نقش سیستم ارت در تجهیزات خورشیدی

سیستم ارت در تجهیزات خورشیدی با ایجاد یک مسیر مناسب برای عبور جریان های خطا، به کاهش خطر برق گرفتگی و حفاظت از تجهیزات کمک می کند. اجرای صحیح این سیستم علاوه بر افزایش ایمنی، می تواند عملکرد تجهیزات حفاظتی را نیز بهبود دهد و احتمال آسیب به اجزای حساس سامانه را کاهش دهد.

سیستم ارت در تجهیزات خورشیدی چیست؟

سیستم ارت یا اتصال زمین، مجموعه ای از هادی ها، اتصالات و الکترودهای زمین است که برای ایجاد یک مسیر الکتریکی کنترل شده بین قسمت های مشخص تجهیزات و زمین مورد استفاده قرار می گیرد. هدف اصلی این سیستم، فراهم کردن مسیری مناسب برای جریان خطا و کاهش احتمال ایجاد ولتاژ خطرناک روی قسمت های فلزی قابل لمس است.

در یک سامانه خورشیدی، قسمت هایی مانند فریم فلزی پنل ها، سازه نگهدارنده، بدنه اینورتر، تابلوهای برق و سایر تجهیزات فلزی ممکن است نیاز به اتصال زمین داشته باشند. نحوه اجرای این اتصال به نوع سیستم، طراحی الکتریکی، الزامات سازنده تجهیزات و مقررات مورد استفاده در پروژه بستگی دارد.

باید توجه داشت که اتصال زمین با سیم نول یکسان نیست. همچنین سیستم ارت به تنهایی جایگزین تجهیزات حفاظت در برابر صاعقه یا تجهیزات محافظ اضافه ولتاژ نمی شود. این بخش ها باید در کنار یکدیگر و بر اساس طراحی حفاظتی مناسب در نظر گرفته شوند.

اهمیت سیستم ارت در سیستم های خورشیدی

اتصال زمین مناسب یکی از اجزای مهم در طراحی ایمن یک سیستم فتوولتائیک است. پنل ها در فضای باز نصب می شوند و بسیاری از اجزای نگهدارنده آنها نیز فلزی هستند. از طرف دیگر، اینورتر و تجهیزات کنترلی دارای قطعات الکترونیکی حساس هستند که می توانند در برابر خطاهای الکتریکی و اضافه ولتاژ آسیب پذیر باشند.

افزایش ایمنی کاربران و تکنسین ها

یکی از مهم ترین وظایف ارت، کاهش خطر تماس افراد با بدنه فلزی دارای ولتاژ خطرناک است. در صورت بروز خرابی عایقی یا اتصال یک هادی برق دار به بدنه فلزی، اتصال زمین مناسب می تواند مسیر مشخصی برای جریان خطا فراهم کند تا تجهیزات حفاظتی بتوانند واکنش مناسبی نشان دهند. این موضوع در نیروگاه های خورشیدی بزرگ اهمیت بیشتری دارد؛ زیرا تعداد زیادی پنل، سازه فلزی و تجهیزات الکتریکی در یک محدوده نصب شده اند و افراد نیز به صورت دوره ای برای تعمیر و نگهداری در محل حضور پیدا می کنند.

کاهش خطر برق گرفتگی

وجود یک مسیر زمین مناسب می تواند احتمال باقی ماندن ولتاژ خطرناک روی بدنه تجهیزات را کاهش دهد. اگر بدنه یک اینورتر یا سازه فلزی پنل در اثر نقص عایقی برق دار شود، اتصال صحیح آن به سیستم زمین می تواند در عملکرد مدارهای حفاظتی مؤثر باشد. البته میزان حفاظت به طراحی کامل مدار، نوع تجهیزات حفاظتی، کیفیت اتصالات و شرایط خطا نیز بستگی دارد و صرفاً نصب یک هادی ارت به معنای ایمن بودن کامل سیستم نیست.

حفاظت از تجهیزات در برابر خطاهای الکتریکی

اینورترها، تجهیزات کنترلی و سایر اجزای الکترونیکی سیستم خورشیدی نسبت به برخی اختلالات الکتریکی حساس هستند. اتصال زمین مناسب در کنار تجهیزات حفاظتی می تواند به مدیریت جریان های ناخواسته و کاهش برخی ریسک های الکتریکی کمک کند.

