Tipuri de cabluri solare: sârmă PV, cabluri USE-2 și CA explicate

Distincția definitorie între tipurile de cabluri solare este dacă acestea sunt proiectate pentru îngropare directă în rețeaua fotovoltaică DC sau pentru interconectarea AC între invertor și rețeaua de utilități. Firul fotovoltaic (UL 4703) este singurul tip de cablu evaluat atât pentru îngropare directă, cât și pentru expunerea continuă la lumina soarelui în rețeaua de curent continuu, cu o temperatură umedă de 90 °C și o valoare uscată de 150 °C, făcându-l obligatoriu pentru sistemele invertoare fără transformator fără împământare care funcționează la 1.000 sau 1.500 volți CC. Cablul UTILIZARE-2, deși este încă listat pentru îngropare directă, nu are ratingul complet de rezistență la lumina soarelui și spațiul de temperatură mai mare pe care îl solicită rețelele moderne de înaltă tensiune.

Cele patru categorii principale de cabluri solare

Un sistem fotovoltaic conține zone electrice distincte, fiecare guvernată de un anumit tip de cablu și un set corespunzător de cerințe de instalare în conformitate cu articolul 690 din Codul electric național (NEC). Cele patru tipuri de cabluri care apar într-un sistem proiectat corespunzător de la matrice până la punctul de interconectare sunt după cum urmează.

Firul fotovoltaic, enumerat la UL 4703 și standardul subiect UL 4703, este un cablu cu un singur conductor cu izolație din polietilenă reticulata (XLPE). și o jachetă exterioară rezistentă la lumina soarelui. Este evaluat pentru 600 V, 1.000 V sau 2.000 V în funcție de grosimea izolației, cu varianta de 2.000 V specificată pentru rețele de 1.500 VDC la scară de utilitate. Izolația XLPE oferă stabilitate termorezistentă, ceea ce înseamnă că cablul își menține rezistența dielectrică și proprietățile mecanice chiar și după expunerea prelungită la temperatura maximă de funcționare a conductorului de 90°C umed și 150°C uscat. Conductorul din cupru cositorit, torsionat conform ASTM B174 Clasa B sau C, rezistă efectelor corozive ale umezelii care pătrund în izolație de-a lungul deceniilor de funcționare. Firul fotovoltaic este singurul cablu din industria solară care transportă a Clasificare la flacără VW-1 și calificare pentru înmormântare directă simultan, satisfacând atât cerința de siguranță la incendiu în instalațiile de pe acoperiș, cât și cerința de trasare subterană în sistemele de colectare DC montate la sol.

Cablul USE-2, construit conform UL 854 și recunoscut de NEC Articolul 338, este un cablu cu un singur conductor clasificat pentru intrarea subterană a serviciului. Se foloseste Izolație XLPE identic în chimie cu firul PV, dar aplică o manta mai groasă și mai robustă, proiectată să reziste la abraziunea mecanică a tragerii prin conducte subterane și contact direct cu pământul. Tensiunea sa nominală este limitată la 600 V, iar temperatura maximă a conductorului este 90°C umed și 90°C uscat , o limitare critică în comparație cu firul fotovoltaic. Absența unei clasificări uscate de 150°C înseamnă că USE-2 nu poate fi utilizat în aer liber într-o matrice de acoperiș unde temperaturile plăcii din spate ale modulelor ajung în mod obișnuit la 75°C până la 85°C, iar creșterea temperaturii conductorului la sarcină maximă împinge izolația în teritoriu de suprasarcină termică.

Cablul TC-ER, cablu de tavă, cu grad de rulare expus, servește ca trunchi de colectare DC între cutia combinatorului și intrarea invertorului sau între mai multe invertoare șir într-o configurație în lanț. TC-ER este un ansamblu multiconductor, de obicei trei conductori plus masă, cu o izolație interioară din PVC și o manta exterioară din nailon sau PVC. Este evaluat pentru 600 V și 90°C uscat , iar lista sa permite rutarea în jgheab de cablu fără conductă pentru circuitul expus. Construcția cu mai mulți conductori simplifică cablarea în comparație cu tragerea cablurilor individuale cu un singur conductor, dar mantaua din PVC se degradează sub radiația ultravioletă, așa că TC-ER trebuie să fie închis atunci când este instalat în aer liber în lumina directă a soarelui.

Cablul de clădire THHN/THWN-2, deși nu este un cablu solar dedicat, apare pe partea de curent alternativ a ieșirii invertorului până la panoul principal de serviciu sau punctul de interconectare a utilității. Evaluat 600 V și 90°C uscat, 75°C wet , cu o manta de nailon peste izolatie PVC, este rentabil, disponibil pe scara larga si compatibil cu codul pentru toate cablurile de curent alternativ din interior in aval de invertor. Rezistența sa la lumina soarelui este zero și nu are nicio listă de înmormântare directă, astfel încât utilizarea sa este strict limitată la canalele interioare, conductele și panourile combinate AC închise.

