Fotovoltaik Sistemlerin Yüksek Gerilimden Korunması

Cem GÖK, Pazarlama Sorumlusu - Weidmüller Elektronik

Yenilenebilir enerji üreten fotovoltaik sistemler, kurulum yeri ve kurulum alanı sebebi ile yıldırım düşme tehlikesi riski taşıyor. Enerji hatlarının sistemdeki bütün cihazları koruması için mutlaka OVP modülleri ile korunması gerekiyor. Bu sebepten dolayı fotovoltaik sistemlerin topraklanması ve yüksek gerilime karşı güvenli hale getirilmesi zorunlu hale geliyor.

Weidmüller, bağlantı teknolojisindeki onlarca yıla dayanan tecrübesi ile her türlü sistemin yüksek gerilimden korunmasını sağlamaktadır. Binaların ve fotovoltaik sistemlerin korunması; tesislerin işletimde kalma sürelerinin artırılması ve yatırımların güvenliği açısından önemlidir.

Yüksek gerilim koruma

Fotovoltaik sistemler ve frekans dönüştürücülerin bozulmasındaki en büyük etken genellikle yıldırım düşmesi sonucunda oluşan yüksek gerilimdir. Bu gibi durumlarda fotovoltaik sistemin kullanıcısı, sistemin durmasından kaynaklanan zararın yanı sıra yüksek tamir bedeli ile karşı karşıya kalır. Bu hasarlara engel olmak için birbirine uygun olarak tasarlanmış yıldırım ve yüksek gerilim koruması kullanılmalıdır. Bu bağlamda Weidmüller modülleri, sistemlerin hatasız çalışmasını sağlar.

Weidmüller Class I (PU-BC) ve Class II (PU II) modüllerinde aşırı gerilimi sınırlayan yüksek performans metaloksit varistör kullanılmaktadır.

Normlar ve spesifikasyonlar

Fotovoltaik (PV) sistemlerin kurulmasında mutlaka yüksek gerilim koruma ile ilgili geçerli olan norm ve kurallara uyulmalıdır. Bir PV sisteminin kurulması ve yüksek gerilim koruma modüllerinin seçimi DIN VDE 0100 Kısım 712/E ve DIN IEC 64/1123/CD (Düşük gerilim sistemlerinin kurulumu; Özel sistemler; Fotovoltaik-besleme şebekesi) normlarında açıklanmıştır. VdS hasar koruma 2010-Vds yayımlarında PV sistemli binalar için >10 kW gücünde koruma sınıfı III, yıldırım ve yüksek gerilim koruma kullanılmasını önermektedir. Weidmüller yüksek gerilim koruma modülleri, bu spesifikasyonlara uygundur.

Yüksek gerilim koruma komponentlerinin modüler kullanımı

Bir binada yıldırım koruma sistemi bulunuyorsa bu bütün sistemin en yüksek noktasını oluşturmalıdır. Bütün modül ve kablolar, yıldırım koruma sisteminin altına minimum mesafe olan 0,5 m – 1 m ile monte edilmelidir. Binanın gerilim besleme şebekesinde Class I yıldırım koruma modülleri kullanılmalıdır. Binada yıldırım koruma sistemi (paratoner vs) bulunmuyorsa Class II modüllerin kullanılması yeterlidir.

TT ağındaki sistemlerin 3+1 ile yüksek gerilimden korunması

Her zaman için 3+1 = 4 eşitliği geçerli değildir. En azından TT ağındaki yüksek gerilim korumada bu eşitlik doğru değildir. TT ağında besleme 3 faz (L1, L2, L3) ve 1 Nötr (N) üzerinden topraklama hattı (PE) olmadan sağlanır. Potansiyel eşitlenmesi, sistem içindeki ayrı bir topraklama üzerinden yapılır. Bu durumda nötr hattı, topraklamaya göre daha yüksek bir gerilime sahiptir. Nötr ve toprak hattı arasındaki yüksek gerilime karşı korunmak için bu iki hat arasında da koruma modülü kullanılmalıdır. Yakın bir zamana kadar TT ağlarda 4 koruma modülü kullanılmakta iken bu çözüm artık kullanılan varistörlerin fiziksel özelliklerinden dolayı toprak hattında tehlikeli gerilimlerin oluşması sebebiyle yeterince güvenli kabul edilmemektedir.