کاهش آسیب ناشی از اضافه ولتاژ و صاعقه

سامانه های خورشیدی معمولاً روی پشت بام، زمین یا سازه های مرتفع نصب می شوند و به همین دلیل باید در طراحی حفاظتی آنها احتمال اضافه ولتاژ ناشی از صاعقه و سایر عوامل در نظر گرفته شود. سیستم زمین مناسب می تواند بخشی از مسیر تخلیه جریان های ناخواسته را فراهم کند؛ با این حال برای حفاظت کامل، استفاده صحیح از تجهیزات حفاظت در برابر اضافه ولتاژ و در پروژه های موردنیاز، سیستم حفاظت در برابر صاعقه نیز ضروری است.

افزایش قابلیت اطمینان سیستم خورشیدی

سیستم خورشیدی باید برای فعالیت طولانی مدت در شرایط محیطی مختلف طراحی شود. وجود اتصالات زمین استاندارد و قابل اطمینان، احتمال برخی مشکلات ناشی از خطاهای الکتریکی را کاهش می دهد و به افزایش ایمنی و پایداری مجموعه کمک می کند.

کدام تجهیزات خورشیدی به سیستم ارت نیاز دارند؟

نیاز به اتصال زمین برای تمام اجزای یک سیستم خورشیدی دقیقاً یکسان نیست و باید بر اساس ساختار سیستم و الزامات فنی آن تعیین شود. با این حال، قسمت های فلزی و تجهیزات الکتریکی اصلی معمولاً در طراحی سیستم زمین مورد توجه قرار می گیرند.

·       پنل های خورشیدی و فریم فلزی: خود پنل دارای مدار تولید برق است، اما فریم فلزی آن یک قسمت رسانا و قابل لمس محسوب می شود. بنابراین در بسیاری از طراحی ها، فریم پنل ها به سیستم هم بندی و اتصال زمین متصل می شود. نحوه اتصال باید به گونه ای باشد که ضمن ایجاد ارتباط الکتریکی مطمئن، به پنل آسیب مکانیکی یا خوردگی غیرضروری وارد نشود.

·       اینورتر خورشیدی: اینورتر یکی از مهم ترین تجهیزات الکتریکی سیستم است و معمولاً دارای بدنه فلزی و مدارهای الکترونیکی حساس است. اتصال زمین بدنه اینورتر مطابق دستورالعمل سازنده و طراحی سیستم، بخش مهمی از حفاظت الکتریکی آن محسوب می شود.

·       سازه نگهدارنده پنل: سازه های فلزی که پنل ها روی آنها نصب می شوند نیز باید در طراحی هم بندی و اتصال زمین مورد توجه قرار گیرند. وجود بخش های فلزی متعدد بدون هم بندی مناسب می تواند باعث ایجاد اختلاف پتانسیل میان قسمت های مختلف شود.

·       تابلوهای برق و تجهیزات حفاظتی: تابلوهای DC و AC، محفظه های فلزی و برخی تجهیزات حفاظتی نیز ممکن است به اتصال زمین نیاز داشته باشند. همچنین عملکرد مناسب تجهیزات حفاظت در برابر اضافه ولتاژ تا حد زیادی به طراحی صحیح مسیر تخلیه و هم بندی سیستم وابسته است.

·       باتری و تجهیزات ذخیره سازی: در سیستم های خورشیدی دارای باتری، وضعیت اتصال زمین باید بر اساس ساختار سیستم، نوع باتری خورشیدی، اینورتر و دستورالعمل سازنده بررسی شود. نباید بدون توجه به طراحی مدار، تمام قطب های باتری را به صورت خودسرانه به زمین متصل کرد.

نقش سیستم ارت در حفاظت از پنل های خورشیدی

پنل های خورشیدی معمولاً برای سال ها در فضای باز نصب می شوند و در معرض باران، رطوبت، گردوغبار، تغییرات دما و در برخی مناطق شرایط جوی شدید قرار دارند. فریم فلزی پنل و سازه نگهدارنده نیز در معرض این شرایط هستند.

اتصال زمین مناسب فریم و سازه می تواند در صورت بروز خطای الکتریکی، مسیر مناسبی برای جریان خطا ایجاد کند. همچنین هم بندی مناسب قسمت های فلزی به کاهش اختلاف پتانسیل میان اجزای مختلف کمک می کند.

در طراحی حفاظت پنل ها باید علاوه بر ارت، وضعیت کابل ها، کانکتورها، تابلوهای DC، تجهیزات حفاظت در برابر اضافه ولتاژ و شرایط نصب نیز بررسی شود.

