Optimalisering av kabelhåndtering for å sørge for sikkerhet og effektivitet i solcelleanlegg i stor skala

Solcelleanlegg (PV – photovoltaic) i storskala genererer vanligvis flere megawatt (MW) elektrisitet og er viktige bidragsytere til grønn energi og bærekraft. Hver MW krever ca. 2900 solcellepaneler fordelt på flere hektar jordstykker, én eller flere invertere og styringer, samt tilkoblingsutstyr for strømnettet. For at alle disse elementene skal kunne kobles sammen og danne et solcelleanlegg (PV-system), kreves milevis med strøm- og overvåkingskabler, samt titusenvis av komponenter for kabelhåndtering. Hvis kabler og komponenter for kabelhåndtering ikke implementeres riktig, kan de bokstavelig talt bli det svake leddet som reduserer effektiviteten, begrenser tilgjengeligheten, øker sikkerhetsrisikoen og gir høyere installasjons- og driftskostnader.

Konstruksjon av sikre og effektive installasjoner for kabelhåndtering er en kompleks affære. Det omfatter kabelklemmer (cable cleats) for kortslutningsbeskyttelse på strømkabler, spenningsprøvere for å beskytte personell som utfører service på installasjonen, buntebånd med kantklemme for å gi pålitelige signal- og overvåkningstilkoblinger, samt kompresjonskabelsko for strøm og jording. I tillegg må disse komponentene oppfylle ulike internasjonale standarder, for eksempel kabelklemmer som må overholde IEC 61914:2015 for å sikre at de kan motstå jordfeil, spenningsprøvere som må fungere i henhold til sikkerhetsstandarder definert av National Fire Protection Association (NFPA) og UL og CSA, og generelle krav til solkomponenter om å måtte tåle utendørsforhold slik det er definert i IEC 61215 for solcelleanlegg.

Denne artikkelen gir et dypere innblikk i elementene i et solcelleanlegg som fokuserer spesielt på det store antallet kabelhåndteringskomponenter som trengs, den beskriver noen av de relaterte internasjonale sikkerhetsstandardene og den gjennomgår kravene til drift i tøffe miljøer og kostnadseffektiv installasjon. Gjennom hele diskusjonen blir eksemplariske produkter fra Panduit fremhevet.

Den voksende viktigheten av BOS

I solcelleanlegg inkluderer balansen til systemet (BOS – balance of system) alt bortsett fra solcellepanelene, slik som stativer, kabler, kabelhåndtering, invertere og andre systemenheter, i tillegg til arbeid og programvare. Etter hvert som solcellepanelteknologien har blitt bedre, har solcellepanelprisene falt raskere enn prisene på BOS-komponenter. Ifølge en analyse fra Det internasjonale byrået for fornybar energi (IRENA – International Renewable Energy Agency), skyldtes 62 % av kostnadsreduksjonen i solcelleanlegg fallende priser på solcellepaneler og invertere¹.

De fallende kostnadene for solcellepaneler og invertere har fremhevet BOS-komponenter. Ifølge IRENA består BOS av en økende prosentandel av kostnadene til solcelleanlegg, og disse steg fra 58 % i 2007 til 80 % i 2017 (figur 1). Samtidig har økningen i distribusjonsbussen til 1 kV_DC (og høyere) økt viktigheten til BOS-komponenter med tanke på systemeffektivitet og sikkerhet. Fremover vil BOM-komponenter bli stadig viktigere for å drive kostnadsreduksjoner og driftsforbedringer, inkludert bedringer i sikkerhet og effektivitet for solcelleanlegg i storskala.

Figur 1: Prosentandelen for solcellepanelenes installasjonskostnader har falt, noe som øker viktigheten av BOS i solcelleanlegg. (Bildekilde: Panduit)

Kabelhåndtering er et viktig aspekt av BOS i solcelleanlegg i storskala. Det har en betydelig innvirkning på sikkerhet, kostnader og effektivitet. Kabelklemmer er et godt eksempel på fordelene til optimalisert kabelhåndtering. De gir kortslutningsvern for strømkabler. Uten riktig beskyttelse kan de høye strømverdiene som oppleves under en kortslutning varme opp ledningene, noe som kan føre til brann eller eksplosjoner. Kortslutningsstrømmer fører også til store elektromekaniske påkjenninger på strømdistribusjonskablene.

For å oppnå maksimal sikkerhet, må kabelklemmene oppfylle kravene i IEC 61914:2015. Maksimal elektromekanisk spenning oppleves under en kortslutningshendelse etter ca. 5 millisekunder (ms). Dette er lenge før de 60 til 100 ms som kreves for at kretsbeskyttelsesenheter som automatsikringer reagerer. IEC 61914:2015 spesifiserer en kortslutningstestvarighet på 100 ms for kabelklemmer (på engelsk kalt «cable cleats»). Panduit bruker simuleringsprogramvare under utformingen av kabelklemmer, og utsetter dem deretter for en direkte kortslutningsfeil for å bekrefte samsvar med IEC 61914:2015 (figur 2).

