Skuteczne zabezpieczenie fotowoltaiki dużych farm PV

Niewiele obszarów energetyki doświadczyło kiedykolwiek tak dynamicznych zmian, jak sektor instalacji PV w ostatnich latach. Bazując na ogólnodostępnych danych, w tym pochodzących z raportu Polskiego Stowarzyszenia Fotowoltaiki, tylko w latach 2018–2020 moc instalacji fotowoltaicznych wzrosła prawie czterokrotnie (z 1,2 GW do 4,5 GW). Cztery lata później, bo na koniec 2024 r., było to już 21,2 GW. Fotowoltaika dominuje również w sektorze OZE, składając się na aż 62,9% całkowitej mocy zainstalowanej elektrycznej pochodzącej z zielonych źródeł.

Mimo, że pozyskana w Polsce energia słoneczna nadal pochodzi w większości od niezależnych elektrowni PV (w tym domowych instalacji prosumenckich), powstaje u nas coraz więcej ogromnych farm fotowoltaicznych. Największe z nich, np. w Zwartowie (204 MW) i w gminie Przykona (200 MW), swoją szczytową mocą dorównują nawet wielu przeciętnym elektrociepłowniom. Nawet jeśli przyjąć, że ich faktyczna średnia wydajność jest nieco niższa, farmy słoneczne zapewniają energię dużej liczbie gospodarstw domowych i obiektów przemysłowych. 

Nie bez powodu również wspomnieliśmy o pojęciu szczytowej mocy. Jedno z nieodłącznych wyzwań związanych z produkcją energii przez fotowoltaikę to właśnie jej wydajność, uzależniona od wielu czynników. Są wśród nich takie, na które praktycznie nie da się mieć wpływu, jak np. temperatura powietrza czy zachmurzenie. Skutki działania innych można natomiast znacznie zminimalizować lub nawet całkowicie wyeliminować – jednym z takich czynników są właśnie przepięcia.

Mając powyższe na względzie, co w takim razie ma kluczowe znaczenie w maksymalizacji wydajności farm PV? Aspektem równie istotnym, a pod pewnymi względami może i nawet ważniejszym niż zabezpieczenie paneli fotowoltaicznych jest odpowiednia ochrona przeciwprzepięciowa głównych punktów odbioru (GPO). To w nich energia pozyskana przez fotowoltaikę wprowadzana jest do systemu dystrybucyjnego – uszkodzone przepięciem GPO nie spełnia więc swojej roli, a cały wyprodukowany przez farmę prąd się marnuje.  

Zanim zaczniemy omawiać ograniczniki przepięć do tego zastosowania, przyjrzyjmy się dokładniej największym zagrożeniom przepięciowym dla fotowoltaiki. 

Dlaczego farmy fotowoltaiczne są szczególnie narażone na przepięcia?

Przepięcia to jedno z największych zagrożeń dla farm fotowoltaicznych oraz jedno z tych, których nie da się całkowicie wyeliminować. Wynika ono przede wszystkim z samej natury takich instalacji, zajmujących ogromne otwarte przestrzenie i połączonych kilometrami przewodów. 

W przypadku interesujących nas najbardziej komponentów przenoszących średnie czy wysokie napięcia charakterystyka zagrożeń dodatkowo ulega zmianie. Tutaj również bezpośrednie połączenie z siecią elektroenergetyczną we wspomnianych już głównych punktach odbioru jest zagrożone przepięciami. 

To wszystko sprawia, że każda silniejsza burza może być realnym zagrożeniem dla kluczowych elementów infrastruktury. Jakie są w takim razie źródła przepięć w przypadku farm PV?

Wyładowania atmosferyczne

To pierwsze i najbardziej oczywiste źródło przepięć w tym przypadku. Instalacje PV zajmują zazwyczaj duże, niezabudowane obszary, często na równinach lub wzniesieniach, co sprzyja występowaniu wyładowań atmosferycznych. Nawet jeśli pioruny nie trafią bezpośrednio w instalację fotowoltaiczną, mogą wywołać przepięcia w okolicznych instalacjach, które rozejdą się następnie po całym systemie. 

Efektem takiego indukowanego przepięcia mogą być uszkodzenia falowników, degradacja modułów i awarie całych segmentów instalacji. Choć nie da się całkowicie zapobiec bezpośrednim uderzeniom pioruna w panele fotowoltaiczne, do ich ochrony stosuje się ograniczniki niskich napięć. Z kolei same GPO zawsze należy zabezpieczać stosując odpowiednią instalację odgromową oraz ograniczniki przepięć 

Przepięcia łączeniowe

Im większa farma, tym większe ryzyko wystąpienia przepięć wewnętrznych. Setki, a nawet tysiące metrów kabli tworzą naturalne „anteny”, zbierając zakłócenia elektromagnetyczne i indukując niebezpieczne wyładowania. Nawet jeśli infrastruktura jest dobrze zabezpieczona, sama skala systemów fotowoltaicznych sprawia, że lokalne zakłócenia napięcia są nieuniknione.

