Inštalácia uzemnenia solárnych panelov bez chýb

Pri inštalácii solárnych systémov je jednou z najkritickejších, a pritom najčastejšie zanedbávaných úloh odborné vybudovanie elektrického uzemnenia. Nesprávne alebo nedostatočne vybudovaný uzemňovací systém môže nielen spôsobiť vážne majetkové škody, ale predstavuje aj priame nebezpečenstvo úrazu – či už ide o úraz elektrickým prúdom, požiar alebo prepätie spôsobené úderom blesku. V tomto článku si krok za krokom prejdeme, prečo je nevyhnutné správne vybudovanie uzemnenia solárnych panelov, ako to prebieha v prípade novovybudovaných aj existujúcich systémov a aké normy a predpisy stanovujú rámec realizácie. Ukážeme vám, ako sa vykonáva meranie odporu uzemnenia, z akých krokov sa skladá správny proces projektovania a aké sú typické chyby – od nesprávneho výberu vodičov až po nedostatočné vyrovnanie potenciálov –, ktoré sa vyskytujú v väčšine systémov. Na konci článku vám odporúčanie špecifické pre SOLARKIT pomôže pri kontrole uzemnenia meniča, aby inštalovaný systém vo všetkých ohľadoch spĺňal platné predpisy.

Prečo je dôležité odborné vyhotovenie uzemnenia solárneho systému?

Solárny systém sa neskladá len zo solárnych panelov, meničov a káblov. Základom elektrickej bezpečnosti celého systému je elektrické uzemnenie — ide o prvok, ktorému sa pri mnohých inštaláciách venuje najmenej pozornosti, napriek tomu sa väčšina nehôd dá pripísať práve jeho chýbajúcemu alebo nesprávnemu vykonaniu.

V solárnom systéme nie je uzemnenie len technickým detailom, ale základom celého bezpečnostného konceptu. Pri bežnej prevádzke ním v ideálnom prípade nepreteká prúd – dôležitým sa stáva vtedy, keď sa niečo nedeje podľa plánu: porucha izolácie, udalosť v blízkosti blesku, prepätie alebo skrat. V týchto situáciách je správne vybudovaný uzemňovací systém jedinou zárukou, že ľudia a zariadenia zostanú chránené.

Správne uzemnenie je jedným z najdôležitejších prvkov ochrany proti dotyku. Jeho úlohou je v prípade poruchy bezpečne odviesť nebezpečné napätie do zeme, a v prípade solárnych systémov je táto úloha obzvlášť dôležitá. 

Niektorí dodávatelia elektrickej energie podmieňujú povolenie na pripojenie solárnych systémov k sieti existenciou protokolu potvrdzujúceho meranie ochrany proti dotyku. To znamená, že nesprávne uzemnenie môže mať nielen bezpečnostné, ale aj právne dôsledky: systém nemôže získať povolenie na pripojenie k sieti.

Ako funguje uzemnenie?

Podstatou uzemnenia je, že jednotlivé časti elektrického systému sa prepoja so zemou, takže v prípade poruchy – napríklad poruchy izolácie alebo skratu – sa prúd môže bezpečne odviesť do zeme. Tým sa zabráni tomu, aby napätie na zariadeniach alebo armatúrach stúplo na nebezpečnú úroveň, a zníži sa riziko úrazu elektrickým prúdom.

Vyrovnávanie potenciálov je kľúčovým prvkom ochrany proti dotyku, ktorý úzko súvisí s uzemnením. Jeho podstatou je, že všetky rozsiahlejšie elektricky vodivé časti – kovové vodovodné potrubia, plynové potrubia, vykurovacie systémy, kovové konštrukcie budov – sú prepojené s hlavným uzemňovacím svorkovnicou. Tým sa zabezpečí, aby sa medzi týmito kovovými predmetmi nemohol v prípade poruchy vytvoriť nebezpečný rozdiel potenciálov, čím sa zabráni úrazu elektrickým prúdom v dôsledku dotyku medzi týmito dvoma bodmi.

