Napelemes kábelek típusai: PV vezeték, USE-2 és AC kábelek magyarázata

A szoláris kábeltípusok közötti meghatározó különbség az, hogy közvetlenül az egyenáramú fotovoltaikus tömbbe vagy az inverter és a közüzemi hálózat közötti váltakozó áramú összekapcsolásra tervezték. A PV vezeték (UL 4703) az egyetlen olyan kábeltípus, amely mind a közvetlen betemetésre, mind pedig a folyamatos napfénynek való kitettségre alkalmas az egyenáramú tömbben, 90 °C-os nedves és 150 °C-os száraz névleges értékkel, ami kötelezővé teszi az 1000 vagy 1500 voltos egyenfeszültségen működő, földeletlen transzformátor nélküli inverteres rendszereknél. A HASZNÁLAT-2 kábel, bár továbbra is a közvetlen eltemetésre van feltüntetve, hiányzik a teljes napfény-ellenállási besorolásról és a magasabb hőmérsékleti magasságról, amelyet a modern nagyfeszültségű tömbök igényelnek.

A négy elsődleges szolárkábel-kategória

A fotovoltaikus rendszer különálló elektromos zónákat tartalmaz, mindegyiket egy adott kábeltípus és a megfelelő telepítési követelmények szabályozzák a National Electrical Code (NEC) 690. cikke értelmében. A négy kábeltípus, amely egy megfelelően megtervezett rendszerben a tömbtől az összekapcsolási pontig jelenik meg, a következő.

Az UL 4703 és a tárgy szerinti UL 4703 szabvány szerinti PV vezeték egy egyeres kábel térhálósított polietilén (XLPE) szigetelés és egy napfényálló külső kabát. A következőre van besorolva 600 V, 1000 V vagy 2000 V a szigetelés vastagságától függően, az 1500 VDC-s közüzemi méretarányú tömbökhöz megadott 2000 V-os változattal. Az XLPE szigetelés hőre keményedő stabilitást biztosít, ami azt jelenti, hogy a kábel megőrzi dielektromos szilárdságát és mechanikai tulajdonságait még akkor is, ha hosszabb ideig ki van téve a vezető maximális üzemi hőmérsékletének (nedvesen 90°C és szárazon 150°C). Az ASTM B174 B vagy C osztálynak megfelelően sodrott ónozott rézvezető ellenáll a nedvesség korrozív hatásának, amely áthatol a szigetelésen több évtizedes használat során. A PV vezeték az egyetlen olyan kábel a szoláris iparban, amely a VW-1 lángbesorolás és közvetlen eltemetés egyszerre teljesíti a tűzbiztonsági követelményeket a tetőre szerelt berendezéseknél és a földalatti vezetési követelményeket a földre szerelt egyenáramú gyűjtőrendszereknél.

Az UL 854 szabvány szerint épített és a NEC 338. cikke szerint elismert USE-2 kábel egy egyeres kábel, amelyet földalatti bejáratra terveztek. Használ XLPE szigetelés Kémiáját tekintve megegyezik a PV-vezetékkel, de vastagabb, robusztusabb burkolattal rendelkezik, amelyet úgy terveztek, hogy ellenálljon a földalatti vezetéken történő áthúzás és a közvetlen földelés által okozott mechanikai kopásnak. A névleges feszültsége 600 V-ra korlátozódik, a maximális vezetékhőmérséklete pedig ez 90°C nedves és 90°C száraz , kritikus korlát a PV vezetékhez képest. A 150°C-os száraz besorolás hiánya azt jelenti, hogy az USE-2 nem használható szabad levegőn egy tetőtéri tömbön belül, ahol a modul hátlapjának hőmérséklete rutinszerűen eléri a 75°C és 85°C közötti értéket, és a vezetőhőmérséklet teljes terhelés alatti emelkedése a szigetelést a hőtúlterhelési tartományba nyomja.