Połączenia z sieciami średniego (SN) i wysokiego napięcia (WN)

Kolejnym problemem jest podłączenie do sieci elektroenergetycznej, zwłaszcza na poziomie średniego (SN) i wysokiego napięcia (WN). Każda niestabilność w sieci – nagłe zmiany obciążenia, zwarcia czy awarie w innych częściach systemu – może odbić się na instalacji PV. Impulsy przepięciowe przemieszczają się liniami przesyłowymi, a fotowoltaika, jako źródło energii o zmiennej produkcji, jest szczególnie wrażliwa na takie zakłócenia.

To wszystko sprawia, że farmy fotowoltaiczne funkcjonują w środowisku, gdzie przepięcia są nie tyle możliwością, co nieuniknioną częścią eksploatacji. Pytanie nie brzmi więc, czy do nich dojdzie, ale kiedy – i jak poważne będą ich skutki. 

Skutki przepięć dla dużych instalacji fotowoltaicznych

Każda nieplanowana przerwa w pracy instalacji fotowoltaicznych oznacza konkretne straty. Przepięcia mogą prowadzić do utraty ciągłości generacji energii, co w przypadku dużych instalacji PV przekłada się na znaczące ograniczenie ilości dostarczanej mocy. 

W systemach podłączonych do sieci przesyłowej przerwy te mogą mieć efekt kaskadowy – od lokalnych zakłóceń po poważniejsze problemy z bilansem energetycznym na poziomie operatora. W praktyce oznacza to nie tylko mniejsze zyski dla właściciela instalacji, ale również ryzyko kar umownych wynikających z niedotrzymania zobowiązań dostawy energii.

Konsekwencje finansowe nie kończą się jednak na utraconych przychodach. Każde przepięcie spotykające instalację fotowoltaiczną może skutkować uszkodzeniem kluczowych komponentów. To z kolei wiąże się z kosztami naprawy lub wymiany sprzętu. Szczególnie zagrożone są falowniki, które odpowiadają za konwersję prądu stałego na przemienny, a ich awaria może unieruchomić całą sekcję farmy. 

Podobnie moduły fotowoltaiczne mogą ulec degradacji w wyniku powtarzających się impulsów napięciowych, nawet jeśli nie dochodzi do ich natychmiastowego uszkodzenia. Co gorsza, przepięcia mogą także wpływać na infrastrukturę sieciową, w tym transformatory i rozdzielnie SN/WN, co dodatkowo komplikuje proces przywracania pełnej sprawności instalacji.

W skrajnych przypadkach skutki przepięć mogą być nieodwracalne. Powtarzające się przeciążenia prowadzą do stopniowej degradacji elementów elektronicznych, skracając ich żywotność oraz zwiększając ryzyko awarii w najmniej oczekiwanym momencie. W przypadku poważniejszych udarów napięciowych możliwe jest całkowite uszkodzenie infrastruktury, wymagające kosztownej wymiany i długiego okresu przestoju. 

Skutki przepięć wykraczają więc daleko poza chwilowe zakłócenia – to realne ryzyko finansowe, techniczne i operacyjne. Znając już lepiej ich potencjalne efekty, możemy przyjrzeć się temu, jak zadbać o odpowiednie zabezpieczenia instalacji PV i temu, jaka jest…

Rola ograniczników przepięć PROXAR IV w ochronie farm fotowoltaicznych 

Mimo że przepięcia są nieuniknioną częścią pracy farm fotowoltaicznych, nie oznacza to, że nie można się skutecznie przed nimi chronić. Ważną rolę w tym procesie odgrywają ograniczniki przepięć, zwłaszcza te przeznaczone dla sieci średniego (SN) i wysokiego napięcia (WN). Ich zadaniem jest pochłanianie i odprowadzanie nadmiarowej energii, zanim zdąży ona uszkodzić kluczowe elementy infrastruktury. 

W dużych instalacjach problem przepięć jest znacznie bardziej złożony niż w przypadku mniejszych systemów niskonapięciowych. Wysokie wartości napięcia wymagają bardziej zaawansowanych rozwiązań ochronnych, odpornych na skrajne warunki eksploatacyjne. Ograniczniki stosowane na poziomie SN i WN muszą radzić sobie nie tylko z krótkimi impulsami przepięciowymi, ale także z ich skumulowanym oddziaływaniem na przestrzeni lat. Każde wyładowanie atmosferyczne czy zakłócenie w sieci może prowadzić do degradacji sprzętu, dlatego niezawodność tych urządzeń jest absolutnym priorytetem.

Jakie są czynniki, którymi powinien wyróżniać się skuteczny ogranicznik przepięć w sieciach SN i WN? 

1. Prąd znamionowy dostosowany do poziomu ochrony wymaganej przez daną instalację. 
2. Klasa ochrony określająca, jak skutecznie dany ogranicznik tłumi przepięcia o różnej charakterystyce. 
3. Odporność energetyczna, czyli zdolności do pochłaniania energii wyładowań atmosferycznych bez degradacji elementów ochronnych. 

