A kábelrendezés optimalizálása a közüzemi méretű fényelektromos rendszerek biztonságának és a hatásfokának javítása érdekében

A napfény hatására villanyáramot fejlesztő, közüzemi méretű fényelektromos vagy fotovoltaikus (PV, photovoltaic) rendszerek jellemzően több megawatt (MW) villamos energiát termelnek, és jelentősen hozzájárulnak a zöldenergia előállításához és a fenntarthatóság elősegítéséhez. Minden egyes megawatt előállításához körülbelül 2900 napelemre van szükség, amelyek több hektárnyi területet foglalnak el, ezenkívül egy vagy több inverterre és vezérlőegységre, valamint a hálózatra csatlakoztást megteremtő berendezésekre. Mindezen elemek összekapcsolása egy fényelektromos rendszerrel több kilométernyi táp- és felügyeleti kábelt, valamint több tízezer kábelrendező alkatrészt igényelhet. Ha nem megfelelően alakítják ki, a kábelezés és a kábelrendező alkatrészek gyenge láncszemmé válhatnak, ami rontja a hatásfokot, korlátozza a rendelkezésre állást, és növeli a biztonsági kockázatokat, valamint a kiépítési és üzemeltetési költségeket.

A biztonságos és hatékony kábelrendező rendszerek tervezése összetett feladat. Egy ilyen rendszer tartalmaz kábelrögzítőket az erősáramú kábelezés rövidzárlat elleni védelmére, feszültségmentesség-ellenőrzőket a létesítményt kiszolgáló személyzet védelmére, élcsipeszes kábelkötegelőket a megbízható jelzőrendszeri és felügyeleti csatlakozásokhoz, valamint rásajtolható füles csatlakozókat a táp- és testcsatlakozáshoz. Ezenkívül ezeknek az alkatrészeknek meg kell felelniük különböző nemzetközi szabványoknak, például a kábelrögzítőknek az IEC 61914:2015 szabványnak, hogy ellenálljanak a testzárlatnak, a feszültségmentesség-ellenőrzőknek az UL és CSA biztonsági szabványok, valamint az amerikai Országos Tűzvédelmi Társaság (National Fire Protection Association, NFPA) előírásainak megfelelően kell működniük, és meg kell felelniük a napelemes rendszerek alkatrészeire megszabott általános követelményeknek, hogy ellenálljanak a fényelektromos berendezésekre vonatkozó IEC 61215 szabványban meghatározott kültéri viszonyoknak.

Ez a cikk bemutatja a közüzemi méretű fényelektromos berendezések elemeit, különös tekintettel a szükséges kábelrendező alkatrészek nagy számára, ismerteti a kapcsolódó nemzetközi biztonsági szabványok egy részét, és áttekinti a zord környezetben való működés és a gazdaságos kiépítés követelményeit. A cikkben a Panduit cég termékeit mutatjuk be gyakorlati példákként.

A rendszeregyensúly növekvő jelentősége

A fényelektromos berendezéseknél a rendszeregyensúly (BOS, balance of system) magában foglal mindent a fényelektromos paneleken, például állványokon, kábeleken, kábelrendezőkön, invertereken és egyéb rendszereszközökön, valamint a munkaerőn és a szoftvereken kívül. A fényelektromos panelek technikai fejlődésével a panelek ára gyorsabban csökkent, mint a rendszeregyensúlyt alkotó összetevőké. A Nemzetközi Megújulóenergia-ügynökség (IRENA, International Renewable Energy Agency) elemzése szerint a fényelektromos berendezések költségcsökkenésének 62%-át a fényelektromos panelek és az inverterek árának jelentős csökkenése okozta ¹.

A fényelektromos panelek és inverterek csökkenő árai a rendszeregyensúlyt alkotó összetevőkre irányították a figyelmet. Az IRENA szerint a rendszeregyensúly egyre nagyobb arányt képvisel a fényelektromos berendezések költségében, ez a 2007-es 58%-ról 2017-re 80%-ra emelkedett (1. ábra). Ugyanakkor az elosztósínek feszültségének 1 kV (kV_DC) vagy még magasabb értékű egyenfeszültségre növelése megnövelte a rendszeregyensúlyt alkotó összetevők jelentőségét a rendszer hatásfoka és biztonsága szempontjából. A jövőben a rendszeregyensúlyt alkotó összetevők egyre fontosabbá válnak a költségcsökkentés előmozdításában és a működési hatékonyság javításában, beleértve a biztonság növelését és a hatásfok javítását is a hálózati méretű fényelektromos rendszerekben.