Figur 2: ANSYS-programvaresimulering av de elektromagnetiske kreftene på kabler i de innledende trinnene av en kortslutning. (Bildekilde: Panduit)

IEC 61914:2015 handler om mer enn bare kortslutningsbeskyttelse, den inneholder også bestemmelser for følgende:

• Nominell temperatur (temperaturklassifisering)
• Motstandsdyktighet mot flammeforplantning
• Korrosjonsbestandighet
• Aksial-last-testing
• Lateral-last-testing
• Motstandsdyktighet mot slag
• UV-bestandighet

Panduit sine Trefoil-kabelklemmer er laget av 316L rustfritt stål, også kalt rustfritt stål for marinebruk, med modeller som kan romme kabler med diametre fra 20 til 69 millimeter (mm). For eksempel kan CCSSTR6269-X-modellen håndtere kabeldiametre på 62 til 69 mm. Disse kabelklemmene kan installeres etter å ha lagt kabelen ved hjelp av en Panduit-monteringsbrakett, eller før kabelen legges ved å installere klemmene direkte til kabelbrettet som er trukket gjennom et festehull ved hjelp av en M8-bolt (figur 3).

Figur 3: Som illustrert ovenfor, kan Panduit sine Trefoil-kabelklemmer installeres ved å bruke en monteringsbrakett. (Bildekilde: Panduit)

Kompleksiteten til de elektromekaniske kreftene som oppleves under en kortslutning, og de strenge ytelseskravene i IEC 61914:2015, kombineres for å gjøre identifisering av den nødvendige kabelklemmen til en utfordrende matematisk øvelse. Panduit tilbyr Cable Cleat kAlculator-appen som anbefaler IEC 61914:2015-kortslutningsløsninger fra over 60 Panduit-kabelklemmeprodukter for å få fart på utvelgelsesprosessen. Ved å bruke kAlculator-appen, reduseres kabelklemmevalget til en enkel tretrinns-prosess:

1. Velg kabellayout.
2. Legg inn kabeldiameteren.
3. Legg inn topp-kortslutningsstrømmen.

Appen gir komponent- og avstandsanbefalinger.

Strøm og jording

I tillegg til kabelklemmer for strøm- og jordingskabler, krever større solcelleanlegg strøm- og jordkonnektivitet. Kompresjonskabelsko av kobber kan gi effektiv konnektivitet, og Panduit tilbyr de eneste kompresjonskabelskoene av kobber som oppfyller kravene til NEBS (Network Equipment Building Systems) på nivå 3, i henhold til testing utført av Telcordia Technologies. Samsvar med NEBS nivå 3 forsikrer brukerne om at Pan-Lug-kompresjonskabelsko kan gi pålitelig ytelse i konstruksjoner som solcelleanlegg i stor skala, som krever minimale serviceavbrudd over utstyrets levetid.

Utviklere av solcelleanlegg i stor skala kan velge å bruke Panduit sin fleksible leder, en standard rundstiftkontakt med to hull som kan brukes med fleksible, ekstra fleksible og kodede flertrådede (code-stranded) kobberledere for å gi effektiv og pålitelig strøm- og jordingskonnektivitet. For eksempel er LCDX1/0-14B-X-modellen klassifisert for bruk med kabeltykkelser på 50 mm2 (AWG-størrelse #1), og den har to pinnehull på 6,35 mm (0,25 tommer) med en pinneavstand på 19,05 mm (0,75 tommer) (figur 4). Vanlige egenskaper for alle Pan-Lug-kompresjonskontakter, omfatter:

• UL-oppført og CSA-sertifisert til 35 kV og temperaturklassifisert til +90 °C.
• Internt avfasede hylseender forenkler innsetting av ledninger.
• Inspeksjonsvindu for å sikre fullstendig innsetting.
• Hus av 99,9 % rent kobber med tinnbelegg for å hemme korrosjon.

Figur 4: Kompresjonskabelsko som disse kan brukes for strøm- og jordingstilkoblinger i større solcellesystemer. (Bildekilde: Panduit)

Klips og buntebånd

I tillegg til strømkabler, kan større solcelleanlegg inkludere flere kilometer med kabling for styring- og overvåkingsfunksjoner. Hvis disse ikke blir riktig spesifisert og installert, kan kabelklipsene og buntebåndene som brukes til kabelhåndtering redusere systemets pålitelighet og øke installasjons- og driftskostnadene. Kabelklips for generell bruk er ikke utformet for langvarig eksponering for sollys og utendørs værforhold. Hvis de brukes i solcelleanlegg kan vanlige ikke-UV-bestandige plastklemmer og -bånd bli skjøre og kreve regelmessig utskifting. Eksponering for salt kan også korrodere metallklips og skade de galvaniserte kantene på solcellepaneler. I begge tilfellene kan vedlikeholdskostnadene øke betydelig og føre til redusert pålitelighet.

