Типы солнечных кабелей: объяснение фотоэлектрических проводов, кабелей USE-2 и переменного тока

Определяющее различие между типами солнечных кабелей заключается в том, предназначены ли они для непосредственной прокладки в фотоэлектрической батарее постоянного тока или для соединения переменного тока между инвертором и электросетью. Фотоэлектрический провод (УЛ 4703) — единственный тип кабеля, рассчитанный как на прямое захоронение, так и на постоянное воздействие солнечного света в массиве постоянного тока, с номиналом 90 °C во влажном состоянии и 150 °C в сухом состоянии, что делает его обязательным для незаземленных бестрансформаторных инверторных систем, работающих при напряжении 1000 или 1500 В постоянного тока. Кабель ЕГЭ-2, хотя и по-прежнему внесен в список предназначенных для прямого захоронения, не обладает полной устойчивостью к солнечному свету и более высоким температурным запасом, которые требуются современным высоковольтным массивам.

Четыре основные категории солнечных кабелей

Фотоэлектрическая система содержит отдельные электрические зоны, каждая из которых регулируется определенным типом кабеля и соответствующим набором требований к установке в соответствии со статьей 690 Национального электротехнического кодекса (NEC). Четыре типа кабелей, которые присутствуют в правильно спроектированной системе от массива до точки соединения, следующие.

Фотоэлектрический провод, соответствующий UL 4703 и соответствующему стандарту UL 4703, представляет собой одножильный кабель с изоляция из сшитого полиэтилена (XLPE) и внешнюю куртку, устойчивую к солнечному свету. Он рассчитан на 600 В, 1000 В или 2000 В в зависимости от толщины изоляции, вариант на 2000 В указан для массивов общего назначения на 1500 В постоянного тока. Изоляция из сшитого полиэтилена обеспечивает термореактивность, то есть кабель сохраняет свою диэлектрическую прочность и механические свойства даже после длительного воздействия максимальной рабочей температуры проводника: 90°C во влажном состоянии и 150°C в сухом состоянии. Провод из луженой меди, скрученный в соответствии с ASTM B174 класса B или C, устойчив к коррозийному воздействию влаги, которая проникает в изоляцию в течение десятилетий эксплуатации. Фотоэлектрический провод — единственный кабель в солнечной промышленности, который несет Класс огнестойкости VW-1 и рейтинг прямого захоронения. одновременно, удовлетворяя как требованиям пожарной безопасности при установке на крыше, так и требованиям подземной прокладки в наземных системах сбора постоянного тока.

Кабель USE-2, изготовленный в соответствии с УЛ 854 и признанный статьей 338 NEC, представляет собой одножильный кабель, рассчитанный на подземный служебный ввод. Он использует Изоляция из сшитого полиэтилена По химическому составу он идентичен фотоэлектрическому проводу, но имеет более толстую и прочную оболочку, предназначенную для того, чтобы противостоять механическому истиранию при протягивании через подземный трубопровод и прямом контакте с землей. Его номинальное напряжение ограничено 600 В, а максимальная температура проводника составляет 90°C влажная и 90°C сухая , критическое ограничение по сравнению с фотоэлектрическим проводом. Отсутствие сухой температуры 150°C означает, что USE-2 нельзя использовать на открытом воздухе внутри массива на крыше, где температура задней панели модуля обычно достигает 75–85°C, а повышение температуры проводника при полной нагрузке приводит к тому, что изоляция переходит в зону тепловой перегрузки.

Кабель ТК-ER с кабельным лотком, рассчитанный на открытую прокладку, служит магистралью сбора постоянного тока между объединительным блоком и входом инвертора или между несколькими цепными инверторами в последовательной конфигурации. TC-ER представляет собой многопроводную сборку, обычно состоящую из трех проводников плюс заземление, с внутренней изоляцией из ПВХ и внешней оболочкой из нейлона или ПВХ. Он рассчитан на 600 В и 90°C сухой , и его указание позволяет прокладывать кабельный лоток без кабелепровода на открытых участках. Многожильная конструкция упрощает проводку по сравнению с прокладкой отдельных одножильных кабелей, но оболочка из ПВХ разрушается под воздействием ультрафиолетового излучения, поэтому при установке на открытом воздухе под прямыми солнечными лучами TC-ER необходимо закрывать.

Строительный провод ТХН/ТХВН-2, хотя и не является выделенным солнечным кабелем, проходит на стороне переменного тока выхода инвертора и идет к главной сервисной панели или точке подключения к сети. Рейтинг 600 В и 90°C сухой, 75°C wet , с нейлоновой оболочкой поверх изоляции из ПВХ, он экономически эффективен, широко доступен и соответствует нормам для всей внутренней проводки переменного тока после инвертора. Его устойчивость к солнечному свету равна нулю, и он не внесен в список захоронений, поэтому его использование строго ограничивается внутренними кабельными каналами, кабелепроводами и закрытыми панелями объединителей переменного тока.

