Pravilna izvedba ozemljitve sončnih celic

Pri namestitvi sončnih elektrarn je ena najbolj kritičnih, a hkrati najpogosteje zanemarjenih nalog pravilna izvedba električnega ozemljitvenega sistema. Slabo ali nepopolno izveden ozemljitveni sistem lahko povzroči ne le resno materialno škodo, temveč predstavlja tudi neposredno nevarnost nesreč – naj gre za električni udar, požar ali prenapetost zaradi udara strele. V tem članku bomo korak za korakom pregledali, zakaj je pravilna izvedba ozemljitve sončnih celic nujna, kako poteka pri novih in obstoječih sistemih ter kakšni standardi in predpisi določajo okvire izvedbe. Pokazali vam bomo, kako izvesti merjenje upora ozemljitve, iz katerih korakov je sestavljen pravilni postopek načrtovanja in katere so tipične napake – od napačne izbire vodnikov do pomanjkljivega izenačenja potencialov –, ki se pojavljajo pri večini sistemov. Na koncu članka vam bo predlog, specifičen za SOLARKIT, pomagal pri pregledu ozemljitve inverterja, da bo nameščen sistem v vseh pogledih ustrezal veljavnim predpisom.

Zakaj je pomembna strokovna izvedba ozemljitve sončnega sistema?

Sončni sistem ne sestavljajo le sončni kolektorji, inverterji in kabli. Osnovo električne varnosti celotnega sistema predstavlja električno ozemljitev – to je element, ki mu pri mnogih namestitvah posvečajo najmanj pozornosti, vendar je prav pomanjkanje ali napaka pri tem elementu vzrok za večino nesreč.

V sončnem sistemu ozemljitev ni le tehnična podrobnost, ampak temelj celotnega varnostnega koncepta. Med normalnim delovanjem po idealnem scenariju po njej ne teče tok – pomembna postane takrat, ko se nekaj ne zgodi po načrtu: napaka v izolaciji, dogodek v bližini strele, prenapetost ali kratki stik. V teh primerih je pravilno izveden ozemljitveni sistem edino jamstvo, da ostanejo ljudje in naprave zaščiteni.

Ustrezno ozemljitev je eden najpomembnejših elementov zaščite pred dotikom. Njena naloga je, da v primeru napake nevarno napetost varno odvede v zemljo, pri sistemih sončnih celic pa je ta vloga še posebej pomembna. 

Nekateri dobavitelji električne energije dovoljenje za priključitev sončnih sistemov na omrežje pogojujejo le z obstojem poročila, ki potrjuje merjenje zaščite pred dotikom. To pomeni, da lahko nepravilno ozemljitev spremljajo ne le varnostne, temveč tudi pravne posledice: sistem ne bo dobil dovoljenja za priključitev na omrežje.

Kako deluje ozemljitev?

Bistvo ozemljitve je, da posamezne dele električnega sistema povežemo z zemljo, tako da se v primeru okvare – na primer napake v izolaciji ali kratkega stika – tok varno odvede v tla. To prepreči, da bi napetost na napravah ali napravah narasla na nevarno raven, in zmanjša tveganje za električni udar.

Izravnava potencialov je ključni element zaščite pred dotikom, ki je tesno povezan z ozemljitvijo. Njen bistveni namen je, da se vse večje električno prevodne površine – kovinske vodovodne cevi, plinovode, ogrevalne sisteme, kovinske konstrukcije stavb – povežejo z glavnim ozemljitvenim sponko. S tem se zagotovi, da se med temi kovinskimi predmeti v primeru napake ne more pojaviti nevarna razlika v potencialu, s čimer se prepreči električni udar zaradi dotika med tema dvema točkama.

