Správné zapojení uzemnění solárních panelů

Při instalaci solárních systémů patří odborné provedení elektrického uzemnění k nejkritičtějším, avšak nejčastěji zanedbávaným úkolům. Špatně nebo nedostatečně provedený uzemňovací systém může způsobit nejen vážné materiální škody, ale představuje i bezprostřední nebezpečí úrazu – ať už jde o úraz elektrickým proudem, požár nebo přepětí způsobené úderem blesku. V tomto článku si krok za krokem projdeme, proč je správné provedení uzemnění solárních panelů nezbytné, jak to probíhá u nově budovaných i stávajících systémů a jaké normy a předpisy určují rámec provedení. Ukážeme vám, jak provést měření odporu uzemnění, z jakých kroků se skládá správný proces návrhu a jaké jsou typické chyby – od nesprávného výběru vodičů až po nedostatečné vyrovnání potenciálů –, které se vyskytují u většiny systémů. Na konci článku vám návrh specifický pro SOLARKIT pomůže zkontrolovat uzemnění střídače, aby instalovaný systém ve všech ohledech vyhovoval platným předpisům.

Proč je důležité odborné provedení uzemnění solárního systému?

Solární systém se neskládá pouze ze solárních panelů, střídačů a kabelů. Základem elektrické bezpečnosti celého systému je elektrické uzemnění — jedná se o prvek, kterému se při mnoha instalacích věnuje nejméně pozornosti, přesto je právě jeho absence nebo chyba příčinou většiny nehod.

V solárním systému není uzemnění pouze technickým detailem, ale základem celé bezpečnostní koncepce. Během normálního provozu jím v ideálním případě neproudí proud – stává se důležitým, když se něco děje jinak, než bylo plánováno: porucha izolace, událost v blízkosti blesku, přepětí nebo zkrat. V těchto situacích je správně zkonstruovaný uzemňovací systém jedinou zárukou, že lidé a zařízení zůstanou chráněni.

Správné uzemnění je jedním z nejdůležitějších prvků ochrany proti dotyku. Jeho úkolem je v případě poruchy bezpečně odvádět nebezpečné napětí do země, a u solárních systémů je tato role obzvláště důležitá. 

Někteří dodavatelé elektřiny podmiňují povolení k připojení solárních systémů k síti pouze existencí protokolu potvrzujícího měření ochrany proti dotyku. To znamená, že nesprávné uzemnění může mít nejen bezpečnostní, ale i právní důsledky: systém nemusí získat povolení k připojení k síti.

Jak funguje uzemnění?

Podstatou uzemnění je propojení jednotlivých částí elektrického systému se zemí, takže v případě poruchy – například poruchy izolace nebo zkratu – může být proud bezpečně odveden do země. Tím se zabrání tomu, aby napětí na zařízeních nebo armaturách vzrostlo na nebezpečnou úroveň, a sníží se riziko úrazu elektrickým proudem.

Vyrovnání potenciálů je klíčovým prvkem ochrany proti dotyku, který úzce souvisí s uzemněním. Jeho podstatou je, že všechny rozsáhlejší elektricky vodivé části – kovové vodovodní a plynové potrubí, topné systémy, kovové konstrukce budov – jsou propojeny s hlavním uzemňovacím svorkovnicí. Tím se zajistí, že mezi těmito kovovými předměty nemůže v případě poruchy vzniknout nebezpečný rozdíl potenciálů, čímž se zabrání úrazu elektrickým proudem při dotyku mezi těmito dvěma body.

U solárních systémů je toto vše doplněno specifiky DC strany: solární systémy je třeba na straně stejnosměrného proudu vždy považovat za pod napětím (s výjimkou systémů vybavených DC odpojovačem umístěným pod panely), a to i v případě, že je systém odpojen od strany střídavého proudu. To je zásadní rozdíl oproti tradiční domácí síti a klíčový důvod pro to, aby bylo uzemnění solárního systému navrženo s mimořádnou péčí.

Vybudování uzemnění v solárním systému

Vybudování uzemnění v solárním systému nespočívá pouze v položení jediného kabelu — jedná se o komplexní úkol na úrovni celého systému, jehož všechny prvky spolu souvisejí. V solárním systému existuje jediný společný uzemňovací systém: k němu se připojuje nosná konstrukce, skříň střídače i ochranné vodiče na straně DC. Vyrovnání potenciálů zajišťuje, že v případě bouřky nedojde k vytvoření nebezpečného napěťového rozdílu mezi různými body systému.