Сравнительная таблица технических характеристик типов солнечных кабелей

Выбор класса напряжения и переход на 1500 В

Переход от системной архитектуры с 1000 В постоянного тока к 1500 В постоянного тока в фотоэлектрических установках коммунального масштаба снижает ток сбора постоянного тока примерно на одну треть при той же пропускной способности, сокращая количество объединительных коробок, фидеров постоянного тока и связанных с ними траншей в аналогичной пропорции. Однако более высокое напряжение предъявляет более строгие требования к изоляции. Для массива с напряжением 1500 В постоянного тока требуется фотоэлектрический провод, рассчитанный на 2000 В постоянного тока , а не 1000 В постоянного тока. Толщина изоляции фотоэлектрического провода напряжением 2000 В составляет примерно 2,4 мм для проводников 10 AWG по сравнению с 1,14 мм для варианта на 1000 В. . Такая увеличенная толщина стенок снижает гибкость кабеля и увеличивает минимальный радиус изгиба, что усложняет прокладку проводов внутри распределительных коробок модулей и корпусов инверторов постоянного тока.

Стандарт IEC 62930, применяемый во всем мире за пределами Северной Америки, гармонизирует требования к характеристикам фотоэлектрических кабелей на 1500 В. Он определяет минимальное сопротивление изоляции 10 МОм·км при 20°C , цифра проверена во время заводских производственных испытаний каждой катушки перед отправкой. Полевые испытания установленного фотоэлектрического провода напряжением 1500 В мегаомметром на 5000 В должны дать значения сопротивления изоляции не менее 4 МОм на цепочку перед подключением цепочки к инвертору, пусковой клапан, который определяет повреждение оболочки или неправильное обжатие уплотнений разъема MC4.

Снижение номинальных значений температуры и коррекция токовой нагрузки

Таблицы токовой нагрузки в статье 310.15 NEC предполагают температуру окружающей среды 30°C и не более трех токоведущих проводников на кабельной дорожке. Солнечная система сбора постоянного тока обычно нарушает оба предположения. На крыше в Финиксе, штат Аризона, где температура окружающего воздуха на высоте 12 дюймов над поверхностью крыши летним днем достигает 65°C, температурный поправочный коэффициент для фотоэлектрического провода, рассчитанного на температуру 90°C, равен 0.58 согласно таблице NEC 310.15(B)(1)(1). Таким образом, фотоэлектрический провод сечением 10 AWG с током 40 ампер при 30°C снижается до 23,2 ампера при 65°С. Если этот же провод связан с тремя другими токоведущими цепочками в кабелепроводе на расстояние, превышающее 24 дюйма, дополнительный поправочный коэффициент 0.80 применяется, что еще больше снижает допустимую силу тока до 18,6 А.

В результате проводник сечением 10 AWG, который на первый взгляд кажется слишком большим для тока в цепи в 9 А, работает при почти на 50% снижена номинальная мощность после коррекции температуры и комплектации . Инженерная практика для систем на крыше определяет 10 AWG как минимальный размер фотоэлектрического провода для межмодульных соединений, при этом 8 AWG требуется для внутренних проводников, обслуживающих более двух цепочек, - эмпирическое правило, полученное на основе данных о температуре на крыше для наихудшего случая, а не фиксированного стандарта.

Химический состав изоляции и преимущества сшитого полиэтилена

Изоляционный материал отличает солнечный кабель от строительного провода общего назначения больше, чем любой другой атрибут. Сшитый полиэтилен, сшитый полиэтилен, используемый в фотоэлектрических проводах и USE-2, является термореактивным материалом, то есть полимерные цепи химически сшиваются в процессе отверждения. После сшивки материал не может плавиться или течь при нагревании. Фотоэлектрический провод, подвергающийся воздействию температуры проводника 150°C, сохраняет свою физическую форму и диэлектрическую прочность, тогда как провод THHN с ПВХ-изоляцией при той же температуре размягчается, течет и создает внутреннее короткое замыкание.

Процесс сшивки, достигаемый за счет влагоотверждения на основе силана или облучения электронным лучом, также улучшает сопротивление изоляции хладотекучеству при сжатии. Когда фотоэлектрический провод зажат между рамой модуля и монтажной рейкой, изоляция из сшитого полиэтилена выдерживает сжатие, которое со временем может привести к утончению изоляционной стенки из ПВХ. Сохраняемая толщина стенки после 1000 часов сжимающей нагрузки при 90°C обычно составляют от 85% до 90% исходной толщины для сшитого полиэтилена по сравнению с 60% или менее для ПВХ. . Это свойство имеет важное значение для фотоэлектрических батарей, где зажимы модулей и зажимы для проводов создают локализованные точки давления, которые сохраняются в течение 25-летнего расчетного срока службы системы.

