Optimizarea gestionării cablurilor pentru asigurarea siguranței și eficienței sistemelor fotovoltaice la scară utilitară

Sistemele fotovoltaice (PV) la scară utilitară generează în mod obișnuit mai mulți megawați (MW) de energie electrică și contribuie în mod esențial la energia verde și la durabilitate. Pentru a produce un singur MW, sunt necesare aproximativ 2.900 de panouri solare, care ocupă mai multe hectare de teren, unul sau mai multe invertoare și controlere, plus echipamente de conectare la rețea. Conectarea tuturor acestor elemente la un sistem fotovoltaic poate necesita kilometri de cabluri de alimentare și de monitorizare și zeci de mii de componente de gestionare a cablurilor. Dacă nu sunt implementate corespunzător, cablarea și componentele de gestionare a cablurilor pot deveni, la propriu, veriga slabă, reducând eficiența, limitând disponibilitatea, sporind riscurile de siguranță și crescând costurile de instalare și operare.

Proiectarea unor instalații sigure și eficiente de gestionare a cablurilor reprezintă o sarcină complexă. Include cleme pentru cabluri pentru protecția împotriva scurtcircuitelor în cablurile de alimentare, testere de absență a tensiunii pentru protejarea personalului care efectuează lucrări de întreținere la instalație, coliere pentru cabluri cu prindere pe margine pentru conexiuni fiabile de semnalizare și monitorizare și conectori cu urechi de compresie pentru alimentare și împământare. În plus, aceste componente trebuie să îndeplinească diverse standarde internaționale. De exemplu, clemele pentru cabluri trebuie să respecte cerințele standardului IEC 61914: 2015 pentru a se asigura faptul că pot rezista în eventualitatea unei defecțiuni la circuitul de împământare, a absenței testerelor de tensiune, care trebuie să funcționeze conform cerințelor National Fire Protection Association (NFPA), ale standardelor de siguranță UL și CSA, precum și cerințelor generale pentru componentele solare, care trebuie să reziste condițiilor exterioare definite în IEC 61215 privind instalațiile fotovoltaice.

Acest articol oferă o incursiune în elementele unei instalații fotovoltaice la scară utilitară, concentrându-se în special pe numărul mare de componente necesare pentru gestionarea cablurilor, detaliază unele dintre standardele internaționale de siguranță aferente și analizează cerințele pentru funcționarea în medii dificile și pentru o instalare rentabilă. Pe parcursul discuției, sunt evidențiate produse exemplificative de la Panduit.

Importanța din ce în ce mai mare a ES

În cadrul instalațiilor fotovoltaice, echilibrul sistemului (ES) include toate componentele, exceptând panourile fotovoltaice. De exemplu, rack-urile de montare, cablurile, gestionarea acestora, invertoarele și alte dispozitive de sistem, precum și costurile de manoperă și software-ul necesar. Pe măsură ce tehnologia panourilor fotovoltaice s-a îmbunătățit, prețurile panourilor au scăzut mai repede decât prețurile componentelor ES. Conform unei analize realizate de Agenția Internațională pentru Energie Regenerabilă (International Renewable Energy Agency - IRENA), 62% din reducerea costurilor instalațiilor fotovoltaice s-a datorat scăderii prețurilor panourilor fotovoltaice și ale invertoarelor¹.

Scăderea costurilor panourilor fotovoltaice și ale invertoarelor a pus în evidență componentele ES. Potrivit IRENA, ES reprezintă un procent din ce în ce mai mare din costul instalațiilor fotovoltaice, crescând de la 58% în 2007 la 80% în 2017 (Figura 1). În același timp, creșterea tensiunii magistralei de distribuție la 1 kV _c.c. și mai mult a sporit importanța componentelor ES în raport de eficiența și siguranța sistemului. În viitor, componentele ES vor juca un rol tot mai crucial în obținerea reducerilor de costuri și îmbunătățirea operațională, contribuind la sporirea siguranței și eficienței sistemelor fotovoltaice de mari dimensiuni conectate la rețea.

