В статье
Самая частая ошибка при защите солнечной станции выглядит безобидно: в поиске набирают «узип для солнечных панелей», открывают карточку маркетплейса, видят надпись «УЗИП постоянного тока 2P» и берут тот, что дешевле. Логика понятна - устройства внешне одинаковые, значит, разница только в цене. На деле цена здесь почти ничего не говорит о защите. Работать или не работать УЗИП будет в зависимости от трёх вещей: напряжения вашей системы постоянного тока, класса устройства и того, в каких точках цепи оно установлено. Промахнётесь хотя бы в одной - и защита либо не отведёт импульс, либо сама станет источником аварии.
Массив панелей на крыше или на открытой площадке - это большая проводящая рамка под открытым небом. Прямой разряд молнии в раму или в опору бывает редко, но даже разряд в сотне метров наводит в контуре постоянного тока импульс перенапряжения на тысячи вольт. Этот импульс идёт по тем же проводам, что и рабочий ток панелей, и приходит прямо на вход инвертора - самого дорогого узла станции. УЗИП постоянного тока (DC) нужен как раз для того, чтобы принять этот импульс на себя и отвести его в землю до того, как он дойдёт до электроники.
Разберём метод подбора по шагам: почему в цепи панелей нужен именно DC-УЗИП, как посчитать его номинал, какой класс выбрать, сколько устройств поставить и где именно. В конце - чек-лист, по которому можно проверить свою станцию или задание монтажнику.
Что вы поймёте из статьи:
- почему УЗИП переменного тока в цепи панелей опасен и чем от него отличается DC-исполнение;
- как подобрать номинал по напряжению системы Ucpv с запасом над Voc массива;
- чем разрядные токи In и Imax отличаются и когда нужен тип 1, а когда тип 2;
- в каких точках станции ставят DC-УЗИП и сколько их нужно на ваши стринги и MPPT-входы;
- почему без заземления рамы и контура ни один УЗИП не работает.
Почему для солнечных панелей нужен именно УЗИП постоянного тока?
Главное: в цепи постоянного тока дуга не гаснет сама, поэтому защитное устройство здесь устроено иначе, чем привычный УЗИП для сети 230 вольт. Поставить в цепь панелей УЗИП переменного тока - значит заложить в станцию риск устойчивой дуги и пожара.
Когда УЗИП срабатывает, его варистор на короткое время замыкает импульс на землю, и через устройство проходит ток. В сети переменного тока этот ток 50 раз в секунду проходит через ноль - в эти моменты дуга внутри устройства естественным образом гаснет, и УЗИП возвращается в исходное состояние. В цепи постоянного тока перехода через ноль нет: ток идёт в одну сторону непрерывно. Если после импульса внутри устройства возникла дуга, гасить её нечему - она может гореть, пока не разрушит корпус. Именно поэтому DC-УЗИП строят со специальной схемой гашения дуги и рассчитывают на постоянное напряжение. Обычный УЗИП переменного тока такой схемы не имеет и для контура панелей не подходит по конструкции. Номинал здесь ни при чём.
Отсюда простое правило: в цепи от панелей до инвертора ставится только УЗИП с явной маркировкой постоянного тока (DC) и с указанным максимальным рабочим напряжением Ucpv. У Хакеля это линейка УЗИП постоянного тока серии К2Р и отраслевые решения этой же серии под фотоэлектрические станции. На стороне переменного тока после инвертора работают уже другие серии - к ним вернёмся ниже.
Логика ступенчатой защиты и обязательного заземления здесь та же, что в слаботочных цепях: мы разбирали её на примере грозозащиты уличных камер в разборе про грозозащиту IP-камер. Отличается только уровень токов и то, что цепь постоянная.
Как подобрать номинал DC-УЗИП по напряжению системы?
Главное: максимальное рабочее напряжение УЗИП Ucpv должно быть выше напряжения холостого хода массива Voc, причём Voc берут пересчитанным на самую низкую температуру в вашем регионе - на морозе это напряжение растёт.