Pri sončnih sistemih se temu dodajo še posebnosti strani enosmernega toka: sončne sisteme je treba na strani enosmernega toka vedno obravnavati kot napetostno pod napetostjo (razen v primeru sistemov, opremljenih z optimizatorjem za odklop enosmernega toka, nameščenim pod paneli), tudi če je sistem odklopljen s strani izmeničnega toka. To je bistvena razlika v primerjavi s tradicionalnim gospodinjskim omrežjem in ključni razlog za posebno skrbno izvedbo ozemljitve sončnega kolektorja.

Izgradnja ozemljitve v sončnem sistemu

Izgradnja ozemljitve v sistemu sončnih celic ne obsega le polaganja enega samega kabla – gre za kompleksno nalogo na ravni sistema, pri kateri so vsi elementi medsebojno povezani. V sistemu sončnih celic obstaja en sam skupni ozemljitveni sistem: nanj so priključeni nosilna konstrukcija, ohišje inverterja in zaščitni vodniki na strani enosmernega toka. Izravnava potencialov zagotavlja, da se v primeru udara strele med različnimi točkami sistema ne ustvari nevarna razlika v napetosti.

V praksi je treba uskladiti tri glavne elemente. Najprej nosilno konstrukcijo: aluminijaste letve na strehi in jeklene pritrdilne elemente tvorijo povezano, obsežno kovinsko površino, ki jo je treba povezati z glavno ozemljitveno letvijo. Eno točko sončnih celic in nosilnih konstrukcij na strehi je treba s bakrenim vodnikom s presekom vsaj 16 mm² povezati z ozemljitvenim sistemom za zaščito pred strelo in glavnim vozliščem EPH stavbe. Drugič, inverter: zaščitni vodnik inverterja je treba priključiti neposredno na glavno ozemljitveno letev z ustreznim presekom, pri čemer je treba izogibati se verižnim rešitvam. Tretjič, stran DC: ustrezno ozemljitev odvodnikov prenapetosti in vnaprej vgrajenih AC/DC omaric je prav tako nujna za varno delovanje sistema.

Material in velikost ozemljitvene sonde – ki vzpostavlja fizično povezavo s tlemi – je treba prilagoditi razmeram na kraju samem. Vrsta tal, njihova vsebnost vlage in struktura znatno vplivajo na izmerjeno vrednost upora, zato je v mnogih primerih potrebno povezati več elektrod, da dosežemo ustrezen rezultat. Pomembno je, da sonda ne deluje kot samostojni otok, ampak da se s priključitvijo na glavno ozemljitveno letev vključi v celoten sistem.

Varnostna izvedba in merjenje naknadnega ozemljitvenega sistema

Pri obstoječih stavbah, kjer nameravate namestiti sončno elektrarno, je treba posebno pozornost posvetiti izvedbi naknadnega ozemljitve. Pri namestitvi novega PV-sistema se pogosto izkaže, da obstoječa ozemljitev ne ustreza današnjim zahtevam in jo je treba dopolniti ali popraviti.

Postopek izgradnje naknadnega ozemljitvenega sistema običajno obsega naslednje korake: električar najprej pregleda obstoječi sistem, nato pa – odvisno od talnih razmer in značilnosti nepremičnine – namesti sondno ali obročno ozemljitev. Glede na lokalne talne razmere se priporoča uporaba sond za ozemljitev iz vroče pocinkanega jekla, ki jih je treba zabiti vsaj 3 metre globoko, pod mejo zmrzali. Sledi vgradnja novega ozemljitvenega kabla, nato pa izvedba in dokumentiranje meritev – ozemljitveno upornost vgrajene sonde je treba v vsakem primeru izmeriti, če pa vrednost ni ustrezna, je treba sondo potisniti globlje, v skrajnih primerih celo do globine 5–7 metrov.

Namestitev naknadnega ozemljitvenega sistema in njegovo priključitev na omrežje v nobenem primeru nista nalogi za domače mojstre – to je treba v vsakem primeru zaupati usposobljenemu električarju.

Kateri predpisi veljajo za ozemljitev?

