Voimalaitosmittakaavan aurinkosähköjärjestelmien turvallisuuden ja tehokkuuden varmistaminen optimoiduilla johtoteillä

Useita megawatteja (MW) sähköä generoivat voimalaitosmittakaavan aurinkosähköjärjestelmät ovat avainasemassa vihreän energian ja kestävän kehityksen tukemisessa. Jokaisen megawatin tuotantoon tarvitaan noin 2900 aurinkopaneelia asennettuna usean eekkerin alueelle, yksi tai useampi invertteri ja ohjain sekä laitteisto sähköverkkoon liittämiseksi. Näiden kaikkien elementtien liittäminen aurinkosähköjärjestelmään voi vaatia kilometrikaupalla virta- ja valvontakaapeleita sekä kymmeniätuhansia johtotiekomponentteja. Kaapeleista ja johtotiekomponenteista voi väärin toteutettuna tulla heikko lenkki, joka laskee tehokkuutta, rajoittaa käytettävyyttä, heikentää turvallisuutta sekä kasvattaa asennus- ja käyttökustannuksia.

Turvallisten ja tehokkaiden johtotieasennusten suunnittelu on kompleksista. Siihen sisältyvät kaapelikiinnikkeet virtakaapeleiden oikosulkusuojausta varten, jännitteettömyystesterit huoltohenkilöstön suojaamiseksi, reunaklipsilliset nippusiteet mahdollistamaan luotettavat signaali- ja valvontaliitännät sekä puristettavat kaapelikengät virtaa ja maadoitusta varten. Lisäksi näiden komponenttien on täytettävä useita kansainvälisiä standardeja, kuten kaapelikiinnikkeiden maavikojen IEC 61914:2015 -vaatimukset, jännitteettömyystestereiden National Fire Protection Association (NFPA)-, UL- ja CSA-turvavaatimukset sekä IEC 61215 -standardissa määritellyt aurinkosähköasennusten komponenttien yleiset ulkokäyttöä koskevat vaatimukset.

Tässä artikkelissa tutustutaan näihin elementteihin voimalaitosmittakaavan aurinkosähköasennuksissa ja siinä keskitytään johtotiekomponentteihin. Lisäksi siinä tarkastellaan aiheeseen liittyviä kansainvälisiä turvastandardeja, haastavien käyttöolosuhteiden vaatimuksia sekä asennuksen kustannustehokkuusseikkoja. Artikkelissa esitellään myös Panduit-esimerkkituotteita.

BOS-termin kasvava merkitys

Aurinkosähköasennuksissa käytettävä termi Balance of System eli BOS kattaa kaikki hankintakustannukset itse aurinkosähköpaneeleita lukuun ottamatta, mukaan lukien räkit, kaapelit, johtotiet, invertterit, muut järjestelmälaitteet, työvoima ja ohjelmistot. Aurinkosähköpaneeleiden parannusten myötä niiden hinnat ovat pudonneet nopeammin kuin BOS-komponenttien. International Renewable Energy Agency (IRENA) -järjestön analyysin mukaan 62 % aurinkosähköasennusten kustannussäästöistä johtui aurinkosähköpaneeleiden ja inverttereiden hinnan laskemisesta¹.

Aurinkosähköpaneeleiden ja inverttereiden kustannusten laskeminen korostaa BOS-komponenttien kustannuksia. IRENA-järjestön mukaan BOS-kustannusten prosenttiosuus aurinkosähköasennuksissa kasvaa. Vuonna 2007 se oli 58 %, vuonna 2017 puolestaan se oli jopa 80 % (kuva 1). Samaan aikaan virranjakeluväylän korotettu 1 kV_DC:n kapasiteetti tai vielä korkeampi on lisännyt BOS-komponenttien tärkeyttä järjestelmän tehokkuuden ja turvallisuuden varmistamisessa. BOS-komponenttien merkitys kasvaa entisestään kustannussäästöjen ja toiminnan parantamisessa, mukaan lukien voimalaitosmittakaavan aurinkosähköjärjestelmien turvallisuuden ja tehokkuuden parantaminen.

