УЗИП для солнечной станции: когда он обязателен

Короткий ответ: устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) на стороне переменного тока нужно практически любому дому с воздушным вводом — об ограничителях перенапряжений при таком вводе прямо говорят ПУЭ. На стороне постоянного тока, между панелями и инвертором, прямого «обязан» для частного дома нет, но этого требуют здравый смысл и производитель инвертора: кабели от панелей работают как антенна для грозового импульса, а на другом их конце стоит самая дорогая электроника станции. Ниже — когда хватит защиты, встроенной в инвертор, а когда нужны отдельные устройства, какие именно и где.

Откуда берётся импульс

Прямой удар молнии в панели — редкость. Гораздо чаще станцию повреждает то, что происходит рядом.

• Наведённое перенапряжение. Молния ударила в дерево, мачту или землю в сотнях метров от дома. Ток в десятки килоампер нарастает за микросекунды и создаёт быстро меняющееся магнитное поле. В любом контуре из проводов — а плюс и минус стринга образуют именно контур — наводится импульс в тысячи вольт.
• Занос по сети. Удар в воздушную линию за километр от участка приходит по проводам на ввод, а оттуда — на выход инвертора.
• Скачок потенциала земли. При близком ударе потенциал грунта у заземлителя на мгновение подскакивает на киловольты. Всё, что соединено кабелем с «далёкой» землёй, оказывается под этой разностью.
• Коммутационные импульсы. Отключение мощных нагрузок и аварии в сети дают всплески слабее грозовых, зато случаются они постоянно.

УЗИП работает как клапан. В обычном режиме он тока не проводит, а при импульсе открывается и сбрасывает его на землю, ограничивая напряжение на оборудовании. Отсюда главное условие: без исправного заземления устройство бесполезно — сбрасывать импульс некуда. Эта часть разобрана в статье о заземлении солнечной станции.

Классы УЗИП: что значат цифры

Класс	На что рассчитан	Где ставят
Тип 1 (класс I)	Часть тока прямого удара молнии; испытательный импульс 10/350 мкс	На вводе в здание, если есть внешняя молниезащита или ввод выполнен по воздуху
Тип 2 (класс II)	Наведённые и коммутационные импульсы; испытательный импульс 8/20 мкс	В распределительных щитах, у инвертора, у панелей
Тип 1+2, комбинированный	Оба вида воздействий в одном корпусе	На вводе частного дома; на стороне панелей, если рамы соединены с молниезащитой
Тип 3 (класс III)	Остаточные импульсы малой энергии	Рядом с чувствительной электроникой, как последняя ступень

Цифры 10/350 и 8/20 описывают форму испытательного импульса: время нарастания и время спада до половины амплитуды в микросекундах. Импульс 10/350 длится намного дольше и несёт многократно больше энергии, поэтому устройство типа 2 током прямого удара будет разрушено. И наоборот: ставить тип 1 там, где прямого тока молнии быть не может, — лишняя трата.

Сторона постоянного тока: отдельный вид устройств

УЗИП из обычного квартирного щитка на стринг панелей ставить нельзя, и причин две. Первая — рабочее напряжение: стринг даёт сотни вольт постоянного тока, а сетевое устройство рассчитано на 230–400 В переменного. Вторая — поведение в конце срока службы. Варистор внутри УЗИП стареет от каждого импульса и однажды начинает проводить ток постоянно. На этот случай в корпусе есть расцепитель, который отключает изношенный элемент. В сети переменного тока дуга при размыкании гаснет сама, на постоянном — нет, поэтому в устройствах для фотоэлектрических цепей расцепитель сделан иначе. Сетевой УЗИП на стринге в конце жизни может просто загореться.

Устройство для панелей подбирают по наибольшему длительному рабочему напряжению — в паспорте оно обозначено Ucpv. Оно должно быть не ниже напряжения холостого хода стринга с запасом на мороз; производители защиты обычно называют запас 20 %. Пример расчёта для стринга из 10 панелей с Voc 49,5 В:

• при стандартных условиях: 10 × 49,5 = 495 В;
• на морозе −30 °C при температурном коэффициенте напряжения −0,25 % на градус: разница с 25 °C составляет 55 градусов, прибавка 55 × 0,25 = 13,75 %, итого 495 × 1,1375 ≈ 563 В;
• проверка по правилу запаса: 495 × 1,2 = 594 В.

Подойдёт устройство с Ucpv не ниже 600 В, а практичнее взять на 1000 В: оно останется годным, если позже стринг удлинят. Как получить Voc и коэффициент из паспорта, показано в разборе характеристик солнечной панели.

Ещё одно отличие — схема. В устройстве для панелей три защитных элемента соединены «звездой»: от плюса, от минуса и общий на землю. Так защита работает и между полюсами, и между каждым полюсом и землёй. Если у инвертора два независимых входа (два MPPT), каждому входу нужен свой УЗИП: это разные цепи.

