Бездоганне виконання заземлення сонячних панелей

Під час монтажу сонячних систем одним із найважливіших, але найчастіше неправильно виконаних завдань є професійне облаштування електричного заземлення. Неправильно або неповно виконана система заземлення може не тільки спричинити серйозні матеріальні збитки, а й становити безпосередню небезпеку нещасного випадку — чи то ураження електричним струмом, пожежу, чи перенапругу внаслідок удару блискавки. У цій статті ми крок за кроком розглянемо, чому настільки важливе правильне виконання заземлення сонячних батарей, як це відбувається як у новобудовах, так і в існуючих системах, та які стандарти й норми визначають рамки виконання робіт. Ми покажемо, як проводити вимірювання опору заземлення, з яких етапів складається правильний процес проектування та які типові помилки — від неправильного вибору проводів до неповного вирівнювання потенціалів — трапляються у більшості систем. Наприкінці статті наведено рекомендації щодо SOLARKIT, які допоможуть перевірити заземлення інвертора, щоб встановлена система у всіх аспектах відповідала чинним нормам.

Чому важливо професійно організувати заземлення сонячної електростанції?

Сонячна система складається не лише з сонячних панелей, інверторів та кабелів. Основу електробезпеки всієї системи становить електричне заземлення — це той елемент, якому в багатьох випадках приділяють найменше уваги, проте саме його відсутність або несправність є причиною більшості нещасних випадків.

У сонячній системі заземлення — це не просто технічна деталь, а основа всієї концепції безпеки. Під час нормальної роботи в ідеальному випадку по ньому не протікає струм — воно стає важливим, коли щось відбувається не за планом: порушення ізоляції, блискавка, перенапруга або коротке замикання. У таких ситуаціях правильно облаштована система заземлення є єдиною гарантією того, що люди та обладнання залишаться захищеними.

Належне заземлення є одним із найважливіших елементів захисту від ураження електричним струмом. Його завдання полягає в тому, щоб у разі несправності небезпечна напруга безпечно відводилася до землі, і в сонячних системах ця роль є особливо важливою. 

Деякі енергопостачальники пов'язують дозвіл на підключення сонячних систем до мережі лише з наявністю протоколу, що підтверджує вимірювання захисту від ураження електричним струмом. Це означає, що неправильне заземлення може мати не тільки безпекові, але й юридичні наслідки: система не отримає дозвіл на підключення до мережі.

Як працює заземлення?

Суть заземлення полягає в тому, що окремі частини електричної системи з'єднуються із землею, тому в разі виникнення несправності — наприклад, порушення ізоляції або короткого замикання — струм безпечно відводиться в ґрунт. Це запобігає підвищенню напруги до небезпечного рівня на обладнанні або арматурі та зменшує ризик ураження електричним струмом.

Вирівнювання потенціалів — це ключовий елемент захисту від дотику, тісно пов'язаний із заземленням. Суть полягає в тому, що всі великі електропровідні елементи — металеві водопровідні та газопровідні труби, системи опалення, будівельні конструкції з металевим каркасом — з'єднуються з головним заземлювальним затискачем. Таким чином забезпечується, щоб між цими металевими об'єктами не могла виникнути небезпечна різниця потенціалів у разі несправності, що дозволяє уникнути ураження електричним струмом при дотику до двох точок.

У сонячних системах до цього додаються особливості сторони постійного струму: сонячні системи на стороні постійного струму завжди слід вважати такими, що знаходяться під напругою (за винятком систем, оснащених оптимізаторами з відключенням постійного струму, розміщеними під панелями), навіть якщо система відключена від сторони змінного струму. Це є основною відмінністю від традиційної побутової мережі та ключовою причиною, чому заземлення сонячних батарей слід облаштовувати з особливою ретельністю.

Облаштування заземлення в сонячній системі

Облаштування заземлення в сонячній системі не полягає у прокладанні одного кабелю — це складне системне завдання, всі елементи якого взаємопов'язані. У сонячній системі є єдина загальна система заземлення: до неї підключаються опорна конструкція, корпус інвертора та захисні провідники сторони постійного струму. Вирівнювання потенціалів гарантує, що в разі блискавки між різними точками системи не виникне небезпечна різниця напруг.

