Optimering af kabelstyring for at sikre sikkerhed og effektivitet i solcelleanlæg i stor skala

Solcelleanlæg i stor skala genererer typisk flere megawatt (MW) elektricitet og er vigtige bidragydere til grøn energi og bæredygtighed. Hver MW kræver omkring 2.900 solpaneler spredt over flere hektar jord, en eller flere invertere og controllere samt udstyr til nettilslutning. At forbinde alle disse elementer til et solcellesystem kan kræve kilometervis af strøm- og overvågningskabler og titusindvis af kabelstyringskomponenter. Hvis de ikke implementeres korrekt, kan kabler og kabelstyringskomponenter bogstaveligt talt blive det svage led, der reducerer effektiviteten, begrænser tilgængeligheden, øger sikkerhedsrisikoen og øger installations- og driftsomkostningerne.

Det er komplekst at designe sikre og effektive kabelføringsinstallationer. Det omfatter kabelsko til kortslutningsbeskyttelse af strømkabler, fravær af spændingstestere for at beskytte personale, der servicerer installationen, kabelbindere med kantklips til pålidelige signal- og overvågningsforb indelser og kompressionskoblinger til strøm og jordforbindelse. Derudover skal disse komponenter opfylde forskellige internationale standarder, såsom kabelsko, der skal overholde IEC 61914:2015 for at sikre, at de kan modstå en jordfejl, fravær af spændingstestere, der skal fungere som krævet af National Fire Protection Association (NFPA) og UL- og CSA-sikkerhedsstandarder og generelle krav til solcellekomponenter, der skal kunne modstå udendørs forhold som defineret i IEC 61215 for solcelleinstallationer.

Denne artikel giver et dyk ned i elementerne i en solcelleinstallation i stor skala med særligt fokus på det store antal kabelstyringskomponenter, der er brug for, beskriver nogle af de relaterede internationale sikkerhedsstandarder og gennemgår kravene til drift i barske miljøer og omkostningseffektiv installation. Undervejs i diskussionen fremhæves eksemplariske produkter fra Panduit.

BOS' voksende betydning

I solcelleinstallationer omfatter systemets balance (BOS) alt andet end solcellepanelerne, såsom stativer, kabler, kabelstyring, invertere og andre systemenheder, plus arbejdskraft og software. I takt med at PV-panelteknologien er blevet bedre, er panelpriserne faldet hurtigere end priserne på BOS-komponenter. Ifølge en analyse fra Det Internationale Agentur for Vedvarende Energi (IRENA) skyldtes 62 % af omkostningsreduktionen i solcelleanlæg faldende priser på solcellepaneler og invertere¹.

De faldende omkostninger til solcellepaneler og invertere har sat fokus på BOS-komponenter. Ifølge IRENA udgør BOS en stigende procentdel af omkostningerne ved solcelleanlæg, stigende fra 58 % i 2007 til 80 % i 2017 (figur 1). Samtidig har boosting af distributionsbussen til 1 kV_DC og højere øget betydningen af BOS-komponenter i forhold til systemeffektivitet og sikkerhed. Fremover vil BOS-komponenter blive stadig vigtigere for at skabe omkostningsreduktioner og driftsforbedringer, herunder øget sikkerhed og effektivitet i solcellesystemer i netskala.

Figur 1: Solcellepanelernes andel af de installerede omkostninger er faldet, hvilket øger betydningen af BOS i solcelleanlæg. (Billedkilde: Panduit)

Kabelstyring er et kritisk aspekt af BOS i solcelleanlæg i netskala. Det har stor indflydelse på sikkerhed, omkostninger og effektivitet. Kabelklemmer er et godt eksempel på fordelene ved optimeret kabelhåndtering. De giver kortslutningsbeskyttelse til strømkabler. Uden ordentlig beskyttelse kan de høje strømme, der opstår under en kortslutning, opvarme lederne, hvilket kan føre til brand eller eksplosion. Kortslutningsstrømme fører også til store elektromekaniske belastninger på strømfordelingskabler.

For at opnå maksimal sikkerhed skal kabelklemmer opfylde kravene i IEC 61914:2015. Den maksimale elektromekaniske belastning opleves under en kortslutning efter ca. 5 millisekunder (ms). Det er længe før de 60 til 100 ms, der kræves for, at kredsløbsbeskyttelsesanordninger som afbrydere kan reagere. IEC 61914:2015 specificerer en kortslutningstestvarighed på 100 ms for kabelsko, også kaldet kabelklemmer. Panduit bruger simuleringssoftware til at designe sine kabelsko og udsætter dem derefter for en strømførende kortslutningsfejl for at bekræfte, at de overholder IEC 61914:2015 (figur 2).

