijn in drie klassen onderverdeeld. Grofbeveiliging (SPD type I): SPD's van het type I hebben de grootste stootstroombelastbaarheid, omdat ze zijn geconstrueerd voor de belasting door een direct inslaande bliksem. Ze worden gebruikt waar bliksemstroom of bliksemdeelstroom niet alleen kan afvloeien via de externe bliksembeveiliging, maar ook via elektrische leidingen. Houd daar rekening mee als de te beschermen installatie rechtstreeks is verbonden met de externe bliksembeveiliging of bijvoorbeeld de scheidingsafstand tussen de DCleidingen en de externe bliksembeveiliging te klein is. De grootte van de bliksemdeelstromen resulteert uit de stroomverdeling over het aantal afleiders van de bliksembeveiliging en het aantal leidingen. Aan de hand van deze stroomwaarde en de klasse van de bliksembeveiliging kan het apparaat voor overspanningsbeveiliging worden gekozen. Terwijl de kosten voor een SPD type I voor wisselstroom verhoudingsgewijs laag zijn, kunnen de kosten voor bliksembestendige DCoverspanningsbeveiligingsapparatuur al snel zo hoog oplopen dat een PV-installatie niet meer rendabel is. Vaak is de aanpassing van de bliksembeveiliging door een vergroting van de scheidingsafstand de meest economische oplossing. 1. conform EN 61643-11 / IEC 61643-1 SMA Solar Technology AG 3/9
Typen SPD Gemiddelde beveiliging (SPD type II): deze overspanningsbeveiligingsapparaten hebben een geringere stootstroombelastbaarheid en beschermen tegen indirecte blikseminslagen. Bij blikseminslag in de nabije omgeving, bijv. in de externe bliksembeveiliging, ontstaan elektromagnetische velden die gevaarlijk hoge spanningen in stroomkringen kunnen inkoppelen. De piekwaarden van de uit overspanning resulterende stroom zijn echter veel lager dan de stroom van de bliksem zelf. Ook de duur van de impulsen en daarmee de ingekoppelde energie is lager. Ter bescherming tegen dit soort overspanningen wordt een SPD type II gebruikt. Fijnbeveiliging (SPD type III): SPD's van het type III hebben de laagste stootstroombelastbaarheid. Ze beschermen gevoelige elektronische apparatuur tegen inkoppeling door een blikseminslag op grotere afstand. SMA omvormers zijn dusdanig geconfigureerd dat een SPD van het type III niet nodig is. Gewoonlijk is bij een SPD de restspanning, het zogenaamde beschermingsniveau, bij het te beschermen apparaat hoger naarmate de stootstroombelastbaarheid van de SPD hoger is. Zo is bijvoorbeeld bij een SPD van het type I het beschermingsniveau meestal hoger dan de spanningsvastheid van het te beschermen apparaat. In dit geval moet een SPD van het type II en eventueel een SPD type III in serie worden geschakeld om het beschermingsniveau tot een voor het te beschermen apparaat aanvaardbare waarde te beperken. Afb. 2: Beschermingspieken van een SPD met verschillende stootstroombelastbaarheid Als u een SMA omvormer wilt beschermen tegen ingekoppelde overspanning, is een SPD van het type II voldoende. Als bliksemdeelstromen verwacht kunnen worden, moet u een SPD van het type I met een in serie geschakelde SPD type II gebruiken. SMA Solar Technology AG 4/9
Combinatie van SPD met omvormers 4 Combinatie van SPD met omvormers Bij omvormers met een MPP-tracker worden de PV-strings vóór de omvormer samengevoegd en een SPD of meerdere SPD's op het knooppunt aangesloten. Bij omvormers met meerdere MPP-trackers moet voor elke ingang een SPD of een SPD-combinatie worden gebruikt. Dit is bijvoorbeeld van toepassing op alle Sunny Boy- en Sunny Tripower-omvormers met multistringingang. Dit geldt ook voor omvormers die maar één MPP-tracker, maar meerdere ingangen met een eigen stringdiode of zekering hebben, zoals omvormers uit de STP XX000TLEE-serie. Hier moet per ingang die via een stringdiode is beveiligd, een SPD worden gebruikt. Afb. 3: een PV-string aan een omvormer met een MPP-tracker (A), meerdere PV-strings aan een omvormer met een MPP-tracker (B), meerdere PV-strings aan een multistring-omvormer met meerdere MPP-trackers (C) Als aan de gelijkstroomzijde SPD's worden gebruikt, zijn vanwege de potentiaalverschillen ook aan de wisselstroomzijde SPD's nodig. In tegenstelling tot de gelijkstroomzijde kunnen echter aan de wisselstroomzijde meerdere omvormers met één SPD worden beschermd, omdat ze op dezelfde (net-)spanning zijn aangesloten. Een integratie van SPD's aan de wisselstroomzijde is bij SMA omvormers niet voorzien, omdat vaak meerdere omvormers parallel worden gemonteerd. De afzonderlijke installatie van een enkele overspanningsbeveiliging voor alle omvormers is dan duidelijk economischer. SMA Solar Technology AG 5/9