Figura 1: Procentul din costul de instalare reprezentat de panourile fotovoltaice a scăzut, ceea ce a crescut importanța ES în sistemele fotovoltaice. (Sursa imaginii: Panduit)

Gestionarea cablurilor este un aspect critic al ES în sistemele fotovoltaice de mari dimensiuni conectate la rețea. Aceasta are un impact semnificativ asupra siguranței, costurilor și eficienței. Clemele pentru cabluri sunt un bun exemplu al beneficiilor unei gestionări optimizate a cablurilor. Acestea asigură protecția împotriva scurtcircuitelor pentru cablurile de alimentare. În lipsa unei protecții adecvate, curenții mari ce apar în timpul unui scurtcircuit pot încălzi conductorii, ceea ce poate duce la riscul de producere a incendiilor sau exploziilor. Curenții de scurtcircuit conduc, de asemenea, la solicitări electromecanice mari asupra cablurilor de distribuție a energiei electrice.

Pentru o siguranță maximă, clemele pentru cabluri trebuie să îndeplinească cerințele standardului IEC 61914:2015. Stresul electromecanic maxim este resimțit în timpul unui scurtcircuit după aproximativ 5 milisecunde (ms). Acest lucru se întâmplă cu mult înainte de cele 60 până la 100 ms necesare pentru ca dispozitivele de protecție a circuitelor, cum ar fi întrerupătoarele, să reacționeze. IEC 61914:2015 precizează o durată a testului de scurtcircuit de 100 ms pentru clemele pentru cabluri, numite uneori cleme de cablu. Panduit utilizează un software de simulare atunci când își proiectează clemele pentru cabluri și apoi le expune la un defect de scurtcircuit pentru a confirma dacă sunt conforme cu standardul IEC 61914:2015 (Figura 2).

Figura 2: Simularea software-ului ANSYS a forțelor electromagnetice asupra cablurilor în timpul etapelor inițiale ale unui scurtcircuit. (Sursa imaginii: Panduit)

IEC 61914:2015 nu se referă doar la protecția împotriva scurtcircuitelor; acesta include dispoziții privind:

• Temperatura nominală
• Rezistența la propagarea flăcării
• Rezistența la coroziune
• Testarea sarcinii axiale
• Testarea sarcinii laterale
• Rezistența la impact
• Rezistența la UV

Clemele pentru cabluri Trefoil de la Panduit sunt fabricate folosind oțel inoxidabil 316L, numit și oțel inoxidabil de calitate marină, cu modele care acceptă cabluri cu diametre de la 20 la 69 milimetri (mm). De exemplu, modelul CCSSTR6269-X poate gestiona cabluri cu diametre de 62 până la 69 mm. Aceste cleme pentru cabluri pot fi instalate după pozarea cablului utilizând un suport de montare Panduit sau înainte de pozarea cablului prin instalarea clemei direct pe tija de ghidare a cablului în suportul de cabluri printr-un orificiu de prindere utilizând un șurub M8 (Figura 3).

Figura 3: După cum este ilustrat mai sus, clemele pentru cabluri Trefoil de la Panduit pot fi instalate cu ajutorul unui suport de montare. (Sursa imaginii: Panduit)

Identificarea clemei necesare pentru cabluri devine un exercițiu matematic dificil, deoarece trebuie să se țină cont de complexitatea forțelor electromecanice experimentate în timpul unui scurtcircuit, precum și de cerințele stricte de performanță ale standardului IEC 61914:2015. Panduit oferă aplicația Cable Cleat kAlculator, care recomandă soluții pentru scurtcircuit conform standardului IEC 61914:2015 din peste 60 de produse tip cleme pentru cabluri Panduit, pentru a accelera procesul de selecție. Utilizarea aplicației kAlculator reduce procesul de selecție a clemei pentru cabluri la un proces simplu, format din trei pași:

1. Selectarea aspectului cablului.
2. Introducerea diametrului cablului.
3. Introducerea curentului de vârf de scurtcircuit.

Aplicația oferă recomandări privind componentele și spațierea.

Alimentarea și împământarea

Pe lângă clemele pentru cabluri ce asigură conectarea cablurilor de alimentare și de împământare, instalațiile fotovoltaice la scară utilitară necesită și conexiuni la rețeaua de alimentare și la sistemul de împământare. Conectorii cu urechi de compresie din cupru pot oferi o conectivitate eficientă, iar Panduit oferă singurii conectori cu urechi de compresie din cupru care îndeplinesc cerințele Network Equipment Building Systems (NEBS) nivelul 3, așa cum au fost testate de Telcordia Technologies. Îndeplinirea cerințelor de nivel 3 NEBS asigură utilizatorii că respectivii conectori de compresie Pan-Lug pot oferi performanțe fiabile în aplicații precum cele fotovoltaice la scară utilitară, care necesită întreruperi minime ale serviciului pe durata de viață a echipamentului.

