Skydd av off-grid solelsystem mot överspänning från lång ledning till solceller
Skapad: 2019-12-29, Uppdaterad: 2022-02-20 Bakgrund:
Jag har min lilla off-grid husvagn parkerad i skuggig skogsmiljö mellan turerna och därför den ansluten till en yttre solpanel med bättre solläge i skogsbrynet via 35m långa kablar. I augusti 2019 fick jag solelsystemet utslaget i ett kraftigt åskoväder, med sönderbränd solladdregulator, huvudsäkring och diod i husvagnen samt kortslutna bypassdioder på solpanelen i skogsbrynet. Verkar varit en ljusbågsurladdning i laddregulatorn, med så pass bränd smält plast och blåanlöpt metall så var nog nära brand.
Så vill därför installera skydd mot detta som främst minskar brandrisken, men även skyddar elektroniken vid måttlig åskpåverkan. OBS! Jag har ingen egen kunskap kring åskskyddande, är inte elutbildad och saknar därmed formell kunskap / kompetens kring överspänningsskydd och elanläggning, så mina slutsatser och val här kan mycket väl vara felaktiga, olämpliga eller odugliga! Så info här används på egen risk och ansvar!
Men eftersom jag inte hittade någon bra kunskap på Internet för 12V system vill jag ändå dela med mig av hur jag gjort för min 12V off-grid anläggning med solceller via långa kablar.
Har dock läst på mycket kring åskskydd och tagit del av flera bra artiklar på Internet, även om de mest riktar sig till 230V system, samt är van vid teknisk utveckling yrkesmässigt.
Efter mycket sökande på Internet visade det sig svårt att hitta kunskap kring hur detta görs rent praktiskt för en 12V/24V/48V lågspänd off-grid solelanläggning. Så ställde även frågan i några olika FB-grupper samt forum.
Visade sig även vid dessa frågor att det var svårt att få fram handfasta konkreta tips på utförande samt komponentval, och bland de som verkade vara insatta / kunnig blev två olika linjer tydliga - de som förordar anslutning till yttre jordning via jordspett i marken och de som ansåg att yttre jordning skulle bara dra till sig åskan / blixten och göra situationen värre. Men ändå fått bra hjälp med olika kunskapsinsikter och länktips från flera där som varit till stor hjälp i att förstå.
Yttre jordning ska förbättra funktionen för överspännings komponenterna samt förhindra att husvagnen kortvarigt laddas upp av åskoväder ovanför och får annan potential än extern solpanel.
Wikipediaartikeln Surge protector ger en bra översikt vad det handlar om.
"A voltage spike (överspänning) is a transient event, typically lasting 1 to 30 microseconds (µs), that may reach over 1,000 volts. [...] A transient surge protector attempts to limit the voltage [spike] supplied to an electric device by either blocking or shorting current to reduce the voltage below a safe threshold."
Slutsats I:
Efter att tagit del av några olika artiklar av folk som installerat åskskydd under många år yrkesmässigt, läst lite mer på Internet samt gjort en egen analys landar jag i att gå på linjen med jordspett i marken att jorda husvagnen till, just för jag har de långa externa ledningarna till solpanelen i skogsbrynet. Samt ansluta det till en potentialutjämningsskena (PUS) för en gemensam potentialreferens för all el inne i husvagnen. Se länkreferenser längre ned.
Slutsats II:
Bygger skyddet i tre steg räknat från inkommande ledning: 1. Grovskydd överspänning, 2. Frekvensskydd & 3. Finskydd överspänning (<36V).
Ger funktion: 1. shorting current <40kA, 2. blocking current <2kV & 3. shorting current <5kW.
Förhoppningsvis blir det i de flesta fall då åskpåverkan är så kraftigt att något går sönder att någon av dessa komponenter då skadas istället för dyr elektronik.
Vet dock inte om frekvensskyddet (DC-400Hz) kan påverka MPPT- eller PWM-regulatorns funktion, då strömresponsen från solpanelerna påverkas lite. För min PWM-regulator så blir det nog inte samma vassa strömpulsladdning men skyddet har en 1µF kondensator på regulatorsidan, så lite osäkert hur dess effekt påverkas vid regulatorns 30Hz. Men jag har min strömlagrande RC-krets ansluten efter detta skyddsfilter, så får bra bibehållen strömpulsladdning via det.
