FrittLiv´ Logo
"Var inte rädd för döden.         
Var rädd för det olevda livet!"
Bertolt Brecht
By AutonomTech.se Frittliv Campingwebb på Facebook

Överspänningsskydd (åskskydd)

Skydd av off-grid solelsystem mot överspänning från lång ledning till solceller

Skapad: 2019-12-29, Uppdaterad: 2020-02-10
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.

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.

Funktion - beskrivning, 12V elsystem, 36 cellers solpanel VOC 21,5V, Vmpp 17,5V:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.

Bilder med bildtexter över överspänningsskyddet:

Magnify
Schema FrittLiv´s Överspänningsskydd (åskskydd) för extern 36 celler solpanel i 12VDC elsystem. © FrittLiv

Magnify
Gjuten brandsäker Al-låda. Med tre blå stora metalloxid blockvaristor (MOV) 40kA, 130VAC / 170VDC, 310J, <25ns, 340V/300A. Kabeln från extern solpanel ansluts direkt på blockvaristorn för säker högfrekvens funktion.
Nätfiltret (Frekvensfilter / EMI filter): 16A, 230V, DC-400Hz, Surge Puls 2kV.
Till vänster om nätfiltret 2st Transientskyddsdioder (TVS) 36V, 5kW, Stötström <400A, 43V/5mA, 58V/86A, <<1ns.
Plus en Varistor (MOV) ∅20mm, 25VAC / 31VDC, 39V/1mA, 77V/20A, 2kA, 26J, <5.5ns (osäker nytta).
Till utgång (+) regulator har jag en schottkydiod 15A/45V <0.53V/15A som förhindrar ström gå ut till extern elskada.
Samt en grön LED (lysdiod) via 2.2kOhm (<10mA) före schottkydioden, som indikerar spänning från solpanel.

Magnify
Installation i husvagn: Vänster grå box: PUS (Potential­Utjämnings­Skena, Mitt: kopplings­plintar för all solcellsström med polykarbonat beröringsskydd → ansluts till solladd­regulator, Höger: Al-låda med "åskskydd" & grön LED.

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!
  • 3st Metalloxid blockvaristor (MOV), B40K130, 40kA, 130VAC / 170VDC, 310J, 340V/300A, <25ns.
  • 2st Transientskyddsdioder (TVS), 5KP36A, 36V, 5kW, 43V/5mA, 58V/86A, Stötström <400A, <<1ns.
  • 1st Transientskyddsdiod (TVS), BZW50-39B, 39V, 5kW, 43V/1mA, 69V/72A, 90V/667A-8/20µs, Pulsström <500A/10ms, <<1ns
  • 1st Varistor (MOV) Ø20mm, 20D390K, 25VAC / 31VDC, 39V/1mA, 77V/20A, 2kA, 26J, <5.5ns
  • 1st Nätfilter (Frekvensfilter / EMI filter), FN2030-16-06, 16A, 230V, DC-400Hz, Surge Puls 2kV
  • 1st Schottkydiod, 15SQ045, 15A/45V, <0.53V/15A
  • 1st Lysdiod (LED) grön 5mm, L-7113GD
  • 1st Motstånd 2.2kOhm, OX222KE (det enda Elfa hade, behövs inte 1W)
  • 1st Jordningsskena (PUS), 1809
  • 1st Aluminumlåda gjuten, RND 455-00388, 200x120x75mm
  • 1st Parkabel röd/svart 6mm2, för anslutning mellan åskfilter - solladdregulator
  • 1st Enkelkabel svart 4mm2, mellan (-) batteri och PUS för potentialutjämning
  • 1st Enkelkabel gul/grön 2,5mm2, mellan åskskydd och PUS
  • 1st Jordspett varmgalvaniserat, 100 cm, Jordspett
  • 1st Enkelkabel gul/grön 6mm2, 10m, jordspett - husvagn
  • 1st CEE-stickpropp Blå 16 A/230 VAC, 2126, ansluta jordspett till husvagnsjord

Comparison of transient suppressors:
Type Surge capability (typical) Lifetime - number of surges Response
time
Shunt
capacitance
Leakage
current
(approximate)
TVS-diode 1 A (small surface-mount device) to 15 kA (large through-hole device) ≈  ≈ 1 ps (limited by pin lengths) < 1 pF (small surface-mount device) to > 10 nF (large through-hole device) 1 µA
Metal-oxide varistor (MOV) Up to 70 kA @ 100 A, 8x20 µs pulse shape: 1,000 surges 5-25 ns Typically 100–1,000 pF 10 µA
Avalanche diode
Zener diode
50 A @ 50 A, 8x20 µs pulse shape: infinite < 1 µs 50 pF 10 µA
Gas discharge tube (GDT) > 20 kA @ 20 kA, 8x20 µs pulse width: > 20 surges < 5 µs < 1 pF < 1 nA

Länkar till info:

Liten husvagn = Stora upplevelser längs vägen!
Webpage: server time: 33.8 ms, (incl. log: 23.6 ms) ||