Električno varnost sončnih sistemov urejajo mednarodni standardi, ki jih države članice Evropske unije in številne druge države enotno uvajajo – bodisi z oznako MSZ, DIN, ČSN, SRPS, HRN ali drugo nacionalno oznako. Zato je treba ne glede na kraj namestitve upoštevati enake osnovne zahteve.

Glavna referenčna podlaga za električno inštalacijo sončnih sistemov je mednarodni standard IEC 60364-7-712. Ta dokument se nanaša na električne naprave fotovoltaičnih sistemov, od fotovoltaičnih modulov do razdelilne plošče ali priključne točke na javno omrežje, vključno z zahtevami za namestitev sistemov za shranjevanje energije, na primer akumulatorjev. Standard zahteva, da morajo biti vsi kovinski deli fotovoltaičnega sistema – okvirji modulov, nosilne konstrukcije – priključeni na sistem zazemljitve (PE), kar zagotavlja izenačenje potencialov.

Na področju zaščite pred strelo velja serija standardov IEC 62305, ki so jo evropske države članice uvedle pod oznako EN IEC 62305. Ta temelji na metodologiji, ki upošteva tveganje: ob upoštevanju velikosti in vsebine zadevnega objekta, lokalne gostote strele ter možnih poškodb je treba določiti, ali je zaščita pred strelo potrebna in, če je, na kateri ravni zaščite. Priloga D standarda se izrecno nanaša na načrtovanje zaščite pred strelo za fotovoltaične sisteme, vključno s pravili o ozemljitvi okvirjev panelov.

Obliko ozemljitvenih elementov, vgrajenih v tla, ureja standard IEC 60364-5-54. Pri fotovoltaičnih sistemih mora biti priporočena ozemljitvena upornost običajno manjša od 10 ohmov, ohišja modulov, nosilne konstrukcije in druge kovinske mase je treba povezati s sistemom za izenačevanje potencialov, ozemljitve za zaščito pred strelo in električnega sistema pa je treba med seboj povezati. Tudi stopnja zaščite IP je reguliran vidik: pri zunanjih omaricah, priključkih in napravah je izbira ustrezne stopnje zaščite osnovni pogoj za dolgoročno zanesljivost.

Koraki pri načrtovanju ustreznega ozemljitvenega sistema

Izgradnja ozemljitve sončne elektrarne se ne sme začeti z zabijanjem sond – mora biti rezultat dobro zasnovanega procesa, v katerem vsak korak temelji na prejšnjem. Kakovost načrtovanja neposredno določa, ali bo sistem resnično varen in standarden ali pa bo zahteve izpolnjeval le na papirju.

1. Ocena obstoječega sistema in lokacije. Najprej je treba ugotoviti, ali je na stavbi že nameščen sistem za zaščito pred strelo, saj je od tega odvisen način izvedbe izenačitve potencialov. Hkrati je vredno oceniti tudi vrsto tal: vrsta tal, vsebnost vlage in struktura pomembno vplivajo na izmerjeno vrednost upora – v vlažnih, ilovnatih tleh je bistveno lažje doseči ustrezen rezultat kot v suhih, kamnitih ali peščenih tleh.

2. Merjenje specifične upornosti tal. Pred načrtovanjem novega sistema je vredno opraviti to preizkušnjo. Meritev specifične upornosti tal je treba opraviti pred načrtovanjem novega ozemljitvenega sistema – najpogostejša metoda za to je Wennerjev postopek, pri katerem se v tla v enakih razdaljah vstavijo štiri sonde, iz izmerjene upornosti pa se izračuna specifična upornost tal. Ta podatek določa, koliko sond je potrebnih in v kakšno globino jih je treba zabiti.

3. Načrtovanje in izvedba ozemljitvenega sistema. Vse kovinske dele sončnega sistema je treba povezati v zvezdasti vzorec: vsak posamezen nosilni element je treba prek zbiralne letve EPH priključiti na glavni vodnik, ki poteka vse do ozemljitvene sonde in se nato priključi na obstoječi ozemljitveni sistem stavbe.