V prípade solárnych systémov sa k tomu pridávajú špecifiká strany jednosmerného prúdu: solárne systémy sa na strane jednosmerného prúdu musia vždy považovať za napäté (s výnimkou systémov vybavených optimalizátorom s odpojením jednosmerného prúdu umiestneným pod panelmi), a to aj vtedy, ak je systém odpojený zo strany striedavého prúdu. Toto je zásadný rozdiel v porovnaní s bežnou domáca sieťou a kľúčový dôvod, prečo je potrebné venovať osobitnú pozornosť uzemneniu solárneho systému.

Vybudovanie uzemnenia v solárnom systéme

Vytvorenie uzemnenia v solárnom systéme nespočíva len v položení jedného kábla — ide o komplexnú úlohu na úrovni systému, ktorej všetky prvky sú vzájomne prepojené. V solárnom systéme existuje jediný spoločný uzemňovací systém: k nemu sú pripojené nosné konštrukcie, skriňa meniča aj ochranné vodiče na strane jednosmerného prúdu. Vyrovnanie potenciálov zabezpečuje, aby sa v prípade udalosti v blízkosti blesku nevytvoril nebezpečný rozdiel napätí medzi rôznymi bodmi systému.

V praxi je potrebné zosúladiť tri hlavné prvky. Najprv nosnú konštrukciu: hliníkové lišty na streche a oceľové upevňovacie prvky tvoria súvislý kovový povrch s veľkou rozlohou, ktorý je potrebné pripojiť k hlavnej uzemňovacej lište. Jeden bod solárnych panelov a nosných konštrukcií na streche je potrebné prepojiť s uzemňovacím systémom ochrany pred bleskom a hlavným uzlom EPH budovy pomocou medeného vodiča s prierezom minimálne 16 mm². Po druhé, menič: ochranný vodič meniča sa musí pripojiť priamo k hlavnej uzemňovacej lište s vhodným prierezom, pričom sa treba vyhnúť reťazovým riešeniam. Po tretie, strana DC: správne uzemnenie prepäťových odvodov a vopred namontovaných AC/DC skríň je tiež nevyhnutné pre bezpečnú prevádzku systému.

Materiál a rozmery uzemňovacej sondy – ktorá vytvára fyzický kontakt s pôdou – je potrebné prispôsobiť podmienkam na mieste. Typ pôdy, jej vlhkosť a štruktúra významne ovplyvňujú nameranú hodnotu odporu a v mnohých prípadoch je potrebné prepojiť viacero elektród, aby sme dosiahli správny výsledok. Je dôležité, aby sonda nefungovala ako samostatný ostrov, ale aby sa pripojila k hlavnej uzemňovacej lište a stala sa súčasťou celého systému.

Bezpečné navrhnutie a vymeranie dodatočného uzemnenia

V existujúcich budovách, kde plánujete inštalovať solárny systém, si vybudovanie dodatočného uzemnenia vyžaduje osobitnú pozornosť. Pri inštalácii nového FV systému sa často ukáže, že existujúce uzemnenie nespĺňa súčasné požiadavky a vyžaduje doplnenie alebo opravu.

Proces vybudovania dodatočného uzemnenia zvyčajne pozostáva z nasledujúcich krokov: elektrikár najprv posúdi existujúci systém a potom – v závislosti od pôdnych podmienok a charakteristiky nehnuteľnosti – nainštaluje sondové alebo prstencové uzemnenie. Na základe miestnych pôdnych podmienok sa odporúča použitie tyčových uzemňovacích sond s žiarovo pozinkovaným povrchom, ktoré sa musia zabiť do hĺbky minimálne 3 metre, pod hranicu mrazu. Nasleduje zavedenie nového uzemňovacieho kábla, potom vykonanie meraní a ich zdokumentovanie — v každom prípade je potrebné zmerať uzemňovací odpor zabudovanej sondy a ak hodnota nie je vyhovujúca, je potrebné sondu zosunúť hlbšie, v extrémnych prípadoch až do hĺbky 5–7 metrov.

Inštalácia dodatočného uzemnenia a jeho pripojenie k sieti v žiadnom prípade nie je úloha pre domáceho majstra – v každom prípade je potrebné zveriť túto úlohu kvalifikovanému elektrikárovi.

