Optimalisatie van kabelbeheer om veiligheid en efficiëntie te garanderen in PV-systemen op utiliteitsschaal

Utility-scale fotovoltaïsche (PV) systemen genereren meestal meerdere megawatts (MW) aan elektriciteit en leveren een belangrijke bijdrage aan groene energie en duurzaamheid. Elke MW vereist ongeveer 2.900 zonnepanelen verspreid over meerdere hectaren land, een of meer inverters en controllers, plus apparatuur voor aansluiting op het elektriciteitsnet. Het koppelen van al deze elementen in een PV-systeem kan kilometers aan stroom- en monitorbekabeling en tienduizenden kabelbeheercomponenten vereisen. Als bekabeling en kabelbeheercomponenten niet op de juiste manier worden geïmplementeerd, kunnen ze letterlijk de zwakke schakel worden die de efficiëntie vermindert, de beschikbaarheid beperkt, de veiligheidsrisico's verhoogt en de installatie- en bedrijfskosten opdrijft.

Het ontwerpen van veilige en efficiënte kabelbeheerinstallaties is complex. Het omvat kabelklemmen voor kortsluitbeveiliging van stroombekabeling, de afwezigheid van spanningstesters om personeel dat de installatie onderhoudt te beschermen, bundelbanden met randklemmen voor betrouwbare signaal- en bewakingsverbindingen en kabelschoenconnectors voor voeding en aarding. Daarnaast moeten deze componenten voldoen aan verschillende internationale standaarden, zoals kabelklemmen die moeten voldoen aan IEC 61914:2015 om te garanderen dat ze bestand zijn tegen een aardlek, afwezigheid van spanningstesters die moeten werken zoals vereist door de National Fire Protection Association (NFPA) en UL en CSA veiligheidsstandaarden en algemene vereisten voor zonne-energiecomponenten om bestand te zijn tegen buitencondities zoals gedefinieerd in IEC 61215 voor PV-installaties.

In dit artikel wordt een overzicht gegeven van de elementen in een PV-installatie op utiliteitsschaal, waarbij specifiek aandacht wordt besteed aan het grote aantal kabelbeheercomponenten dat nodig is, worden enkele van de gerelateerde internationale veiligheidsnormen beschreven en worden de vereisten voor werking in zware omgevingen en kosteneffectieve installatie besproken. Door de discussie heen worden voorbeeldproducten van Panduit uitgelicht.

Groeiend belang van BOS

Bij PV-installaties omvat de balans van het systeem (BOS) alles behalve de PV-panelen, zoals racks, kabels, kabelbeheer, inverters en andere systeemapparaten, plus arbeid en software. Omdat de technologie van PV-panelen is verbeterd, zijn de paneelprijzen sneller gedaald dan de prijzen voor BOS-onderdelen. Volgens een analyse van het Internationaal Agentschap voor hernieuwbare energie (IRENA) was 62% van de kostenverlaging bij PV-installaties te danken aan de dalende prijzen voor PV-panelen en inverters¹.

De dalende kosten voor PV-panelen en inverters hebben BOS-componenten in de kijker gezet. Volgens IRENA maakt BOS een steeds groter deel uit van de kosten van PV-installaties, van 58% in 2007 tot 80% in 2017 (Afbeelding 1). Tegelijkertijd heeft het opvoeren van de distributiebus naar 1 kV_DC en hoger het belang van BOS-componenten met betrekking tot systeemefficiëntie en veiligheid vergroot. In de toekomst zullen BOS-componenten steeds belangrijker worden voor kostenbesparingen en operationele verbeteringen, zoals meer veiligheid en efficiëntie in PV-systemen op netwerkschaal.