Har efter det haft en Victron SmartSolar 75/15 MPPT inkopplad några månader och dess MPPT-funktion stördes inte av frekvensskyddets DC-400Hz arbetsområde!
Slutsats III:
Bypassdioderna i solpanelens kopplingsbox behöver skyddas mot överspänning.
De brändes sönder och var kortslutna efter det väldigt kraftiga åskovädret.
Original satt där två 12A/45V Schottkydioder, vilka jag ersätter med två 15A/45V. Behövs ju bara en överspänning på drygt 90V backspänning för att ha sönder dem, utan någon ström eller effekt. Så jag sätter in en Transientskyddsdiod (TVS) 39V, 5kW, Stötström <500A/10ms, 43V/1mA, 69V/72A, 90V/667A-8/20µs, <<1ns, parallellt över Schottkydioderna som skydd.
Transientskyddsdiodens data har jag valt för min 36 cellers solpanel (VOC 21,5V | Vmpp 17,5V).
Borde inte det vara standard på solpaneler?
Slutsats IV:
En direktträff av blixtnedslag från åska kan man inte skydda ett elsystem från (annat än att fånga den via åskledare så den inte når elsystemet), men när jag gjorde min stora kunskapsinhämtning inför detta så framkom det att direktträff är extremt ovanligt och de är dessa överspänningar som genereras av ett indirekt åsknedslag i grannskapet som är det verkliga problemet.
Men då detta överspänningsskydd ändå tar hand om så mycket av energin som kommer in från åskan så tror jag det kraftigt minskar risken för brand inbyggt så i en gjuten Al-låda, även om det inte kan skydda hela anläggningens elkomponenter vid en direktträff.
Som jag förstår det är risken för åsknedslag som skadar elsystemet i husvagnen via solelinstallationen med enbart solceller på husvagnstaket i stort obefintlig (i alla fall för husvagn med yttre aluminium kaross)! Har med åskans elektriska våglängd att göra. För åska och blixt är våglängden 100-1000 meter, så kan inte ta sig igenom husvagnsfönster samt solpanelers aluminiumram hindrar därmed blixten att nå solcellerna.
Slutsats V:
Vid enkelledarkablar för plus/minus från solpanelerna måste dessa förläggas nära ihop intill varandra och buntas ihop så inga slingor bildas som fångar upp de kraftiga elstörningarna från en åskurladdning i närheten. Det är den avgörande grunden för all kabelförläggning för att minimera överspänningar i elsystemet orsakade av åskoväder. Så gäller hela elsystemet!
Får man ett märkbart avstånd mellan ledningarna så bildar slingan det ger en elektrisk spole, vilken fångar upp ström från åskurladdningar. Ju större area slingan har ju mer fångas upp! 2020-02-10
Dock bör hänsyn till risk för ljusbåge tas, mer ju högre spänning man seriekopplat sina solpaneler till. I Brandforsk 2019:6 sid 36 skriver man: "I Sverige minskar man risken för seriella ljusbågar genom att försöka bygga systemen med så få kontaktpunkter som möjligt och parallella ljusbågar genom att placera ledarna minst 0,1 m ifrån varandra när man passerar kritiska områden som t.ex. vassa kanter eftersom ljusbågarna slocknar vid avstånd på minst 0,05 m vid aktuella spänningar. Kravet på 0,1 m är hämtat från Lantbrukets Brandskyddskommittés regler, men anses vara indirekt krav genom SEK-handbokens krav på "kortslutningsskyddad förläggning"." Beskriver då nätanslutna solcellsanläggningar.
Slutsats VI:
Gasurladdningsrör (GDT) går inte att använda i en sådan här lågspänd likspänningsanläggning, då de inte slocknar efter att de tänt av en överspänning. Likspänningen håller gasurladdning vid liv. Lite synd då de verkar vara en robust komponent i dessa sammanhang, men lite långsam.
Ett 90V GDT har en Arc Voltage vid 1 A på ≈10 V, samt Impulse Sparkover 100V/µs <500 V.