На практиці необхідно узгодити три основні елементи. По-перше, опорну конструкцію: алюмінієві рейки на даху та сталеві кріпильні елементи утворюють суцільну металеву поверхню великої площі, яку необхідно підключити до головної заземлювальної шини. Одну з точок сонячних панелей та опорних конструкцій на даху необхідно з'єднати мідним провідником перерізом не менше 16 мм² з системою заземлення для захисту від блискавки та головним вузлом EPH будівлі. По-друге, інвертор: захисний провід інвертора необхідно підключити безпосередньо до головної заземлювальної шини, з відповідним перерізом, уникаючи ланцюгових рішень. По-третє, сторона постійного струму: належне заземлення пристроїв захисту від перенапруги та попередньо змонтованих AC/DC-коробів також є необхідним для безпечної роботи системи.

Матеріал та розмір заземлюючого зонда — який забезпечує фізичний контакт із ґрунтом — слід підбирати відповідно до місцевих умов. Тип ґрунту, його вологість та структура суттєво впливають на виміряне значення опору, і в багатьох випадках для досягнення належного результату потрібно з'єднати кілька електродів. Важливо, щоб зонд не працював як окремий острів, а став частиною всієї системи, підключившись до головної заземлювальної шини.

Безпечне облаштування та вимірювання додаткового заземлення

У існуючих будівлях, де ви плануєте встановити сонячну систему, облаштування додаткового заземлення вимагає особливої уваги. Під час встановлення нової фотоелектричної системи часто виявляється, що існуюче заземлення не відповідає сучасним вимогам і потребує доповнення або ремонту.

Процес облаштування додаткового заземлення зазвичай складається з таких етапів: електромонтер спочатку оцінює існуючу систему, а потім — залежно від особливостей ґрунту та об’єкта — встановлює заземлення за допомогою зондів або кілець. З огляду на місцеві ґрунтові умови рекомендується використовувати зондові заземлювачі з гарячеоцинкованим покриттям, які слід забивати на глибину не менше 3 метрів, нижче межі промерзання. Далі слід протягнути новий заземлюючий кабель, а потім провести вимірювання та їх документування — опір заземлення вбудованого зонда в кожному випадку необхідно виміряти, і якщо значення є невідповідним, зонд слід заглибити, в екстремальних випадках навіть до глибини 5–7 метрів.

Встановлення додаткового заземлення та підключення до мережі в жодному разі не є завданням для самоучки — це завжди слід доручати кваліфікованому електрику.

Які норми стосуються заземлення?

Електричну безпеку сонячних систем регулюють міжнародні стандарти, які єдино застосовують країни-члени Європейського Союзу та багато інших держав — під префіксами MSZ, DIN, ČSN, SRPS, HRN або іншими національними префіксами. Тому незалежно від місця встановлення слід спиратися на ті самі основні вимоги.

Основною базою для електричної інсталяції сонячних систем є міжнародний стандарт IEC 60364-7-712. Цей документ стосується електричного обладнання фотоелектричних систем, охоплюючи все від фотоелектричних модулів до розподільного щита або точки підключення до мережі, включаючи вимоги до встановлення систем накопичення енергії — наприклад, акумуляторів. Стандарт вимагає, щоб усі металеві частини фотоелектричної системи — рами модулів, опорні конструкції — були підключені до системи захисного провідника (PE), забезпечуючи вирівнювання потенціалів.

У сфері блискавкозахисту визначальною є серія стандартів IEC 62305, яку європейські країни-члени впровадили під позначенням EN IEC 62305. Вона базується на методології, що враховує ризики: з урахуванням розмірів та вмісту конкретного об’єкта, місцевої частоти гроз та можливих збитків слід визначити, чи необхідний захист від блискавки, і якщо так, то на якому рівні захисту. Додаток D до стандарту присвячений саме проектуванню грозозахисту фотоелектричних систем, включаючи правила заземлення рам панелей.