Aké predpisy sa vzťahujú na uzemnenie?

Elektrickú bezpečnosť solárnych systémov upravujú medzinárodné normy, ktoré jednotne zavádzajú členské štáty Európskej únie a mnoho ďalších krajín – či už s predponou MSZ, DIN, ČSN, SRPS, HRN alebo inou národnou predponou. Preto sa bez ohľadu na miesto inštalácie treba opierať o tie isté základné požiadavky.

Primárnym referenčným základom pre elektrickú inštaláciu solárnych systémov je medzinárodná norma IEC 60364-7-712. Tento dokument sa vzťahuje na elektrické zariadenia fotovoltaických systémov, od fotovoltaických modulov až po rozvádzač alebo miesto pripojenia k verejnej distribučnej sieti, vrátane požiadaviek na inštaláciu systémov na ukladanie energie, napríklad akumulátorov. Norma vyžaduje, aby všetky kovové časti FV systému – rámy modulov, nosné konštrukcie – boli pripojené k systému ochranného vodiča (PE), čím sa zabezpečí vyrovnanie potenciálov.

V oblasti ochrany pred bleskom je smerodajná séria noriem IEC 62305, ktorú členské štáty EÚ zaviedli pod označením EN IEC 62305. Táto norma je založená na metodike založenej na riziku: s ohľadom na rozmery daného zariadenia, jeho obsah, miestnu hustotu bleskov a možné škody je potrebné určiť, či je ochrana pred bleskom potrebná, a ak áno, na akej úrovni ochrany. Príloha D tejto normy sa výslovne zaoberá projektovaním ochrany pred bleskom pre fotovoltaické systémy, vrátane pravidiel uzemnenia rámov panelov.

Konštrukciu uzemňovačov zapustených do zeme upravuje norma IEC 60364-5-54. Pri FV systémoch musí byť odpor uzemnenia zvyčajne nižší ako 10 ohmov, kryty modulov, nosné konštrukcie a iné kovové hmoty musia byť prepojené systémom vyrovnávania potenciálov a uzemnenia bleskozvodného a elektrického systému musia byť prepojené. Úroveň ochrany IP je tiež regulovaným aspektom: v prípade vonkajších skríň, konektorov a zariadení je výber vhodného stupňa ochrany základnou podmienkou dlhodobej spoľahlivosti.

Kroky pri navrhovaní vhodného uzemňovacieho systému

Vytvorenie uzemnenia solárnych panelov nemôže začať zatlčením sondy – musí byť výsledkom dobre vybudovaného procesu, v ktorom každý krok nadväzuje na predchádzajúci. Kvalita návrhu priamo určuje, či bude systém skutočne bezpečný a normovaný, alebo či splní očakávania len na papieri.

1. Posúdenie existujúceho systému a miesta. Najskôr je potrebné zistiť, či je na budove už existujúci systém ochrany pred bleskom, pretože od toho závisí spôsob vytvorenia vyrovnania potenciálov. Súčasne je vhodné zistiť aj typ pôdy: typ pôdy, jej vlhkosť a štruktúra výrazne ovplyvňujú nameranú hodnotu odporu – vo vlhkej, ílovitej pôde je podstatne ľahšie dosiahnuť požadovaný výsledok ako v suchej, kamenistej alebo piesočnatej pôde.

2. Meranie špecifického odporu pôdy. Pred návrhom nového systému je vhodné vykonať túto skúšku. Meranie špecifického odporu pôdy je potrebné vykonať pred návrhom nového uzemňovacieho systému — najrozšírenejšou metódou je Wennerova metóda, pri ktorej sa do pôdy umiestnia štyri sondy v rovnakých vzdialenostiach a na základe nameranej hodnoty odporu sa vypočíta špecifický odpor pôdy. Tento údaj určuje, koľko sond je potrebných a do akej hĺbky sa musia zapichnúť.