Afbeelding 1: Het percentage van de geïnstalleerde kosten dat voor rekening komt van de PV-panelen is gedaald, waardoor het belang van de BOS in PV-systemen is toegenomen. (Bron afbeelding: Panduit)

Kabelbeheer is een kritisch aspect van het BOS in PV-systemen op netwerkschaal. Het heeft aanzienlijke gevolgen voor de veiligheid, kosten en efficiëntie. Kabelklemmen zijn een goed voorbeeld van de voordelen van geoptimaliseerd kabelbeheer. Ze bieden kortsluitbeveiliging voor stroomkabels. Zonder de juiste bescherming kunnen de hoge stromen tijdens een kortsluiting de geleiders verhitten, wat kan leiden tot brand of explosies. Kortsluitstromen leiden ook tot grote elektromechanische spanningen op stroomdistributiebekabeling.

Voor maximale veiligheid moeten kabelklossen voldoen aan de vereisten van IEC 61914:2015. De maximale elektromechanische spanning wordt ervaren tijdens een kortsluiting na ongeveer 5 milliseconden (ms). Dat is ruim voor de 60 tot 100 ms die nodig zijn voor circuitbeveiligingen zoals stroomonderbrekers om te reageren. IEC 61914:2015 specificeert een kortsluittestduur van 100 ms voor kabelklemmen. Panduit gebruikt simulatiesoftware bij het ontwerpen van de kabelkemmen en onderwerpt ze vervolgens aan een kortsluitfout onder spanning om te bevestigen dat ze voldoen aan IEC 61914:2015 (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: ANSYS softwaresimulatie van de elektromagnetische krachten op kabels tijdens de beginfase van een kortsluiting. (Afbeeldingsbron: Panduit)

IEC 61914:2015 gaat over meer dan alleen kortsluitbeveiliging; het bevat ook bepalingen voor:

• Temperatuur
• Weerstand tegen vlamverspreiding
• Corrosiebestendigheid
• Axiaal belastingstesten
• Testen van zijdelingse belasting
• Slagvastheid
• UV-bestendigheid

Panduit's Trefoil kabelklossen zijn gemaakt van 316 L roestvrij staal, ook wel marine grade roestvrij staal genoemd, met modellen die geschikt zijn voor kabels met een diameter van 20 tot 69 millimeter (mm). Model CCSSTR6269-X kan bijvoorbeeld kabeldiameters van 62 tot 69 mm aan. Deze kabelklemmen kunnen worden geïnstalleerd na het leggen van de kabel met behulp van een Panduit montagebeugel of vóór het leggen van de kabel door de klos rechtstreeks op de sport van de kabelgoot te monteren via een bevestigingsgat met een M8-bout (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Zoals hierboven geïllustreerd, kunnen de Trefoil-kabelklemmen van Panduit geïnstalleerd worden met behulp van een montagebeugel. (Bron afbeelding: Panduit)

De complexiteit van de elektromechanische krachten die optreden tijdens een kortsluiting en de strenge prestatie-eisen van IEC 61914:2015 maken het identificeren van de benodigde kabelklem tot een lastige wiskundige exercitie. Panduit biedt de Cable Cleat kAlculator-app die IEC 61914:2015-kortsluitoplossingen aanbeveelt uit meer dan 60 Panduit-kabelklemproducten om het selectieproces te versnellen. Het gebruik van de kAlculator-app reduceert de selectie van kabelklemmen tot een eenvoudig proces van drie stappen:

1. Selecteer de kabellay-out.
2. Voer de kabeldiameter in.
3. Voer de piek kortsluitstroom in.

De app geeft aanbevelingen voor componenten en afstanden.

Voeding en aarding

Naast kabelklemmen voor stroom- en aardingskabels hebben PV-installaties op utiliteitsschaal ook stroom- en aardingsconnectiviteit nodig. Koperen kabelschoenconnector kunnen efficiënte connectiviteit bieden en Panduit biedt de enige koperen compressieklemmen die voldoen aan de Network Equipment Building Systems (NEBS) Level 3 vereisten zoals getest door Telcordia Technologies. Door te voldoen aan NEBS Level 3 kunnen gebruikers er zeker van zijn dat Pan-Lug-kabelschoenconnectors betrouwbare prestaties kunnen leveren in toepassingen zoals PV-installaties die een minimale onderbreking van de service vereisen gedurende de levensduur van de apparatuur.