Конструкцію заземлювачів, вбудованих у ґрунт, регулює стандарт IEC 60364-5-54. У фотоелектричних системах рекомендований опір заземлення, як правило, повинен бути нижче 10 Ом, корпуси модулів, опорні конструкції та інші металеві масиви повинні бути з'єднані системою вирівнювання потенціалів, а заземлення системи блискавкозахисту та електричної системи повинні бути з'єднані між собою. Рівень захисту IP також є регульованим критерієм: у випадку зовнішніх коробів, роз'ємів та обладнання вибір відповідного ступеня захисту є основною умовою довгострокової надійності.

Етапи проектування відповідної системи заземлення

Створення заземлення сонячної батареї не може починатися з забивання зонда — це має бути результатом добре побудованого процесу, в якому кожен крок базується на попередньому. Якість проектування безпосередньо визначає, чи буде система дійсно безпечною та стандартною, чи лише на папері відповідатиме вимогам.

1. Оцінка існуючої системи та місця установки. Спочатку потрібно встановити, чи є на будівлі вже існуюча система блискавкозахисту, оскільки від цього залежить спосіб організації вирівнювання потенціалів. Паралельно з цим варто оцінити тип ґрунту: тип ґрунту, його вологість та структура суттєво впливають на виміряне значення опору — у вологому, глинистому ґрунті значно легше досягти належного результату, ніж у сухому, кам’янистому або піщаному ґрунті.

2. Вимірювання питомого опору ґрунту. Перед проектуванням нової системи варто провести це дослідження. Вимірювання питомого опору ґрунту необхідно провести перед проектуванням нової системи заземлення — найпоширенішим методом для цього є метод Веннера, під час якого чотири зонди розміщують у ґрунті на рівній відстані, а з виміряного опору можна обчислити питомий опір ґрунту. Цей показник визначає, скільки зондів потрібно та на яку глибину їх слід забити.

3. Проектування та виконання системи заземлення. Усі металеві частини сонячної системи необхідно з'єднати у вигляді зірки: кожен окремий елемент опорної конструкції потрібно підключити через збірну шину EPH до магістрального кабелю, який проходить аж до заземлювальної зонди, а потім підключається до існуючої системи заземлення будівлі.

4. Створення системи вирівнювання потенціалів. Заземлення сонячної системи працює добре, якщо воно вписується в загальну систему вирівнювання потенціалів будівлі, а не є окремим рішенням — у разі удару блискавки або несправності найбільшу небезпеку становить не поява високої напруги в одній точці, а виникнення великої різниці потенціалів між двома металевими елементами, розташованими близько один до одного.

Вимірювання опору заземлення

Після завершення монтажу обов'язковим кроком є вимірювання опору заземлення, результати якого необхідно задокументувати. Вимірювання опору заземлення вимагає використання спеціальних приладів — найпоширенішими методами є триточковий і чотириточковий, під час яких у ґрунт вставляють зонди, прилад подає між ними напругу і вимірює опір. Для фотоелектричних систем очікуване значення зазвичай має бути нижче 10 Ом, а для великих систем, встановлених на землі, орієнтовним є сумарний опір нижче 1 Ом. Якщо з часом виміряний опір зростає більш ніж на 20–30 відсотків порівняно з початковим значенням, це потрібно перевірити і, за необхідності, зменшити шляхом додавання або заміни додаткових заземлюючих електродів. 

Поширені помилки при облаштуванні заземлення сонячних батарей

Переважна більшість помилок заземлення сонячних систем не є індивідуальними, одноразовими проблемами — ті самі типові помилки, упущення та рішення з метою економії повторюються знову і знову під час монтажу. Нижче ми розглянемо найпоширеніші та водночас найнебезпечніші помилки заземлення. 

Неправильний вибір проводів та з'єднувачів

Система заземлення настільки міцна, наскільки міцним є її найслабше місце з'єднання. Там, де провід особливо піддається впливу погодних умов — особливо поблизу сонячної електростанції, де температура може підніматися навіть до 60–70 градусів Цельсія —, рекомендується використовувати алюмінієвий провід з перерізом не менше 16 мм², оскільки він має більш стійку зовнішню ізоляцію, ніж його мідний аналог. В інших випадках слід використовувати мідний кабель з перерізом не менше 6 мм².