Varistörler, zamanla özellilerini yitirip üzerinden bir miktar kaçak akım geçirebilir. Bu akım toprak hattında temas halinde tehlike yaratabilecek gerilimi oluşturur. TT ağlarda kullanılan FI koruma modülleri bu kaçak akımları ölçemez ve hata halinde devreyi ayıramaz. Düşük dirençli bir varistör, (N) ve (PE) arasında bir bağlantı oluşturabilir. Çözüm olarak varistöre seri modül ayırıcı bir ş kullanılabilir. Böyle bir ş, sistemde yer kaplar ve maliyeti artırır. Hatlar arasına varistör yerine gazlı deşarj tüpü takılması da yeterince iyi bir çözüm değildir. Gazlı deşarj tüplerinin uzun reaksiyon zamanı ve karakteristiği, hatlarda yüksek artık gerilimlerin kalmasına neden olur.

Tehlikeli gerilimlere karşı 3+1 ile daha iyi koruma

3+1 sisteminde fazlar ile nötr arasında varistörler ve nötr ile topraklama arasında bir gazlı deşarj tüpü bulunmaktadır. Gazlı deşarj tüpü, fazların ve nötr hattının akımının toplamı kadar akımı taşıyabilmeli ve 220 V şebekede reaksiyon gerilimi 1,5–2 kV arasında olmalıdır. Gazlı deşarj tüpü sayesinde varistörler toprak hattından galvanik olarak ayrılmıştır. Böylelikle kaçak akım engellenir ve toprak hattında oluşabilecek tehlikeli gerilimin önüne geçilir. Bu sistemde kullanılan FI ş, işlevini tam olarak yapar ve hata anında devreyi ayırarak tehlikeli gerilimlerin oluşmasını engeller. VDE 0100 Kısım 534 (paragraf 534.2.2) normunda tanımlanan 3+1 devresi, TT ağların yüksek gerilimden korunmasında güvenli bir çözüm olarak görülebilir. VDE 0100 Kısım 534 (Paragraf 524.2.1) normu, TN-S ağlarda fazlardan ve nötrden toprağa birer varistör bağlanması gerektiğini tavsiye etmektedir. 3+1 sistemi de burada aynı güvenlik seviyesinde koruma sağlayabilir. ÖVE / ÖNORM E 8001-1/A2:2003-11-01 normuna da TN-S ve TT ağlarda 3+1 sisteminin kullanımı detaylı bir şekilde tanımlanmıştır.

Yüksek gerilim koruma üzerine soru ve cevaplar

Hangi durumlarda Class I veya Class II OVP kullanılır ?

Paratoner sistemi bulunan bir binanın enerji girişi, Class I modüller ile yıldırım düşmesi sonucu oluşabilecek yüksek gerilimden korunur. DIN VDE 0185 Kısım 1 (11.82) normunda belirtildiği gibi Class I OVP modülleri, çok daha yüksek impuls’leri taşıyabilir ve enerji girişine yakın yerlere monte edilmelidir. Class I OVP modülleri, DIN VDE 0675 ve IEC 61643-1 normlarında belirtilen Class B tanımlamalarını karşılamaktadır. Yıldırım düşmesi veya sistemdeki tetiklemelerden dolayı oluşan yüksek gerilimlere karşı elektronik cihazları ve düşük gerilim sistemleri, Class II OVP modülleri ile korunur. Class II OVP modülleri, VDE0675 Kısım 6, Class C 11/89, DIN VDE 0675 Kısım 6, A2, 10/96, ÖVE SN60 Kısım 4 ve Kısım 1 ve IEC 61643-1-1 normlarına uygundur. Weidmüller Class I (PU-BC) ve Class II (PU II) modüllerinde aşırı gerilimi sınırlayan yüksek performans metaloksit varistör kullanılmaktadır.

Dekuplaj bobini nerede kullanılmalıdır ?

Weidmüller’in varistörlü Class I ve Class II modüllerinin kullanımında dekuplaj bobinine ihtiyaç duyulmamaktadır. PU I TSG‘nin trigger-deşarj tüpü içermesi, kısa reaksiyon zamanı ve düşük gerilim seviyesine ulaşmasını sağlar ve dekuplaj bobinine olan ihtiyacı ortadan kaldırır.

PU şebeke korumasında sigorta seçimi nasıl yapılmalıdır ?

