Optimering av kabelhantering för att säkerställa säkerhet och effektivitet i storskaliga solcellssystem

Storskaliga solcellsanläggningar genererar vanligtvis många MW elektricitet och är viktiga bidragsgivare till grön energi och hållbarhet. Varje MW kräver cirka 2 900 solpaneler fördelade på flera hektar mark, en eller flera växelriktare och styrenheter samt utrustning för anslutning till elnätet. Att koppla samman alla dessa element till ett solcellssystem kan kräva kilometervis av kraft- och övervakningskablage och tiotusentals komponenter för kabelhantering. Om kablage och komponenter för kabelhantering inte implementeras på rätt sätt kan de bokstavligen bli den svaga länken som minskar effektiviteten, begränsar tillgängligheten, ökar säkerhetsriskerna och driver upp installations- och driftskostnaderna.

Att utforma säkra och effektiva kabelinstallationer är komplicerat. Det inkluderar kabelklammer för kortslutningsskydd av kraftkablar, provutrustning för frånvaro av spänning för att skydda personal som utför service på installationen, buntband med kantklämma för tillförlitlig signalering och övervakning av anslutningar samt kabelskor för kraft och jordning. Komponenterna måste dessutom uppfylla olika internationella standarder. Kabelklammer måste t.ex. följa IEC 61914:2015 för att säkerställa att de kan motstå jordfel, provare för avsaknad av spänning ska fungera enligt kraven i NFPA (National Fire Protection Association) och säkerhetsstandarder såsom UL och CSA samt allmänna krav på att solcellskomponenter ska klara utomhusförhållanden enligt IEC 61215 för solcellsinstallationer.

Artikeln fördjupar sig i en solcellsinstallations olika delar, med ett särskilt fokus på det stora antalet komponenter för kabelhantering som behövs, beskriver några relaterade internationella säkerhetsstandarder, granskar kraven för drift i tuffa miljöer samt kraven för en kostnadseffektiv installation. I hela diskussionen används produkter från Panduit som exempel.

Systemets balansering har en växande betydelse

I solcellsanläggningar omfattar systemets balansering (BOS) allt utöver solcellspanelerna, som t.ex. stativ, kablar, kabelhantering, växelriktare och andra systemenheter plus arbete och programvara. I takt med att tekniken för solcellspaneler har förbättrats har panelpriserna sjunkit snabbare än priserna för systemets balanseringskomponenter. Enligt en analys från Internationella byrån för förnybar energi (IRENA) berodde 62 % av kostnadsminskningen för solcellsanläggningar på minskade priser på solcellspaneler och växelriktare¹.

De minskade kostnaderna för solcellspaneler och växelriktare har satt fokus på systemets balanseringskomponenter. Enligt IRENA utgör systemets balanseringskomponenter en allt större andel av kostnaden för solcellsanläggningar, från 58 % 2007 till 80 % 2017 (figur 1). Samtidigt har distributionsbussen förstärkts till 1 kV_DC eller högre, vilket ökat betydelsen av systemets balanseringskomponenter i förhållande till systemets effektivitet och säkerhet. Systemets balanseringskomponenter kommer framöver att bli allt viktigare för att driva fram kostnadsminskningar och förbättringar av driften, inklusive ökad säkerhet och effektivitet i elnätsanslutna solcellsanläggningar.

Figur 1: Solcellspanelernas procentuella andel av installationskostnaden har sjunkit, vilket ökar betydelsen av systemets balanseringskomponenter i solcellsanläggningar. (Bildkälla: Panduit.)

Kabelhantering är en kritisk aspekt för systemets balanseringskomponenter i elnätsanslutna solcellsanläggningar. De har en betydande inverkan på säkerhet, kostnad och effektivitet. Kabelklammer är ett bra exempel på fördelarna med optimerad kabelhantering. De tillhandahåller kortslutningsskydd för kraftkablar. Utan ordentligt skydd kan de höga strömmar som uppstår vid en kortslutning värma upp ledarna, vilket kan orsaka bränder och/eller explosioner. Kortslutningsströmmar leder även till stora elektromekaniska påfrestningar på distributionskablarna i elnätet.

För maximal säkerhet måste kabelklammer uppfylla kraven enligt IEC 61914:2015. Den maximala elektromekaniska påfrestningen uppstår ca 5 ms efter en kortslutning. Det är långt innan de 60 till 100 ms som krävs för att kretsskyddsanordningar som exempelvis säkringar ska reagera. IEC 61914:2015 specificerar ett kortslutningstest på 100 ms för kabelklammer, ibland kallad kabelklämma. Panduit använder programvara för simulering när de utformar sina kabelklammer och utsätter dem sedan för en äkta kortslutning för att bekräfta överensstämmelse med IEC 61914:2015 (figur 2).

