Солнечная электростанция объединяет две разные электротехнические задачи. Сторона переменного тока, от инвертора до щита, устроена как линия к любому мощному потребителю и считается по привычным правилам. Сторона постоянного тока устроена иначе: струны панелей дают сотни вольт постоянного напряжения, кабели лежат на крыше под прямым солнцем, а аккумуляторные линии на 12-48 В несут токи в сотню ампер и больше.
Ошибки на постоянном токе проявляются медленно. Потери в тонком кабеле съедают выработку каждый солнечный час, а плохой контакт в разъёме греется месяцами. Разберём кабель для каждого из трёх участков станции.
1. Три участка кабеля
| Участок | Ток и напряжение | Кабель | Что определяет сечение |
|---|---|---|---|
| Панели — контроллер или инвертор (струны) | постоянный, 100-1000 В, 10-15 А | солнечный H1Z2Z2-K / PV1-F | падение напряжения |
| Аккумуляторы — инвертор | постоянный, 12-48 В, 50-200 А | медный многопроволочный большого сечения | ток защиты и падение напряжения |
| Инвертор — щит | переменный, 220/380 В | ВВГнг(А)-LS, NYM | согласование Ib ≤ In ≤ Iz |
Сетевая станция без аккумуляторов обходится первым и третьим участками. Автономная и гибридная используют все три.
2. Почему на крыше нужен солнечный кабель
Кабель струны работает в условиях, которых нет больше нигде в частной электрике:
- Ультрафиолет круглый год. ПВХ-оболочка обычного силового кабеля не светостабилизирована и под прямым солнцем мутнеет, теряет эластичность и трескается.
- Нагрев. Под модулями на тёмной кровле воздух летом значительно горячее окружающего, и кабель работает в этой зоне весь солнечный день.
- Постоянный ток высокого напряжения. Дуга постоянного тока не гаснет при переходе через ноль. Повреждённая изоляция между плюсом и минусом струны — это устойчивая дуга, а не короткая вспышка.
Под эти условия выпускают солнечный кабель: маркировка H1Z2Z2-K по IEC 62930 (европейский аналог EN 50618), у более ранних изделий — PV1-F. Конструкция: лужёная медная жила класса 5, изоляция и оболочка из сшитых безгалогенных композиций, стойких к ультрафиолету, озону и нагреву. Номинальное напряжение H1Z2Z2-K — 1,5 кВ постоянного тока. Кабель выпускают одножильным, отдельно для плюса и минуса, обычно в красной и чёрной оболочке.
Про таблицы ПУЭ. Таблицы допустимых токов 1.3.4–1.3.11 ПУЭ гл. 1.3 составлены для резиновой и ПВХ-изоляции при температуре жилы +65 °C (п. 1.3.10). К изоляции из сшитых композиций они напрямую неприменимы, поэтому ток солнечного кабеля берут только из паспорта производителя. Условных цифр «из головы» здесь не даём: число без источника на крыше опаснее, чем отсутствие числа.
3. Сечение струны: сначала ток, потом потери
Проверка по току. Ток короткого замыкания современных модулей 400-550 Вт — порядка 11-14 А. Международные правила для фотоэлектрических установок (IEC 60364-7-712) требуют, чтобы допустимый ток кабеля струны был не меньше 1,25 тока короткого замыкания модуля в стандартных условиях. Для модуля 13 А это 16,3 А. Солнечный кабель 4 мм² по паспортам производителей рассчитан на ток в разы больше, так что по нагреву ограничения почти никогда нет.
Параллельные струны. Когда параллельно соединены три струны и больше, при замыкании в одной из них остальные гонят в неё обратный ток. Если он может превысить допустимый для модуля, в каждой струне ставят предохранители gPV. По IEC 62548 их номинал выбирают в пределах 1,5-2,4 тока короткого замыкания модуля и не выше максимального номинала предохранителя, указанного в паспорте модуля.
Проверка по падению напряжения — главная. Формула для постоянного тока:
ΔU = 2 · L · I · ρ / S
где L — длина трассы в одну сторону, м; I — рабочий ток струны, А; ρ = 0,0175 Ом·мм²/м для меди при 20 °C; S — сечение, мм². Проценты считают от рабочего напряжения струны.
Жёсткого норматива потерь на струне в ПУЭ нет. Проектная практика — 1-2 %: каждый потерянный процент — это процент выработки в каждый солнечный час на весь срок службы станции. Пример для струны из 10 модулей, рабочее напряжение 340 В, ток 13 А:
| Длина в одну сторону | 4 мм² | 6 мм² | 10 мм² |
|---|---|---|---|
| 20 м | 0,67 % | 0,45 % | 0,27 % |
| 30 м | 1,00 % | 0,67 % | 0,40 % |
| 50 м | 1,67 % | 1,12 % | 0,67 % |
Учтите температуру: при нагреве жилы до 70 °C сопротивление меди выше примерно на 20 %, и 30 м сечением 4 мм² дают уже около 1,2 %. Отсюда ориентир — 4 мм² до 30 м, 6 мм² на трассах 30-50 м. Посчитать свой вариант можно в калькуляторе падения напряжения, задав напряжение струны.
4. Почему низковольтные струны требуют толстого кабеля
В небольших автономных системах панели иногда включают параллельно на контроллер 12 В. Рабочее напряжение такой сборки около 18 В, ток при нескольких модулях 20 А и больше. Тот же расчёт для 20 А, 18 В и трассы 10 м:
| Сечение | Потери |
|---|---|
| 4 мм² | 9,7 % |
| 6 мм² | 6,5 % |
| 10 мм² | 3,9 % |
| 16 мм² | 2,4 % |
Та же мощность при последовательном включении на 340 В теряла бы на кабеле 4 мм² доли процента. Поэтому при любом выборе контроллера выгоднее собирать панели в высоковольтные струны, а низковольтную параллельную схему оставлять для совсем коротких трасс.