PU II serisinin kablo bağlantı yuvası, IEC 61643-1 normuna uygun olarak tasarlanmıştır ve 4 mm2 ile 25 mm2 arasındaki kablolar bağlanabilir. DIN VDE 0100 Kısım 430’a göre sıva altı veya sıva üstü 35 mm2 bakır kablolar için;

• Tekli kablo (maksimum 2) nominal akım 125 A,

• Tekli kablo (maksimum 3) nominal akım 100 A’dir.

Ne tür kablo kullanılacağı böylelikle sistem kurucusuna bırakılmıştır. 35 mm2’lik kablolamada 125 A sigorta ile birlikte PU modülü kullanılabilir. Çoklu kablo (NYM 3x35mm2) kullanıldığında 100 A sigorta seçilmelidir. PU modülleri, sadece yüksek gerilim esnasında devreye girdiklerinden dolayı elektriksel bir yük olarak görülmemelidir.

Neden 3 ve 4 kutuplu OVP tipleri üretilmektedir ?

Şebeke tipine (TT, TN) göre farklı OVP modülleri kullanılmaktadır. TN en çok kullanılan şebeke türüdür. TN-C sisteminde nötr ve toprak hattı tek bir iletken (PEN) ile gerçekleştirilmiştir. Bu sistemde 3 kutuplu OVP modülleri kullanılır. İstisnasız kural olmaz. TN-S ağında nötr ve toprak iki farklı iletkenden oluştuğu için sistem içinde potansiyel farkı oluşabilir. Bu durumda 4 kutuplu OVP modülü kullanmak gereklidir. 3 veya 4 kutuplu modüller, kablolamada kolaylık sağlar.

TN haricinde hangi şebeke tipleri bulunmaktadır ?

TT şebeke

TT sisteminde Class I ve Class II yüksek gerilim koruma modülleri, TN sisteminde olduğu gibi faz ve toprak arasına bağlanmaz. Fazlar (L1, L2, L3) ve nötr arasına bağlanır. Klasik bağlantıda (fazlar ve toprak arası) modüller uzun süreli kullanım sonunda yaşlanmadan dolayı işlevini tam anlamıyla yerine getiremez; üzerinden bir hata akımı akar ve yüksek gerilimde kısa devre oluşturamaz. Dolayısı ile kaynağa (transformatör) akan hata akımı TT sistemlerdeki yüksek topraklama empedansı sebebi ile sigortalar tarafından hata olarak algılanmaz ve eş potansiyel sistem geriliminin yükselmesine neden olur. Bu eş potansiyel sisteminden uzakta bulunan bir bina vb sistemler beslendiğinde tehlikeli gerilim yükselmeleri oluşabilir. Bu gibi sistemlerde 3+1 bağlantı uygulanmalıdır.

IT-Şebeke

Hata anında işletim dışı kalmaması gereken sistemler için IT şebeke kurulur. Herhangi bir fazda oluşan hata sonucunda kurulu sistem TN şebekeye dönüşür. Enerji kesilmez ve sistem işleyişi sürer. IT sistemleri genellikle hastaneler gibi medikal sistemlerde kullanılır. Bağlı cihazlar ve fazlar ile topraklama arasındaki izolasyonun kalitesi izolasyon kontrol cihazları ile kontrol altında tutulabilir. OVP modülleri fazlar ile eş potansiyel barası arasına bağlanır. Sigortalı koruma, kablo kesiti ve kablolama T sistemlerinde olduğu gibi yapılır.

3+1 bağlantı nedir?

TT sisteminde PU II modüller (Class II) yerel topraklamaya değil de nötr hattına bağlandığında yüksek gerilim anında OVP modülünün kısa devre oluşturması ile nötr hattının direnci geçen akım gücünü belirler. Sisteme bağlı sigortalar, bu durumda devreyi keserler. Nötr ile eş potansiyel barası arasındaki bağlantıyı bir gazlı deşarj tüpü içeren OVP modülü oluşturur. Bu modül, yerel darbe akımlarını aşırı yüklenmeye imkan vermeden iletir (PU II 3+1 280V). 3+1 OVP bağlantı enerji dağıtımında da kullanılır. Sistemdeki fazlar (L1, L2, L3) ile nötr arasına PU II 3+1 280 V modülü bağlanır ve bu nokta ile toprak barası arasına gazlı deşarj tüplü bir modül bağlanır. Eş potansiyel barası ve FI şler ile modüllerin bağlantısı TN sisteminde olduğu gibidir.

PU II modüllerin kontrol mekanizması nasıl çalışır ?