Proiectanții de instalații fotovoltaice la scară utilitară pot apela la conductorul flexibil Panduit, conectorii cu două orificii, conectorii cilindrici standard, care pot fi utilizați cu conductori de cupru flexibili, extra-flexibili și cu structură codată, formați din fire de cupru torsionate, pentru a oferi o conectivitate eficientă și fiabilă la sistemul de alimentare și cel de împământare. De exemplu, modelul LCDX1/0-14B-X este clasificat pentru a fi utilizat cu cabluri cu diametrul american (AWG) mărimea #1 și are două orificii pentru știfturi de 0,25 inch (in) la o distanță de 0,75 in (Figura 4). Caracteristicile comune ale tuturor conectorilor de compresie Pan-Lug includ:

• Clasificat UL și certificat CSA până la 35 kV și cu o temperatură nominală de +90°C.
• Capetele cilindrului, cu muchiile conice spre interior, simplifică introducerea conductorului.
• Fereastră de inspecție pentru a asigura inserția completă.
• Corp din cupru pur 99,9% cu placare cu staniu pentru a inhiba coroziunea.

Figura 4: Conectorii cu urechi de compresie ca acesta se pot utiliza pentru conexiunile la rețeaua de alimentare și la sistemul de împământare în sistemele fotovoltaice la scară utilitară. (Sursa imaginii: Panduit)

Cleme și coliere

În plus față de cablajul de alimentare, instalațiile fotovoltaice la scară largă pot include kilometri de cabluri pentru funcțiile de control și monitorizare. Dacă nu sunt specificate și instalate în mod corespunzător, clemele și colierele pentru cablu utilizate pentru gestionarea cablurilor pot reduce fiabilitatea sistemului și pot crește costurile de instalare și operare. Clemele de cablu de uz general nu sunt concepute pentru expunerea pe termen lung la lumina soarelui și la condițiile meteorologice exterioare. În cazul în care sunt utilizate în instalații fotovoltaice, clemele și colierele din plastic de uz general, care nu sunt rezistente la razele ultraviolete (UV), pot deveni fragile și necesită înlocuire periodică. De asemenea, expunerea la sare poate coroda clemele metalice, deteriorând marginile galvanizate ale panourilor fotovoltaice. În ambele cazuri, costurile de întreținere pot crește semnificativ, iar fiabilitatea poate avea de suferit.

În loc să folosească cleme și coliere de uz general, proiectanții de sisteme fotovoltaice pot apela la coliere de cablu cu cleme de margine, cum ar fi modelul CMSA12-2S-C300 de la Panduit, care este fabricat din nailon 6.6 stabilizat termic și rezistent la intemperii și cleme metalice zincate și testate conform standardelor IEC 61215 pentru instalațiile fotovoltaice în aer liber (Figura 5). Caracteristicile suplimentare includ:

• Clasificare inflamabilitate UL94V-2.
• Clasificare pentru funcționare continuă de la -60 °C la +115 °C.
• Îndeplinește cerințele EN45545-2 privind protecția împotriva incendiilor în conformitate cu criteriile de clasificare R22:HL3 și R23:HL3.
• Speranța de viață la intemperii UV este de 7-9 ani.

Figura 5: Acest colier de cablu cu clemă de margine are cleme din nailon 6.6 rezistent la intemperii și din oțel zincat pentru a asigura o fiabilitate ridicată în condiții exterioare dure. (Imagine: Panduit)

Aceste suporturi pentru coliere pentru cabluri cu clemă de margine fixează fasciculele de cabluri fără necesitatea unor adezivi sau a perforării de orificii. Acestea sunt preasamblate cu un colier pentru cabluri și o clemă care pot fi montate pe marginile panourilor cu grosimi de la 0,7 milimetri (mm) la 3 mm, în funcție de model. Clema metalică asigură o fixare sigură și poate fi instalată manual, fără a fi nevoie de instrumente.