Combinatie van SPD met omvormers Als er een draadgebonden communicatie aanwezig is (bijv. RS485, ethernet), moeten ook deze aansluitingen met overspanningsbeveiligingsapparaten worden beschermd, omdat anders door potentiaalverschillen schade kan ontstaan aan de interfaces in de omvormer, de omvormer zelf en aan het aangesloten communicatieapparaat. Afb. 4: aansluiting aan wisselstroomzijde van meerdere omvormers op een driefasig overspanningsbeveiligingsapparaat Bij gebruik van stringzekeringen en een SPD moet de SPD achter de zekeringen op het knooppunt van alle PV-strings worden geïnstalleerd (zie afb. 5 A). Als de SPD aan slechts één PV-string tussen string-ingang en stringzekering wordt aangesloten, zijn de andere PV-strings niet beschermd als de zekering eruit slaat (zie afb. 5 B). Afb 5: meerdere PV-strings met stringzekeringen en een gemeenschappelijke SPD op het knooppunt (A), meerdere PV-strings met stringzekeringen en SPD op een PV-string met uitgeslagen zekering (B) SMA Solar Technology AG 6/9
Combinatie van SPD met omvormers Daarnaast wordt het beschermingsniveau bij de omvormer verhoogd als de overspanning op een van de andere PV-strings optreedt. Door de inductiviteit van de leiding vindt er in geval van belasting een verdere spanningsval plaats. Bij een ongunstige rangschikking wordt het beschermingsniveau bij de omvormer hoger (zie afb. 6). Afb. 6: achter de stringzekeringen geschakelde SPD (A) en SPD bij een string-ingang waarvan de stringzekering is vervangen door een koperen schroef (B) SMA Solar Technology AG 7/9
Sunny Tripower met geïntegreerde SPD 5 Sunny Tripower met geïntegreerde SPD Bij sommige SMA omvormers 1 van de productfamilie Sunny Tripower is het bovengenoemde probleem opgelost d.m.v. een integreerbare overspanningsbeveiliging. SPD's kunnen echter aan de binnenkant van omvormers problemen veroorzaken. Ten eerste kan schade ontstaan door wisselwerking met de EMC-filter. Daarnaast kunnen bij een belasting door de hoge stroom in het overspanningsbeveiligingsapparaat extra spanningen op schakelingen aan de binnenkant van de omvormer worden ingekoppeld. Bij de ontwikkeling van de Sunny Tripower-omvormers is hiermee vanaf het begin rekening gehouden. Er zijn maatregelen getroffen om deze problemen tegen te gaan. De EMC-filter en de SPD zijn op elkaar afgestemd en de overspanningsbeveiligingsapparaten zijn in een apart afgeschermd gedeelte gemonteerd, zodat geen spanningen in de schakelkringen van de omvormer worden ingekoppeld. De overspanningsbeveiligingsapparaten kunnen achteraf worden gemonteerd door ze in de standaard aanwezige sokkel te steken. In de Sunny Tripower kan de gemiddelde beveiliging snel en voordelig worden uitgebreid dankzij de integreerbare SPD van het type II. Door ruimtegebrek is inbouw van een SPD type I niet mogelijk. Bovendien is het uit kostenoogpunt aan te raden, de PV-installatie zo te plannen dat er geen SPD van het type I nodig is. Afb. 7: voorbeeld van de installatielocatie van de SPD bij de apparaatserie STP XX000TL-10 Afhankelijk van de omstandigheden op de betreffende locatie, kan het beter zijn de SPD op een andere plek te monteren (bijv. bij de toegang tot het gebouw, als een concept aan de hand van bliksembeveiligingszones moet worden aangehouden). De integreerbare oplossing maakt de montage van SPD's in een aparte behuizing in de directe omgeving van de omvormer overbodig. Of deze positie met het oog op de bescherming van de PV-installatie optimaal is, moet aan de hand van de plaatselijke omstandigheden door een vakman worden bepaald. 1. STP 8000TL-10, STP 10000TL-10, STP 12000TL-10, STP 15000TL-10, STP 17000TL-10, STP 20000TL-30, STP 25000TL-30 SMA Solar Technology AG 8/9
Aanvullende informatie 6 Aanvullende informatie Meer informatie over bliksem- en overspanningsbeveiliging kunt u vinden in de volgende publicaties: DIN EN 62305-3 / VDE 0185-305-3 Bliksembeveiliging deel 3: beveiliging van installaties en personen (2006) DIN EN 62305-3 / VDE 0185-305-3 Bliksembeveiliging deel 3: beveiliging van installaties en personen - aanvullingsblad 5: Bliksem- en overspanningsbeveiliging voor PV-stroomvoorzieningssystemen (2009) Bundesverband Solarwirtschaft, Zentralverband der Deutschen Elektro- und Informationstechnischen Handwerke (2008): Typeblad voor PV-installateurs - bliksem- en overspanningsbeveiliging van PV-installaties op gebouwen. (te downloaden in de info-sectie op www.zveh.de) Beer, Michael (2009): Blitzschutzfibel für Solaranlagen - Ratgeber für Solarinstallateure und Blitzschützer, 4. völlig überarb. u. erw. Auflage, Wagner & Co Cölbe/Marburg. (www.wagner-solar.com) Dehn + Söhne (2007): Blitzplaner, 2. aktualisierte Auflage, Dehn + Söhne GmbH + Co. KG. Neumarkt i.d.opf. (te downloaden van www.dehn.de) VdS 2010 - Risikoorientierter Blitz- und Überspannungsschutz, Richtlinie des Gesamtverbandes der Deutschen Versicherungswirtschaft e.v. (te downloaden van http://www.vds.de/verlag/files/ vds_2010_web.pdf) Technische informatie van de fabrikanten van apparatuur voor overspanningsbeveiliging SMA Solar Technology AG 9/9