Панель выдаёт наибольшее напряжение на холостом ходу и на холоде. В паспорте модуля Voc указано для 25 градусов Цельсия. При понижении температуры напряжение растёт примерно на 0,3-0,4 процента на каждый градус ниже этой отметки. Для средней полосы России расчётный минимум легко доходит до минус 25-30 градусов, и реальное напряжение стринга зимним утром оказывается на 15-20 процентов выше паспортного. Если подобрать УЗИП впритык к паспортному Voc, зимой рабочее напряжение системы превысит Ucpv устройства, варистор пойдёт в постоянный нагрев и деградирует за один сезон.
Поэтому порядок расчёта такой. Сначала считают напряжение холостого хода всего стринга: Voc одной панели умножают на число последовательно соединённых модулей. Затем вводят температурную поправку на минимальную расчётную температуру. И уже над этим значением берут Ucpv устройства с запасом. Для распространённых домашних станций это выводит на два типовых класса напряжения DC-УЗИП - до 600 вольт и до 1000 вольт постоянного тока. Это отраслевые ориентиры; они не заменяют характеристику конкретной модели, и свой Ucpv нужно сверять с паспортом выбранного устройства серии К2Р.
| Параметр | Как выбрать | Ориентир |
|---|---|---|
| Максимальное рабочее напряжение Ucpv | Выше Voc стринга с поправкой на минимальную температуру | Класс до 600 или до 1000 вольт DC под напряжение массива |
| Номинальный разрядный ток In (импульс 8/20 мкс) | Рабочая величина, которую УЗИП отводит многократно без износа | Порядка 5-20 кА для типа 2 |
| Максимальный разрядный ток Imax (импульс 8/20 мкс) | Однократный предел, который устройство выдержит и останется целым | До 40 кА для типа 2 |
| Уровень защиты Up | Остаточное напряжение на выходе; должно быть ниже стойкости инвертора | Сверяют с паспортом инвертора по входу DC |
Разрядные токи задают по стандарту ГОСТ Р МЭК 61643-11 (аналог IEC 61643-11). Величины In и Imax относятся к импульсу формы 8/20 микросекунд - это модель наведённого разряда; для прямого удара молнии форма импульса другая. Число In показывает, сколько устройство отводит в штатном режиме без потери ресурса, Imax - предел на один тяжёлый удар. Для домашней станции без внешней молниезащиты этих величин типа 2 обычно достаточно.
Какой тип УЗИП выбрать - тип 1 или тип 2?
Главное: тип 2 - базовый выбор для большинства частных станций, где нет отдельного молниеотвода. Тип 1 нужен, когда объект стоит на открытой местности или имеет внешнюю молниезащиту и прямой разряд может прийти по проводнику.
Классы УЗИП различают по форме испытательного импульса. Тип 2 испытывают импульсом 8/20 микросекунд - это защита от наведённых импульсов и коммутационных перенапряжений, то есть от того, что чаще всего и приходит в цепь панелей от близких, но не прямых разрядов. Тип 1 испытывают импульсом 10/350 микросекунд - это длинная волна прямого разряда молнии, у которой в десятки раз больше переносимого заряда. Устройство типа 1 характеризуют импульсным током Iimp; разрядный ток 8/20 для него служебный показатель.
Признак, по которому выбирают класс, простой. Есть ли на объекте внешняя система молниезащиты (молниеприёмник, токоотводы) или стоит ли станция открыто в поле, на возвышении, отдельно от построек - тогда есть путь для прямого тока молнии, и на вводе ставят тип 1, а за ним, ближе к инвертору, тип 2. Если панели на крыше жилого дома в застройке и отдельного молниеотвода нет - базовой защитой служит тип 2. На стороне переменного тома, где к дому подходит воздушная линия, разумно предусмотреть и разрядник класса I, например СГ100 из линейки Хакеля.
По той же логике ступеней подбирают защиту и для слаботочных линий связи - как в разборе про УЗИП для витой пары в разборе про грозозащиту витой пары: там тоже сначала грубая ступень на вводе, затем тонкая у оборудования.
Где ставить DC-УЗИП в солнечной станции?
Главное: DC-УЗИП ставят у панелей и на входе инвертора. Если кабель от массива до инвертора длиннее 10 метров, защиту делают в двух точках - у панелей и в щите перед инвертором. Каждый независимый стринг и каждый MPPT-вход инвертора защищается отдельно.
