Prądy upływu przy synchronizacji falownika fotowoltaicznego – Huawei SUN2000, SMA Tripower, normy IEC 62109

Pytanie

czy moze się pojawić uplywnośc pradu przy synchronizacji fotowoltaiki

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Tak. Przy włączaniu (synchronizacji) falownika fotowoltaicznego do sieci mogą wystąpić – zwykle krótkotrwałe – prądy upływu zarówno po stronie DC, jak i AC.
• Zjawisko wynika głównie z pojemności pasożytniczych modułów i filtrów EMC falownika oraz z różnic potencjałów ziemia-układ.
• Nowoczesne inwertery posiadają wbudowane układy RCMU/RCD typu B, które ograniczają te prądy do wartości wymaganych przez normę IEC 62109-2; przekroczenie progu (typowo 10 mA DC lub 30 mA AC) powoduje natychmiastowe odłączenie instalacji.

Szczegółowa analiza problemu

1. Definicja i klasyfikacja

   • Prąd upływu (ang. leakage current) – składowa prądu roboczego wypływająca z obwodu do ziemi lub konstrukcji przewodzących niebędących częścią toru prądowego.
   • W PV wyróżniamy:
     • I_PE (upływ do przewodu ochronnego z filtrów AC)
     • I_CM (common-mode, pojemność moduły–ziemia)
     • I_FD (fault current DC, przy uszkodzeniu izolacji).

2. Mechanizmy powstawania podczas synchronizacji
   a) Ładowanie kondensatorów Y filtrów EMC po stronie AC: tuż po zamknięciu stycznika synchronizacyjnego \[I_C = 2π f C V⌋. Przepływ trwa < 1 periodę sieci.
   b) Prądy pojemnościowe moduł → rama → ziemia (150–750 pF/kWp). W chwili, gdy falownik zaczyna modulować napięciem PWM, fluktuacje na szynie DC (100 Hz – kilka kHz) powodują I_CM rzędu 10–100 mA/kWp (szczyt), potem ustala się na poziomie < 10 mA.
   c) Wyrównanie potencjałów przy różnicy faz/napięcia (prąd synchronizacyjny). W transformatorowych układach występuje rzadko; w beztransformatorowych jest ograniczony algorytmami soft-start (ramp-up < 20 ms).
   d) Procedura pomiaru impedancji izolacji (RCMU). Falownik w fazie testu wstrzykuje ­≤ 1 mA DC aby sprawdzić R_iso > 1 MΩ; prąd ten jest również widoczny na przewodzie PE.

3. Czynniki zwiększające upływy

   • Długie lub równoległe trasy przewodów DC (>30 m) – większa pojemność liniowa.
   • Wysoka wilgotność, zabrudzenia, uszkodzona izolacja (PID, mikropęknięcia).
   • Inwertery beztransformatorowe (trendy rynkowe > 95 %).
   • Zastosowanie technologii SiC/GaN (wyższe częstotliwości przełączania ⇒ większe dv/dt).

4. Ograniczenia normatywne (stan 2024)

   • IEC 62109-2: I_leak DC ≤ 10 mA, I_leak AC rms ≤ 30 mA (typowo) lub odłączenie < 0,3 s.
   • PN-HD 60364-7-712: obowiązek RCD typu B lub A+RCMU przy upływie DC ≤ 6 mA.
   • Rozporządzenie Min. Infrastruktury (09.2020): projekty PV ≥ 6,5 kWp muszą być uzgadniane przez rzeczoznawcę ds. p-poż.

5. Modele pracy falownika

   • Tryb wyspowy (UPS/HYBRID): brak odniesienia do ziemi ⇒ mniejsze I_PE, większe ryzyko asymetrii przy ponownym synchro.
   • Tryb grid-tie: ciągłe pomiary R_iso, aktywne sterowanie common-mode PWM (np. SVM 0, SVM 7).