Grovskydd överspänning:
Baseras på tre stycken metalloxid blockvaristor (MOV) 40kA, 130VAC / 170VDC.
Är till för att ta hand om kraftiga strömpulser in via de 35m långa kablarna direkt från solpanelerna. En blockvaristor direkt mellan de två kablarna för spänningsskillnad mellan dem, samt en vardera från varje kabel till PUS (PotentialUtjämningsSkena) om det är en överspänning (potentialskillnad) mellan de två kablarnas gemensamma potential och potentialen för husvagnens elsystem (dvs mellan solpanel och husvagn).
För att ta hand om en kraftig strömstöt och omvandla till värme behöver varistorn en tillräckligt hög arbetsspänning, så därför kommer man inte ned lägre än såhär, vilket blir på tok för högt för ett 12V lågspännings elsystem. Varistorn arbetar med att kortsluta överspänningen.
Har inte hittat info om hur hög strömstöt ett åskoväder kan inducera i en lokal 35m kabel såhär, men för anslutning till elnätet rekommenderas 40kA skydd. Så finns risk detta är lite överdimensionerat.
Frekvensskydd (Nätfilter / EMI filter):
För att blockera blockvaristorernas arbetsspänning på <340V att komma vidare in till 12V elsystemet, via de strömtröga kopplade induktanserna ihop med kapacitansers kortlutande effekt som ihop bara släpper igenom DC - 400Hz. Spänningstransienter från åska har normalt betydligt högre frekvens (kortare varaktighet) så blir då blockerade.
Man bör nog inte utnyttja mer än 60-70% av filtrets märkström, så induktansernas kärnor har en bit kvar till mättnad för kapacitet kvar att blockera en strömpuls.
Finns även tvåstegs EMI filter för än bättre blockering mot strömpuls.
Finskydd överspänning: Transientskyddsdioder (TVS) 36V, 5kW. Ger ett hypersnabbt spänningsskydd med en ganska skarp spänningsgräns på en spänningsnivå som elkomponenterna i 12V elsystemet bör tåla. Så även om en del ström från en lite mer långvarig åsktransient skulle läcka igenom frekvensfiltret så blockeras den här, för en hög skyddsnivå för 12V-sidan. Gör även att man verkligen utnyttjar induktansernas strömtröghet fullt ut inom säkra gränser!
Måste ha en högre märkspäning än den högsta spänning solpanelen kan ge den kallast vinterdag obelastad, så den inte aktiveras av den.
En kopplas direkt över (+)/(-) ut från EMI filtret till solladdregulatorn. Samt en kopplas från (+) till PUS, för att förhindra skadlig potentialskillnad mellan inkommande solcellsström till solladdregulatorn och 12V elsystemet som annars kan skada solladdregulatorn.
Jag har även kopplat en Varistor (MOV) ∅20mm, 25VAC / 31VDC parallellt med transientskyddsdioden över (+)/(-) ut, men är lite osäker om dess nytta där.
Backströmskydd: Schottkydiod 15A/45V. Hindrar att backström kan tas ut från 12V elsystemet till antingen kortsluten överspänningskomponent i detta åskskyddet eller till kortslutning i externt kablage eller solpanel. Även skönt på campingplats vid använding av min lösa extra solpanel externt, att om någon är nyfiket där och pillar så kan de inte kortsluta mitt interna 12V elsystem.
Transientskydd bypassdioder solpanel: Transientskyddsdiod (TVS) 39V 5kW parallellt över de båda bypassdioderna som transientskydd, vilken fick plats i kopplingsboxen. Solpanelen har två schottky-bypassdioder i kopplingsboxen, vilka klarar 45V backspänning var. Kommer det en spänningstransient >90V bränns dioderna sönder och kortsluter, vilket denna TVS bör ge ett hyfsat bra skydd mot nu.
PUS, PotentialUtjämningsSkena: PUS bildar en gemensam potentialreferens dit all el i husvagnen kopplas så man får en potentialutjämning mellan elsystemets olika delar vid spänningstransienter.