A TC-ER kábel, névleges tálcás kábel, egyenáramú gyűjtőtörzsként szolgál a kombinálódoboz és az inverter bemenete között, vagy több láncinverter között láncos konfigurációban. A TC-ER egy többvezetős szerelvény, jellemzően három vezető plusz földelés, PVC belső szigeteléssel és nejlon vagy PVC külső köpennyel. A következőre van besorolva 600 V és 90°C száraz , és a listája lehetővé teszi a kábeltálcában történő elvezetést védőcső nélkül a szabadon futó futáshoz. A többvezetős konstrukció leegyszerűsíti a vezetékezést az egyes egyeres kábelek húzásához képest, de a PVC-köpeny ultraibolya sugárzás hatására lebomlik, ezért a TC-ER-t zárni kell, ha a szabadban, közvetlen napsugárzásnak kitéve telepítik.

A THHN/THWN-2 épületvezeték, bár nem külön szolárkábel, az inverter kimenetének váltakozó áramú oldalán jelenik meg a fő szervizpanelen vagy a közüzemi csatlakozási pontig. Értékelt 600 V és 90°C száraz, 75°C wet , PVC szigetelés feletti nejlon köpennyel, költséghatékony, széles körben elérhető és kódkompatibilis az inverter utáni összes beltéri AC vezetékhez. Napfényállósága nulla, és nincs közvetlen temetési listája, ezért használata szigorúan a belső futópályákra, vezetékekre és a zárt AC kombináló panelekre korlátozódik.

Összehasonlító táblázat a szolárkábel típusokhoz

Feszültségosztály kiválasztása és az 1500 V-os átmenet

Az 1000 VDC-ről 1500 VDC rendszerarchitektúrára való áttérés a közüzemi méretű fotovoltaikus erőművekben körülbelül egyharmadával csökkenti az egyenáramú gyűjtőáramot azonos teljesítmény mellett, hasonló arányban csökkentve a kombinálódobozok, az egyenáramú adagolók és a kapcsolódó árkok számát. A nagyobb feszültség azonban szigorúbb szigetelési követelményeket támaszt. Az 1500 VDC tömbhöz névleges PV vezeték szükséges 2000 VDC , nem 1000 VDC. A szigetelés vastagsága egy 2000 V-os PV vezetéken kb 2,4 mm a 10 AWG vezetéknél, szemben az 1,14 mm-rel az 1000 V-os változatnál . Ez a megnövelt falvastagság csökkenti a kábel rugalmasságát és növeli a minimális hajlítási sugarat, ami megnehezíti a vezetékkezelést a modulcsatlakozó dobozokon és az inverter DC burkolatán belül.

Az Észak-Amerikán kívül globálisan alkalmazott IEC 62930 szabvány harmonizálja az 1500 V-os PV kábelek teljesítménykövetelményeit. Meghatározza a minimális szigetelési ellenállást 10 MΩ·km 20°C-on , egy szám, amelyet a gyári gyártási tesztelés során ellenőriztek minden orsón a szállítás előtt. A telepített 1500 V-os PV vezeték 5000 V-os megohmmérővel végzett helyszíni vizsgálata során legalább a szigetelési ellenállás értékeit kell adni. 4 MΩ húronként mielőtt a zsinórt az inverterhez csatlakoztatná, egy üzembe helyezési kaput, amely azonosítja a köpeny beépítési sérülését vagy a nem megfelelően préselt MC4 csatlakozótömítéseket.

Hőmérséklet-csökkentés és ampacity korrekció

Az NEC 310.15. cikkében szereplő áthatolási táblázatok 30°C-os környezeti hőmérsékletet és legfeljebb három áramvezető vezetéket feltételeznek egy versenypályán. A szoláris egyenáramú gyűjtőrendszer rutinszerűen mindkét feltételezést megsérti. Az arizonai Phoenixben található tetőn, ahol a környezeti levegő hőmérséklete a tetőfelület felett 12 hüvelykkel eléri a 65 °C-ot egy nyári délutánon, a 90 °C-os névleges PV vezeték hőmérséklet-korrekciós tényezője 0.58 a NEC 310.15(B)(1)(1) táblázata szerint. A 10 AWG-s PV vezeték 30 °C-on 40 amperes teljesítményű, így a névleges 23,2 amper 65°C-on. Ha ugyanazt a vezetéket három másik áramvezető húr köti össze egy vezetékben 24 hüvelyknél nagyobb távolságra, egy további korrekciós tényező 0.80 vonatkozik, tovább csökkentve a megengedett ampert 18,6 amperre.