1. ábra: A fényelektromos panelek telepítési költségeinek aránya csökkent a teljes költségen belül, ami megnöveli a rendszeregyensúly jelentőségét a fényelektromos rendszerekben (ábra: Panduit)

A kábelrendezés kritikus szempont a hálózati méretű fényelektromos rendszerek rendszeregyensúlyát tekintve. Jelentős hatással van a biztonságra, a költségekre és a hatásfokra. A kábelrögzítők használata jó példa az optimalizált kábelrendezés előnyeire, ugyanis rövidzárlatvédelmet biztosítanak az erősáramú kábelek számára. Megfelelő védelem nélkül a rövidzárlat során fellépő nagy áramok felmelegíthetik a vezetőket, ami tűz vagy robbanás veszélyét hordozhatja. A rövidzárlati áramok emellett nagy elektromechanikai igénybevételt is jelentenek az energiaelosztó kábelekben.

A lehető legnagyobb biztonság érdekében a kábelrögzítőknek meg kell felelniük az IEC 61914:2015 szabvány követelményeinek. A legnagyobb elektromechanikus feszültség rövidzárlat esetén körülbelül 5 ezredmásodperc (ms) után jelentkezik. Ez jóval rövidebb idő, mint az áramkörvédő eszközök, például a megszakítók reakciójához szükséges 60–100 ms. Az IEC 61914:2015 szabvány 100 ms rövidzárlati tesztelési időtartamot ír elő a kábelrögzítőkre vagy más néven kábelbilincsekre. A Panduit szimulációs szoftvert használ a kábelrögzítők tervezésekor, majd tápzárlati hibának teszi ki a kábelrögzítőket, így ellenőrizve, hogy megfelelnek-e az IEC 61914:2015 szabványnak (2. ábra).

2. ábra: A rövidzárlat kezdeti szakaszában a kábelekre ható elektromágneses erők ANSYS szoftverrel végzett szimulációja (ábra: Panduit)

Az IEC 61914:2015 többről szól pusztán a rövidzárlat elleni védelemnél, a következőkre vonatkozó rendelkezéseket is tartalmaz:

• hőmérsékleti besorolás
• a lángterjedéssel szembeni ellenállás
• korrózióállóság
• tengelyirányú terheléses vizsgálat
• oldalirányú terheléses vizsgálat
• ütésállóság
• az ibolyántúli fény tűrése (UV-állóság)

A Panduit Trefoil kábelrögzítők 316L rozsdamentes acélból, más néven tengerészeti minőségű rozsdamentes acélból készülnek, és 20–69 mm átmérőjű kábelek rögzítésére alkalmas változatokban készülnek. A CCSSTR6269-X jelű változattal például 62–69 mm átmérőjű kábeleket lehet rögzíteni. Ezeket a kábelrögzítőket a kábel lefektetése után lehet felszerelni Panduit rögzítőkonzolok segítségével, vagy a kábel lefektetése előtt közvetlenül a kábeltálca kereszttartóira („létrafokaira”) lehet őket felszerelni M8-as csavarral egy rögzítőfuraton keresztül (3. ábra).

3. ábra: A Panduit Trefoil kábelrögzítők felszerelhetők például az ábrán látható módon, rögzítőkonzol segítségével (kép: Panduit)

A rövidzárlat során fellépő elektromechanikus erők összetettsége és az IEC 61914:2015 szabvány teljesítményre vonatkozó szigorú követelményei együttesen fárasztó matematikai feladattá teszik annak meghatározását, hogy milyen kábelrögzítőkre van szükség. A Panduit erre a célra a Cable Cleat kAlculator (Kábelrögzítő-kalkulátor) alkalmazást kínálja, amely több mint 60 Panduit kábelrögzítő közül ajánl az IEC 61914:2015 szerint megfelelő a rövidzárlat-védelmi megoldásokat a kiválasztási folyamat felgyorsítása érdekében. A kAlculator alkalmazás használatával a kábelrögzítők kiválasztása egy egyszerű háromlépéses folyamatra redukálható:

1. Válassza ki a kábelelrendezést.
2. Adja meg a kábel átmérőjét.
3. Adja meg a rövidzárlati csúcsáramot.

Az alkalmazás alkatrész- és távközajánlásokat ad.

Áramellátás és testelés

A táp- és testkábelek kábelrögzítőin kívül a közüzemi méretű fényelektromos berendezésekhez táp- és testcsatlakozásra is szükség van. A rásajtolható réz füles csatlakozókkal hatékony csatlakozást lehet megvalósítani, és csak a Panduit kínál olyan rásajtolható réz füles csatlakozókat, amelyek a Telcordia Technologies tesztjei alapján megfelelnek a hálózatiberendezés-építési rendszerek (Network Equipment Building Systems, NEBS) 3. szintű követelményeinek. A NEBS 3. szintnek való megfelelés szavatolja a felhasználók számára, hogy a Pan-Lug rásajtolható csatlakozók megbízható teljesítményt nyújtanak olyan felhasználási területeken, mint például a közüzemi méretű fényelektromos rendszerek, amelyek a berendezés teljes élettartama alatt nagyon kevés szolgáltatásmegszakítást igényelnek.