4. Izvedba izenačevanja potencialov. Ozemljitev sončnega sistema deluje dobro, če se vklaplja v celoten sistem izenačevanja potencialov stavbe in ne predstavlja ločene rešitve – v primeru udara strele ali napake ni največja nevarnost, da se na eni točki pojavi visoka napetost, ampak da se med dvema kovinskima deloma, ki sta blizu drug drugega, ustvari velika razlika v potencialu.

Merjenje upora ozemljitve

Po zaključku izvedbe je merjenje upora ozemljitve obvezna stopnja, katere rezultat je treba dokumentirati. Merjenje upora ozemljitve zahteva posebne instrumente – najpogostejši postopki sta tripunktni in štiripunktni postopek, pri katerih se sonde vstavijo v tla, instrument med njimi ustvari napetost in izmeri upor. Pri fotovoltaičnih sistemih mora biti pričakovana vrednost običajno pod 10 ohmov, pri večjih sistemih, nameščenih na tleh, pa je merilo končna upornost pod 1 ohmom. Če se izmerjena upornost sčasoma poveča za več kot 20–30 odstotkov v primerjavi z izhodiščno vrednostjo, je treba to preveriti in po potrebi zmanjšati z dodajanjem ali zamenjavo dodatnih ozemljitvenih elektrod. 

Pogoste napake pri izvedbi ozemljitve sončnih celic

Večina napak pri ozemljitvi sončnih sistemov ni posameznih, enkratnih težav – iste tipične napake, opustitve in odločitve zaradi varčevanja se pri izvedbi ponavljajo znova in znova. V nadaljevanju bomo pregledali najpogostejše in hkrati najnevarnejše napake pri ozemljitvi. 

Neustrezna izbira vodnikov in priključkov

Ozemljitveni sistem je le toliko močan, kolikor je močna njegova najšibkejša točka priključitve. Kjer je vodnik izpostavljen vremenskim vplivom – zlasti v bližini sončnega kolektorja, kjer se lahko temperatura dvigne tudi na 60–70 stopinj Celzija –, se priporoča uporaba aluminijastega vodnika s presekom najmanj 16 mm², saj ima bolj trajno zunanjo izolacijo kot njegov bakreni kolega. V drugih primerih je treba namestiti bakreni kabel s prečnim prerezom najmanj 6 mm².

Še bolj zahrbtna napaka je, ko se zdi, da je mehansko privijanje nosilne konstrukcije zadostno za zagotovitev električnega stika. Anodizirana aluminijeva plast ali pobarvana površina lahko zlahka prekine električni stik – to ni estetsko vprašanje, ampak merljiv električni parameter. V mnogih primerih se lahko zgodi, da kovinski okvir sončnega kolektorja ne leži pravilno na nosilni konstrukciji, kar prav tako lahko povzroči potencialno razliko – ustrezno rešitev za to ponujajo pritrdilni elementi z EPH-špičkami, ki se med montažo zabijejo v kovinski okvir modula in tako ustvarijo potrebno prevodno povezavo.

Nepopolno ali slabo izvedeno izenačenje potencialov

Če nosilna konstrukcija ni priključena na ozemljitveni sistem, ostane na lebdečem potencialu: med dogodkom v bližini strele lahko prevzame napetost, v primeru napake pa predstavlja tveganje za dotik. Napaka pri ozemljitvi je še posebej nevarna, ker je med normalnim delovanjem popolnoma nevidna – pokaže se šele takrat, ko se nekdo dotakne kovinskega dela, ki je pod napetostjo.