3. Návrh a realizácia uzemňovacieho systému. Všetky kovové časti solárneho systému je potrebné prepojiť do hviezdicového zapojenia: každý samostatný nosný prvok sa musí cez zbernú lištu EPH pripojiť do hlavného vedenia, ktoré vedie až k uzemňovacej sonde a následne sa pripája k existujúcemu uzemňovaciemu systému budovy.

4. Vytvorenie vyrovnávania potenciálu. Uzemnenie solárneho systému funguje správne, ak je začlenené do celkového systému vyrovnávania potenciálov budovy a nie je realizované ako samostatné riešenie – v prípade úderu blesku alebo poruchy nie je najväčším nebezpečenstvom výskyt vysokého napätia v jednom bode, ale vznik veľkého rozdielu potenciálov medzi dvoma kovovými časťami, ktoré sú blízko seba.

Meranie odporu uzemnenia

Po dokončení inštalácie je povinným krokom meranie odporu uzemnenia, ktorého výsledok je potrebné zdokumentovať. Meranie zemniaceho odporu si vyžaduje špeciálne prístroje – najrozšírenejšie metódy sú trojbodová a štvorbodová metóda, pri ktorých sa do zeme umiestnia sondy, prístroj medzi nimi aplikuje napätie a zmeria odpor. Pri fotovoltaických systémoch musí byť požadovaná hodnota zvyčajne nižšia ako 10 ohmov, pri väčších systémoch inštalovaných na zemi je smerodajný výsledný odpor nižší ako 1 ohm. Ak sa nameraný odpor v priebehu času zvýši o viac ako 20 – 30 percent v porovnaní s pôvodnou hodnotou, je potrebné to preveriť a v prípade potreby znížiť pridaním alebo výmenou ďalších uzemňovacích elektród. 

Časté chyby pri realizácii uzemnenia solárnych panelov

Prevažná väčšina chýb uzemnenia solárnych systémov nie je ojedinelým, jednorazovým problémom – pri realizácii sa opakovane vyskytujú tie isté typické chyby, opomenutia a úsporné rozhodnutia. Nižšie si prejdeme najčastejšie a zároveň najnebezpečnejšie chyby uzemnenia. 

Nevhodný výber vodičov a spojovacích prvkov

Uzemňovací systém je len taký silný, ako je jeho najslabší spojovací bod. Tam, kde je vodič mimoriadne vystavený vplyvom počasia – najmä v blízkosti solárneho systému, kde môže teplota stúpať až na 60–70 stupňov Celzia –, odporúča sa použiť hliníkový vodič s prierezom minimálne 16 mm², pretože má odolnejšiu vonkajšiu izoláciu ako jeho medený ekvivalent. V ostatných prípadoch je potrebné inštalovať medený kábel s prierezom minimálne 6 mm².

Ešte zákernejšou chybou je, keď sa mechanické priskrutkovanie nosnej konštrukcie javí ako dostatočné na zabezpečenie elektrického kontaktu. Eloxovaná hliníková vrstva alebo lakovaný povrch ľahko prerušia elektrické spojenie – nejde o estetickú otázku, ale o merateľný elektrický parameter. V mnohých prípadoch sa môže stať, že kovový rám solárneho panelu nie je v správnom kontakte s nosnou konštrukciou, čo môže tiež spôsobiť rozdiel potenciálov – vhodné riešenie na to poskytujú upínacie prvky vybavené hrotmi EPH, ktoré sa počas montáže zapichnú do kovového rámu modulu a vytvoria potrebné vodivé spojenie.

Nedostatočné alebo nesprávne vykonané vyrovnanie potenciálu

Ak nie je nosná konštrukcia pripojená k uzemňovaciemu systému, zostáva na plávajúcom potenciáli: pri udalosti v blízkosti blesku môže nabrať napätie a v prípade poruchy predstavuje riziko úrazu elektrickým prúdom. Chyba uzemnenia je obzvlášť nebezpečná, pretože pri bežnej prevádzke je úplne neviditeľná – prejaví sa až vtedy, keď sa niekto dotkne kovovej časti, ktorá je pod napätím.