PUS förbinds med husvagnens original 230V skyddsjord, vilken även är kopplad till Al-karossen samt metallchassit. Dessutom ansluts husvagnens (-) 12V referens till PUS, vilken jag plockar direkt efter batteriemonitorns strömshunt (100A/50mV) efter batteriets negativa pol. Samt överspänningsskyddets två blockvaristorer, en transientskyddsdiod samt nätfiltrets jordning kopplas också hit för att hindra skadliga interna potentialskillnader i elsystemet vid strömstransienter.
Jordspett (jordtag):
Då husvagnen inte är ansluten till 230V där den är parkerad så ordnar jag en lokal jordanslutning via ett jordspett. Ansluter den jorden via ordinarie 230V elintag till husvagnen, så blir den då även ansluten till PUS. Som jag förstått det ska en yttre jordning förbättra funktionen för överspännings komponenterna i åskskyddet samt förhindra att husvagnen kortvarigt laddas upp av åskoväder ovanför och får annan potential än de externa solpanelerna. Samt: It drains off accumulated charges so that lightning is NOT HIGHLY ATTRACTED to your system.
Aluminiumlåda, gjuten:
För brandsäker inbyggnad monterar jag alla åskskyddskomponenterna i en gjuten aluminiumlåda. Varistorer som överbelastas kan explodera samt transientskyddsdioder som överbelastas kan antingen kortsluta eller bli helt öppna. Då solcellers kortslutningsström är marginellt högre än dess driftsström kan man inte skydda en kortslutning från strömmen från solcellerna via en säkring då den aldrig kommer lösa ut. Så solcellerna matar in sin ström om en komponent här blir kortsluten, vilket kan ge en del värme. Men även en exploderad varistor kan ju ge en viss brandrisk vid en väldigt hög stötström in.
Transientskydd av solpanelens bypassdioder:
Solpanelen har två schottky-bypassdioder i kopplingsboxen, vilka klarar 45V backspänning. Kommer det en spänningstransient >90V bränns dioderna sönder och kortsluter. Behövs ingen ström alls för att nå dessa spänningsnivåer, så är oskyddat och det hände mig under ett kraftigt åskoväder. Vet inte om de enskilda solcellerna också är känsliga och även får skydd såhär.
Så jag har monterat in en Transientskyddsdiod (TVS) 39V 5kW parallellt över de båda bypassdioderna som transientskydd, vilken fick plats i kopplingsboxen. Bör göra märkbar skillnad:
Transientskyddsdiod (TVS) 39V, 5kW som överspänningsskydd parallellt över de två Schottky bypassdioderna 15A/45V. Solpanel 36 celler (VOC 21,5V | Vmpp 17,5V).
TVS data: 39V, 5kW, 43V/1mA, 69V/72A, 90V/667A-8/20µs, Pulsström <500A/10ms, <<1ns, ca 27kr. Komponentförteckning med data:
OBS! Dessa komponentvärden har jag valt efter bästa förmåga till mitt solelsystem med 12V blybatteri, 36 cellers solpanel (VOC 21,5V | Vmpp 17,5V) samt solladdregulator som tål 50V!
För annan kombination av solelsystem krävs andra komponentvärden.
Jag har inte lyckats hitta någon beskrivning alls hur man bör välja dessa komponentvärden!
Vad ska jordtagsvärdet ha för resistans?
Innan jordtagsmätning görs, är det första som måste göras att finna ett högsta acceptabelt värde för anläggningen. Det värdet beräknas fram och är beroende av anläggningstyp samt olika länders förordningar. Även vilken typ av installation samt nätverk är av betydelse. I Sverige fås information hos EBR. EBR-Jordtag
Information om överspänningsskydd, När man installerar överspänningsskydd talar man i regel om olika typindelningar, grov-, mellan- och finskydd eller B, C, D typ eller I, II, III (1, 2, 3). Dessa typer refererar till olika testkurvor som skydden prövats för i laboratorier. Enligt IEC norm 61643 så klassas skydden efter olika kurvformer; 8/20 µs,10/350 µs och så vidare.
Bild i dokumentet visar kurvan 8/20 µs som refererar till indirekta åsknedslag och som står för större delen av alla skador vid åska. Ett indirekt åsknedslag innebär att nedslaget kan ske flera kilometer bort och via luftledningar eller markledningar transporteras in i byggnader. Kurvan visar att efter 8 µs nås 90 % av toppvärdet på strömmen och en halvering av värdet vid 20 µs. Den kurva som är 10/350 µs refererar till direkta nedslag och visar samma princip att efter 10 µs nås 90 % av max. strömmen och efter 350 µs är strömmen halverad.
