Typy solárnych káblov: PV drôt, USE-2 a AC káble vysvetlené

Definujúci rozdiel medzi typmi solárnych káblov je v tom, či sú určené na priame zakopanie v DC fotovoltaickom poli alebo na AC prepojenie medzi meničom a rozvodnou sieťou. PV drôt (UL 4703) je jediný typ kábla dimenzovaný na priame zakopanie aj nepretržité vystavenie slnečnému žiareniu v DC poli, s hodnotením 90 °C za mokra a 150 °C za sucha, vďaka čomu je povinný pre neuzemnené beztransformátorové invertorové systémy pracujúce pri 1 000 alebo 1 500 voltoch DC. Kábel POUŽITIE-2, aj keď je stále uvedený na priame zakopanie, nemá úplnú odolnosť voči slnečnému žiareniu a vyššiu svetlosť, ktorú vyžadujú moderné vysokonapäťové polia.

Štyri kategórie primárnych solárnych káblov

Fotovoltaický systém obsahuje odlišné elektrické zóny, z ktorých každá sa riadi špecifickým typom kábla a zodpovedajúcim súborom inštalačných požiadaviek podľa článku 690 Národného elektrického kódexu (NEC). Štyri typy káblov, ktoré sa objavujú v správne navrhnutom systéme od poľa po bod prepojenia, sú nasledovné.

PV drôt, uvedený v UL 4703 a predmetnej norme UL 4703, je jednožilový kábel s izolácia zo zosieťovaného polyetylénu (XLPE). a vonkajší plášť odolný voči slnečnému žiareniu. Je hodnotený pre 600 V, 1 000 V alebo 2 000 V v závislosti od hrúbky izolácie, s variantom 2 000 V špecifikovaným pre polia úžitkového rozsahu 1 500 V DC. Izolácia XLPE poskytuje termosetovú stabilitu, čo znamená, že kábel si zachováva svoju dielektrickú pevnosť a mechanické vlastnosti aj po dlhšom vystavení maximálnej prevádzkovej teplote vodiča 90 °C za mokra a 150 °C za sucha. Pocínovaný medený vodič, splietaný podľa ASTM B174 Trieda B alebo C, odoláva korozívnym účinkom vlhkosti, ktorá preniká izoláciou počas desaťročí prevádzky. PV drôt je jediný kábel v solárnom priemysle, ktorý nesie a Hodnotenie plameňa VW-1 a hodnotenie priameho zakopania súčasne spĺňa požiadavky požiarnej bezpečnosti v strešných inštaláciách a požiadavku na podzemné vedenie v zemných jednosmerných zberných systémoch.

Kábel USE-2, vyrobený podľa UL 854 a uznaný článkom 338 NEC, je jednožilový kábel určený pre podzemné servisné vstupy. Používa sa XLPE izolácia chémiou identický s PV drôtom, ale používa hrubší, robustnejší plášť navrhnutý tak, aby odolal mechanickému oderu pri ťahaní cez podzemné vedenie a priamy kontakt so zemou. Jeho menovité napätie je obmedzené na 600 V a jeho maximálna teplota vodiča je 90°C za mokra a 90°C za sucha , kritické obmedzenie v porovnaní s PV drôtom. Absencia suchého hodnotenia 150 °C znamená, že USE-2 nemožno použiť na voľnom vzduchu v rámci strešného poľa, kde teploty zadnej vrstvy modulu bežne dosahujú 75 °C až 85 °C a zvýšenie teploty vodiča pri plnom zaťažení tlačí izoláciu do oblasti tepelného preťaženia.

Kábel TC-ER, vedený ako odkrytý kábel, slúži ako zberný kanál jednosmerného prúdu medzi zlučovacou skrinkou a vstupom meniča alebo medzi viacreťazcovými invertormi v konfigurácii s reťazou. TC-ER je viacvodičová zostava, zvyčajne tri vodiče plus uzemnenie, s vnútornou izoláciou z PVC a vonkajším plášťom z nylonu alebo PVC. Je hodnotený pre 600 V a 90°C suché , a jeho zoznam umožňuje vedenie v káblovom žľabe bez vedenia pre exponovaný úsek. Viacvodičová konštrukcia zjednodušuje kabeláž v porovnaní s ťahaním jednotlivých jednovodičových káblov, ale PVC plášť sa pod ultrafialovým žiarením degraduje, takže TC-ER musí byť pri inštalácii vonku na priamom slnečnom svetle uzavretý.

Stavebný kábel THHN/THWN-2, hoci nejde o vyhradený solárny kábel, sa objavuje na AC strane výstupu meniča až po hlavný servisný panel alebo prepojovací bod siete. Ohodnotené 600 V a 90°C suché, 75°C wet , s nylonovým plášťom na PVC izolácii, je cenovo výhodný, široko dostupný a v súlade s predpismi pre všetky vnútorné AC vedenia za meničom. Jeho odolnosť voči slnečnému žiareniu je nulová a nemá žiadne priame zakopanie, takže jeho použitie je prísne obmedzené na vnútorné obežné dráhy, potrubia a uzavreté panely AC zlučovača.