A közüzemi méretű fényelektromos berendezések tervezői használhatják a Panduit hajlékony vezetékes, kétfuratú, szabványos hengeres kábelcsatlakozójú rásajtolható csatlakozóit, amelyek hajlékony, rendkívül hajlékony, valamint kóddal jelölt sodrott rézvezetékekkel használhatók hatékony és megbízható táp- és testcsatlakozók létrehozásához. Például az LCDX1/0-14B-X jelű típus 1 AWG huzalméretű (7,35 mm átmérőjű) kábelekkel való használatra van méretezve, és két 0,25 hüvelyk (6,3 mm) átmérőjű, egymástól 0,75 hüvelyk (19 mm) távolságban lévő furattal van ellátva (4. ábra). Az összes Pan-Lug rásajtolható csatlakozó közös jellemzői a következők:

• UL-listások, és CSA tanúsítvánnyal rendelkeznek 35 kV-ig, és +90 °C hőmérsékletre vannak méretezve.
• A belül ferde hengeres csatlakozóvégek megkönnyítik a vezeték behelyezését.
• Ellenőrző ablak a teljes hosszban való behelyezés ellenőrzésére.
• 99,9%-os tisztaságú réztest, ónozva a korrózió ellen.

4. ábra: Az ehhez hasonló rásajtolható füles csatlakozók alkalmasak közüzemi méretű fényelektromos rendszerek táp- és testcsatlakozóiként való használatra (kép: Panduit)

Csipeszek és kábelkötegelők

A villamos kábelezésen kívül a közüzemi méretű fényelektromos berendezések több kilométernyi kábelt is tartalmazhatnak a vezérlési és felügyeleti funkciókhoz. Ha nem megfelelően méretezik és szerelik fel őket, a kábelrendezéshez használt kábelcsipeszek és kábelkötegelők csökkenthetik a rendszer megbízhatóságát, és növelhetik a kiépítési és üzemeltetési költségeket. Az általános célú kábelcsipeszeket nem arra tervezték, hogy hosszú távon napfénynek és kültéri időjárási körülményeknek legyenek kitéve. A fényelektromos berendezésekben használt általános célú, nem UV-álló (az ibolyántúli fényt rosszul tűrő) műanyag csipeszek és kábelkötegelők törékennyé válhatnak, és rendszeres cserét igényelhetnek. Ezenkívül a sónak való kitettség is korrodálhatja a fémcsipeszeket, és károsíthatja a fényelektromos panelek horganyzott széleit. A karbantartási költségek mindkét esetben jelentősen megnövekedhetnek, és a megbízhatóság is csorbát szenvedhet.

Az általános célú csipeszek és kábelkötegelők helyett a fényelektromos rendszerek tervezői használhatják a Panduit CMSA12-2S-C300 jelű alkatrészhez hasonló hőstabilizált, időjárásálló, PA 6.6-os nejlonból, horganyzott fémcsipeszek felhasználásával készült és az IEC 61215 szabvány előírásainak megfelelően tesztelt, kültéri fényelektromos berendezésekhez való használatra alkalmas kábelkötegelőket (5. ábra). További jellemzők:

• Éghetőségi besorolás: UL94V-2.
• –60 °C és +115 °C közötti folyamatos működésre tervezve.
• Megfelel az EN45545-2 szabvány R22:HL3 és R23:HL3 besorolást kielégítő tűzvédelmi követelményeinek.
• Az ibolyántúli sugárzás miatti roncsolódás miatti várható élettartam 7–9 év.

5. ábra: Ez az élcsipeszes kábelkötegelő időjárásálló PA 6.6 nejlonból készült, és horganyzott acélcsipeszekkel van ellátva, amelyek zord kültéri körülmények között is nagy megbízhatóságot nyújtanak (kép: Panduit)

Ezek az élcsipeszes tartóval ellátott kábelkötegelők ragasztóanyag és fúrás nélkül rögzítik a kábelkötegeket. A kábelkötegelők gyárilag össze vannak szerelve a csipesszel, és változattól függően 0,7 mm és 3 mm közötti vastagságú panelek élére rögzíthetőek. A fémcsipesz biztos rögzítést tesz lehetővé, és szerszám nélkül, kézzel is felszerelhető.