Odvodniki prenapetosti na strani enosmernega toka in zaščite na strani izmeničnega toka delujejo učinkovito le ob ustreznem ozemljitvi – tudi odklopniki za zaščito pred tokom se lahko učinkovito sprožijo le, če je ozemljitveni sistem pravilno izveden. Pomanjkljivo izenačenje potencialov torej ne povzroča le neposredne nevarnosti za življenje, ampak zmanjšuje tudi učinkovitost vseh drugih zaščitnih naprav.

Zanemarjanje zaščite pred strelo in prenapetostjo

Pogosta napaka je, da se pri namestitvi ne vgradijo ustrezna ozemljitev, odklopniki in odvodniki prenapetosti. Brez zaščite pred dotikom lahko morebitna napaka v izolaciji povzroči električni udar vsakomur, ki se dotakne sistema. Brez zaščite pred prenapetostjo pa lahko strela ali napetostni sunek v omrežju uniči opremo v hiši in elemente sončnega sistema.

Odvodnik prenapetosti brez ozemljitve sploh ne deluje: če je impedanca odvodne poti visoka, je zaščita le navidezna. Poleg tega odvodniki prenapetosti niso večni – po večjem dogodku jih je treba zamenjati, zato je treba redno preverjati njihovo stanje.

Priporočilo SOLARKIT: Preverjanje ozemljitve inverterja

Inverter je elektronsko središče sončnega sistema: ta naprava pretvarja enosmerni tok, ki ga proizvajajo paneli, v izmenični tok, ki se lahko vrača v omrežje, hkrati pa opravlja tudi funkcije zaščite pred dotikom, merjenja in komunikacije. Prav zato je preverjanje ozemljitve inverterja eden najpomembnejših in najpogosteje spregledanih korakov – tako pred zagonom kot tudi med rednimi pregledi.

Sončne elektrarne je treba na strani enosmernega toka vedno obravnavati kot napetostno vodive, tudi če je sistem na strani izmeničnega toka izklopljen. Pregled zaščite pred dotikom je zato treba opraviti v dveh delih, ločeno na strani enosmernega in izmeničnega toka.

Pri pregledu ozemljitve inverterja je treba preveriti naslednje vidike. Najprej se prepričajte, da je zaščitni vodnik priključen neposredno na glavno ozemljitveno letev in ni povezan prek druge naprave. Drugič, preverite navor pri privijanju priključkov in odsotnost korozije na priključnih točkah – oksidiran ali ohlapen priključek lahko ravno v primeru napake odpove, ko bi ga najbolj potrebovali. Tretjič, preglejte indikatorje stanja odvodnikov prenapetosti: odvodniki prenapetosti niso večni – po večjem dogodku jih je treba zamenjati, zato je treba njihovo stanje redno preverjati, sicer lahko naslednji izpust nezaščiteno prizadene elektroniko.

Obveznost izvedbe pregleda in dokumentiranja predpisuje mednarodni standard EN IEC 62446-1, ki ga uporabljajo v Evropi in številnih drugih državah. Ta standard določa dokumentacijo, ki jo je treba po namestitvi omrežnega fotovoltaičnega sistema predati naročniku, ter zagonske preskuse in kontrolne kriterije, ki potrjujejo varno namestitev in pravilno delovanje sistema ter se uporabljajo tudi za redne ponovne preglede. Če pregled ni opravljen, se lahko zmogljivost sistema postopoma zmanjša, nevarnost električnega udara in kratkega stika se lahko poveča, zavarovalnice pa lahko v nekaterih primerih zavrnejo zahtevke za odškodnino, če sistem ni bil ustrezno vzdrževan.

V spletni trgovini SOLARKIT so na voljo vnaprej ozemljene AC/DC omarice in odvodniki prenapetosti, ki so pripravljene rešitve, ki že iz tovarne izpolnjujejo standardne zahteve za ozemljitev in zaščito, s čimer bistveno zmanjšujejo tveganje za napake na terenu in olajšajo delo električarju.

Pogosta vprašanja v zvezi z ozemljitvijo sončnih celic

Ali je ozemljitev sončnega sistema obvezna ali zadostuje kakovostna izolacija?