Figur 2: Simulering med programvara från ANSYS av de elektromagnetiska krafterna på kablage under de inledande stadierna av en kortslutning. (Bildkälla: Panduit)

IEC 61914:2015 handlar om mer än kortslutningsskydd. Den innehåller bestämmelser för:

• Temperaturklassificering
• Beständighet mot flamspridning
• Korrosionsbeständighet
• Test av axiell belastning
• Test av längsgående belastning
• Stötbeständighet
• UV-beständighet

Kabelklamrarna Trefoil från Panduit är tillverkade av rostfritt stål av typen 316L, även kallat marinklassificerat rostfritt stål, med modeller som passar kablar med diametrar från 20 till 69 mm. CCSSTR6269-X kan till exempel hantera en kabeldiameter på mellan 62 till 69 mm. Kabelklamrarna kan monteras efter att kablaget installerats med hjälp av ett monteringsfäste från Panduit eller innan kablaget installeras genom att klammern monteras direkt på kabelrännans hållare med hjälp av ett fästhål av storlek M8 (figur 3).

Figur 3: Som illustreras ovan kan kabelklammern Trefoil från Panduit installeras med hjälp av ett monteringsfäste. (Bildkälla: Panduit.)

Komplexiteten i de elektromekaniska krafter som uppstår vid en kortslutning och de strikta prestandakraven i IEC 61914:2015 gör det till en tung matematisk uppgift att identifiera den kabelklammer som behövs. Panduit erbjuder appen Cable Cleat kAlculator som rekommenderar lösningar mot kortslutningar enligt IEC 61914:2015 med över 60 produkter av kabelklammer från Panduit för att påskynda urvalsprocessen. Med appen kAlculator blir valet av kabelklammer en enkel process i tre steg:

1. Välj kabelns layout.
2. Ange kabelns diameter.
3. Ange den högsta kortslutningsströmmen.

Appen ger rekommendationer för komponenter och avstånd.

Spänning och jordning

Förutom kabelklamrar för kraft- och jordkablar kräver storskaliga solcellsanläggningar anslutningar för ström och jord. Kabelskor av koppar kan ge tillhandahålla anslutningsmöjligheter och Panduit erbjuder de enda kabelskor av koppar som uppfyller kraven i NEBS (Network Equipment Building Systems) Level 3 enligt tester utförda av Telcordia Technologies. Genom att uppfylla NEBS Level 3 försäkras användarna om att kabelskor från Pan-Lug kan ge tillförlitlig prestanda i tillämpningar som t.ex. solceller som kräver minimala serviceavbrott under utrustningens livslängd.

Konstruktörer av storskaliga solcellanläggningar kan använda sig av Panduits flexibla ledare, standardiserade hylskontakter med två hål som kan användas med flexibla och extra flexibla ledare samt kopparledare med flera kardeler för att ge effektiv och tillförlitlig anslutning av ström och jord. Till exempel är modellen LCDX1/0-14B-X klassad för användning med kablage i storlek #1 AWG (American wire gauge) och har två bulthål på 0,25 tum (in) med ett mellanrum på 0,75 tum (figur 4). Gemensamma egenskaper för alla kabelskor från Pan-Lug är:

• UL-listade och certifierade enligt CSA för 35 kV och temperaturklassificering till +90 °C.
• Invändigt avfasade hylsändar förenklar införandet av ledare.
• Inspektionsfönster för att garantera fullständigt införande.
• 99,9 % ren koppar med tennplätering som förhindrar korrosion.

Figur 4: Kabelskor som denna kan användas för ström- och jordanslutning i storskaliga solcellssystem. (Bildkälla: Panduit.)

Klammer och buntband

Utöver strömkablage kan storskaliga solcellsanläggningar innehålla kilometervis med kablage för styr- och övervakningsfunktioner. Om den kabelklammer och buntband som används för kabelhantering inte specificeras eller installeras korrekt kan det minska systemets tillförlitlighet och öka installations- och driftskostnaderna. Kabelklammer för allmänt bruk är inte avsedda för långvarig exponering för solljus eller väderförhållanden utomhus. Om de används i solcellsanläggningar kan vanliga, icke UV-beständiga plastklamrar och buntband bli spröda och behöva bytas ut regelbundet. Dessutom kan saltexponering få metallklammern att rosta och därigenom skada solcellspanelernas galvaniserade kanter. I båda fallen kan underhållskostnaderna öka avsevärt och tillförlitligheten försämras.