Ezek a kábelkötegelők gyors szerelésre lettek tervezve. A hagyományos kábel-gyorskötegelővel összehasonlítva, amelynek felszerelése körülbelül 21 másodpercet vesz igénybe, ezek az élcsipeszek 11 másodperc alatt felszerelhetők, így csipeszenként 10 másodpercet lehet velük megtakarítani. Ez aztán összeadódik. Egy jellegzetes, megawattonként 2900 fényelektromos panelt és panelenként három csipeszt tartalmazó közüzemi méretű fényelektromos rendszer esetén a munkaidő-megtakarítás 24,17 óra, azaz 47% is lehet (a hagyományos kábel-gyorskötegelők felszereléséhez 50,75 óra kell, szemben a Panduit napelemkábel-élcsipeszek felszereléséhez szükséges 26,58 órával) (6. ábra).

6. ábra: A napelemkábel-élcsipeszek használata akár 47%-kal is csökkentheti a felszerelési időt (ábra: Panduit)

Hálózati méretű fényelektromos berendezések kiszolgálása

A hálózati méretű fényelektromos berendezések, különösen a hálózati elosztókábelek szervizelésekor a biztonsági előírások szerint feszültségmentesség-ellenőrzési vizsgálatot kell végezni annak igazolása érdekében, hogy a munkaterületen nincsenek jelen veszélyes feszültségek. Például az amerikai Országos Tűzvédelmi Társaság NFPA-70E előírása megköveteli, hogy mielőtt a karbantartó személyzet bármilyen munkát végezhetne a berendezések szekrényeiben, ellenőrizni kell, hogy nincs ott jelen nagyfeszültség. A feszültségmentesség vizsgálata (AVT, absence of voltage test) kézi hordozható mérőműszerekkel bonyolult, tele van lehetséges pontatlanságokkal, és még időigényes is. A Panduit VeriSafe AVT tesztkészülékei olyan automatizált megoldást kínálnak, amely már az ajtó kinyitása előtt megvizsgálja, hogy vannak-e veszélyes feszültségek a berendezés szekrényének belsejében. Az automata tesztkészülék használata számos előnnyel jár, többek között a következőkkel:

• A megbízhatóság növeli a biztonságot, és csökkenti a kockázatot.
• Az egyszerűség növeli a termelékenységet, és elősegíti a biztonsági előírások betartását.
• A rugalmasság javítja a rendszer kialakítását.

A VeriSafe AVT-k, mint például a VS-AVT-C02-L03 típus, több elemből állnak, köztük egy leválasztómodulból, amelyet a házon belülre kell felszerelni, és több érzékelővezetéket csatlakoztat a nagyfeszültségű területekhez, valamint a nulla- és testvezetékekhez. A leválasztómodul biztonságosan csatlakozik egy elemről vagy akkumulátorról működő jelzőmodulhoz, amely a ház ajtaját becsukva látható, valamint a két modult összekötő rendszerkábelhez (7. ábra).

7. ábra: Az AVT rendszer egy rendszerkábelből (balra), egy jelzőmodulból (középen) és egy érzékelővezetékekkel ellátott leválasztómodulból (jobbra) áll (kép: Panduit)

A VeriSafe AVT rendszerrel történő tesztelés indításakor meg kell nyomni a jelzőmodulon lévő tesztgombot, mire a rendszer önellenőrzést hajt végre. Az önellenőrzés esetleges sikertelenségét piros LED-ek és a tesztelés leállása jelzik. Ha az önellenőrzés sikeres, a leválasztómodul megvizsgálja a feszültségeket és a testelési hibákat. Utolsó lépésként az AVT végrehajt egy második önellenőrzést. Az AVT csak akkor jelzi azt, hogy a személyzet biztonságosan kinyithatja a szekrényt, és dolgozhat a rendszeren, ha a második önellenőrzés is sikeres, és nincs jelen feszültség a munkaterületen.

Összegzés

A rendszeregyensúlyt alkotó összetevők egyre nagyobb százalékát teszik ki a közüzemi méretű fényelektromos berendezések költségének. A kábelrendezés a rendszeregyensúly-tervezés fontos szempontja, és az optimális kábelrögzítők, füles táp- és testcsatlakozók, valamint az élcsipeszes kábelkötegelők megfelelő kiválasztása jelentősen javíthatja az ilyen berendezések működését és biztonságát. A rendszer automata feszültségmentesség-vizsgálattal való kiegészítése segíti a folyamatos karbantartási tevékenységeket, növeli a biztonságot, és csökkenti az üzemeltetési költségeket.

Felhasznált forrásanyag:

1. Renewable Power Generation Costs in 2019, International Renewable Energy Agency (A megújulóenergia-termelés költségei 2019-ben, Nemzetközi Megújulóenergia-ügynökség)