Длинный кабель постоянного тока сам работает как антенна: чем он длиннее, тем больший импульс в нём наводится и тем выше остаточное напряжение доходит до инвертора даже при защите только у панелей. Принятая инженерная практика по ГОСТ Р МЭК 61643-11 - при длине трассы свыше 10 метров ставить УЗИП в двух точках. Первое устройство у самого массива принимает импульс на входе в кабель, второе в щите перед инвертором подчищает то, что навелось на длине трассы. Если трасса короче 10 метров, достаточно одного комплекта у инвертора.
Количество устройств считают по архитектуре станции. У инвертора есть один или несколько MPPT-входов, к каждому подключён свой стринг или группа стрингов. Защита ставится на каждый вход, потому что импульс, пришедший по одному стрингу, не должен через общую точку уходить в соседний. На практике это означает: два MPPT-входа - два комплекта DC-УЗИП, и так далее. Экономия на одном общем устройстве для всех входов оставляет часть цепей без защиты.
После инвертора начинается сторона переменного тока, и там нужен отдельный AC-УЗИП - в щите дома, вместе с автоматами. DC-устройство сюда не подходит по тем же причинам, по которым AC-устройство не подходит на сторону панелей: у них разные рабочие напряжения и разная схема гашения. На стороне переменного тока у Хакеля работают серии КМ2 и КВ2-400, а на вводе от воздушной линии - разрядник класса I СГ100. Полный перечень готовых разборов по защите разных линий собран в остальных разборах на витрине.
Почему без заземления DC-УЗИП бесполезен?
Главное: УЗИП не поглощает импульс, он отводит его в землю. Без заземления рамы массива и без исправного контура заземления отводить ток некуда, и устройство просто не работает, сколько бы за него ни заплатили.
Задача УЗИП - создать на время импульса путь наименьшего сопротивления в землю, минуя защищаемое оборудование. Этот путь существует только тогда, когда у станции есть контур заземления с нормируемым сопротивлением, а клемма заземления устройства соединена с ним коротким проводником достаточного сечения. Металлические рамы всех модулей и несущие конструкции массива тоже должны быть подключены к этому контуру: тогда прямой или близкий разряд в раму уходит в землю по назначенному пути и не пробивается через инвертор и проводку дома.
Здесь важна не сумма в чеке, а качество соединений: длина заземляющего проводника от УЗИП до шины должна быть минимальной, все контакты - надёжными и защищёнными от коррозии. Длинный тонкий провод на землю добавляет индуктивность, остаточное напряжение растёт, и даже правильно подобранный УЗИП пропустит на инвертор больше, чем должен. Заземление и молниезащита у Хакеля идут одной линейкой с УЗИП именно поэтому - это части одной системы. Покупать их вразнобой смысла нет.
Чек-лист подбора и монтажа DC-УЗИП
Пройдите по пунктам перед покупкой и перед сдачей монтажа:
- Посчитайте Voc стринга: Voc панели умножьте на число последовательных модулей.
- Внесите температурную поправку на минимальную расчётную температуру региона (Voc растёт на морозе).
- Выберите Ucpv устройства выше полученного значения - обычно класс до 600 или до 1000 вольт DC.
- Проверьте разрядные токи In и Imax (импульс 8/20 мкс) по паспорту и сверьте уровень защиты Up со стойкостью входа инвертора.
- Определите класс: тип 2 для крышной станции без молниеотвода, тип 1 плюс тип 2 при внешней молниезащите или открытой площадке.
- Поставьте DC-УЗИП на каждый MPPT-вход и каждый независимый стринг отдельно.
- При длине трассы от панелей до инвертора больше 10 метров сделайте защиту в двух точках - у массива и в щите перед инвертором.
- Предусмотрите отдельный AC-УЗИП в щите дома (серии КМ2, КВ2-400), а при вводе от воздушной линии - разрядник класса I СГ100.
- Заземлите рамы всех модулей и клеммы УЗИП на общий контур заземления коротким проводником достаточного сечения.
- Проверьте сопротивление контура заземления и качество всех соединений перед вводом станции в работу.
Если по любому из пунктов остаются вопросы по конкретному устройству серии К2Р под ваше напряжение системы - сверяйтесь с паспортом изделия и техническими специалистами Хакеля до монтажа, ещё до первой грозы.