Tabel de specificații comparativ pentru tipurile de cabluri solare

Selectarea clasei de tensiune și tranziția de 1.500 V

Trecerea de la arhitecturile de sistem de 1.000 VDC la 1.500 VDC în instalațiile fotovoltaice la scară de utilitate reduce curentul de colectare DC cu aproximativ o treime pentru același debit de putere, reducând numărul de cutii de combinare, alimentatoare DC și șanțurile asociate într-o proporție similară. Cu toate acestea, tensiunea mai mare impune cerințe mai stricte de izolație. O matrice de 1.500 VDC necesită un fir fotovoltaic nominal pentru 2.000 VDC , nu 1.000 VDC. Grosimea izolației pe un fir fotovoltaic de 2.000 V este de aproximativ 2,4 mm pentru conductorii de 10 AWG, comparativ cu 1,14 mm pentru varianta de 1.000 V . Această grosime crescută a peretelui reduce flexibilitatea cablului și mărește raza minimă de îndoire, un factor care complică gestionarea firelor în cutiile de joncțiune ale modulelor și carcasele DC cu invertor.

Standardul IEC 62930, aplicat la nivel global în afara Americii de Nord, armonizează cerințele de performanță pentru cablurile fotovoltaice de 1.500 V. Specifică o rezistență minimă de izolație de 10 MΩ·km la 20°C , o cifră verificată în timpul testării producției din fabrică pe fiecare bobină înainte de expediere. Testarea pe teren a cablului fotovoltaic de 1.500 V instalat cu un megaohmmetru de 5.000 V trebuie să conducă la valori ale rezistenței de izolație nu mai mici de 4 MΩ pe șir înainte ca șirul să fie conectat la invertor, o poartă de punere în funcțiune care identifică deteriorarea instalației la manta sau garniturile conectorului MC4 sertizate incorect.

Reducerea temperaturii și corecția ampacității

Tabelele de intensitate din articolul 310.15 NEC presupun o temperatură ambientală de 30°C și nu mai mult de trei conductori purtători de curent într-o cale de rulare. Un sistem solar de colectare DC încalcă în mod obișnuit ambele ipoteze. Pe un acoperiș din Phoenix, Arizona, unde temperatura aerului ambiant la 12 inchi deasupra suprafeței acoperișului atinge 65°C într-o după-amiază de vară, factorul de corecție a temperaturii pentru cablul fotovoltaic la 90°C este 0.58 conform Tabelului NEC 310.15(B)(1)(1). Un fir fotovoltaic de 10 AWG cu o ampacitate de 30°C de 40 de amperi este astfel redus la 23,2 amperi la 65°C. Dacă același fir este împachetat cu alte trei șiruri purtătoare de curent într-o conductă pe o distanță care depășește 24 inchi, un factor de ajustare suplimentar de 0.80 se aplică, reducând în continuare ampacitatea admisă la 18,6 amperi.

Rezultatul este că un conductor de 10 AWG, care pare generos supradimensionat pentru un curent de șir de 9 amperi la prima vedere, funcționează la aproape 50% din capacitatea sa redusă după corecții de temperatură și grupare . Practica de inginerie pentru sistemele de acoperiș specifică 10 AWG ca dimensiune minimă a firului fotovoltaic pentru interconexiunile modulelor, cu 8 AWG necesar pentru conductoarele home-run care deservesc mai mult de două șiruri, o regulă generală derivată din datele de temperatură de pe acoperiș, mai degrabă decât un standard fix.

Chimia izolației și avantajul XLPE

Materialul de izolație diferențiază un cablu solar de sârma de construcție de uz general mai mult decât orice alt atribut. XLPE, polietilena reticulată utilizată în firele fotovoltaice și USE-2, este un material termorezistent, ceea ce înseamnă că lanțurile polimerice sunt reticulate chimic în timpul procesului de întărire. Odată reticulat, materialul nu se poate topi sau curge atunci când este încălzit. Un fir fotovoltaic expus la o temperatură a conductorului de 150°C își menține forma fizică și rezistența dielectrică, în timp ce un fir THHN izolat cu PVC la aceeași temperatură ar înmuia, curge și va crea un scurtcircuit intern.

Procesul de reticulare, realizat printr-o umiditate pe bază de silan sau iradiere cu fascicul de electroni, îmbunătățește și rezistența izolației la curgerea rece sub compresie. Când un fir fotovoltaic este prins între cadrul modulului și șina de montare, izolația XLPE rezistă setului de compresie care ar subțire peretele izolator din PVC în timp. Grosimea peretelui reținut după 1.000 de ore de încărcare compresivă la 90°C reprezintă de obicei 85% până la 90% din grosimea originală pentru XLPE, comparativ cu 60% sau mai puțin pentru PVC . Această proprietate este esențială într-o matrice fotovoltaică în care clemele de module și clemele de sârmă aplică puncte de presiune localizate care persistă pe durata de viață de 25 de ani a sistemului.

