Typy solárních kabelů: PV drát, USE-2 a AC kabely vysvětleny

Určujícím rozdílem mezi typy solárních kabelů je, zda jsou určeny pro přímé uložení do stejnosměrného fotovoltaického pole nebo pro AC propojení mezi střídačem a rozvodnou sítí. PV drát (UL 4703) je jediný typ kabelu určený jak pro přímé zakopání, tak pro trvalé vystavení slunečnímu záření v DC poli, s hodnocením 90 °C za mokra a 150 °C za sucha, takže je povinný pro neuzemněné beztransformátorové invertorové systémy pracující při 1 000 nebo 1 500 voltech DC. Kabel POUŽITÍ-2, i když je stále uveden pro přímé zakopání, postrádá plnou odolnost proti slunečnímu záření a vyšší světlou výšku, kterou vyžadují moderní vysokonapěťová pole.

Čtyři kategorie primárních solárních kabelů

Fotovoltaický systém obsahuje odlišné elektrické zóny, z nichž každá se řídí specifickým typem kabelu a odpovídající sadou instalačních požadavků podle National Electrical Code (NEC) článek 690. Čtyři typy kabelů, které se objevují ve správně navrženém systému od pole k bodu propojení, jsou následující.

PV drát, uvedený v UL 4703 a předmětné normě UL 4703, je jednožilový kabel s izolace ze zesíťovaného polyetylenu (XLPE). a vnější plášť odolný proti slunečnímu záření. Je hodnocen pro 600 V, 1 000 V nebo 2 000 V v závislosti na tloušťce izolace, s variantou 2 000 V specifikovanou pro pole 1 500 V stejnosměrného napětí. Izolace XLPE poskytuje termosetovou stabilitu, což znamená, že si kabel zachovává svou dielektrickou pevnost a mechanické vlastnosti i po dlouhodobém vystavení maximální provozní teplotě vodiče 90 °C za mokra a 150 °C za sucha. Pocínovaný měděný vodič, splétaný podle ASTM B174 Třída B nebo C, odolává korozivním účinkům vlhkosti, která prostupuje izolací po desetiletí provozu. PV drát je jediný kabel v solárním průmyslu, který nese a Třída plamene VW-1 a klasifikace přímého pohřbu současně, splňující jak požadavek na požární bezpečnost ve střešních instalacích, tak požadavek na podzemní vedení v zemních DC sběrných systémech.

Kabel USE-2, vyrobený podle UL 854 a uznaný článkem 338 NEC, je jednovodičový kabel určený pro podzemní servisní vstupy. Používá XLPE izolace chemicky identický s PV drátem, ale používá silnější, robustnější plášť navržený tak, aby odolal mechanickému oděru při protahování podzemním vedením a přímému kontaktu se zemí. Jeho jmenovité napětí je omezeno na 600 V a jeho maximální teplota vodiče je 90°C za mokra a 90°C za sucha , kritické omezení ve srovnání s PV drátem. Absence suchého hodnocení 150 °C znamená, že USE-2 nelze použít ve volném vzduchu v poli na střeše, kde teploty zadní vrstvy modulu běžně dosahují 75 °C až 85 °C a nárůst teploty vodiče při plném zatížení tlačí izolaci do oblasti tepelného přetížení.

Kabel TC-ER, jmenovitá délka žlábkového kabelu, slouží jako sběrný kanál stejnosměrného proudu mezi slučovacím boxem a vstupem střídače nebo mezi více stringovými invertory v řetězové konfiguraci. TC-ER je vícevodičová sestava, obvykle tři vodiče plus zem, s vnitřní izolací z PVC a vnějším pláštěm z nylonu nebo PVC. Je hodnocen pro 600 V a 90°C za sucha a jeho výpis umožňuje vedení v kabelovém žlabu bez vedení pro exponovaný úsek. Vícevodičová konstrukce zjednodušuje kabeláž ve srovnání s taháním jednotlivých jednovodičových kabelů, ale PVC plášť degraduje pod ultrafialovým zářením, takže TC-ER musí být při instalaci venku na přímém slunci uzavřen.

Stavební vodič THHN/THWN-2, i když nejde o vyhrazený solární kabel, se objevuje na AC straně výstupu střídače až k hlavnímu servisnímu panelu nebo k propojovacímu bodu veřejné sítě. Hodnoceno 600 V a 90°C za sucha, 75°C wet , s nylonovým pláštěm přes PVC izolaci, je nákladově efektivní, široce dostupný a v souladu s předpisy pro všechny vnitřní AC vedení za měničem. Jeho odolnost proti slunečnímu záření je nulová a nemá žádný přímý záznam, takže jeho použití je přísně omezeno na vnitřní kanály, potrubí a uzavřené panely AC slučovače.