V praxi je třeba sladit tři hlavní prvky. Nejprve nosnou konstrukci: hliníkové lišty a ocelové upevňovací prvky na střeše tvoří souvislý kovový povrch s velkou plochou, který je třeba připojit k hlavní uzemňovací liště. Jeden bod solárních panelů a nosných konstrukcí na střeše je nutné propojit měděným vodičem o průřezu nejméně 16 mm² s uzemňovacím systémem ochrany před bleskem a s hlavním uzlem EPH budovy. Za druhé, střídač: ochranný vodič střídače musí být připojen přímo k hlavní uzemňovací liště s odpovídajícím průřezem, přičemž je třeba se vyhnout řetězovým řešením. Za třetí, DC strana: správné uzemnění přepěťových odvodů a předem namontovaných AC/DC skříněk je rovněž nezbytné pro bezpečný provoz systému.

Materiál a rozměry uzemňovací sondy – která zajišťuje fyzické spojení s půdou – je třeba přizpůsobit místním podmínkám. Typ půdy, její vlhkost a struktura významně ovlivňují naměřenou hodnotu odporu a v mnoha případech je nutné propojit více elektrod, aby bylo dosaženo odpovídajícího výsledku. Je důležité, aby sonda nefungovala jako samostatný ostrov, ale aby se připojením k hlavní uzemňovací liště stala součástí celého systému.

Bezpečné provedení a měření dodatečného uzemnění

U stávajících budov, kde plánujete instalaci fotovoltaického systému, vyžaduje vytvoření dodatečného uzemnění zvláštní pozornost. Při instalaci nového fotovoltaického systému se často ukáže, že stávající uzemnění nesplňuje dnešní požadavky a je třeba jej doplnit nebo opravit.

Proces instalace dodatečného uzemnění obvykle sestává z následujících kroků: elektrikář nejprve posoudí stávající systém a poté – v závislosti na půdních podmínkách a specifikách nemovitosti – nainstaluje sondové nebo prstencové uzemnění. Na základě místních půdních podmínek se doporučuje použití žárově pozinkovaných tyčových zemnicích sond, které je třeba zatlouct do hloubky nejméně 3 metry, pod hranici mrazu. Následuje zavedení nového uzemňovacího kabelu, poté provedení a zdokumentování měření – v každém případě je nutné změřit uzemňovací odpor zabudované sondy a pokud hodnota není vyhovující, je nutné sondu zapustit hlouběji, v extrémních případech až do hloubky 5–7 metrů.

Instalace dodatečného uzemnění a jeho připojení k síti není v žádném případě kutilskou záležitostí — tuto práci je třeba vždy svěřit kvalifikovanému elektrikáři.

Jaké předpisy se vztahují na uzemnění?

Elektrickou bezpečnost solárních systémů upravují mezinárodní normy, které jednotně zavádějí členské státy Evropské unie a řada dalších zemí – ať už s předponou MSZ, DIN, ČSN, SRPS, HRN nebo jinou národní předponou. Proto je třeba se bez ohledu na místo instalace opírat o stejné základní požadavky.

Primárním referenčním základem pro elektrickou instalaci fotovoltaických systémů je mezinárodní norma IEC 60364-7-712. Tento dokument se vztahuje na elektrická zařízení fotovoltaických systémů, od fotovoltaických modulů až po rozvodnou skříň nebo místo připojení k veřejné rozvodné síti, včetně požadavků na instalaci systémů pro ukládání energie, jako jsou například akumulátory. Norma vyžaduje, aby všechny kovové části fotovoltaického systému – rámy modulů, nosné konstrukce – byly připojeny k systému ochranného vodiče (PE), čímž se zajistí vyrovnání potenciálů.

V oblasti ochrany před bleskem je rozhodující řada norem IEC 62305, kterou členské státy EU zavedly pod označením EN IEC 62305. Ta je založena na metodice založené na riziku: s ohledem na rozměry daného zařízení, jeho obsah, místní hustotu blesků a možné škody je třeba určit, zda je ochrana před bleskem nutná, a pokud ano, na jaké úrovni ochrany. Příloha D této normy se výslovně zabývá návrhem ochrany před bleskem pro fotovoltaické systémy, včetně pravidel pro uzemnění rámů panelů.