Kuva 1: Aurinkosähköpaneeleiden asentamisen prosenttiosuus asennuskustannuksista on laskenut, mikä kasvattaa BOS-komponenttien merkitystä. (Kuvan lähde: Panduit)

Johtotiet ovat kriittisiä BOS-komponentteja voimalaitosmittakaavan aurinkosähköjärjestelmissä. Niillä on merkittävä vaikutus turvallisuuteen, kustannuksiin ja tehokkuuteen. Kaapelikiinnikkeet ovat hyvä esimerkki optimoitujen kaapeliteiden hyödyistä. Ne tarjoavat virtakaapeleille oikosulkusuojauksen. Ilman asianmukaista suojausta oikosulkun korkea sähkövirta voi kuumentaa johtimia ja johtaa tulipaloon tai räjähdykseen. Oikosulkuvirrat voivat myös kohdistaa virranjakelukaapeleihin merkittävää sähkömekaanista rasitusta.

Turvallisuuden maksimoimiseksi kaapelikiinnikkeiden tulee täyttää IEC 61914:2015 ‑vaatimukset. Oikosulun aikana suurin sähkömekaaninen rasitus esiintyy noin 5 millisekunnin (ms) kohdalla. Tämä on huomattavasti lyhyempi aika kuin 60–100 ms, joka tarvitaan aktivoimaan virtapiirin suojauslaitteet, kuten johdonsuojakatkaisijat. IEC 61914:2015 -standardissa määritellään 100 ms:n oikosulkutesti kaapelikiinnikkeille, joita kutsutaan myös kaapelipidikkeiksi. Panduit käyttää kaapelikiinnikkeiden suunnittelussa simulointiohjelmistoa ennen fyysistä oikosulkutestiä, jolla varmistetaan IEC 61914:2015 -standardin vaatimusten täyttyminen (kuva 2).

Kuva 2: ANSYS-ohjelmiston simulaatio kaapeleihin kohdistuvista sähkömagneettisista voimista oikosulun alkaessa. (Kuvan lähde: Panduit)

IEC 61914:2015 ‑standardissa käsitellään muutakin kuin oikosulkusuojausta, mukaan lukien seuraavia tekijöitä:

• lämpötilaluokitus
• revastustuskyky liekin etenemistä vastaan
• korroosionkestävyys
• akselin kuormakapasiteetin testaus
• sivuttaiskuormitustestaus
• iskunkestävyys
• UV-vastustuskyky.

Panduitin Trefoil-kaapelikiinnikkeet on tehty merenkulkuun soveltuvasta ruostumattomasta 316L-teräksestä ja niitä voidaan käyttää läpimitaltaan 20–69 mm:n kaapeleiden kanssa. Esimerkiksi mallia CCSSTR6269-X voidaan käyttää 62–69 mm:n läpimitan kaapeleiden kanssa. Nämä kaapelikiinnikkeet voidaan asentaa kaapelin viennin jälkeen Panduit-asennuskiinnikkeen avulla tai ennen kaapelin vientiä suoraan kaapelitelineen kiinnitysaukkoon M8-pultilla (kuva 3).

Kuva 3: Kuten yllä esitetään, Panduitin Trefoil-kaapelikiinnikkeet voidaan asentaa asennuskiinnikkeellä. (Kuvan lähde: Panduit)

Oikosulun aikaiset kompleksiset sähkömekaaniset voimat yhdessä IEC 61914:2015 -standardin tiukkojen suorituskykyvaatimusten kanssa johtavat siihen, että tarvittavan kaapelipidikkeen identifiointi vaatii vaivalloista matemaattista selvitystyötä. Panduit nopeuttaa valintaprosessia tarjoamalla Cable Cleat kAlculator ‑sovelluksen, joka suosittelee IEC 61914:2015 -standardin mukaisia oikosulkuratkaisuja yli 60 Panduit-kaapelikiinnikkeen valikoimasta. Käytettäessä kAlculator-sovellusta kaapelipidikkeen valinnasta tulee yksinkertainen kolmivaiheinen prosessi:

1. Valitaan kaapelin asettelu.
2. Syötetään kaapelin halkaisija.
3. Syötetään oikosulun huippuvirta.

Sovellus tarjoaa suositukset komponentin ja turvavälien valintaan.

Virta ja maadoitus

Virta- ja maadoituskaapeleiden pidikkeiden lisäksi voimalaitosmittakaavan aurinkosähköasennuksissa tarvitaan virta- ja maadoitusliitännät. Kupariset puristettavat kaapelikenkäliittimet voivat tehostaa liitettävyyttä, ja Panduit tarjoaakin ainoat Telcordia Technologies -yrityksen testaamat Network Equipment Building Systems (NEBS) Level 3 ‑vaatimukset täyttävät kupariset puristettavat kaapelikengät. NEBS Level 3 ‑vaatimusten täyttäminen varmistaa, että Pan-Lug-puristusliittimet voivat tarjota luotettavan suorituskyvyn sellaisia voimalaitosmittakaavan aurinkosähkö- ja muita sovelluksia varten, joissa laitteiston elinkaaren aikana vaadittavat huoltokeskeytykset tulee minimoida.