Izolacija sončnega sistema in ozemljitev predstavljata dve različni in medsebojno dopolnjujoči se zaščitni plasti – nobena od njiju ne more nadomestiti druge. Na strani enosmernega toka sončnih celic je treba napravo vedno obravnavati kot sistem pod napetostjo, tudi če je odklopljena s strani izmeničnega toka – iz tega sledi, da je ozemljitev sončnih celic z vidika zaščite pred dotikom osnovna varnostna zahteva, ne pa neobvezna dopolnitev. Pri sistemih, priključenih na omrežje, sta dokumentacija o zaščiti pred dotikom in potrditev izmerjene ozemljitvene upornosti pogoj za pridobitev dovoljenja za priključitev.

Kaj pomeni simbol ozemljitve in kje ga najdem v sistemu?

Na električnih načrtih in električnih napravah je znak ozemljitve simbol, sestavljen iz navzdol usmerjenih, vse krajših vzporednih vodoravnih črt. Pri sončnih sistemih se s tem znakom označujejo priključne točke zaščitnega vodnika na inverterju, razdelilnih omaricah in ozemljitvenih točkah nosilne konstrukcije. Glavna ozemljitvena sponka je osrednji element ozemljitvenega sistema – nanjo so priključeni vsi ozemljitveni vodniki in zaščitni povezovalni vodniki, kar zagotavlja ničelni potencial in stabilnost električnega sistema. Poznavanje znaka ozemljitve pomaga pri orientaciji v dokumentaciji sistema in preglednih zapisnikih.

Ali je potrebna naknadna ozemljitev, če ima hiša že obstoječo ozemljitev?

Ne nujno, vendar je treba obstoječi sistem vsekakor pregledati in preveriti z meritvami, preden se nanj priključi sončni sistem. Pri namestitvi novega PV-sistema se pogosto izkaže, da obstoječe ozemljitev ne ustreza današnjim zahtevam in jo je treba dopolniti ali popraviti. Če je izmerjena vrednost previsoka, je morda potrebna nova ozemljitvena sonda ali dodatna zaščita – to velja zlasti za starejše stavbe z neobnovljenim električnim omrežjem. Izvedbo naknadne ozemljitve mora v vsakem primeru opraviti usposobljen električar.

V kakšnih časovnih presledkih je treba opraviti pregled ozemljitve pri sončnem sistemu?

Mednarodni standard EN IEC 62446-1 določa, da je pred zagonom omrežnega fotovoltaičnega sistema obvezno opraviti celoten električni pregled in dokumentirati rezultate, isti standard pa se uporablja tudi za redne ponovne preglede. Med življenjsko dobo sistema se lahko upornost ozemljitve občasno spremeni zaradi stanja tal, korozijskih procesov in staranja priključkov. Če se med rednim merjenjem vrednost ozemljitvene upornosti v primerjavi z izhodiščno vrednostjo poveča za več kot 20–30 odstotkov, je treba to preveriti in po potrebi odpraviti z dodajanjem dodatnih ozemljitvenih elektrod.

Ali lahko zaščita pred prenapetostjo deluje učinkovito brez ustreznega ozemljitve sončnih celic?

Ne. Zaščita pred prenapetostjo ne deluje brez ustreznega ozemljitve: če je impedanca odvodne poti visoka, energija ne odteče prek ozemljitve, ampak poskuša najti pot prek naprave. To pomeni, da se v primeru slabo ali nepopolno izvedenega ozemljitvenega sistema učinkovitost odvodnikov prenapetosti in vseh drugih zaščitnih naprav drastično zmanjša, energija strele pa lahko neposredno doseže inverter ali krmilno elektroniko panelov. Ustrezno ozemljitev sončnih celic torej ni le samostojni zaščitni element – je tudi osnovni pogoj za učinkovito delovanje vseh drugih zaščitnih rešitev.