نقش ارت در حفاظت اینورتر خورشیدی

اینورتر وظیفه تبدیل انرژی الکتریکی تولیدشده توسط پنل ها را بر عهده دارد و یکی از حساس ترین تجهیزات سامانه خورشیدی محسوب می شود. وجود مدارهای الکترونیکی، کلیدها و تجهیزات حفاظتی مختلف باعث می شود طراحی صحیح اتصال زمین برای آن اهمیت ویژه ای داشته باشد. اتصال بدنه اینورتر به سیستم زمین می تواند در زمان ایجاد خطای الکتریکی، مسیر مناسبی برای جریان خطا فراهم کند. همچنین در بسیاری از طراحی ها، تجهیزات حفاظت در برابر اضافه ولتاژ در سمت DC و AC به سیستم هم بندی و زمین مرتبط هستند.

نکته مهم این است که روش اتصال زمین در تمام اینورترها یکسان نیست. بنابراین باید ترمینال ها و الزامات اعلام شده توسط سازنده بررسی شود و از ایجاد اتصال های اضافی و غیرمجاز جلوگیری شود. ارت نامناسب ممکن است باعث کاهش سطح حفاظت تجهیزات، افزایش ریسک آسیب الکتریکی و ایجاد مشکلاتی در عملکرد برخی مدارهای حفاظتی شود.

سیستم ارت و حفاظت تجهیزات خورشیدی در برابر صاعقه و اضافه ولتاژ

صاعقه یکی از عوامل مهم ایجاد اضافه ولتاژ در سامانه های خورشیدی است، به خصوص در پروژه هایی که در مناطق باز، مرتفع یا دارای شرایط جوی خاص نصب شده اند. در چنین شرایطی باید بین سه مفهوم اتصال زمین، حفاظت در برابر صاعقه و حفاظت در برابر اضافه ولتاژ تفاوت قائل شد.

ارت، یک مسیر اتصال الکتریکی به زمین فراهم می کند؛ اما وجود ارت به تنهایی به معنی وجود سیستم کامل حفاظت در برابر صاعقه نیست. برای حفاظت تجهیزات الکترونیکی می توان از تجهیزات SPD مناسب نیز استفاده کرد.

در طراحی حرفه ای، مسیرهای کابل، تابلوهای DC و AC، تجهیزات حفاظتی، سازه فلزی و سیستم زمین باید با یکدیگر هماهنگ باشند. هرچه مسیرهای انتقال انرژی و کابل های DC و AC طولانی تر باشند، توجه به حفاظت در برابر اضافه ولتاژ اهمیت بیشتری پیدا می کند. بنابراین استفاده از ارت، SPD و سیستم حفاظت در برابر صاعقه باید بر اساس ارزیابی ریسک و طراحی پروژه انجام شود.

اجزای اصلی سیستم ارت تجهیزات خورشیدی

یک سیستم زمین مناسب از چند بخش اصلی تشکیل می شود که کیفیت و هماهنگی آنها بر عملکرد نهایی تأثیر دارد.

·       الکترود زمین: الکترود، بخشی از سیستم است که ارتباط الکتریکی با خاک را ایجاد می کند. نوع، ابعاد، تعداد و آرایش الکترودها بر اساس شرایط پروژه و ویژگی های خاک تعیین می شود.

·       هادی ارت: هادی ارت وظیفه انتقال جریان خطا از تجهیزات به سیستم زمین را بر عهده دارد. سطح مقطع، جنس، مسیر نصب و نحوه حفاظت مکانیکی این هادی باید مطابق طراحی و الزامات فنی انتخاب شود.

·       شینه ارت: شینه ارت برای ایجاد یک نقطه اتصال منظم میان هادی های مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. استفاده از شینه مناسب باعث نظم بیشتر سیم کشی و سهولت بازرسی و نگهداری می شود.

·       اتصالات و بست های ارت: اتصالات مکانیکی و الکتریکی باید در برابر شرایط محیطی مقاوم باشند. شل شدن پیچ ها، خوردگی و انتخاب اتصال نامناسب می تواند پیوستگی مسیر زمین را تحت تأثیر قرار دهد.

·       هم بندی سازه و تجهیزات فلزی: تمام قسمت های فلزی که در طراحی پروژه نیاز به هم بندی دارند باید به شکل اصولی به شبکه زمین متصل شوند. هدف، کاهش اختلاف پتانسیل و ایجاد یک سیستم یکپارچه حفاظتی است.