Ontwerpers van PV-installaties op nutsschaal kunnen zich wenden tot Panduit's flexgeleider, twee-gaats, standaard barrelconnectors die kunnen worden gebruikt met flexibele, extra-flexibele en code-gestrande koperen geleiders om efficiënte en betrouwbare stroom- en aardverbindingen te bieden. Het model LCDX1/0-14B-X is bijvoorbeeld geschikt voor gebruik met kabels van het type #1 American wire gauge (AWG) en heeft twee tapgaten van 0,25 inch (in) op een afstand van 0,75 inch (Afbeelding 4). Gemeenschappelijke kenmerken van alle Pan-Lug-kabelschoenconnectors zijn onder andere:

• UL-gecertificeerd en CSA-gecertificeerd tot 35 kV en temperatuurbestendig tot +90 °C.
• Inwendig afgeschuinde uiteinden vereenvoudigen het insteken van de geleider.
• Inspectievenster voor volledige plaatsing.
• Behuizing van 99,9% zuiver koper met vertinning om corrosie te voorkomen.

Afbeelding 4: Kabelschoenen zoals deze kunnen worden gebruikt voor stroom- en aardingsconnectiviteit in PV-systemen op utiliteitsschaal. (Bron afbeelding: Panduit)

Clips en kabelbinders

Naast stroombekabeling kunnen PV-installaties op nutsschaal kilometers bedrading bevatten voor besturings- en bewakingsfuncties. Als ze niet goed worden gespecificeerd en geïnstalleerd, kunnen de kabelclips en kabelbinders die worden gebruikt voor kabelbeheer de betrouwbaarheid van het systeem verminderen en de installatie- en bedrijfskosten verhogen. Kabelclips voor algemeen gebruik zijn niet ontworpen voor langdurige blootstelling aan zonlicht en weersomstandigheden buiten. Als ze worden gebruikt in PV-installaties, kunnen algemene niet-ultravioletbestendige (UV) plastic clips en banden broos worden en moeten ze regelmatig worden vervangen. Blootstelling aan zout kan ook metalen clips aantasten, waardoor de gegalvaniseerde randen van PV-panelen beschadigd raken. In beide gevallen kunnen de onderhoudskosten aanzienlijk toenemen en kan de betrouwbaarheid eronder lijden.

In plaats van algemene clips en bundelbanden te gebruiken, kunnen ontwerpers van PV-systemen zich wenden tot bundelbanden met randklemmen, zoals het model CMSA12-2S-C300 van Panduit, dat is gemaakt van hittebestendig, weerbestendig Nylon 6.6 en verzinkte metalen clips en is getest volgens IEC 61215-normen voor PV-installaties buitenshuis (Afbeelding 5). Extra functies zijn onder andere:

• UL94V-2 brandbaarheidsklasse.
• Geschikt voor continu gebruik van -60 °C tot +115 °C.
• Voldoet aan de EN45545-2 brandveiligheidsvereisten volgens de criteria voor classificatie R22:HL3 en R23:HL3.
• Levensverwachting door UV-weer van 7 tot 9 jaar.

Afbeelding 5: Deze kabelbinder met randclip heeft weerbestendig Nylon 6.6 en verzinkte stalen clips voor een hoge betrouwbaarheid in zware buitenomstandigheden. (Bron afbeelding: Panduit)

Deze kabelbinder met randclip bevestigen de bedrading zonder lijmen of boren. Ze zijn voorgemonteerd met een kabelbinder en een clip die kunnen worden bevestigd aan paneelranden met een dikte van 0,7 millimeter (mm) tot 3 mm, afhankelijk van het model. De metalen clip biedt een stevige houvast en kan zonder gereedschap met de hand worden geïnstalleerd.