Porovnávacia tabuľka špecifikácií pre typy solárnych káblov

Výber triedy napätia a prechod 1 500 V

Posun z 1 000 V DC na 1 500 V DC systémových architektúr vo fotovoltaických elektrárňach úžitkového rozsahu znižuje jednosmerný zberný prúd približne o jednu tretinu pri rovnakej priepustnosti výkonu, čím sa znižuje počet zlučovacích boxov, DC napájačov a súvisiacich výkopov o podobný pomer. Vyššie napätie však vyžaduje prísnejšie požiadavky na izoláciu. Pole 1 500 V DC vyžaduje dimenzovaný PV vodič 2 000 V DC , nie 1 000 V DC. Hrúbka izolácie na 2 000 V FV drôte je približne 2,4 mm pre 10 AWG vodičov v porovnaní s 1,14 mm pre 1 000 V variant . Táto zvýšená hrúbka steny znižuje flexibilitu kábla a zvyšuje minimálny polomer ohybu, čo je faktor, ktorý komplikuje vedenie káblov v modulových spojovacích boxoch a krytoch invertorov DC.

Norma IEC 62930, aplikovaná globálne mimo Severnej Ameriky, harmonizuje výkonnostné požiadavky pre 1 500 V PV káble. Stanovuje minimálny izolačný odpor 10 MΩ·km pri 20°C , údaj overený počas výrobného testovania na každej cievke pred odoslaním. Testovanie inštalovaného 1 500 V PV vodiča v teréne pomocou 5 000 V megaohmmetra musí poskytnúť hodnoty izolačného odporu minimálne 4 MΩ na strunu pred pripojením stringu k meniču vstupná brána, ktorá identifikuje poškodenie plášťa pri inštalácii alebo nesprávne zalisované tesnenia konektora MC4.

Zníženie teploty a korekcia ampacity

Tabuľky ampacity v článku 310.15 NEC predpokladajú teplotu okolia 30 °C a nie viac ako tri vodiče s prúdom v obežnej dráhe. Solárny zberný systém DC bežne porušuje oba predpoklady. Na streche vo Phoenixe v Arizone, kde teplota okolitého vzduchu 12 palcov nad povrchom strechy dosahuje počas letného popoludnia 65 °C, je teplotný korekčný faktor pre fotovoltaický drôt s hodnotou 90 °C 0.58 podľa tabuľky NEC 310.15(B)(1)(1). 10 AWG PV vodič s 30°C ampacity 40 ampérov je teda znížený na 23,2 ampérov pri 65 °C. Ak je ten istý drôt zviazaný s tromi ďalšími prúdovými reťazcami v potrubí na vzdialenosť presahujúcu 24 palcov, dodatočný nastavovací faktor je 0.80 platí, ďalšie zníženie prípustnej ampacity na 18,6 ampérov.

Výsledkom je, že vodič 10 AWG, ktorý sa na prvý pohľad javí ako veľkoryso predimenzovaný pre 9-ampérový prúd struny, pracuje pri takmer 50 % svojej zníženej kapacity po korekciách teploty a viazania . Inžinierska prax pre strešné systémy špecifikuje 10 AWG ako minimálnu veľkosť PV vodiča pre prepojenie modulov, pričom 8 AWG sa vyžaduje pre domáce vodiče slúžiace viac ako dvom reťazcom, čo je orientačné pravidlo odvodené z najhorších údajov o teplote na streche, a nie z pevného štandardu.

Izolačná chémia a výhoda XLPE

Izolačný materiál odlišuje solárny kábel od bežného stavebného drôtu viac ako ktorýkoľvek iný atribút. XLPE, zosieťovaný polyetylén používaný v PV drôtoch a USE-2, je termosetový materiál, čo znamená, že polymérne reťazce sú počas procesu vytvrdzovania chemicky zosieťované. Po zosieťovaní sa materiál pri zahrievaní nemôže roztaviť ani tiecť. Drôt PV vystavený teplote vodiča 150 °C si zachováva svoj fyzický tvar a dielektrickú pevnosť, zatiaľ čo vodič THHN izolovaný PVC by pri rovnakej teplote zmäkol, tiekol a vytvoril by vnútorný skrat.

Proces zosieťovania, dosiahnutý vytvrdzovaním vlhkosťou na silánovej báze alebo ožarovaním elektrónovým lúčom, tiež zlepšuje odolnosť izolácie proti prúdeniu za studena pri stlačení. Keď je PV vodič pricviknutý medzi rám modulu a montážnu lištu, izolácia XLPE odolá kompresnej sade, ktorá by časom stenčila izolačnú stenu z PVC. Hrúbka zachovanej steny po 1 000 hodín kompresného zaťaženia pri 90 °C je zvyčajne 85 % až 90 % pôvodnej hrúbky pre XLPE, v porovnaní so 60 % alebo menej pre PVC . Táto vlastnosť je nevyhnutná vo fotovoltaickom poli, kde modulové svorky a svorky drôtu aplikujú lokalizované tlakové body, ktoré pretrvávajú počas 25-ročnej projektovanej životnosti systému.