Voimalaitosmittakaavan aurinkosähköasennusten suunnittelijat voivat hyödyntää Panduitin Flex-liitintä, jota voi käyttää joustavien, erityisjoustavien ja värikoodattujen kuparijohtimien kanssa tehokkaan ja luotettavan virta- ja maadoitusliitännän muodostamiseksi. Esimerkiksi malli LCDX1/0-14B-X on luokiteltu käyttöön AWG #1 -kaapeleiden kanssa, ja siinä on kaksi 0,25 tuuman (6,35 mm) tappiaukkoa 0,75 tuuman (19,05 mm) välillä (kuva 4). Kaikkien Pan-Lug-puristusliitinten yhteisiä ominaisuuksia:

• UL-hyväksyntä ja CSA-sertifiointi 35 kV:lle sekä lämpötilaluokitus +90 °C.
• Sisältä viistetyt holkkien päät helpottavat johtimen asettamista.
• Tarkastusikkunan avulla voidaan varmistaa asennuksen onnistuminen.
• Kuparirunko on valmistettu 99,9-prosenttisesti puhtaasta kuparista ja tinapinnoitettu korroosion välttämiseksi.

Kuva 4: Tällaisia puristettavia kaapelikenkiä voidaan käyttää voimalaitosmittakaavan aurinkosähköjärjestelmien virta- ja maadoitusliitäntöihin. (Kuvan lähde: Panduit)

Kaapeliklipsit ja nippusiteet

Voimalaitosmittakaavan aurinkosähköasennuksissa tarvitaan virtakaapeleiden ohella kilometrikaupalla johtoja ohjaus- ja valvontatoimintoihin. Jos määrityksiä ja asennusta ei suoriteta asianmukaisesti, johtoteissä käytettävät kaapeliklipsit ja nippusiteet voivat heikentää järjestelmän luotettavuutta sekä kasvattaa asennus- ja käyttökustannuksia. Yleiskäyttöisiä kaapeliklipsejä ei ole suunniteltu pitkäaikaiselle altistumiselle auringonvalolle ja sääolosuhteille. Jos yleiskäyttöisiä UV-valolta suojaamattomia muoviklipsejä ja nippusiteitä käytetään aurinkosähköasennuksissa, ne voivat haurastua ja niitä täytyy vaihtaa säännöllisesti. Lisäksi altistuminen suolalle voi syövyttää metallikipsejä, jolloin aurinkosähköpaneeleiden galvanoidut reunat vaurioituvat. Kummassakin tapauksessa huoltokustannukset voivat nousta merkittävästi ja luotettavuus saattaa kärsiä.

Yleiskäyttöisten klipsien ja nippusiteiden sijaan aurinkosähköjärjestelmien suunnittelijat voivat käyttää reunaklipseillä varustettuja nippusiteitä, kuten Panduitin mallia CMSA12-2S-C300. Sen valmistuksessa käytetään lämpöstabiloitua säänkestävää nailon 6.6:ta ja sinkkipinnoitettuja metalliklipsejä, ja se on testattu IEC 61215 -standardin ulkoasennusta koskevien aurinkosähköasennusvaatimusten mukaisesti (kuva 5). Muita ominaisuuksia:

• UL94V-2-syttyvyysluokitus
• Luokiteltu jatkuvaan käyttöön lämpötilassa −60 °C … +115 °C
• Täyttää EN45545-2-paloturvallisuusmääräykset luokitusten R22:HL3 ja R23:HL3 mukaisesti
• Käyttöikä UV-valolle altistettuna 7–9 vuotta.

Kuva 5: Tämän reunaklipsillä varustetun nippusiteen säänkestävä nailon 6.6 ‑materiaali ja sinkkipinnoitetut teräsklipsit varmistavat korkean luotettavuuden ankarissa ulkoolosuhteissa. (Kuva: Panduit)

Näillä reunaklipseillä varustetuilla nippusiteillä voi kiinnittää johtonippuja tukevasti ilman liimaa tai porausta. Nippusiteisiin on asennettu valmiiksi klipsi, jonka voi mallista riippuen kiinnittää 0,7–3 mm paksujen paneelien reunoihin. Metalliklipsi pysyy tukevasti kiinni, ja sen voi asentaa käsin ilman työkaluja.