Provedení uzemnění zapuštěného do země upravuje norma IEC 60364-5-54. U fotovoltaických systémů musí být doporučený odpor uzemnění obecně nižší než 10 ohmů, skříně modulů, nosné konstrukce a další kovové hmoty musí být propojeny systémem vyrovnání potenciálů a uzemnění ochrany před bleskem a elektrického systému musí být propojeno. Úroveň ochrany IP je rovněž regulovaným hlediskem: u venkovních skříní, konektorů a zařízení je volba odpovídajícího stupně ochrany základním předpokladem dlouhodobé spolehlivosti.

Kroky při navrhování vhodného uzemňovacího systému

Vytvoření uzemnění solárního systému nemůže začít zatlučením sondy – musí být výsledkem dobře strukturovaného procesu, ve kterém každý krok navazuje na předchozí. Kvalita návrhu přímo určuje, zda bude systém skutečně bezpečný a normovaný, nebo zda splňuje požadavky pouze na papíře.

1. Posouzení stávajícího systému a místa instalace. Nejprve je třeba zjistit, zda je na budově již nainstalován stávající systém ochrany před bleskem, protože na tom závisí způsob provedení vyrovnání potenciálů. Současně s tím je vhodné posoudit také typ půdy: typ půdy, její vlhkost a struktura významně ovlivňují naměřenou hodnotu odporu — ve vlhké, jílovité půdě je podstatně snazší dosáhnout odpovídajícího výsledku než v suché, kamenité nebo písčité půdě.

2. Měření měrného odporu půdy. Před návrhem nového systému je vhodné provést tuto zkoušku. Měření měrného odporu půdy je nutné provést před návrhem nového uzemňovacího systému — nejrozšířenější metodou je Wennerova metoda, při které se do půdy umístí čtyři sondy v rovnoměrných vzdálenostech a z naměřeného odporu lze vypočítat měrný odpor půdy. Tento údaj určuje, kolik sond je potřeba a do jaké hloubky je třeba je zatlouct.

3. Návrh a realizace uzemňovacího systému. Všechny kovové části solárního systému je třeba propojit do hvězdicového uspořádání: každý samostatný nosný prvek musí být připojen přes sběrnici EPH k hřebenovému vedení, které vede až k uzemňovací sondě a poté se připojuje ke stávajícímu uzemňovacímu systému budovy.

4. Vytvoření vyrovnání potenciálů. Uzemnění solárního systému funguje dobře, pokud zapadá do celkového systému vyrovnání potenciálů budovy a nejeví se jako samostatné řešení – v případě blesku nebo poruchy není největším nebezpečím to, že se v jednom bodě objeví vysoké napětí, ale to, že mezi dvěma kovovými částmi, které jsou blízko u sebe, vznikne velký rozdíl potenciálů.

Měření odporu uzemnění

Po dokončení instalace je povinným krokem měření uzemňovacího odporu, jehož výsledek je třeba zdokumentovat. Měření uzemňovacího odporu vyžaduje speciální přístroje – nejrozšířenějšími metodami jsou tříbodová a čtyřbodová metoda, při nichž se do země umístí sondy, přístroj mezi nimi vyvine napětí a změří odpor. U fotovoltaických systémů musí být požadovaná hodnota obvykle nižší než 10 ohmů, u větších systémů instalovaných na zemi je rozhodující výsledný odpor nižší než 1 ohm. Pokud naměřený odpor v průběhu času vzroste o více než 20–30 procent oproti původní hodnotě, je třeba to prověřit a v případě potřeby jej snížit přidáním nebo výměnou dalších uzemňovacích elektrod. 

Časté chyby při navrhování uzemnění solárních panelů

Převážná většina chyb při uzemnění solárních systémů není ojedinělým, jednorázovým problémem – při realizaci se opakovaně vyskytují stejné typické chyby, opomenutí a úsporná rozhodnutí. Níže si projdeme nejčastější a zároveň nejnebezpečnější chyby při uzemnění. 

Nevhodný výběr vodičů a spojovacích prvků

Uzemňovací systém je jen tak silný, jak silný je jeho nejslabší spojovací bod. Tam, kde je vodič zvláště vystaven povětrnostním vlivům – zejména v blízkosti solárního systému, kde může teplota stoupnout až na 60–70 stupňů Celsia –, se doporučuje použít hliníkový vodič s průřezem minimálně 16 mm², protože má odolnější vnější izolaci než jeho měděný protějšek. V ostatních případech je třeba použít měděný kabel o průřezu minimálně 6 mm².