Aktualne informacje i trendy

• Producenci (Huawei SUN2000-M1, SMA Sunny Tripower X) stosują aktywne tłumiki CM oraz bifazowe algorytmy soft-sync ograniczające I_CM do 3,5 mA/kWp.
• W systemach 1500 V DC pojawiły się dławiki sprzężone magnetycznie z L_leak > 1 mH dla redukcji HF-leakage.
• Rozwija się diagnostyka online (impulsowe TDR, SWR) pozwalająca wskazać lokalizację pogorszenia izolacji zanim RCMU zadziała.

Wspierające wyjaśnienia i detale

Przykład obliczeniowy (string 600 V, Ctot = 400 pF):
\[ I{CM,max} = 2π·f·C·V = 2π·50 Hz·400 pF·600 V ≈ 75 mA{peak} ≈ 53 mA{rms}\]
W praktyce soft-start ogranicza napięcie do 10–20 % w pierwszych cyklach, więc detektor różnicowy 30 mA nie powinien zadziałać.

Aspekty etyczne i prawne

• Porażenie ≥ 30 mA może być śmiertelne; norma PN-EN 61140 nakłada na projektanta obowiązek ograniczenia dotykowego napięcia dłużej niż 0,4 s.
• Obowiązek zgłoszenia do OSD każdego wyłączenia > 5 s spowodowanego I_leak (Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej).
• Zapewnienie kompatybilności elektromagnetycznej – Dyrektywa EMC 2014/30/UE.

Praktyczne wskazówki

1. Projekt:
   • Minimalizuj długości przewodów DC, układaj je przy metalowej konstrukcji (ekran).
   • Stosuj przewody PV1-F, H1Z2Z2-K o izolacji ≥ 1 kV, odporne na UV.
2. Montaż:
   • Wspólny punkt uziemiający (GES) ≤ 10 Ω, przewody Cu ≥ 16 mm².
   • Obowiązkowe zaciski MC4 z klasą IP67, dokręcone momentem 3 Nm.
3. Aparatura:
   • RCD typu B 30 mA lub A + RCMU ≤ 6 mA, selektywna charakterystyka S przy podłączeniach wielostanowiskowych.
   • Co 2 lata pomiar R_iso megomierzem 1000 V DC (wartość referencyjna > 1 MΩ/kWp).
4. Diagnostyka:
   • Analizuj logi falownika: „Insulation resistance low”, „Residual current high”.
   • Oscyloskop z sondą prądową CM do rejestracji impulsu przy załączeniu.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Mikroinwertery i optymalizatory mocy posiadają separację galwaniczną lub pracują w klasie II – obserwuje się niższe I_leak, ale trudniejsze wykrywanie uszkodzeń punktowych.
• Stare inwertery HF-trafowe (>2012) mogą generować pulsy 300 mA/200 µs, wywołując nieuzasadnione zadziałania RCD typu AC – zalecana wymiana.

Sugestie dalszych badań

• Zastosowanie algorytmów aktywnej kompensacji common-mode (modulacja zero-sequence) w falownikach SiC.
• Wpływ degradacji PID na długookresowe trendy I_leak – korelacja z wilgotnością względną i T°C.
• Analiza prądów upływu w układach PV-EV (Vehicle-to-Grid) przy ładowaniu dwukierunkowym.

Krótkie podsumowanie

Prądy upływu przy synchronizacji instalacji PV są normalnym, krótkotrwałym zjawiskiem wynikającym z ładowania pojemności układu i wyrównania potencjałów. Spełnienie wymogów IEC 62109, poprawne uziemienie, zastosowanie RCD typu B oraz regularna diagnostyka sprawiają, że zjawisko to nie zagraża ani ludziom, ani pracy systemu. Jeśli I_leak przekracza dopuszczalne limity lub falownik często odłącza się z błędem „residual current”, należy zbadać stan izolacji przewodów DC, modułów i filtrów EMC – to one najczęściej stoją za nieprawidłowościami.