Ще підступнішою помилкою є ситуація, коли механічне прикручування опорної конструкції здається достатнім для забезпечення електричного контакту. Анодований шар алюмінію або пофарбована поверхня легко порушують електричний контакт — це не питання естетики, а вимірюваний електричний параметр. У багатьох випадках може трапитися, що металева рама сонячного панелі не контактує належним чином з опорною конструкцією, що також може спричинити різницю потенціалів — відповідне рішення для цього надають затискні елементи, оснащені штифтами EPH, які під час монтажу встромлюються в металеву раму модуля, створюючи необхідний провідний контакт.

Недостатнє або неправильно виконане вирівнювання потенціалу

Якщо опорну конструкцію не підключити до системи заземлення, вона залишається на плаваючому потенціалі: під час грозового розряду вона може набрати напругу, а в разі несправності — становити ризик ураження електричним струмом. Помилка заземлення є особливо небезпечною, оскільки в нормальному режимі роботи вона абсолютно непомітна — проявляється лише тоді, коли хтось торкається металевої деталі, що перебуває під напругою.

Перенапруговідводи на стороні постійного струму та засоби захисту на стороні змінного струму ефективно працюють лише за умови належного заземлення — автоматичні вимикачі також здатні ефективно спрацьовувати лише тоді, коли система заземлення влаштована за всіма правилами. Отже, недосконале вирівнювання потенціалів не тільки створює безпосередню загрозу життю, але й погіршує ефективність усіх інших засобів захисту.

Ігнорування захисту від блискавки та перенапруги

Часто при монтажі не встановлюють належне заземлення, відключаючі вимикачі та пристрої захисту від перенапруги. Без захисту від дотику можливий збій ізоляції може спричинити ураження струмом будь-кого, хто торкнеться системи. А без захисту від перенапруги блискавка або стрибок напруги в мережі можуть вивести з ладу побутову техніку та елементи сонячної системи.

Захист від перенапруги взагалі не працює без заземлення: якщо імпеданс шляху відведення високий, захист є лише уявним. Крім того, пристрої захисту від перенапруги не є вічними — після серйозної події їх потрібно замінювати, тому стан їх роботи слід регулярно перевіряти.

Рекомендація SOLARKIT: перевірка заземлення інвертора

Інвертор є електронним центром сонячної системи: цей пристрій перетворює постійний струм, що генерується панелями, на змінний струм, який можна подавати в мережу, і одночасно виконує функції захисту від дотику, вимірювання та комунікації. Саме тому перевірка заземлення інвертора є одним з найважливіших і найчастіше пропусканих етапів — як перед введенням в експлуатацію, так і під час періодичних перевірок.

Сонячні системи на стороні постійного струму завжди слід вважати такими, що знаходяться під напругою, навіть якщо система відключена від сторони змінного струму. Тому перевірку захисту від дотику слід проводити окремо на стороні постійного та змінного струму.

Під час перевірки заземлення інвертора варто врахувати наступні аспекти. Спочатку переконайтеся, що захисний провід підключений безпосередньо до головної заземлювальної шини, а не через інше обладнання. По-друге, перевірте момент затягування з'єднань та відсутність корозії на точках з'єднання — окислене або нещільне з'єднання може вийти з ладу саме в момент збою, коли воно буде найбільш необхідним. По-третє, перевірте індикатори стану розрядників перенапруги: розрядники перенапруги не вічні — після серйозної події їх потрібно замінити, тому їх стан слід регулярно перевіряти, інакше наступний розряд може вразити електроніку без захисту.

Обов'язок проведення та документування перевірки передбачений міжнародним стандартом EN IEC 62446-1, який застосовується в Європі та багатьох інших країнах. Цей стандарт визначає документацію, яку слід передати замовнику після встановлення підключеної до мережі фотоелектричної системи, а також випробування при введенні в експлуатацію та критерії перевірки, що підтверджують безпечне встановлення та правильну роботу системи, і може застосовуватися також для періодичних повторних перевірок. Якщо перевірка не проводиться, продуктивність системи може поступово знижуватися, ризик ураження електричним струмом та короткого замикання може зростати, а страхові компанії в деяких випадках можуть відхилити вимоги про відшкодування збитків, якщо система не обслуговувалася належним чином.