Ještě zákeřnější chybou je, když se zdá, že mechanické přišroubování nosné konstrukce stačí k zajištění elektrického kontaktu. Eloxovaná hliníková vrstva nebo lakovaný povrch snadno přeruší elektrické spojení – nejde o estetickou otázku, ale o měřitelný elektrický parametr. V mnoha případech se může stát, že kovový rám solárního panelu není v dostatečném kontaktu s nosnou konstrukcí, což může rovněž způsobit potenciálový rozdíl – vhodným řešením jsou v tomto případě upínací prvky vybavené hroty EPH, které se při montáži zapíchnou do kovového rámu modulu a vytvoří tak potřebné vodivé spojení.

Chybějící nebo nesprávně provedené vyrovnání potenciálů

Pokud není nosná konstrukce připojena k uzemňovacímu systému, zůstává na plovoucím potenciálu: při události v blízkosti blesku může nabýt napětí a v případě poruchy představuje riziko úrazu elektrickým proudem. Chyba v uzemnění je obzvláště nebezpečná, protože je při normálním provozu zcela neviditelná – projeví se až tehdy, když se někdo dotkne kovové části, která je pod napětím.

Odvodiče přepětí na straně DC a ochrany na straně AC fungují účinně pouze při správném uzemnění – proudové chrániče jsou schopny účinně vypnout pouze tehdy, je-li uzemňovací systém správně zřízen. Nedostatečné vyrovnání potenciálů tedy nejenže představuje přímé ohrožení života, ale také snižuje účinnost všech ostatních ochranných zařízení.

Zanedbání ochrany před bleskem a přepětím

Častým opomenutím je, že při instalaci nejsou zabudovány vhodné uzemnění, odpojovací spínače a svodiče přepětí. Bez ochrany proti dotyku může případná porucha izolace způsobit úraz elektrickým proudem komukoli, kdo se systému dotkne. Bez ochrany proti přepětí může blesk nebo výkyv síťového napětí zničit vybavení domu a součásti solárního systému.

Odvodič přepětí bez uzemnění vůbec nefunguje: pokud je impedance odvodní cesty vysoká, je ochrana pouze zdánlivá. Navíc odvodiče přepětí nemají neomezenou životnost – po větší události je třeba je vyměnit, proto je nutné pravidelně kontrolovat jejich stav.

Doporučení SOLARKIT: Kontrola uzemnění střídače

Střídač je elektronickým srdcem solárního systému: toto zařízení převádí stejnosměrný proud vyrobený panely na střídavý proud, který lze dodávat zpět do sítě, a zároveň zajišťuje funkce ochrany proti dotyku, měření a komunikace. Právě proto je kontrola uzemnění střídače jedním z nejdůležitějších a nejčastěji opomíjených kroků – a to jak před uvedením do provozu, tak při pravidelných revizích.

Solární systémy je třeba na straně stejnosměrného proudu vždy považovat za pod napětím, i když je systém odpojen od strany střídavého proudu. Kontrolu ochrany proti dotyku je proto třeba rozdělit na dvě části a provést ji zvlášť na straně stejnosměrného a střídavého proudu.

Při kontrole uzemnění střídače je vhodné zohlednit následující aspekty. Nejprve se ujistěte, že ochranný vodič je připojen přímo k hlavní uzemňovací liště, a není zapojen přes jiné zařízení. Za druhé zkontrolujte utahovací moment spojů a bezkoroznost spojovacích bodů – zoxidované nebo uvolněné spojení může právě v případě poruchy selhat, když je to nejvíce potřeba. Za třetí zkontrolujte indikátory stavu přepěťových odvodů: přepěťové odvodníky nejsou věčné – po větší události je třeba je vyměnit, proto je nutné pravidelně kontrolovat jejich stav, jinak může další výboj zasáhnout elektroniku bez ochrany.

Povinnost provádět a dokumentovat kontrolu stanoví mezinárodní norma EN IEC 62446-1, kterou uplatňují evropské a řada dalších zemí. Tato norma stanoví dokumentaci, která má být předána zákazníkovi po instalaci fotovoltaického systému připojeného k síti, zkušební testy a kontrolní kritéria, která potvrzují bezpečnou instalaci a správnou funkci systému, a lze ji použít i pro periodické přezkoušení. Pokud se kontrola neprovede, může se výkon systému postupně snižovat, může se zvýšit riziko úrazu elektrickým proudem a zkratu a pojišťovny mohou v některých případech zamítnout nároky na náhradu škody, pokud systém nebyl řádně udržován.