·       تجهیزات حفاظت در برابر اضافه ولتاژ: SPDها برای محدود کردن اضافه ولتاژهای گذرا مورد استفاده قرار می گیرند و باید متناسب با سیستم DC یا AC انتخاب شوند. محل نصب، مشخصات فنی و نحوه اتصال آنها به سیستم زمین اهمیت زیادی دارد.

اصول اجرای سیستم ارت در نیروگاه و سامانه خورشیدی

اجرای سیستم زمین باید بر اساس طراحی مهندسی و شرایط واقعی پروژه انجام شود. یک روش ثابت را نمی توان برای تمام سامانه های خورشیدی به کار برد.

·       بررسی شرایط محل نصب: در مرحله نخست باید نوع سیستم، ظرفیت، محل نصب، ساختار سازه، شرایط خاک، طول مسیر کابل ها و سطح خطرات محیطی بررسی شود.

·       انتخاب روش مناسب اتصال زمین: نوع الکترود و آرایش سیستم زمین باید بر اساس شرایط خاک و الزامات پروژه تعیین شود. در پروژه های مختلف ممکن است روش های متفاوتی برای ایجاد اتصال زمین مناسب مورد استفاده قرار گیرد.

·       ایجاد مسیر ارت پیوسته و مطمئن: مسیر هادی زمین باید تا حد امکان مشخص، مطمئن و قابل بازرسی باشد. استفاده از مسیرهای نامناسب یا اتصالات ضعیف می تواند عملکرد کل سیستم را تحت تأثیر قرار دهد.

·       هم بندی اجزای فلزی: فریم پنل ها، سازه نگهدارنده، تابلوها و بدنه تجهیزات باید طبق طراحی با یکدیگر هم بندی شوند. در این مرحله انتخاب بست و تجهیزات اتصال مناسب اهمیت زیادی دارد.

·       کاهش مقاومت مسیر اتصال زمین: هدف از طراحی سیستم زمین، ایجاد مسیری با امپدانس مناسب برای جریان های خطا و شرایط حفاظتی موردنظر است. مقدار مناسب مقاومت یا امپدانس سیستم باید بر اساس نوع پروژه و استاندارد مورد استفاده تعیین شود و نمی توان یک عدد ثابت را برای تمام سامانه ها در نظر گرفت.

·       کنترل و تست اتصالات: پس از اجرای سیستم، اتصالات باید از نظر مکانیکی و الکتریکی بررسی شوند. همچنین اندازه گیری و تست سیستم زمین باید با تجهیزات مناسب و توسط فرد متخصص انجام شود.

·       بازرسی دوره ای سیستم ارت: سیستم زمین مانند سایر تجهیزات خورشیدی نیازمند بازرسی است. خوردگی، شل شدن اتصالات، آسیب کابل ها و تغییر شرایط محیطی می تواند عملکرد آن را در طول زمان کاهش دهد.

عوامل مؤثر بر عملکرد سیستم ارت تجهیزات خورشیدی

عملکرد سیستم زمین به عوامل متعددی وابسته است و صرفاً به نوع الکترود محدود نمی شود. مهم ترین عوامل عبارت اند از:

• نوع و مقاومت ویژه خاک
• میزان رطوبت خاک
• تغییرات فصلی شرایط زمین
• نوع و ابعاد الکترود
• تعداد و آرایش الکترودها
• طول و سطح مقطع هادی ها
• کیفیت اتصالات
• میزان خوردگی تجهیزات
• طول مسیر کابل های DC و AC
• ظرفیت سیستم خورشیدی
• نوع سازه و تجهیزات فلزی
• شرایط آب وهوایی منطقه
• طراحی سیستم حفاظت در برابر صاعقه و اضافه ولتاژ

به همین دلیل، طراحی سیستم زمین باید متناسب با شرایط واقعی پروژه انجام شود و کپی کردن یک طرح از پروژه دیگر همیشه نتیجه مناسبی ندارد.