Jordfelsbrytare i off-grid 230V elsystem: Installation av
jordfelsbrytare - Elsäkerhetsverket Jordfelsbrytare - Elsäkerhetsverket
Som jag uppfattar det om man har en 12V/230V växelriktare där 230V är isolerad helt flytande från 12V sidan och chassiet så är det bara att jorda ned ena sidans ledare så blir det nollan i systemet. Jordledningen från jordspett ihop med ena 230V-ledare från växelriktaren så blir då som inkommande PEN-ledare, som jag uppfattar det. Och den andra 230V-ledaren från växelriktaren då som inkommande fas. Är så jag uppfattat några elkunnigas diskussion kring växelriktare, jordfelsbrytare och elcentral för off-grid elsystem.
Men jag vet inte om detta är formellt rätt, men låter logiskt rätt för off-grid. Personskyddsbrytare, är en kombination av dvärgbrytare och jordfelsbrytare.
Jordfelsbrytare vs DC-läckströmmar:
Det har funnits en oro om att funktionaliteten hos jordfelsbrytare skulle påverkas i samband med installationer av solceller och elbilsladdare. Forskare i Skellefteå har nu kartlagt likström och högre frekvenser av växelström i lågspänningsnät och kommit fram till att det inte finns några uppenbara risker för att jordfelsbrytare slutar att fungera på grund av installationer av solceller och elbilsladdare.
Rapport 2021:819 hos Energiforsk: JORDFELSBRYTARE OCH KOMPONENTER FRÅN DC TILL 150 KHZ – EN RISKBEDÖMNING.
Off-grid 230V via växelriktare - utlösningsvillkor säkringar:
Tidningen Elinstallatören tar upp detta i en artikel Tänker du på kortslutningsströmmen vid ödrift?. Tankar av Ola Carlsson som är skadeförebyggare på Länsförsäkringar Skåne.
Ofta blir kortslutningsströmmen från växelriktaren för liten för att lösa ut säkringen inom 0,4s vid kortslutning som kravet är. Ö-drift är samma driftsfall som off-grid.
Enligt Wikipedia artikeln Förimpedans: "I SS 424 14 05 finns angivet Imax för utlösning av säkring vid olika tider. Med säkring som skydd gäller t.ex. att en 10 A diazed kräver en ström på minst 82 A (fabrikat Ifö bryter på 56 A) för att lösa inom 0,4 s. En C10A dvärg kräver 100 A. En B10A dvärg kräver istället bara 50 A för att lösa." Strömnivåer man ofta inte har tillgång till på 230V sidan från växelriktaren!
Växelriktarens inbyggda skydd mot överlast som bryter vid kortslutning är troligen inte en OK ersättare till säkring, då dels den nog inte räknas som lika driftsäker brytning som säkring, dels troligen inte är en fysisk brytning, samt dels inte är säkert den bryter inom 0,4 s! Samt man brukar dela upp sin 230V på olika separat säkrade elkretsar, där varje krets säkring ska lösa ut för kortslutning.
En kommentar i FB-grupp: "Men sätter du inverter för tex 230 Volt då ska säkring vid kortslutning lösa inom 0.4 sek. Jordanslutning, alltså eget jordtag, måste klara att vid kortslutning ge så stor ström att säkring löser."