Az eredmény az, hogy egy 10 AWG-s vezető, amely első pillantásra bőkezűen túlméretezettnek tűnik egy 9 amperes húráramhoz képest, névleges kapacitásának közel 50%-a a hőmérséklet és a kötegelés korrekciója után . A tetőtéri rendszerek mérnöki gyakorlata 10 AWG-t határoz meg a modulok összekapcsolásának minimális PV-vezetékméreteként, és 8 AWG szükséges a kettőnél több húrt kiszolgáló otthoni vezetékekhez, ez a hüvelykujjszabály a legrosszabb tetőtéri hőmérsékletadatokból származik, nem pedig egy rögzített szabványból.

Szigetelési kémia és az XLPE előnye

A szigetelőanyag minden más tulajdonságnál jobban megkülönbözteti a szolárkábelt az általános célú épülethuzaltól. Az XLPE, a PV vezetékekben és az USE-2-ben használt térhálósított polietilén egy hőre keményedő anyag, ami azt jelenti, hogy a polimer láncok kémiailag térhálósodnak a kikeményedési folyamat során. A térhálósítást követően az anyag hevítés közben nem tud megolvadni vagy folyni. A 150°C-os vezetőhőmérsékletnek kitett PV vezeték megőrzi fizikai alakját és dielektromos szilárdságát, míg a PVC-szigetelésű THHN huzal azonos hőmérsékleten meglágyul, folyna és belső rövidzárlatot hoz létre.

A szilán alapú nedvességkezeléssel vagy elektronsugaras besugárzással elért térhálósítási eljárás szintén javítja a szigetelés kompressziós hidegáramlással szembeni ellenállását. Amikor egy PV vezetéket beszorítanak a modul kerete és a szerelősín közé, az XLPE szigetelés ellenáll a nyomókészletnek, amely idővel elvékonyítaná a PVC szigetelő falat. A visszatartott falvastagság után 1000 óra nyomóterhelés 90°C-on általában az eredeti vastagság 85-90%-a XLPE esetén, szemben a PVC-nél 60%-kal vagy kevesebbel. . Ez a tulajdonság nélkülözhetetlen egy olyan fotovoltaikus tömbben, ahol a modulbilincsek és a huzalkapcsok helyi nyomáspontokat fejtenek ki, amelyek a rendszer 25 éves tervezési élettartama alatt fennmaradnak.

Csatlakozó kompatibilitás és az MC4 szabvány

Maga a szolárkábel csak a vezető; a csatlakozó vége a rendszerszintű hibapont. Az ipari szabvány az MC4 csatlakozó, amelyet eredetileg a Multi-Contact fejlesztett ki, és jelenleg több mint egy tucat globális beszállító licence alapján gyártják. Az MC4 a következőre lett besorolva 1500 VDC és 30 amperes folyamatos áram 4 mm² vagy 6 mm² (12 AWG - 10 AWG) PV vezetékkel , és párosítva megtartja az IP68-as behatolásvédelmi besorolást, ami azt jelenti, hogy ellenáll az 1 méteres vízbe való folyamatos alámerülésnek.