مشکلات ناشی از ارت نامناسب در سیستم خورشیدی

ضعف در طراحی یا اجرای سیستم زمین می تواند پیامدهای مختلفی داشته باشد. برخی از مهم ترین مشکلات عبارت اند از:

• افزایش خطر برق گرفتگی
• کاهش سطح ایمنی هنگام تعمیرات
• آسیب احتمالی به اینورتر و تجهیزات الکترونیکی
• افزایش ریسک خسارت ناشی از اضافه ولتاژ
• کاهش عملکرد برخی تجهیزات حفاظتی
• ایجاد اختلاف پتانسیل میان قسمت های فلزی
• افزایش احتمال آسیب در شرایط صاعقه
• خوردگی یا خرابی اتصالات در صورت استفاده از تجهیزات نامناسب
• دشوار شدن عیب یابی و نگهداری سیستم

در بسیاری از موارد، مشکل ارت در زمان عملکرد عادی سیستم مشخص نمی شود و ممکن است هنگام وقوع یک خطای الکتریکی یا اضافه ولتاژ خود را نشان دهد. به همین دلیل، آزمایش و بازرسی دوره ای اهمیت زیادی دارد.

نکات مهم برای تست و نگهداری سیستم ارت خورشیدی

پس از اجرای سیستم زمین، نگهداری صحیح آن برای حفظ عملکرد طولانی مدت ضروری است. در بازدیدهای دوره ای باید وضعیت اتصالات و هادی های ارت بررسی شود. بررسی ظاهری بست ها و کابل ها، کنترل خوردگی، اطمینان از محکم بودن اتصالات و بررسی پیوستگی مسیر زمین از اقدامات مهم نگهداری هستند.

همچنین در فواصل مناسب باید سیستم زمین با تجهیزات اندازه گیری تخصصی آزمایش شود. نتایج اندازه گیری باید با مقادیر طراحی و الزامات پروژه مقایسه شوند. پس از توسعه نیروگاه، تغییر اینورتر، اضافه کردن تابلو یا تغییر ساختار سازه نیز بهتر است سیستم زمین دوباره بررسی شود تا مشخص شود تغییرات جدید با شبکه هم بندی موجود سازگار هستند. در پروژه های بزرگ، ثبت نتایج تست ها و نگهداری سوابق بازرسی می تواند به تشخیص سریع تر مشکلات در آینده کمک کند.

استانداردها و الزامات سیستم ارت تجهیزات خورشیدی

اجرای سیستم زمین باید بر اساس استانداردها و مقررات الکتریکی مربوط به پروژه انجام شود. استانداردهای مرتبط با سامانه های فتوولتائیک، تأسیسات الکتریکی، اتصال زمین، حفاظت در برابر صاعقه و اضافه ولتاژ می توانند در طراحی سیستم مورد توجه قرار گیرند. در پروژه های مختلف ممکن است الزامات متفاوتی وجود داشته باشد؛ بنابراین انتخاب یک مقدار یا روش ثابت بدون بررسی نوع پروژه، محل نصب و استاندارد مرجع کار درستی نیست.

همچنین دستورالعمل سازنده پنل، اینورتر، SPD و سایر تجهیزات باید بررسی شود. برخی تجهیزات دارای ترمینال ها و روش های مشخصی برای اتصال زمین هستند و اجرای اتصال متفاوت ممکن است عملکرد آنها را مختل کند. بهترین رویکرد، طراحی و اجرای سیستم توسط افراد متخصص و مطابق مقررات برق و الزامات فنی پروژه است.

تفاوت سیستم ارت در سامانه های خورشیدی متصل به شبکه و مستقل

نوع سیستم خورشیدی می تواند بر نحوه طراحی اتصال زمین و حفاظت الکتریکی تأثیر بگذارد.

سیستم های خورشیدی متصل به شبکه

در سامانه های متصل به شبکه، اینورتر بین بخش DC پنل ها و شبکه AC قرار دارد. به همین دلیل، هم بندی پنل ها و سازه، اتصال زمین بدنه اینورتر و تابلوهای AC و DC باید در طراحی کلی سیستم در نظر گرفته شود. در این سیستم ها هماهنگی میان حفاظت سمت DC، سمت AC و تجهیزات شبکه اهمیت زیادی دارد.

سیستم های خورشیدی مستقل از شبکه

در سامانه های مستقل، معمولاً باتری، شارژکنترلر و اینورتر نیز در کنار پنل ها وجود دارند. به همین دلیل طراحی سیستم زمین باید با ساختار کامل سامانه هماهنگ شود. در این سیستم ها نیز نباید صرفاً بر اساس تجربه یک پروژه دیگر اقدام به اتصال قطب های باتری یا قسمت های مختلف مدار به زمین کرد. نوع توپولوژی سیستم، تجهیزات مورد استفاده و دستورالعمل سازنده باید مبنای تصمیم گیری باشد.