Acestea sunt concepute pentru o instalare rapidă. În comparație cu un colier de cablu tradițional, al cărui instalare poate dura aproximativ 21 secunde, aceste cleme de margine pot fi instalate în 11 secunde, economisind 10 secunde pentru fiecare clemă. Aceasta contează. Într-o instalație fotovoltaică tipică la scară utilitară cu 2.900 de panouri fotovoltaice pe MW și trei cleme pe panou, economiile de manoperă pot fi de 24,17 ore, sau 47% (50,75 ore pentru instalarea colierelor de cablu convenționale față de 26,58 ore pentru instalarea clemelor de margine Panduit pentru instalațiile fotovoltaice) (Figura 6).

Figura 6: Utilizarea clemelor de cabluri pentru instalațiile fotovoltaice poate reduce timpul de instalare cu 47%. (Sursa imaginii: Panduit)

Lucrările de întreținere a sistemelor fotovoltaice de mari dimensiuni conectate la rețea

În timpul lucrărilor de întreținere a instalațiilor fotovoltaice de mari dimensiuni conectate la rețea, în special în cazul cablurilor de distribuție a energiei electrice, este necesar un test de verificare a tensiunii, în conformitate cu reglementările de siguranță, pentru a valida absența tensiunilor periculoase. De exemplu, regulamentul NFPA-70E al National Fire Protection Association (NFPA) prevede că trebuie să se verifice absența tensiunilor înalte în interiorul dulapurilor de echipamente înainte ca personalul de întreținere să poată efectua orice lucrare în interiorul dulapului. Testarea absenței tensiunii (AVT) cu ajutorul instrumentelor de testare portabile este complicată, plină de posibile inexactități și consumatoare de timp. AVT-urile VeriSafe de la Panduit oferă o soluție automată care testează tensiunile periculoase din interiorul unui dulap de echipamente înainte de a deschide ușa. Utilizarea unei soluții de testare automată aduce mai multe beneficii, printre care:

• Fiabilitatea îmbunătățește siguranța și reduce riscurile.
• Simplitatea sporește productivitatea și asigură conformitatea cu reglementările de siguranță.
• Flexibilitatea îmbunătățește punerea în aplicare.

AVT-urile VeriSafe, cum ar fi modelul VS-AVT-C02-L03, constau din mai multe elemente, inclusiv un modul de izolare care se montează în interiorul carcasei și conectează conductorii redundanți ai senzorilor la zonele de înaltă tensiune, precum și liniile neutre și de masă. Modulul de izolare se conectează în siguranță la un modul indicator alimentat cu baterii care este vizibil atunci când ușa carcasei este închisă și la cablurile care leagă cele două module (Figura 7).

Figura 7: Un sistem AVT este format dintr-un cablu de sistem (stânga), un modul indicator (centru) și un modul de izolare cu cabluri pentru senzori (dreapta). (Sursa imaginii: Panduit)

La inițierea unui test cu ajutorul unui sistem AVT VeriSafe, se apasă butonul de testare de pe modulul indicator, iar sistemul efectuează o autotestare. Ledurile roșii și oprirea testării indică orice eșec al autotestării. În cazul în care autotestarea este reușită, modulul de izolare testează tensiunile și defectele de masă. Etapa finală constă în efectuarea unei a doua autotestări de către AVT. AVT va confirma că este sigur pentru personal să deschidă dulapul și să lucreze la sistem numai în cazul în care cea de-a doua autotestare a fost reușită și nu există tensiune.

Rezumat

Componentele ES reprezintă un procent din ce în ce mai mare din costul instalațiilor fotovoltaice la scară utilitară. Gestionarea cablurilor este un aspect important al proiectării ES, iar selectarea clemelor de cablu optimizate, a conectorilor pentru sistemele de alimentare și de împământare, precum și a colierelor pentru cabluri cu clemă de margine poate îmbunătăți semnificativ funcționarea și siguranța acestor instalații. Adăugarea testării automate a absenței de tensiune sprijină activitățile de întreținere continuă, sporind siguranța și reducând costurile de operare.

Referință:

1. Costurile de generare a energiei din surse regenerabile în 2019, Agenția Internațională pentru Energie Regenerabilă (International Renewable Energy Agency)