Доступні в інтернет-магазині SOLARKIT попередньо налаштовані AC/DC-коробки та пристрої захисту від перенапруги — це готові рішення, які на заводі відповідають стандартним вимогам щодо заземлення та захисту, що значно знижує ризик помилок на місці монтажу та полегшує роботу електрика.

Поширені запитання щодо заземлення сонячних батарей

Чи обов'язкове заземлення сонячної системи, чи достатньо якісної ізоляції?

Ізоляція сонячної системи та заземлення — це два різних і взаємодоповнюючих захисних шари — жоден з них не може замінити інший. З боку постійного струму сонячні системи завжди слід розглядати як системи, що знаходяться під напругою, навіть якщо вони відключені від мережі змінного струму — звідси випливає, що з точки зору захисту від дотику заземлення сонячних батарей є основною вимогою безпеки, а не додатковою опцією. Для систем, що підключаються до мережі, документація щодо захисту від дотику та підтвердження виміряного опору заземлення є умовою отримання дозволу на підключення.

Що означає знак заземлення і де я можу його побачити в системі?

На електричних схемах та електрообладнанні знак заземлення — це символ, що складається з паралельних горизонтальних ліній, які внизу збігаються та поступово коротшають. У сонячних системах цим знаком позначають точки підключення захисного провідника на інверторі, розподільних коробках та точках заземлення опорної конструкції. Головна заземлююча клема є центральним елементом системи заземлення — до неї підключаються всі заземлюючі та захисні з'єднувальні провідники, що забезпечує нульовий потенціал та стабільність електричної системи. Знання символу заземлення допомагає орієнтуватися в документації системи та протоколах перевірок.

Чи потрібно облаштовувати додаткове заземлення, якщо будинок вже має існуюче заземлення?

Не обов'язково, але існуючу систему в будь-якому випадку потрібно оцінити та перевірити вимірюваннями, перш ніж підключати до неї сонячну систему. Під час встановлення нової фотоелектричної системи часто виявляється, що існуюче заземлення не відповідає сучасним вимогам і потребує доповнення або ремонту. Якщо виміряне значення занадто високе, може знадобитися новий заземлюючий зонд або додатковий захист — це особливо характерно для старих будівель з немодернізованою електричною мережею. Встановлення додаткового заземлення в будь-якому випадку є завданням кваліфікованого електрика.

З якою періодичністю слід проводити перевірку заземлення в сонячній електростанції?

Міжнародний стандарт EN IEC 62446-1 визначає, що перед введенням в експлуатацію підключеної до мережі фотоелектричної системи обов'язково потрібно провести повну електричну перевірку та задокументувати результати, і цей самий стандарт застосовується також до періодичних повторних перевірок. Протягом терміну експлуатації системи опір заземлення може час від часу змінюватися під впливом стану ґрунту, корозійних процесів та старіння з'єднань. Якщо під час періодичного вимірювання значення опору заземлення зростає більш ніж на 20–30 відсотків порівняно з початковим значенням, це потрібно перевірити та, за необхідності, виправити шляхом додавання додаткових заземлюючих електродів.

Чи може захист від перенапруги ефективно працювати без належного заземлення сонячних панелей?

Ні. Захист від перенапруги не працює без належного заземлення: якщо імпеданс шляху відведення високий, енергія не виходить через заземлення, а намагається знайти шлях через обладнання. Це означає, що в разі неправильно або неповно сформованої системи заземлення ефективність розрядників перенапруги та всіх інших засобів захисту різко знижується, і енергія, спричинена блискавкою, може потрапити безпосередньо в інвертор або в електронну систему управління панелей. Отже, належне заземлення сонячних панелей є не лише самостійним елементом захисту, а й основною умовою ефективної роботи всіх інших засобів захисту.