Правило десяти метров

У большинства современных инверторов защита типа 2 уже встроена во входы панелей — в паспорте это отдельная строка. Она справляется со слабыми импульсами, но несменная: после серьёзного удара в ремонт уходит плата целиком. Наружный УЗИП со сменными модулями принимает удар на себя, и меняется за несколько минут.

Вопрос «хватит ли встроенной» решает длина кабеля. Срезанный импульс по дороге снова вырастает: в длинной линии возникают колебания, и напряжение на дальнем конце может заметно превысить то, что осталось после УЗИП. Отсюда инженерное правило, которое приводят производители защиты: если между устройством и защищаемым прибором больше 10 м кабеля, нужна вторая ступень у самого прибора.

Для станции это означает следующее:

• трасса от панелей до инвертора короче 10 м — достаточно одного УЗИП у инвертора (встроенного или внешнего);
• трасса длиннее 10 м — ставят два: один у инвертора, второй у панелей, обычно в коробке под кровлей или у ввода кабеля в здание. Первый защищает электронику, второй — сами панели и их диоды.

Сторона переменного тока

Со стороны сети инвертор защищают так же, как любой дом. На вводе — тип 1+2, если линия воздушная или есть внешняя молниезащита, и тип 2, если ввод кабельный в земле и молниезащиты нет. Если от вводного щита до инвертора больше 10 м, рядом с инвертором добавляют ещё одно устройство типа 2.

Схема включения зависит от системы заземления: для TN-C-S и TT она разная, это указано в инструкции к УЗИП. Перед устройством ставят автомат или предохранитель с номиналом из той же инструкции — он отключит УЗИП, если тот закоротит. Обычно защиту от перенапряжений размещают до УЗО, чтобы импульсный ток не проходил через него и не вызывал ложных отключений. Полный состав аппаратов описан в статье о том, что находится в щите солнечной станции.

Линии связи — кабель датчика тока, интерфейсы к аккумулятору и роутеру — тоже путь для импульса, особенно когда проложены снаружи здания.

Заземление и монтаж: где теряется защита

Хороший УЗИП легко испортить монтажом. Главный враг — длина проводов, которыми он подключён. Метр провода имеет индуктивность около 1 мкГн. При скорости нарастания тока 1 кА за микросекунду на нём падает U = L × di/dt = 1 мкГн × 1 кА/мкс = 1 кВ. Эти киловольты складываются с остаточным напряжением самого устройства и приходятся на инвертор. Поэтому:

• суммарная длина проводников от линии до УЗИП и от него до шины заземления — не больше полуметра, без петель и колец;
• сечение заземляющего проводника — по инструкции устройства; обычно это не меньше 6 мм² меди для типа 2 и 16 мм² для типа 1;
• все УЗИП, корпус инвертора и рамы панелей приходят на одну систему уравнивания потенциалов, а не на разные «земли»;
• защищённые и незащищённые кабели не лежат рядом в одном жгуте — иначе импульс перейдёт с одного на другой в обход устройства.

На корпусе УЗИП есть окошко-индикатор: пока оно зелёное, модуль исправен. После сильной грозы и раз в сезон на него стоит смотреть; сработавший модуль меняют, не разбирая щит.

Когда отдельный УЗИП нужен, а когда нет

Ситуация	Сторона панелей	Сторона сети
Трасса до 10 м, в инверторе встроена защита типа 2, ввод кабелем в земле, молниезащиты нет	Встроенной достаточно; внешний УЗИП — недорогая страховка платы	Тип 2 в щите
Трасса от панелей длиннее 10 м	Тип 2 у инвертора и второй у панелей	Тип 2 в щите
Воздушный ввод в дом	По длине трассы, как в строках выше	Тип 1+2 на вводе
Есть молниезащита, расстояние от неё до панелей выдержано	Тип 2 с обоих концов трассы	Тип 1+2 на вводе
Рамы панелей соединены с молниезащитой	Тип 1+2 с обоих концов трассы	Тип 1+2 на вводе
Наземная установка, трасса в десятки метров	У панелей и у инвертора; тип выбирает проектировщик	Тип 1+2 на вводе

Случаи с молниезащитой подробно разобраны в статье о молниезащите дома с солнечными панелями. Устройства для обеих сторон собраны в разделе УЗИП каталога.

Частые вопросы

Защитит ли УЗИП от прямого удара молнии в панели?

Панель, в которую попала молния, скорее всего, будет повреждена — устройство защиты её не спасёт. Его задача другая: не пустить ток дальше, к инвертору и домашней сети. Для этого нужны устройства типа 1+2 и правильно выполненная молниезащита.

Можно ли обойтись без УЗИП, если гроз у нас мало?

Станция будет работать и без него. Но импульсы приходят не только от гроз: аварии и переключения в сети дают их круглый год. Цена защиты несопоставима со стоимостью ремонта инвертора, а повреждение от перенапряжения производитель гарантийным случаем обычно не считает.

Нужно ли менять УЗИП после каждой грозы?

Нет. Исправное устройство выдерживает много импульсов в пределах своего номинального тока. Менять нужно модуль, у которого индикатор сменил цвет, — он отработал ресурс или принял слишком сильный удар.