Odvodiče prepätia na strane jednosmerného prúdu a ochrany na strane striedavého prúdu fungujú efektívne len pri správnom uzemnení – aj ističe sú schopné efektívne vypnúť len vtedy, ak je uzemňovací systém správne navrhnutý. Nedostatočné vyrovnanie potenciálov teda nespôsobuje len priame ohrozenie života, ale znižuje aj účinnosť všetkých ostatných ochranných prostriedkov.

Zanedbanie ochrany pred bleskom a prepätím

Častým zlyhaním je, že pri inštalácii nie sú zabudované vhodné uzemnenie, odpojovacie spínače a prepäťové odvodníky. Bez ochrany proti dotyku môže prípadná porucha izolácie spôsobiť úraz elektrickým prúdom komukoľvek, kto sa dotkne systému. Bez ochrany proti prepätiu môže blesk alebo prepätie v sieti zničiť zariadenia v dome a komponenty solárneho systému.

Odvádzač prepätia bez uzemnenia vôbec nefunguje: ak je impedancia odvádzacej cesty vysoká, ochrana je len zdanlivá. Navyše odvádzače prepätia nemajú nekonečnú životnosť – po väčšej udalosti je potrebné ich vymeniť, preto je potrebné pravidelne kontrolovať ich stav.

Odporúčanie SOLARKIT: Kontrola uzemnenia meniča

Menič je elektronickým centrom solárneho systému: toto zariadenie mení jednosmerný prúd vyrobený panelmi na striedavý prúd, ktorý je možné vrátiť do siete, a zároveň plní funkcie ochrany proti dotyku, merania a komunikácie. Práve preto je kontrola uzemnenia meniča jedným z najdôležitejších a najčastejšie opomínaných krokov – a to ako pred uvedením do prevádzky, tak aj počas pravidelných prehliadok.

Solárne systémy sa na strane jednosmerného prúdu musia vždy považovať za napäté, aj keď je systém odpojený zo strany striedavého prúdu. Kontrolu ochrany proti dotyku je preto potrebné rozdeliť na dve časti a vykonať ju samostatne na strane jednosmerného a striedavého prúdu.

Pri kontrole uzemnenia meniča je vhodné zohľadniť nasledujúce hľadiská. Najprv sa uistite, že ochranný vodič je pripojený priamo k hlavnej uzemňovacej lište a nie cez iné zariadenie. Po druhé skontrolujte utiahnutie pripojení a bezkorozívnosť spojovacích bodov – oxidované alebo voľné pripojenie môže práve v prípade poruchy zlyhať, keď je to najviac potrebné. Po tretie skontrolujte indikátory stavu prepäťových ochranných zariadení: prepäťové ochranné zariadenia nemajú nekonečnú životnosť – po väčšej udalosti je potrebné ich vymeniť, preto je potrebné pravidelne kontrolovať ich stav, inak môže nasledujúci výboj zasiahnuť elektroniku bez ochrany.

Povinnosť vykonania a zdokumentovania kontroly stanovuje medzinárodná norma EN IEC 62446-1, ktorú uplatňujú v Európe a v mnohých ďalších krajinách. Táto norma stanovuje dokumentáciu, ktorú je potrebné odovzdať zákazníkovi po inštalácii FV systému pripojeného k sieti, ako aj skúšky pri uvedení do prevádzky a kontrolné kritériá, ktoré potvrdzujú bezpečnú inštaláciu a správnu funkciu systému, a je možné ju použiť aj na pravidelné opakované kontroly. Ak sa kontrola nevykoná, výkon systému sa môže postupne znižovať, môže sa zvýšiť riziko úrazu elektrickým prúdom a skratu a poisťovne môžu v niektorých prípadoch zamietnuť nároky na náhradu škody, ak systém nebol riadne udržiavaný.

Predmontované AC/DC skrine a prepäťové ochrany dostupné v internetovom obchode SOLARKIT sú hotové riešenia, ktoré už z výroby spĺňajú štandardné požiadavky na uzemnenie a ochranu, čím výrazne znižujú riziko chýb pri inštalácii na mieste a uľahčujú prácu elektrikárov.

Často kladené otázky týkajúce sa uzemnenia solárnych panelov

Je uzemnenie solárneho systému povinné, alebo stačí kvalitná izolácia?