Istället för att använda vanliga klamrar och buntband kan konstruktörer av solcellssystem använda buntband med kantklämma som t.ex. modellen CMSA12-2S-C300 från Panduit, som är tillverkad av värmestabiliserad, väderbeständig Nylon 6.6 och zinkpläterade metallklämmor som är testade enligt standarden IEC 61215 för solcellsanläggningar utomhus (figur 5). Ytterligare funktioner inkluderar:

• Klassificering av brandrisk enligt UL94V-2 .
• Klassificering för kontinuerlig drift från -60 °C till +115 °C.
• Uppfyller brandskyddskrav EN45545-2 enligt kriterierna för klassificering R22:HL3 och R23:HL3.
• Livslängd för UV-väderbeständighet på 7 till 9 år.

Figur 5: Buntbandet med kantklämma består av väderbeständig Nylon 6.6 och zinkpläterade stålklämmor för att garantera en hög tillförlitlighet vid tuffa utomhusförhållanden. (Bild: Panduit)

Dessa buntband med kantklämmor fäster kabelbuntar på ett säkert sätt utan limning eller borrning. De är förmonterade med ett buntband och en klämma som kan monteras på panelkanter med tjocklekar från 0,7 till 3 mm, beroende på modell. Metallklämman ger ett säkert grepp och kan monteras för hand utan verktyg.

De är konstruerade för snabb installation. Jämfört med ett traditionellt buntband som kan ta cirka 21 sekunder att installera, kan dessa kantklämmor installeras på 11 sekunder, vilket sparar 10 sekunder per klämma. Det blir en hel del i slutänden. I en typisk storskalig solcellsinstallation med 2 900 solcellspaneler per MW och tre klämmor per panel kan arbetsbesparingen vara 24,17 timmar, eller 47 % (50,75 timmar för att installera konventionella buntband jämfört med 26,58 timmar för att installera kantklämmor för solcellskabel från Panduit) (figur 6).

Figur 6: Användning av klämmor för solcellskabel kan minska installationstiden med 47 %. (Bildkälla: Panduit.)

Service av elnätsanslutna solcellsanläggningar

Vid service av elnätsanslutna solcellinstallationer, särskilt vid service av kraftdistributionskablar, krävs enligt säkerhetsföreskrifterna ett verifieringstest för att bekräfta frånvaro av farliga spänningar. NFPA-70E (National Fire Protection Association) kräver exempelvis att frånvaro av högspänning i apparatskåp ska verifieras innan underhållspersonal får utföra något arbete i skåpet. Provning för frånvaro av spänning med hjälp av handhållna portabla testinstrument är komplicerat, kan innebära möjliga felaktigheter och är tidskrävande. Verisafes provutrustning för frånvaro av spänning från Panduit är en automatiserad lösning som testar för farliga spänningar i ett apparatskåp innan dörren öppnas. Att använda en automatiserad testlösning ger flera fördelar, bland annat att:

• Tillförlitlighet förbättrar säkerheten och minskar riskerna.
• Enkelheten ökar produktiviteten och garanterar att säkerhetsföreskrifterna följs.
• Flexibiliteten förbättrar implementationen.

Verisafes provutrustning för frånvaro av spänning, som exempelvis modellen VS-AVT-C02-L03, består av flera delar, bland annat en isoleringsmodul som monteras inuti skåpet där redundanta sensorledare till högspänningsområden samt ledare för nolla och jord ansluts. Isoleringsmodulen är säkert ansluten till en batteridriven indikeringsmodul, som är synlig när dörren till skåpet är stängd, samt kablage som förbinder de två modulerna (figur 7).

Bild 7: Ett system med provutrustning för frånvaro av spänning består av en systemkabel (vänster), en indikeringsmodul (mitten) och en isoleringsmodul med sensorledare (höger). (Bildkälla: Panduit.)

När ett test med ett system med VeriSafes provutrustning för frånvaro av spänning startas, trycker du på testknappen på indikeringsmodulen så att systemet kan utföra ett självtest. Röda lysdioder och teststopp markerar om självtestet misslyckades. Om självtestet godkänns testar isoleringsmodulen för spänningar och jordfel. Det sista steget är att provutrustningen för frånvaro av spänning utför ett andra självtest. Det är endast om det andra självtestet är godkänt och det inte finns någon spänning i skåpet som provutrustningen för frånvaro av spänning visar att det är säkert för personalen att öppna skåpet och arbeta med systemet.

Sammanfattning

Systemets balanseringskomponenter står för en allt större andel av kostnaden i storskaliga solcellsanläggningar. Kabelhantering är en viktig aspekt vid konstruktionen av systemets balanseringskomponenter och valet av optimerad kabelklammer, ström- och jordklämmor samt buntband med kantklämmor kan förbättra driften och säkerheten för anläggningarna avsevärt. Automatiserad provning för frånvaro av spänning, stödjer löpande underhållsaktiviteter, ökar säkerheten och minskar driftskostnaderna.

Referens:

1. Kostnader för produktion av förnybar energi 2019, International Renewable Energy Agency