Совместимость разъемов и стандарт MC4

Сам солнечный кабель является лишь проводником; завершение разъема является точкой отказа на уровне системы. Отраслевым стандартом является разъем MC4, первоначально разработанный компанией Multi-Contact, а теперь производимый по лицензии более чем дюжиной мировых поставщиков. MC4 рассчитан на 1500 В постоянного тока и постоянный ток 30 А с фотоэлектрическим проводом сечением 4 мм² или 6 мм² (от 12 AWG до 10 AWG). , и при соединении он сохраняет степень защиты IP68, что означает, что он выдерживает длительное погружение в воду на глубину 1 метр.

Критическим правилом надежности является однородность разъемов: разъемы «папа» и «мама» на одной струне должны быть от одного и того же производителя. Соединение разъема Amphenol H4 с оригинальным разъемом Staubli MC4, несмотря на их физическую совместимость и внесение в список UL, создает риск гальванической коррозии на контактном интерфейсе, поскольку основные металлы и толщина покрытия различаются. Результирующее контактное сопротивление, измеренное четырехпроводным миллиомметром, может начинаться с приемлемого значения. 0,5 миллиом но может подняться до 5 миллиом или более в течение трех лет термоциклирования, при котором нагрев I²R разъема превышает температуру окружающего кабеля и ускоряет окисление. Отказы в эксплуатации, вызванные несоответствием разъемов, являются самой распространенной страховой претензией в отношении систем на крышах жилых домов.

Требования к проводникам заземления и соединения оборудования

Провод заземления оборудования (EGC) в солнечной батарее служит в качестве пути возврата тока повреждения и должен быть рассчитан на выдерживание полного тока короткого замыкания батареи без превышения ее номинальной температуры. Таблица 250.122 NEC определяет размер EGC на основе номинала устройства защиты от перегрузки по току, но для бестрансформаторных инверторов, в которых встроено обнаружение замыкания на землю постоянного тока, согласно передовой инженерной практике рекомендуется использовать EGC не меньше, чем самый большой проводник цепи постоянного тока, даже если меньший размер разрешен кодом. Фотоэлектрический провод 10 AWG, используемый в качестве незаземленного положительного проводника постоянного тока, должен сопровождаться минимум 10 AWG EGC , размер соответствует 690,45 NEC.

На стороне переменного тока EGC между инвертором и главной сервисной панелью обычно представляет собой провод THHN/THWN-2 с зеленой изоляцией, размер которого соответствует таблице 250.122, исходя из степени защиты от перегрузки по току на выходе переменного тока инвертора. Выходной выключатель инвертора на 40 А требует минимум 10 AWG, медный EGC . EGC не является токоведущим проводником при нормальной работе, но должен быть способен проводить полный ток замыкания на землю в течение времени, необходимого устройству максимального тока для устранения повреждения, продолжительность которого обычно составляет менее 0,1 секунды для современных токоограничивающих автоматических выключателей.

Прокладка кабелей и защита от ультрафиолетового излучения

Даже устойчивый к солнечному свету фотоэлектрический провод требует физической защиты от острых краев, повреждений дикой природы и концентрированного разрушения ультрафиолетом в точках нагрузки. Кабели на наземном массиве прокладываются через кабельный лоток из металла или полиэтилена высокой плотности (HDPE), закрепляемый кабельными стяжками из нержавеющей стали с интервалами, не превышающими 1,5 метра . Кабельные стяжки не должны чрезмерно сжимать изоляцию; натяжение стяжки, превышающее спецификации производителя, может привести к хладотекучести изоляции из сшитого полиэтилена и уменьшению толщины стены в точке стяжки на 50 % в течение одного термического цикла.

При установке на крыше фотоэлектрический провод должен поддерживаться над поверхностью крыши с помощью кабельных зажимов или каналов для прокладки проводов, встроенных в раму модуля. Прямой контакт между оболочкой кабеля и асфальтовой черепицей передает тепло от поверхности крыши кабелю, повышая температуру проводника примерно на от 5°C до 10°C выше температуры окружающего воздуха , запас, который может поднять температуру проводника за пределы его влажного номинала 90 ° C в сочетании с током полной нагрузки и высоким уровнем излучения задней панели модуля. Кабель также необходимо прокладывать так, чтобы избежать застоя воды в нижних точках крыши, где циклы замерзания и оттаивания подвергают оболочку нагрузке из-за многократного расширения и сжатия ледяных образований.