Předem nastavené AC/DC skříně a přepěťové odvodníky dostupné v internetovém obchodě SOLARKIT jsou hotová řešení, která splňují standardní požadavky na uzemnění a ochranu již z výroby, čímž výrazně snižují riziko chyb při instalaci na místě a usnadňují práci elektrikáři.

Často kladené otázky týkající se uzemnění solárních panelů

Je uzemnění solárního systému povinné, nebo stačí kvalitní izolace?

Izolace solárního systému a uzemnění představují dvě odlišné a vzájemně se doplňující ochranné vrstvy – ani jedna z nich nemůže nahradit druhou. Na straně stejnosměrného proudu solárních systémů je třeba zařízení vždy považovat za systém pod napětím, i když je odpojeno od strany střídavého proudu – z toho vyplývá, že z hlediska ochrany proti dotyku je uzemnění solárních panelů základním bezpečnostním požadavkem, nikoli volitelným doplňkem. U systémů připojených k síti je dokumentace týkající se ochrany před dotykem a potvrzení naměřeného uzemňovacího odporu podmínkou pro povolení připojení.

Co znamená symbol uzemnění a kde se s ním v systému setkám?

Na elektrických schématech a elektrických zařízeních je symbol uzemnění znázorněn jako symbol sestávající z paralelních vodorovných čar směřujících dolů, které se postupně zkracují. U solárních systémů se tímto symbolem označují připojovací body ochranného vodiče na střídači, rozvodných skříních i na uzemňovacích bodech nosné konstrukce. Hlavní uzemňovací svorka je ústředním prvkem uzemňovacího systému – k ní se připojují všechny uzemňovací vodiče a ochranné propojovací vodiče a zajišťuje nulový potenciál a stabilitu elektrického systému. Znalost symbolu uzemnění pomáhá orientovat se v dokumentaci systému a v protokolech o přezkoušení.

Je nutné provést dodatečné uzemnění, pokud má dům stávající uzemnění?

Ne nutně, ale stávající systém je v každém případě nutné změřit a zkontrolovat měřeními, než k němu připojíte solární systém. Při instalaci nového fotovoltaického systému se často ukáže, že stávající uzemnění nesplňuje dnešní požadavky a vyžaduje doplnění nebo opravu. Pokud je naměřená hodnota příliš vysoká, může být nutné použít novou uzemňovací sondu nebo doplňkovou ochranu — to platí zejména u starších budov s neopravenou elektrickou sítí. Vytvoření dodatečného uzemnění je v každém případě úkolem kvalifikovaného elektrikáře.

V jakých časových intervalech je třeba provádět kontrolu uzemnění u fotovoltaického systému?

Mezinárodní norma EN IEC 62446-1 stanoví, že před uvedením fotovoltaického systému připojeného k síti do provozu je nutné provést kompletní elektrickou kontrolu a zdokumentovat výsledky, přičemž stejná norma se vztahuje i na pravidelné opakované kontroly. Během životnosti systému se může odpor uzemnění čas od času měnit v důsledku stavu půdy, korozních procesů a stárnutí spojů. Pokud se při periodickém měření hodnota uzemňovacího odporu zvýší o více než 20–30 procent oproti původní hodnotě, je třeba to prověřit a v případě potřeby situaci napravit přidáním dalších uzemňovacích elektrod.

Může ochrana proti přepětí účinně fungovat bez správného uzemnění solárních panelů?

Ne. Ochrana proti přepětí nefunguje bez správného uzemnění: pokud je impedance odvodní cesty vysoká, energie neodtéká přes uzemnění, ale snaží se najít cestu přes zařízení. To znamená, že v případě špatně nebo nedostatečně provedeného uzemňovacího systému se účinnost svodičů přepětí a všech ostatních ochranných zařízení drasticky snižuje a energie způsobená bleskem se může dostat přímo do střídače nebo do řídicí elektroniky panelů. Správné uzemnění solárních panelů tedy není pouze samostatným ochranným prvkem – je také základním předpokladem pro účinné fungování všech ostatních ochranných řešení.