Några Googlade länkar kring detta: Byggahus - Kortslutningsström LinkFang wiki - Förimpedans, lite mer utförligt, även vs säkring Byggahus - Räkna på utlösningsvillkor Byggahus - Inverter och Zför (Förimpedans / utlösningsvillkor off-grid) Byggahus - Inför man en JFB så ändras kravet på 0.4 s utlösningstid till 5 s. Man måste fortfarande räkna., ingen aning om det verkligen stämmer! FLUXIO - Dimensionering av kabel efter max spänningsfall 4%, säkringars utlösningsvillkor
Samt för företag som ska installera off-grid solcellsanläggningar gäller: "Företaget ska vara registrerat i Elsäkerhetsverkets företagsregister och får bara utföra elinstallationsarbete inom de verksamhetstyper som ingår i deras egenkontrollprogram. För solcellsanläggningar gäller att företaget ska vara registrerat för verksamhetstypen "Elproduktionsanläggningar".", från Installera din solcellsanläggning. 2023-02-12
Ett intressant snarlikt fall där Elsäkerhetsverket anser att en programvarustyrd elektronisk lösning för jordfelsbrytare i en laddbox inte uppfyller kraven i produktstandarden och att den därmed inte har någon jordfelsbrytare. Som jag uppfattat det är det samma krav på en säkring, att det krävs en mekanisk brytning:
"I Elsäkerhetsverkets brev till Easee framgår att boxarna har någon form av jordfelshantering som myndigheten inte är nöjd med. Så här skriver myndigheten: "Den lösning av jordfelshantering som ni implementerat i er produkt följer inte kraven som ställs på jordfelsbrytare och kan därför inte anses vara en jordfelsbrytare." Enligt vad den norska tidningen Teknisk Ukeblad erfar rör det sig om en programvarustyrd elektronisk säkring som ska kunna hantera jordfel.
Fredrik Byström Sjödin, elsäkerhetsexpert på branschorganisationen Installatörsföretagen, känner inte till vilken jordfelslösning Easee använder, men han kan uttala sig generellt om elektroniska säkringar med jordfelsfunktion.
– De uppfyller inte kraven i produktstandarden. Det krävs bland annat elektromekanisk brytning, säger han." Populära laddboxen riskerar säljstopp, NyTeknik Elsäkerhetsverket kritiserar laddboxtillverkaren Easee, Elinstallatören Pågående provning av laddboxar, Elsäkerhetsverket Easee: Våra laddare uppfyller alla säkerhetskrav, NyTeknik Klart: Populär laddbox för elbilar förbjuds – saknar skydd, NyTeknik Efter säljstoppet mot populära laddboxen: Easee överklagar, NyTeknik Laddbox får försäljningsförbud, Elsäkerhetsverket Easee: The balance between standards and innovation, by Easee Chief Technology Officer Easee: överklagar Elsäkerhetsverkets beslut Easee Home laddbox fallerar på punkt efter punkt, Teknikveckan Min Easee laddbox har fått försäljningsförbud. Vad ska jag göra nu?, Hallå konsument
Skyddsjord vs batteri(-) i off-grid system:2022-02-20
I CE-handboken - Om EU:s fritidsbåtsdirektivs tillämpning, Transportstyrelsen, anges:
"Skyddsledningen ska anslutas till farkostens DC negativa jord så nära batteriets minuspol som möjligt.
Om båten är försedd med en jordfelsbrytare som täcker hela farkosten eller om huvudmatningen sker via en isolationstransformator behöver skyddsjordkabeln inte kopplas till DC minus." (sid 75)
Detta är då sannolikt även tillämpligt i off-grid solcellssystem i husvagn, husbil & fritidsstuga.
Med "så nära batteriets minuspol som möjligt" tolkar jag att med en strömshunt till batterimonitor mot batteriets (-)-pol så ansluts skyddsjord på elsystemsidan av strömshunten, dvs inte på batterisidan. Riskerar på så sätt inte att störa strömshuntens arbete.
Dvärgbrytare inkoppling DC:2023-05-14 Dvärgbrytare (+)/(-)-märkning inkoppling i DC-systemDe fyra (+) & (-) markeringarna för anslutning 1-4 visar åt vilket håll DC-strömmen ska gå.
Märkningen (+) betyder att här kopplas den högsta potentialen in. Dvs från Solpanelens plus till (+) på brytaren och från (-) på brytaren till MPPT-regulatorns plus. Solpanelens spänning är högre än (+)-ingången på MPPT-regulatorn.
Till Last (förbrukare) så blir det tvärtom, dvs Batteri till (+) och Last till (-).
Detta har att göra med hur brytaren är konstruerad för att kunna bryta en DC-spänning.
De flesta "vanliga" dvärgbrytare typ Hager, Schneider, ABB med flera är designade för AC och skall INTE användas för DC-last.
Summa: Högsta spänning på (+), så blir det rätt!