W farmach PV, gdzie każdy komponent pracuje w ekstremalnych warunkach, te parametry decydują o tym, czy system ochrony faktycznie spełni swoją rolę, czy stanie się kolejnym punktem ryzyka.

PROXAR-IVN DC - przykład ogranicznika przepięć odpowiedniego dla farm fotowoltaicznych

Jak dobrać odpowiednie ograniczniki przepięć do farmy fotowoltaicznej? 

Wybór ograniczników przepięć dla farmy fotowoltaicznej to decyzja, która może przesądzić o niezawodności całej instalacji. Aby ochrona przeciwprzepięciowa była skuteczna, konieczna jest dokładna analiza potrzeb, uwzględniająca zarówno poziom napięcia w systemie, jak i specyfikę poszczególnych elementów infrastruktury. Inne wymagania będą dotyczyć ograniczników stosowanych na poziomie stringów PV, inne dla falowników, a jeszcze inne dla linii SN i WN, przez które energia trafia do sieci.

Podstawowym aspektem, który należy tutaj uwzględnić jest integracja z istniejącą infrastrukturą elektroenergetyczną. Ograniczniki muszą być kompatybilne z parametrami pracy sieci oraz odpowiednio rozmieszczone, aby skutecznie tłumić przepięcia powstające w różnych częściach systemu. Istotnym czynnikiem jest także koordynacja izolacji – nieodpowiednio dobrane urządzenia mogą wpłynąć na wzrost napięć udarowych w innych punktach instalacji, zamiast je ograniczać. Dlatego ich rozmieszczenie i parametry powinny być dostosowane nie tylko do samej instalacji PV, ale także do sieci SN/WN, do której jest podłączona.

Nie można też zapominać o normach i standardach, które definiują wymagania dla skutecznej ochrony przeciwprzepięciowej. Ogromną rolę odgrywa tu norma IEC 60099-4, określająca wymagania techniczne dla ograniczników przepięć stosowanych w sieciach SN i WN. 

To właśnie ona wyznacza kryteria dotyczące napięcia znamionowego, zdolności pochłaniania energii oraz odporności na powtarzające się udary przepięciowe. Stosowanie urządzeń zgodnych z tą normą to gwarancja, że zabezpieczenia rzeczywiście spełnią swoją rolę w warunkach rzeczywistej eksploatacji.

Zabezpieczenie instalacji fotowoltaicznej – Długoterminowe korzyści z zastosowania ograniczników PROXAR

Regularne awarie i konieczność wymiany uszkodzonych komponentów to jedne z głównych źródeł nieplanowanych wydatków w długim okresie eksploatacji. Dla przypomnienia: w przypadku dużych farm fotowoltaicznych, zazwyczaj oczekiwany okres bezawaryjnego działania to ok. 20 lat.

Odpowiednio dobrane ograniczniki przepięć SN i WN pozwalają znacząco ograniczyć te ryzyka, chroniąc zarówno falowniki, transformatory, jak i całą infrastrukturę przesyłową. Mniej awarii oznacza mniej przestojów, a to bezpośrednio przekłada się na wyższą efektywność farmy i lepszą rentowność inwestycji.

Zabezpieczenie instalacji przed przepięciami to także ochrona środowiska, która często jest pomijanym, ale niezwykle istotnym aspektem. Każda awaria to potencjalne straty energii i konieczność utylizacji uszkodzonych elementów, co wiąże się z dodatkowym śladem węglowym. Stabilna i niezawodna praca farmy PV minimalizuje te negatywne skutki, jeszcze lepiej wpisując się w ideę zrównoważonego rozwoju. 

Co więcej, zapobieganie uszkodzeniom infrastruktury elektroenergetycznej pomaga unikać sytuacji, w których nagłe przerwy w dostawie prądu mogą prowadzić do konieczności zwiększonego wykorzystania konwencjonalnych źródeł energii.

Podsumowanie 

Inwestycje w odnawialne źródła energii wiążą się z wieloletnimi prognozami rentowności, a każda nieplanowana awaria może podważyć stabilność finansową danego projektu. Odpowiednie zabezpieczenia przeciwprzepięciowe stanowią więc gwarancję, że farma PV będzie działać zgodnie z założeniami, bez ryzyka nagłych strat wynikających z uszkodzeń infrastruktury. Dla inwestorów oznacza to mniejsze ryzyko, dla operatorów większą przewidywalność pracy systemu, a dla całego sektora OZE – dalszy rozwój i większą stabilność w długim okresie.

W świecie energii odnawialnej niezawodność ma kluczowe znaczenie. Właściwie zaprojektowane zabezpieczenia przeciwprzepięciowe to nie tylko koszt, ale przede wszystkim inwestycja w bezpieczeństwo, efektywność i przyszłość farm fotowoltaicznych.

Zastanawiasz się, jakie ograniczniki przepięć sprawdzą się najlepiej do zabezpieczenia instalacji fotowoltaicznej w przypadku farmy PV? Porozmawiajmy o Twoim projekcie – umów się z nami na konsultację techniczną, w trakcie której omówimy temat skutecznego doboru ograniczników przeciwprzepięciowych SN i WN.