A megbízhatóság kritikus szabálya a csatlakozó-homogenitás: az egyetlen húron lévő dugaszoló és anya csatlakozóknak ugyanattól a gyártótól kell származniuk. Az Amphenol H4 csatlakozó és az eredeti Staubli MC4 párosítása, fizikai kompatibilitásuk és UL-besorolásuk ellenére, galvanikus korrózióveszélyt jelent az érintkezési felületen, mivel az alapfémek és a bevonat vastagsága eltérő. Az így kapott érintkezési ellenállás négyvezetékes milliohm-mérővel mérve elfogadható értékről indulhat 0,5 milliohm de fel tud emelkedni 5 milliohm vagy több három éven belül hőciklus, ekkor az I²R fűtés a csatlakozónál meghaladja a környező kábel hőmérsékletét, és felgyorsítja az oxidációt. A nem megfelelő csatlakozókra visszavezethető helyszíni meghibásodások a lakossági tetőtéri rendszerek egyetlen leggyakoribb biztosítási káreseményei.

A földelés és a berendezés kötési vezeték követelményei

A berendezés földelő vezetéke (EGC) a szoláris tömbben a hibaáram visszatérési útjaként szolgál, és úgy kell méretezni, hogy a tömb teljes zárlati áramát elbírja anélkül, hogy a névleges hőmérsékletét túllépné. A 250.122-es NEC táblázat szabályozza az EGC méretezését a túláramvédelmi eszköz besorolása alapján, de a transzformátor nélküli invertereknél, amelyekben egyenáramú földzárlat-érzékelés van beépítve, a legjobb mérnöki gyakorlat szerint a legnagyobb egyenáramú áramkör vezetőjénél nem kisebb EGC-t javasolnak, még akkor is, ha a kód kisebb méretet engedélyez. A földeletlen egyenáramú pozitív vezetőként használt 10 AWG PV vezetékhez a minimum 10 AWG EGC , 690.45-ös NEC méretben.

A váltakozó áramú oldalon az inverter és a fő szervizpanel közötti EGC jellemzően egy THHN/THWN-2 vezeték zöld szigeteléssel, mérete a 250.122 táblázat szerint az inverter AC kimeneti túláramvédelmi besorolása alapján. A 40 amperes inverteres kimeneti megszakítóhoz a minimum 10 AWG réz EGC . Az EGC normál üzemben nem áramvezető vezeték, de képesnek kell lennie arra, hogy a teljes földzárlati áramot vezesse a túláramú eszköznek a hiba megszüntetéséhez szükséges ideig, amely időtartam a modern áramkorlátozó megszakítók esetében általában kevesebb, mint 0,1 másodperc.

Kábelkezelés és UV-sugárzás elleni védelem

Még a napfénynek ellenálló PV-vezeték is megköveteli a fizikai védelmet az éles peremek, a vadon élő állatok által okozott károk és a stresszes pontokon a koncentrált UV-lebomlás ellen. A földre szerelt tömb kábeleit fémes vagy nagy sűrűségű polietilén (HDPE) kábeltálcán keresztül kell vezetni, és nem hosszabb időközönként rozsdamentes acél kábelkötegelőkkel rögzítik. 1,5 méter . A kábelkötegelők nem szoríthatják túl a szigetelést; a gyártó specifikációját meghaladó kötési feszültség hidegen áramoltathatja az XLPE szigetelést, és egyetlen hőcikluson belül 50%-kal csökkentheti a falvastagságot a kötési ponton.

Tetőre történő telepítés esetén a PV vezetéket kábelbilincsekkel vagy modulkeretbe integrált vezetékvezető csatornákkal kell letámasztani a tetőfelületről. A kábelköpeny és az aszfaltzsindely közötti közvetlen érintkezés hőt ad át a tetőfelületről a kábelre, ami becsült mértékben megemeli a vezető hőmérsékletét. 5°C és 10°C között a környezeti levegő hőmérséklete felett van , amely a vezeték hőmérsékletét a 90°C-os nedves névleges érték fölé emelheti, ha teljes terhelési árammal és magas modul hátlapi sugárzással kombinálják. A kábelt úgy is el kell vezetni, hogy ne álljon meg a víz a tető mélypontjain, ahol a fagyás-olvadás ciklusok megterhelik a köpenyet a jégképződmények ismételt kitágulásával és összehúzódásával.