Izolácia solárneho systému a uzemnenie predstavujú dve odlišné a vzájomne sa dopĺňajúce ochranné vrstvy – žiadna z nich nemôže nahradiť tú druhú. Na strane jednosmerného prúdu solárnych systémov sa zariadenie musí vždy považovať za systém pod napätím, aj keď je odpojené od strany striedavého prúdu – z toho vyplýva, že z hľadiska ochrany proti dotyku je uzemnenie solárnych panelov základnou bezpečnostnou požiadavkou, nie voliteľným doplnkom. Pri systémoch pripojených k sieti je podmienkou povolenia na pripojenie dokumentácia týkajúca sa ochrany proti dotyku a potvrdenie nameranej uzemňovacej rezistancie.

Čo znamená symbol uzemnenia a kde ho v systéme nájdem?

Na elektrických schémach a elektrických zariadeniach je symbol uzemnenia znázornený symbolom pozostávajúcim z paralelne usporiadaných vodorovných čiar smerujúcich nadol, ktoré sa postupne skracujú. V solárnych systémoch sa týmto symbolom označujú pripojovacie body ochranného vodiča na meničoch, rozvodných skrinkách aj na uzemňovacích bodoch nosnej konštrukcie. Hlavná uzemňovacia svorka je centrálnym prvkom uzemňovacieho systému – sem sa pripájajú všetky uzemňovacie vodiče a ochranné spojovacie vodiče, čo zabezpečuje nulový potenciál a stabilitu elektrického systému. Poznanie znaku uzemnenia pomáha zorientovať sa v dokumentácii systému a v revíznych protokoloch.

Je potrebné dodatočné vytvorenie uzemnenia, ak má dom existujúce uzemnenie?

Nie nevyhnutne, ale existujúci systém je v každom prípade potrebné posúdiť a skontrolovať meraniami, skôr ako k nemu pripojíte solárny systém. Pri inštalácii nového FV systému sa často ukáže, že existujúce uzemnenie nespĺňa súčasné požiadavky a vyžaduje doplnenie alebo opravu. Ak je nameraná hodnota príliš vysoká, môže byť potrebná nová uzemňovacia sonda alebo dodatočná ochrana – to platí najmä pre staršie budovy s nevyrenovovanou elektrickou sieťou. Inštalácia dodatočného uzemnenia je v každom prípade úlohou kvalifikovaného elektrikára.

V akých intervaloch je potrebné vykonávať kontrolu uzemnenia v solárnom systéme?

Medzinárodná norma EN IEC 62446-1 stanovuje, že pred uvedením FV systému pripojeného k sieti do prevádzky je povinné vykonať kompletnú elektrickú kontrolu a zdokumentovať výsledky, a tá istá norma sa vzťahuje aj na pravidelné opakované kontroly. Počas životnosti systému sa môže odpor uzemnenia čas od času meniť v dôsledku stavu pôdy, koróznych procesov a starnutia spojovacích prvkov. Ak sa pri pravidelnom meraní hodnota uzemňovacieho odporu zvýši o viac ako 20–30 percent v porovnaní s pôvodnou hodnotou, je potrebné to preveriť a v prípade potreby napraviť pridaním ďalších uzemňovacích elektród.

Môže ochrana proti prepätiu účinne fungovať bez správneho uzemnenia solárnych panelov?

Nie. Ochrana proti prepätiu nefunguje bez správneho uzemnenia: ak je impedancia odvodovej cesty vysoká, energia neodteká cez uzemnenie, ale snaží sa nájsť cestu cez zariadenie. To znamená, že v prípade zle alebo nedostatočne navrhnutého uzemňovacieho systému sa účinnosť prepäťových ochranných zariadení a všetkých ostatných ochranných prostriedkov drasticky zníži a energia spôsobená bleskom môže priamo zasiahnuť menič alebo riadiacu elektroniku panelov. Správne uzemnenie solárnych panelov teda nie je len samostatným ochranným prvkom – je to aj základná podmienka efektívneho fungovania všetkých ostatných ochranných riešení.