Srovnávací tabulka specifikací pro typy solárních kabelů

Volba napěťové třídy a přechod 1 500 V

Posun od 1 000 V DC na 1 500 V DC systémových architektur ve fotovoltaických elektrárnách v užitkovém měřítku snižuje stejnosměrný sběrný proud přibližně o jednu třetinu při stejné propustnosti výkonu, čímž se o podobný poměr snižuje počet slučovacích boxů, stejnosměrných napáječů a souvisejících výkopů. Vyšší napětí však vyžaduje přísnější požadavky na izolaci. Pole 1 500 V DC vyžaduje dimenzovaný PV kabel 2 000 V DC , ne 1 000 V DC. Tloušťka izolace na 2 000 V FV drátu je přibližně 2,4 mm pro 10 AWG vodičů ve srovnání s 1,14 mm pro 1 000 V variantu . Tato zvýšená tloušťka stěny snižuje flexibilitu kabelu a zvyšuje minimální poloměr ohybu, což je faktor, který komplikuje správu vodičů v modulových spojovacích krabicích a skříních stejnosměrných měničů.

Norma IEC 62930, platná globálně mimo Severní Ameriku, harmonizuje požadavky na výkon pro 1 500 V FV kabely. Specifikuje minimální izolační odpor 10 MΩ·km při 20°C , údaj ověřený během továrního výrobního testování na každé cívce před odesláním. Terénní testování instalovaného 1 500 V PV vodiče pomocí 5 000 V megaohmmetru musí poskytnout hodnoty izolačního odporu ne menší než 4 MΩ na strunu před připojením stringu ke střídači bránu pro uvedení do provozu, která identifikuje poškození pláště při instalaci nebo nesprávně zalisované těsnění konektoru MC4.

Snížení teploty a korekce ampacity

Tabulky zatížitelnosti v článku 310.15 NEC předpokládají okolní teplotu 30 °C a ne více než tři vodiče s proudem v oběžné dráze. Solární stejnosměrný sběrný systém běžně porušuje oba předpoklady. Na střeše ve Phoenixu v Arizoně, kde teplota okolního vzduchu 12 palců nad povrchem střechy dosahuje v letním odpoledni 65 °C, je teplotní korekční faktor pro 90 °C dimenzovaný PV drát 0.58 podle tabulky NEC 310.15(B)(1)(1). FV drát 10 AWG s ampacitou 30 °C 40 ampérů je tak snížen na 23,2 ampér při 65 °C. Je-li tentýž drát svázán se třemi dalšími proudovými strunami v potrubí na vzdálenost přesahující 24 palců, je třeba dodatečný nastavovací faktor 0.80 platí, což dále snižuje povolenou proudovou kapacitu na 18,6 A.

Výsledkem je, že vodič 10 AWG, který se na první pohled jeví jako velkoryse předimenzovaný pro 9ampérový proud stringu, pracuje při téměř 50 % své snížené kapacity po úpravách teploty a svazků . Technická praxe pro střešní systémy specifikuje 10 AWG jako minimální velikost fotovoltaického vodiče pro propojení modulů, přičemž 8 AWG je vyžadováno pro domácí vodiče obsluhující více než dva řetězce, což je orientační pravidlo odvozené z nejhorších údajů o teplotě střechy spíše než z pevného standardu.

Izolační chemie a výhoda XLPE

Izolační materiál odlišuje solární kabel od univerzálního stavebního drátu více než jakýkoli jiný atribut. XLPE, zesíťovaný polyethylen používaný v PV drátech a USE-2, je termosetový materiál, což znamená, že polymerní řetězce jsou chemicky zesíťovány během procesu vytvrzování. Jakmile je materiál zesíťován, nemůže se při zahřívání roztavit ani téci. Drát PV vystavený teplotě vodiče 150 °C si zachovává svůj fyzický tvar a dielektrickou pevnost, zatímco drát THHN izolovaný PVC při stejné teplotě změkne, teče a vytvoří vnitřní zkrat.

Proces zesíťování, dosažený vytvrzováním vlhkostí na silanové bázi nebo ozařováním elektronovým paprskem, také zlepšuje odolnost izolace vůči proudění za studena při stlačení. Když je PV vodič sevřen mezi rámem modulu a montážní lištou, izolace XLPE odolává kompresní sadě, která by časem ztenčila stěnu izolace z PVC. Tloušťka zadržené stěny po 1 000 hodin tlakového zatížení při 90 °C je typicky 85 % až 90 % původní tloušťky u XLPE, ve srovnání s 60 % nebo méně u PVC . Tato vlastnost je zásadní ve fotovoltaickém poli, kde modulové svorky a drátové spony aplikují lokalizované tlakové body, které přetrvávají po dobu 25 let projektované životnosti systému.