Figur 2: ANSYS-softwaresimulering af de elektromagnetiske kræfter på kabler i de indledende faser af en kortslutning. (Billedkilde: Panduit)

IEC 61914:2015 handler om mere end kortslutningsbeskyttelse; den indeholder bestemmelser for:

• Temperaturklassificering
• Modstandsdygtighed over for flammespredning
• Korrosionsbestandighed
• Test af aksial belastning
• Test af lateral belastning
• Modstandsdygtighed over for slag
• UV-bestandighed

Panduits Trefoil-kabelklemmer er fremstillet af 316L rustfrit stål, også kaldet marine grade rustfrit stål, med modeller, der passer til kabler med diametre fra 20 til 69 millimeter (mm). For eksempel kan model CCSSTR6269-X håndtere 62 til 69 mm kabeldiameter. Disse kabelklamper kan installeres, efter at kablet er trukket ved hjælp af et Panduit-monteringsbeslag, eller før kablet trækkes ved at installere klampen direkte på kabelbakkens trin gennem et fastgørelseshul ved hjælp af en M8-bolt (figur 3).

Figur 3: Som illustreret ovenfor kan Panduits Trefoil-kabelklemmer installeres ved hjælp af et monteringsbeslag. (Billedkilde: Panduit)

Kompleksiteten i de elektromekaniske kræfter, der opstår under en kortslutning, og de strenge krav til ydeevne i IEC 61914:2015 gør det til en besværlig matematisk øvelse at identificere den nødvendige kabelklemme. Panduit tilbyder appen Cable Cleat kAlculator, der anbefaler IEC 61914:2015 kortslutningsløsninger fra over 60 Panduit kabelskoprodukter for at fremskynde udvælgelsesprocessen. Ved at bruge kAlculator-appen reduceres valget af kabelklemme til en simpel tretrinsproces:

1. Vælg kabellayout.
2. Indtast kabeldiameteren.
3. Indtast den maksimale kortslutningsstrøm.

Appen giver anbefalinger om komponenter og afstand.

Strøm og jordforbindelse

Ud over kabelklemmer til strøm- og jordkabler har solcelleanlæg i stor skala brug for strøm- og jordforbindelser. Kobberkompressionskoblinger kan give effektive tilslutningsmuligheder, og Panduit tilbyder de eneste kobberkompressionskoblinger, der opfylder kravene til Network Equipment Building Systems (NEBS) Level 3 som testet af Telcordia Technologies. NEBS Level 3 sikrer brugerne, at Pan-Lug kompressionskonnektorer kan levere pålidelig ydeevne i applikationer som solcelleanlæg, der kræver minimale afbrydelser gennem udstyrets levetid.

Designere af solcelleanlæg i forsyningsskala kan henvende sig til Panduits fleksible ledere, to-hullers standardstik, der kan bruges med fleksible, ekstra fleksible og kodetrådede kobberledere til at give effektiv og pålidelig strøm- og jordforbindelse. For eksempel er model LCDX1/0-14B-Xklassificeret til brug med #1 American wire gauge (AWG) kabler og har to 0,25 tommer (in) bolthuller med en afstand på 0,75 tommer (Figur 4). Fælles for alle Pan-Lug kompressionskonnektorer er bl.a:

• UL-listet og CSA-certificeret til 35 kV og temperaturklassificeret til +90 °C.
• Indvendigt affasede tøndeender forenkler lederindføringen.
• Inspektionsvindue for at sikre fuldstændig indsættelse.
• 99,9 % rent kobber med tinbelægning for at forhindre korrosion.

Figur 4: Kompressionsklemmer som denne kan bruges til strøm- og jordforbindelse i solcelleanlæg i stor skala. (Billedkilde: Panduit)

Klips og bånd

Ud over strømkabler kan solcelleanlæg i stor skala omfatte kilometervis af ledninger til kontrol- og overvågningsfunktioner. Hvis de ikke specificeres og installeres korrekt, kan de kabelklips og -bindere, der bruges til kabelstyring, reducere systemets pålidelighed og øge installations- og driftsomkostningerne. Kabelclips til almindelig brug er ikke beregnet til langvarig udsættelse for sollys og udendørs vejrforhold. Hvis de bruges i solcelleanlæg, kan almindelige, ikke-ultraviolette (UV) plastclips og -bindere blive skøre og kræve regelmæssig udskiftning. Udsættelse for salt kan også korrodere metalklips og beskadige de galvaniserede kanter på solcellepanelerne. I begge tilfælde kan vedligeholdelsesomkostningerne stige betydeligt, og det kan gå ud over driftssikkerheden.