Compatibilitatea conectorilor și standardul MC4

Cablul solar în sine este doar conductorul; terminația conectorului este punctul de defecțiune la nivel de sistem. Standardul industrial este conectorul MC4, dezvoltat inițial de Multi-Contact și fabricat acum sub licență de peste o duzină de furnizori globali. MC4 este evaluat pentru 1.500 VDC și 30 de amperi curent continuu cu fir fotovoltaic de 4 mm² sau 6 mm² (12 AWG până la 10 AWG) , și menține un grad de protecție la pătrundere de IP68 atunci când este cuplat, ceea ce înseamnă că rezistă la scufundarea continuă în 1 metru de apă.

Regula critică pentru fiabilitate este omogenitatea conectorului: conectorii masculin și feminin de pe un singur șir trebuie să fie de la același producător. Asocierea unui conector Amphenol H4 cu un Staubli MC4 autentic, în ciuda compatibilității fizice și a listei UL, introduce un risc de coroziune galvanică la interfața de contact, deoarece metalele de bază și grosimile de placare diferă. Rezistența de contact rezultată, măsurată cu un miliohmetru cu patru fire, poate începe la o valoare acceptabilă. 0,5 miliohmi dar se poate ridica la 5 miliohmi sau mai mult în trei ani a ciclului termic, moment în care încălzirea I²R la conector depășește temperatura cablului înconjurător și accelerează oxidarea. Defecțiunile de câmp cauzate de conectori nepotriviți sunt cea mai comună reclamație de asigurare pentru sistemele de acoperiș rezidențial.

Cerințe pentru conductori de împământare și legare a echipamentelor

Conductorul de împământare a echipamentului (EGC) dintr-o rețea solară servește drept cale de întoarcere a curentului de defect și trebuie dimensionat pentru a transporta întregul curent de scurtcircuit al rețelei fără a depăși temperatura sa nominală. Tabelul NEC 250.122 guvernează dimensionarea EGC pe baza valorii nominale a dispozitivului de protecție la supracurent, dar pentru invertoarele fără transformator în care este integrată detectarea defecțiunii la pământ de CC, un EGC nu mai mic decât cel mai mare conductor de circuit CC este recomandat de cele mai bune practici de inginerie, chiar și atunci când o dimensiune mai mică este permisă de cod. Un fir PV de 10 AWG folosit ca conductor pozitiv DC neîmpământat trebuie să fie însoțit de un minim 10 AWG EGC , dimensionat la 690,45 din NEC.

Pentru partea de curent alternativ, EGC dintre invertor și panoul de serviciu principal este de obicei un conductor THHN/THWN-2 cu izolație verde, dimensionat conform Tabelului 250.122, pe baza gradului de protecție la supracurent de ieșire de curent alternativ al invertorului. Un întrerupător de ieșire a invertorului de 40 de amperi necesită a minim 10 AWG cupru EGC . EGC nu este un conductor purtător de curent în funcționare normală, dar trebuie să fie capabil să conducă întregul curent de eroare la pământ pentru timpul necesar dispozitivului de supracurent pentru a elimina defecțiunea, o durată de obicei mai mică de 0,1 secunde pentru întreruptoarele moderne de limitare a curentului.

Managementul cablurilor și protecție la expunerea la UV

Chiar și firul fotovoltaic rezistent la lumina soarelui necesită protecție fizică împotriva marginilor ascuțite, a daunelor faunei sălbatice și a degradarii UV concentrate în punctele de stres. Cablurile de pe o rețea de montare la sol sunt direcționate prin suport de cablu metalic sau din polietilenă de înaltă densitate (HDPE), fixat cu cleme de cablu din oțel inoxidabil la intervale care nu depășesc 1,5 metri . Legăturile de cabluri nu trebuie să comprima excesiv izolația; o tensiune de legătură care depășește specificațiile producătorului poate curge la rece izolația XLPE și poate reduce grosimea peretelui la punctul de legătură cu 50% într-un singur ciclu termic.

În instalațiile pe acoperiș, cablul fotovoltaic trebuie susținut de suprafața acoperișului prin cleme de cablu sau canale de gestionare a cablurilor integrate în cadrul modulului. Contactul direct dintre mantaua cablului și șindrila de asfalt transferă căldura de la suprafața acoperișului către cablu, ridicând temperatura conductorului cu o valoare estimată. Cu 5°C până la 10°C peste temperatura aerului ambiant , o marjă care poate împinge temperatura conductorului dincolo de valoarea sa de umiditate de 90°C atunci când este combinată cu curentul de sarcină completă și radiația mare din spate a modulului. Cablul trebuie, de asemenea, direcționat pentru a evita stagnarea apei în punctele joase ale acoperișului, unde ciclurile de îngheț-dezgheț stresează mantaua prin expansiunea și contracția repetată a formațiunilor de gheață.