Tuotteet on suunniteltu nopeaan asennukseen. Perinteisten nippusiteiden asennus kestää noin 21 sekuntia, mutta nämä reunaklipsit voi asentaa 11 sekunnissa, eli klipsiä kohden voidaan säästää 10 sekuntia. Tästä kertyy suuri aikasäästö. Tyypillisessä voimalaitosmittakaavan aurinkosähköasennuksessa, johon kuuluu 2900 paneelia per megawatti ja kolme klipsiä per paneeli, voidaan säästää 24,17 tuntia työaikaa eli 47 % (50,75 tunnin asennusaika tavanomaisilla nippusiteillä, vain 26,58 tuntia Panduitin UV-suojatuilla kaapeliklipseillä) (kuva 6).

Kuva 6: Aurinkosähköasennukseen tarkoitetut kaapeliklipsit voivat lyhentää asennusaikaa jopa 47 %. (Kuvan lähde: Panduit)

Voimalaitosmittakaavan aurinkosähköasennusten huolto

Voimalaitosmittakaavan aurinkosähköasennusten huollossa, erityisesti jos virranjakelukaapeleita tarvitsee huoltaa, täytyy turvamääräysten mukaisesti suorittaa jännitteettömyystesti, jolla varmistaan ettei kaapeleissa ole vaarallisia jännitteitä. Esimerkiksi National Fire Protection Association (NFPA) ‑määräyksessä NFPA-70E vaaditaan, että ennen kuin huoltohenkilöstö voi suorittaa mitään töitä kaapissa, on varmistettava, ettei laitekaapissa esiinny korkeita jännitteitä. Jännitteettömyystestaus (Absence of Voltage Testing, AVT) kannettavilla käsikäyttöisillä testereillä on monimutkaista ja aikaa vievää, ja siihen liittyy epätarkkuustekijöitä. Panduitin VeriSafe AVT ‑testerit tarjoavat automaattisen ratkaisun, joka testaa laitekaappien vaaralliset jännitteet ennen oven avaamista. Automaattinen testiratkaisu tarjoaa useita hyötyjä:

• Luotettavuus parantaa turvallisuutta ja vähentää riskejä.
• Yksinkertainen toiminta parantaa tuottavuutta ja varmistaa turvamääräysten noudattamisen.
• Monipuolisuus tehostaa käyttöönottoa.

VeriSafe AVT ‑testerit, kuten malli VS-AVT-C02-L03, koostuvat useista elementeistä, mukaan lukien erotusmoduuli, joka yhdistää redundantit anturijohdot korkeajännitealueisiin sekä nolla- ja maadoitusjohtoihin. Erotusmoduuli liitetään turvallisesti akkukäyttöiseen ilmaisinmoduuliin, joka on näkyvillä kotelon ollessa suljettuna, sekä kaapeleihin, joilla kaksi moduulia yhdistetään toisiinsa (kuva 7).

Kuva 7: AVT-järjestelmä koostuu järjestelmäkaapelista (vasemmalla), ilmaisinmoduulista (keskellä) ja anturijohdoilla varustetusta erotusmoduulista (oikealla). (Kuvan lähde: Panduit)

VeriSafe AVT ‑testaus aloitetaan painamalla ilmaisinmoduulin testipainiketta, jolloin järjestelmä suorittaa itsetestauksen. Punaiset ledivalot ja testauksen keskeytys merkitsevät itsetestauksen epäonnistumista. Jos itsetestaus läpäistään, erotusmoduuli suorittaa jännite- ja maavikatestit. Viimeinen vaihe on AVT:n toinen itsetestaus. Vasta kun toinen itsetestaus on läpäisty eikä jännitettä ole, AVT ilmaisee, että henkilöstö voi turvallisesti avata kaapin ja työskennellä järjestelmän parissa.

Yhteenveto

BOS-komponentit muodostavat jatkuvasti suuremman osuuden voimalaitosmittakaavan aurinkosähköasennusten kustannuksista. Kaapelitiet ovat tärkeä osa BOS-suunnittelua, ja näin ollen optimoitujen kaapelipidikkeiden, virta- ja maadoituskenkien sekä reunaklipseillä varustettujen nippusiteiden valinta voi huomattavasti tehostaa asennusten toimintaa ja turvallisuutta. Automatisoidun jännitteettömyystestauksen lisääminen tukee jatkuvaa huoltotyötä, parantaa turvallisuutta ja laskee käyttökustannuksia.

Lähteet:

1. Renewable Power Generation Costs in 2019, International Renewable Energy Agency