I stedet for å bruke vanlige klips og bånd, kan konstruktører av solcelleanlegg bruke buntebånd med kantklemme, for eksempel CMSA12-2S-C300-modellen fra Panduit, som er laget med varmestabilisert og værbestandig Nylon 6.6 og sinkbelagte metallklips, testet i henhold til IEC 61215-standarder for utendørs solcelleanlegg (figur 5). Ytterligere funksjoner omfatter:

• Antennelighetsklassifisering UL94V-2.
• Klassifisert for kontinuerlig drift fra –60 °C til +115 °C.
• Oppfyller EN45545-2-brannbeskyttelseskrav i henhold til klassifikasjonskriteriene i R22:HL3 og R23:HL3.
• Forventet levetid i UV-værforhold, 7 til 9 år.

Figur 5: Dette buntebåndet med kantklemme har værbestandig Nylon 6.6 og sinkbelagte stålklips for å sikre høy pålitelighet under tøffe utendørsforhold. (Bildekilde: Panduit)

Disse buntebåndene med kantklemme fester ledningsbuntene uten lim eller boring. De er forhåndsmontert med et buntebånd og en klips som kan monteres på panelkanter med tykkelser fra 0,7 millimeter (mm) til 3 mm, avhengig av modellen. Metallklemmen gir et sikkert grep og kan installeres for hånd uten å bruke verktøy.

De er konstruert for rask installasjon. Sammenlignet med tradisjonelle kabelstrips som kan ta omtrent 21 sekunder å installere, kan disse kantklipsene installeres på 11 sekunder, noe som sparer 10 sekunder per klips. Det blir etter hvert lønnsomt. I et vanlig solcelleanlegg i stor skala, med 2900 solcellepaneler per MW og tre klips per panel, kan arbeidsbesparelsen være 24,17 timer, eller 47 % (50,75 timer for å installere konvensjonelle buntebånd kontra 26,58 timer for å installere Panduit sine solkabelkantklips) (figur 6).

Figur 6: Bruk av solkabelklips kan redusere installasjonstiden med 47 %. (Bildekilde: Panduit)

Vedlikehold av solcelleanlegg i stor skala

Når vedlikehold utføres på solcelleanlegg i stor skala, spesielt på strømfordelingskablene, kreves en spenningsverifiseringstest i henhold til sikkerhetsforskriftene for å validere fraværet av farlige spenninger. For eksempel krever NFPA-forskrift (NFPA – National Fire Protection Association) NFPA-70E at høye spenninger inne i utstyrsskap verifiseres fraværende før vedlikeholdspersonell kan utføre noe slags arbeid inne i skapet. Testing for mangel på spenning (AVT – absence of voltage testing) ved å bruke håndholdte bærbare testinstrumenter er komplisert, fullt av potensielle unøyaktigheter og tidkrevende. VeriSafe AVT-er fra Panduit gir en automatisert løsning som tester for farlige spenninger inne i et utstyrsskap før døren åpnes. Bruk av en automatisert testløsning gir flere fordeler, deriblant:

• Pålitelighet øker sikkerheten og reduserer risikoen.
• Enkelhet øker produktiviteten og sikrer overholdelse av sikkerhetsforskrifter.
• Fleksibilitet forbedrer implementeringen.

VeriSafe AVT-er, for eksempel VS-AVT-C02-L03-modellen, består av flere elementer, inkludert en isolasjonsmodul som monteres inne i kabinettet og kobler redundante sensorledninger til høyspentområder, samt ledninger for nøytral og jord. Isolasjonsmodulen kobles sikkert til en batteridrevet indikatormodul som er synlig når kabinettdøren er lukket, og kabler som kobler til de to modulene (figur 7).

Figur 7: Et AVT-system består av en systemkabel (venstre), en indikatormodul (midten) og en isolasjonsmodul med sensorledninger (høyre). (Bildekilde: Panduit)

Når du starter en test ved å bruke et VeriSafe AVT-system, trykkes testknappen på indikatormodulen, så vil systemet utføre en selvtest. Røde lysdioder og teststans indikerer en feil i selvtesten. Hvis selvtesten blir bestått, tester isolasjonsmodulen for spenninger og jordfeil. Det siste trinnet er at AVT-en utfører en andre selvtest. Det er bare hvis den andre selvtesten blir bestått, og det ikke registreres noen spenning, at AVT-en vil indikere at det er trygt for personell å åpne skapet og arbeide på systemet.

Sammendrag

BOS-komponenter står for en økende prosentandel av kostnadene til solcelleanlegg i stor skala. Kabelhåndtering er et viktig aspekt ved BOS-konstruksjon, så valget av optimaliserte kabelklemmer, strøm- og jordingskabelsko og buntebånd med kantklemmer, kan kraftig forbedre driften og sikkerheten til disse anleggene. Tilleggingen av automatisert spenningsprøving støtter pågående vedlikeholdsaktiviteter, øker sikkerheten og reduserer driftskostnadene.

Referanser:

1. Kostnader for fornybar energiproduksjon i 2019, Det internasjonale byrået for fornybar energi (IRENA – International Renewable Energy Agency)