I stedet for at bruge almindelige klips og bånd kan designere af solcelleanlæg bruge kabelbindere med kantklips som model CMSA12-2S-C300 fra Panduit, der er fremstillet af varmestabiliseret, vejrbestandigt nylon 6.6 og zinkbelagte metalklips og testet i henhold til IEC 61215-standarderne for udendørs solcelleinstallationer (figur 5). Yderligere funktioner omfatter:

• UL94V-2 brændbarheds-klassificering.
• Vurderet til kontinuerlig drift fra -60 °C til +115 °C.
• Opfylder EN45545-2's krav til brandbeskyttelse i henhold til klassificeringskriterierne R22:HL3 og R23:HL3.
• Forventet levetid ved UV-forvitring på 7-9 år.

Figur 5: Denne kabelbinder med kantklips har vejrbestandig nylon 6.6 og zinkbelagte stålklips for at sikre høj pålidelighed under barske udendørsforhold. (Billede: Panduit)

Disse kabelbindere med kantklip fastgør ledningsbundter uden lim eller boring. De er formonteret med en kabelbinder og en klip, der kan monteres på panelkanter med tykkelser fra 0,7 millimeter (mm) til 3 mm, afhængigt af modellen. Metalklipsen giver et sikkert greb og kan monteres i hånden uden brug af værktøj.

De er designet til hurtig installation. Sammenlignet med en traditionel zip-binder, der kan tage omkring 21 sekunder at montere, kan disse kantklips monteres på 11 sekunder, hvilket sparer 10 sekunder pr. klips. Det løber op. I en typisk solcelleinstallation med 2.900 solcellepaneler pr. MW og tre klips pr. panel kan arbejdsbesparelsen være 24,17 timer eller 47 % (50,75 timer til at installere konventionelle lynlåse mod 26,58 timer til at installere Panduits kantclips) (figur 6).

Figur 6: Brug af solcellekabelklips kan reducere installationstiden med 47 %. (Billedkilde: Panduit)

Servicering af solceller i netskala

Når der udføres service på solcelleanlæg i netskala, især når der udføres service på strømfordelingskablerne, kræver sikkerhedsforskrifterne en spændingsverifikationstest for at validere, at der ikke er farlige spændinger. For eksempel kræver NFPA-70E (National Fire Protection Association), at det verificeres, at der ikke er højspænding i udstyrskabinetter, før vedligeholdelsespersonale kan udføre arbejde inde i kabinettet. Test af manglende spænding (AVT) ved hjælp af håndholdte, bærbare testinstrumenter er kompliceret, fyldt med mulige unøjagtigheder og tidskrævende. VeriSafe AVT'er fra Panduit er en automatiseret løsning, der tester for farlige spændinger inde i et udstyrsskab, før døren åbnes. At bruge en automatiseret testløsning giver flere fordele, herunder:

• Pålidelighed forbedrer sikkerheden og reducerer risikoen.
• Enkelheden øger produktiviteten og sikrer overholdelse af sikkerhedsbestemmelserne.
• Fleksibilitet forbedrer implementeringen.

VeriSafe AVT'er, som modellen VS-AVT-C02-L03, består af flere elementer, herunder et isolationsmodul, der monteres inde i kabinettet og forbinder redundante sensorledninger til højspændingsområder samt neutral- og jordledninger. Isolationsmodulet er sikkert forbundet med et batteridrevet indikatormodul, der er synligt, når skabsdøren er lukket, og kabler, der forbinder de to moduler (figur 7).

Figur 7: Et AVT-system består af et systemkabel (venstre), et indikatormodul (midten) og et isolationsmodul med sensorledninger (højre). (Billedkilde: Panduit)

Når man starter en test med et VeriSafe AVT-system, trykker man på testknappen på indikatormodulet, og systemet udfører en selvtest. Røde lysdioder og teststop indikerer, hvis selvtesten mislykkes. Hvis selvtesten er bestået, tester isolationsmodulet for spændinger og jordfejl. Det sidste trin er, at AVT'en udfører endnu en selvtest. Kun hvis den anden selvtest er bestået, og der ikke er nogen spænding til stede, vil AVT'en indikere, at det er sikkert for personalet at åbne kabinettet og arbejde på systemet.

Sammenfatning

BOS-komponenter udgør en stigende procentdel af omkostningerne ved solcelleanlæg i stor skala. Kabelhåndtering er et vigtigt aspekt af BOS-design, og valget af optimerede kabelklemmer, strøm- og jordskinner og kabelbindere med kantklips kan forbedre driften og sikkerheden af disse installationer betydeligt. Tilføjelsen af automatiseret test af manglende spænding understøtter løbende vedligeholdelsesaktiviteter, øger sikkerheden og reducerer driftsomkostningerne.

Reference:

1. Omkostninger til produktion af vedvarende energi i 2019, International Renewable Energy Agency