PU modüllerin içindeki her bir disk, termik kontrol mekanizmasına sahiptir. Modern teknoloji ürünü olan bu sistem, yıpranmış modülleri şebekeden ayırarak büyük hasarlara engel olur. Özel bir lehim içeren termik kontrol mekanizması, varistörün üzerinden 30 saniye süreyle 0,2 A değerinde akım geçmesi durumunda lehimin ergimesi ile devreye girer. Modüllerin ön yüzünde bulunan fonksiyon göstergesi ve PU II modüllerinde komünikasyon kontağı üzerinden işlev kontrol altında tutulabilir. PU II modüllerinin modüler yapısı, bozuk modüllerin kolayca değiştirilmesine olanak tanır.

PU yüksek gerilim deşarjından sonra işlevini sürdürür mü ?

Deşarj akımı, her bir varistör diski için 40 kA’in altında kaldığı sürece PU işlevini sürdürür. Her akım deşarjından sonra varistörde yıpranma meydana gelir. Bu, yıllar sonra modülün devre dışı kalmasına neden olur.

PU modülleri hangi normlara göre test edilmektedir ?

PU II ve PU BC modülleri, DIN VDE 0675 Kısım 6 12/2002’yi karşılayan IEC 61643-1 normuna göre test edilmektedir. PU II serisi spesifikasyon sınıfı II’ye, PU BC serisi ise spesifikasyon sınıfı I ve II’ye uygundur. PU III ve PU D serisi IEC 61643-1 ve DIN VDE 0675 Kısım 6 12/2002 normlarına uygun olarak üretilmiş ve test edilmiştir.

PU modülleri nerelerde kullanılır ?

Class I modülleri, sistem enerji girişine ve eş potansiyel barasına yakın yerlere monte edilmelidir. Class II modülleri, ana dağıtım panolarına ve PU III modülleri tali dağıtım panolarına yani korunması gereken cihazların yakınına monte edilmelidir. Kademeli olarak Class I, II ve III modüller kullanılarak DIN VDE 0110 normunda belirtilen izolasyon değerlerine ulaşılabilir.

Gazlı deşarj tüplü ve varistörlü modüllerin farkı nedir ?

Modern enerji ağlarında binaların enerji girişi yeraltındandır. Yıldırım enerjisinin bir kısmı enerji hattı tarafından absorbe edilir. Deşarj tüpleri, yüksek enerji deşarjı (50 kA) ve kısa reaksiyon zamanı (µs) ile ön plana çıkmaktadır. Deşarj tüpleri, ardıç akımın söndürülmesi için ark söndürme delikleri gibi özel bir tasarıma sahiptir. Deşarj tüpü ile varistörlü modül arasında dekuplaj gereklidir. PU BC modülünün varistörlü tipi, 16 kA (10/350µs)’e kadar akım deşarj edebilir. Deşarj tüplerinin reaksiyon süresi ns civarındadır. Varistörlü tiplerde ardıç akım oluşmaz.

Trigger-deşarj tüpü nedir ?

Bu modüller, elektronik kontrol devresi içermektedir. Bu mekanizma yüksek gerilimde deşarj tüpünü ateşler. Bu suretle aşırı gerilim seviyesi düşer ve reaksiyon süresi kısalır; dekuplaj bobinine ihtiyaç kalmaz.

MCZ-OVP modüllerinde CL veya SL tiplerinin seçimi nasıl yapılmalıdır ?

CL ve SL devrelerinde süpresör diyotlar farklı şekilde bağlanmıştır. CL devresinde iki hat arasında bir diyot bulunmaktadır ve analog sinyal kaynaklarının giriş veya çıkışını korur. SL devresinde ise her iki hattan toprağa iki adet süpresör diyot bulunmaktadır. Bu tip CL tipinin yerine kullanıldığında artık gerilim iki katına çıkar.

Kombinasyon devrelerine neden ihtiyaç duyulur ?

Deşarj tüpü, varistör, süpresör diyot, bobin ve dirençler farklı puls’lerde farklı avantajlar sağlamaktadır. Yüksek enerjili dik bir puls geldiğinde deşarj tüpü devreye girer, düşük enerjili yavaş puls’de ise deşarj tüpü yerine varistör ve süpresör bu görevi üstlenir. Kombine devreler, gelen yüksek gerilimin tipine göre en iyi korumayı sağlarlar. 3e Electrotech Dergisi / Haziran 2010