Kompatibilita konektorov a štandard MC4

Samotný solárny kábel je len vodič; zakončenie konektora je bod zlyhania na úrovni systému. Priemyselným štandardom je konektor MC4, pôvodne vyvinutý spoločnosťou Multi-Contact a teraz vyrábaný na základe licencie viac ako tuctom svetových dodávateľov. MC4 je určený pre 1 500 V jednosmerný prúd a 30 ampérov nepretržitý prúd s 4 mm² alebo 6 mm² (12 AWG až 10 AWG) PV vodičom a pri spojení si zachováva stupeň ochrany IP68, čo znamená, že vydrží nepretržité ponorenie do 1 metra vody.

Kritickým pravidlom spoľahlivosti je homogénnosť konektora: samčie a samičie konektory na jednom reťazci musia byť od rovnakého výrobcu. Spojenie konektora Amphenol H4 s originálnym Staubli MC4, napriek ich fyzickej kompatibilite a zoznamu UL, predstavuje riziko galvanickej korózie na kontaktnom rozhraní, pretože základné kovy a hrúbky pokovovania sa líšia. Výsledný prechodový odpor, meraný štvorvodičovým miliohmmetrom, môže začínať na prijateľnej hodnote 0,5 miliohmov ale môže sa zvýšiť 5 miliohmov alebo viac do troch rokov tepelného cyklovania, kedy ohrev I²R na konektore prekročí teplotu okolitého kábla a urýchli oxidáciu. Poruchy v teréne, ktoré súvisia s nezhodnými konektormi, sú najčastejšou poistnou udalosťou na obytných strešných systémoch.

Požiadavky na vodiče uzemnenia a pripojenia zariadení

Uzemňovací vodič zariadenia (EGC) v solárnom poli slúži ako spätná cesta poruchového prúdu a musí byť dimenzovaný tak, aby preniesol celý skratový prúd poľa bez prekročenia jeho menovitej teploty. Tabuľka NEC 250.122 upravuje dimenzovanie EGC na základe menovitého výkonu nadprúdového ochranného zariadenia, ale pre beztransformátorové meniče, kde je integrovaná detekcia zemnej poruchy jednosmerného prúdu, sa odporúča EGC, ktoré nie je menšie ako najväčší vodič obvodu jednosmerného prúdu, a to aj v prípade, že kód povoľuje menšiu veľkosť. 10 AWG PV vodič použitý ako neuzemnený jednosmerný kladný vodič musí byť sprevádzaný a minimálne 10 AWG EGC , s veľkosťou podľa 690,45 NEC.

Na strane AC je EGC medzi meničom a hlavným servisným panelom typicky vodič THHN/THWN-2 so zelenou izoláciou, dimenzovaný podľa tabuľky 250.122 na základe hodnoty nadprúdovej ochrany AC výstupu meniča. 40-ampérový výstupný istič meniča vyžaduje a minimálne 10 AWG medi EGC . EGC nie je vodič s prúdom v normálnej prevádzke, ale musí byť schopný viesť plný zemný prúd po dobu potrebnú na to, aby nadprúdové zariadenie odstránilo poruchu, pričom táto doba trvá zvyčajne menej ako 0,1 sekundy pre moderné ističe obmedzujúce prúd.

Správa káblov a ochrana pred UV žiarením

Dokonca aj FV drôt odolný voči slnečnému žiareniu vyžaduje fyzickú ochranu pred ostrými hranami, poškodením zverou a koncentrovaným UV žiarením v namáhaných miestach. Káble na poli montovanom na zem sú vedené cez kovový žľab alebo káblový žľab z polyetylénu s vysokou hustotou (HDPE), ktorý je zabezpečený káblovými spojkami z nehrdzavejúcej ocele v intervaloch nepresahujúcich 1,5 metra . Káblové pásky nesmú nadmerne stláčať izoláciu; napätie v spoji presahujúce špecifikácie výrobcu môže izolovať XLPE za studena a znížiť hrúbku steny v bode spoja o 50 % v rámci jedného tepelného cyklu.

Pri strešných inštaláciách musí byť FV kábel podopretý z povrchu strechy káblovými príchytkami alebo kanálmi na vedenie káblov integrovaných v ráme modulu. Priamy kontakt medzi plášťom kábla a asfaltovými šindľami prenáša teplo z povrchu strechy na kábel, čím sa zvyšuje teplota vodiča o odhadovaný 5°C až 10°C nad teplotou okolitého vzduchu , čo je hranica, ktorá môže posunúť teplotu vodiča nad jeho 90°C za mokra v kombinácii s prúdom pri plnom zaťažení a vysokým vyžarovaním spodnej vrstvy modulu. Kábel musí byť vedený aj tak, aby sa zabránilo stojatej vode v nízkych bodoch strechy, kde cykly zmrazovania a rozmrazovania namáhajú plášť opakovaným rozťahovaním a sťahovaním ľadových útvarov.