Ze zijn ontworpen voor snelle installatie. Vergeleken met een traditionele kabelbinder die ongeveer 21 seconden nodig heeft om te installeren, kunnen deze hoekclips in 11 seconden worden geïnstalleerd, wat een besparing van 10 seconden per clip oplevert. Dat telt op. In een typische PV-installatie op nutsschaal met 2.900 PV-panelen per MW en drie clips per paneel, kan de arbeidsbesparing oplopen tot 24,17 uur, of 47% (50,75 uur voor het installeren van conventionele kabelbinders versus 26,58 uur voor het installeren van de Panduit clips voor de rand van de zonnekabel) (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Het gebruik van zonnekabelclips kan de installatietijd met 47% verkorten. (Bron afbeelding: Panduit)

PV op netwerkschaal bedienen

Bij het onderhoud van PV-installaties op netwerkschaal, vooral bij het onderhoud aan de stroomdistributiekabels, is volgens de veiligheidsvoorschriften een spanningsverificatietest vereist om de afwezigheid van gevaarlijke spanningen te valideren. Voorschrift NFPA-70E van de National Fire Protection Association (NFPA) vereist bijvoorbeeld dat wordt gecontroleerd of er geen hoge spanningen in apparatuurkasten aanwezig zijn voordat onderhoudspersoneel werkzaamheden in de kast mag uitvoeren. Testen op afwezigheid van spanning (AVT) met draagbare handheld-testinstrumenten is ingewikkeld, vol mogelijke onnauwkeurigheden en tijdrovend. VeriSafe AVT's van Panduit bieden een geautomatiseerde oplossing die test op gevaarlijke spanningen in een apparatuurkast voordat de deur wordt geopend. Het gebruik van een geautomatiseerde testoplossing biedt verschillende voordelen, waaronder:

• Betrouwbaarheid verbetert de veiligheid en vermindert risico's.
• Eenvoud verhoogt de productiviteit en zorgt ervoor dat de veiligheidsvoorschriften worden nageleefd.
• Flexibiliteit verbetert de implementatie.

VeriSafe AVT's, zoals het model VS-AVT-C02-L03, bestaan uit verschillende elementen, waaronder een isolatiemodule die in de behuizing wordt gemonteerd en redundante sensorkabels verbindt met hoogspanningsgebieden en met nul- en aardlijnen. De isolatiemodule is stevig verbonden met een batterijgevoede indicatormodule die zichtbaar is wanneer de deur van de behuizing gesloten is en met kabels die de twee modules verbinden (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Een AVT-systeem bestaat uit een systeemkabel (links), een indicatormodule (midden) en een isolatiemodule met sensorkabels (rechts). (Bron afbeelding: Panduit)

Als u een test start met een VeriSafe AVT-systeem, drukt u op de testknop op de knipperlichtmodule en voert het systeem een zelftest uit. Rode LED's en teststops geven aan dat de zelftest is mislukt. Als de zelftest geslaagd is, test de isolatiemodule op spanningen en aardfouten. De laatste stap is dat de AVT een tweede zelftest uitvoert. Alleen als de tweede zelftest geslaagd is en er geen spanning aanwezig is, geeft de AVT aan dat het veilig is voor het personeel om de kast te openen en aan het systeem te werken.

Samenvatting

BOS-componenten vormen een steeds groter percentage van de kosten van PV-installaties op utiliteitsschaal. Kabelbeheer is een belangrijk aspect van het BOS-ontwerp en de keuze van geoptimaliseerde kabelklemmen, stroom- en aardaansluitingen en kabelbinders met randclips kan de werking en veiligheid van deze installaties aanzienlijk verbeteren. De toevoeging van geautomatiseerde tests op afwezigheid van spanning ondersteunt lopende onderhoudsactiviteiten, waardoor de veiligheid toeneemt en de bedrijfskosten afnemen.

Referentie:

1. Kosten van hernieuwbare energieopwekking in 2019, Internationaal Agentschap voor hernieuwbare energie