Kompatibilita konektorů a standard MC4

Samotný solární kabel je pouze vodič; ukončení konektoru je bodem selhání na úrovni systému. Průmyslovým standardem je konektor MC4, původně vyvinutý společností Multi-Contact a nyní vyráběný v licenci více než tuctem světových dodavatelů. MC4 je určen pro 1 500 V DC a 30 A trvalý proud s 4 mm² nebo 6 mm² (12 AWG až 10 AWG) PV drátem a při spojení si zachovává stupeň krytí IP68, což znamená, že vydrží nepřetržité ponoření do 1 metru vody.

Kritickým pravidlem pro spolehlivost je homogenita konektoru: konektory samec a samice na jednom řetězci musí být od stejného výrobce. Spojení konektoru Amphenol H4 s originálním Staubli MC4, navzdory jejich fyzické kompatibilitě a seznamu UL, představuje riziko galvanické koroze na kontaktním rozhraní, protože základní kovy a tloušťky pokovení se liší. Výsledný přechodový odpor, měřený čtyřvodičovým miliohmmetrem, může začínat na přijatelné hodnotě 0,5 miliohmů ale může se zvednout 5 miliohmů nebo více do tří let tepelného cyklování, kdy ohřev I²R na konektoru překročí okolní teplotu kabelu a urychlí oxidaci. Selhání v terénu způsobená nesprávnými konektory jsou nejběžnější pojistnou událostí na obytných střešních systémech.

Požadavky na vodiče uzemnění a pospojování zařízení

Zemnící vodič zařízení (EGC) v solárním poli slouží jako zpětná cesta poruchového proudu a musí být dimenzován tak, aby přenesl plný zkratový proud pole, aniž by překročil jeho jmenovitou teplotu. Tabulka NEC 250.122 upravuje dimenzování EGC na základě jmenovitého výkonu nadproudového ochranného zařízení, ale pro beztransformátorové měniče, kde je integrována detekce zemního stejnosměrného proudu, je doporučeno EGC ne menší než největší vodič stejnosměrného obvodu podle osvědčených technických postupů, i když je menší velikost povolena zákonem. 10 AWG PV vodič použitý jako neuzemněný stejnosměrný kladný vodič musí být doprovázen a minimálně 10 AWG EGC , velikosti podle 690,45 NEC.

Na straně AC je EGC mezi měničem a hlavním servisním panelem typicky vodič THHN/THWN-2 se zelenou izolací, dimenzovaný podle tabulky 250.122 na základě jmenovité nadproudové ochrany výstupu AC měniče. Výstupní jistič 40 A měniče vyžaduje a minimálně 10 AWG měděné EGC . EGC není za normálního provozu vodič s proudem, ale musí být schopen vést plný zemní proud po dobu potřebnou k tomu, aby nadproudové zařízení odstranilo poruchu, což je doba typicky kratší než 0,1 sekundy u moderních jističů omezujících proud.

Vedení kabelů a ochrana před UV zářením

Dokonce i fotovoltaický drát odolný proti slunečnímu záření vyžaduje fyzickou ochranu proti ostrým hranám, poškození zvěří a koncentrované degradaci UV záření v namáhaných místech. Kabely na poli pro montáž na zem jsou vedeny přes kovový kabelový žlab nebo kabelový žlab z vysokohustotního polyetylenu (HDPE), zajištěný kabelovými sponami z nerezové oceli v intervalech nepřesahujících 1,5 metru . Kabelové stahovací pásky nesmí příliš stlačit izolaci; tahové napětí přesahující specifikaci výrobce může vést izolaci XLPE za studena a snížit tloušťku stěny v místě spojení o 50 % během jediného tepelného cyklu.

Ve střešních instalacích musí být FV kabel podepřen z povrchu střechy kabelovými sponami nebo kanálky pro vedení kabelů integrovaných v rámu modulu. Přímý kontakt mezi pláštěm kabelu a asfaltovým šindelem přenáší teplo z povrchu střechy na kabel, čímž se zvyšuje teplota vodiče o odhad. 5°C až 10°C nad teplotou okolního vzduchu , což je rezerva, která může posunout teplotu vodiče nad jeho 90°C za mokra v kombinaci s proudem při plném zatížení a vysokým zářením zadní vrstvy modulu. Kabel musí být také veden, aby se zabránilo stojaté vodě v nízkých bodech střechy, kde cykly zmrazování a tání namáhají plášť opakovaným roztahováním a smršťováním ledových útvarů.