5. Аккумуляторы и инвертор: малое напряжение, большой ток
Ток на стороне батареи: I = P / (U · η), где η — КПД инвертора, около 0,9.
Кабель выбирают по правилу, общему для справочника: Ib ≤ In ≤ Iz и I2 ≤ 1,45 · Iz (ГОСТ Р 50571.4.43-2012, п. 433.1). Ib — ток батареи, In — номинал предохранителя, Iz — допустимый ток провода в его условиях, I2 — ток срабатывания предохранителя за условное время из его документации. Если I2 больше 1,45 · In, провод по второму условию нужен с большим Iz, чем дает одно сравнение с номиналом. Универсального запаса 25 % между номиналом и Iz нормы не требуют.
Батарейные перемычки — короткие одножильные медные провода с ПВХ-изоляцией. Для открытой прокладки при +25 °C колонка «открыто» таблицы 1.3.4 ПУЭ дает: 10 мм² — 80 А, 16 мм² — 100 А, 25 мм² — 140 А, 35 мм² — 170 А, 50 мм² — 215 А. В закрытом шкафу, при нагреве и в пучке эти значения снижают поправками.
| Система | Ток батареи Ib | Предохранитель In, не ниже Ib | Что проверить у провода |
|---|---|---|---|
| 12 В, инвертор 1 кВт | 93 А | 100 А | Iz ≥ 100 А и I2 ≤ 1,45 · Iz |
| 24 В, инвертор 3 кВт | 139 А | 150 А | Iz ≥ 150 А и I2 ≤ 1,45 · Iz |
| 48 В, инвертор 3 кВт | 69 А | 80 А | Iz ≥ 80 А и I2 ≤ 1,45 · Iz |
| 48 В, инвертор 5 кВт | 116 А | 125 А | Iz ≥ 125 А и I2 ≤ 1,45 · Iz |
Проверка по потерям на таких длинах обычно проходит с запасом: 12 В, 93 А, 1,5 м, 25 мм² — около 1,6 %. Если кабели проложены пучком в закрытом шкафу, допустимый ток снижают поправочным коэффициентом, и сечение может вырасти на ступень. Если инвертор в паспорте требует большего сечения, чем расчётное, берут паспортное.
Практические требования к батарейным линиям:
- Гибкая многопроволочная жила — например ПуГВ нужного сечения, с опрессованными наконечниками под болт клеммы. Жёсткая жила на болтовом соединении со временем ослабляет контакт.
- Предохранитель как можно ближе к плюсовой клемме батареи. Кабель от батареи до предохранителя ничем не защищён, поэтому его делают минимальной длины.
- Защитные аппараты должны быть рассчитаны на постоянный ток и на напряжение системы. Модульный автомат для сети переменного тока может не разорвать дугу постоянного тока.
- Отдельный защитный проводник. Совмещать нулевой рабочий и защитный проводники в цепях постоянного тока запрещает ПУЭ 1.7.132.
6. Сторона переменного тока
От инвертора до щита работает обычная стационарная проводка: ВВГнг(А)-LS по ГОСТ 31996-2012 или NYM. Особенность одна: инвертор в солнечный день отдаёт номинальный ток часами, часто в тёплом помещении. Поэтому Ib берут как максимальный выходной ток из паспорта, номинал автомата — не ниже Ib и не выше предела, указанного изготовителем инвертора, а кабель проверяют по Ib ≤ In ≤ Iz и I2 ≤ 1,45 · Iz. Iz ВВГнг(А)-LS берут из ТУ марки или ГОСТ 31996-2012, п. 10.8 с условиями прокладки; колонки «в трубе» таблицы 1.3.4 ПУЭ относятся к проводам, а не к этому кабелю. Теплое помещение и соседние линии снижают Iz. Номинал, близкий к выходному току, в теплом щите может давать ложные отключения: допустимую нагрузку аппарата при температуре щита берут из документации изготовителя.
| Инвертор | Выходной ток Ib | Наименьший номинал из ряда, не ниже Ib |
|---|---|---|
| 3 кВт, 220 В | 13,6 А | 16 А |
| 5 кВт, 220 В | 22,7 А | 25 А |
| 8 кВт, 380 В | 12,2 А на фазу | 16 А, 3P |
| 10 кВт, 380 В | 15,2 А на фазу | 16 А, 3P |
Больший номинал допустим, только если Iz кабеля в его условиях не меньше этого номинала.
УЗО — по паспорту инвертора. Бестрансформаторные инверторы со встроенным контролем тока утечки обычно допускают УЗО типа A, остальные требуют типа B. Номиналы автомата и сечение проверяют в калькуляторе автомата и расчёте сечения.
7. Разъёмы и монтаж на крыше
- MC4 одной марки. Производители не допускают стыковку вилки и розетки разных марок: переходное сопротивление растёт, контакт греется под током струны.
- Обжим штатным инструментом, а не пассатижами. Плохо обжатый контакт — самый частый источник нагрева на стороне постоянного тока.
- Кабель не висит. Его крепят к профилям УФ-стойкими хомутами или клипсами, не оставляя провисов, которые треплет ветер и трут кромки модулей.
- Плюс и минус струны ведут рядом. Большая петля между ними работает как рамка, в которой близкий разряд молнии наводит напряжение.
- Ввод через кровлю — через герметичный кабельный ввод, с петлёй-каплесборником перед ним.
- Радиус изгиба солнечного кабеля берут из паспорта производителя: для этого класса кабелей в ГОСТ на силовые кабели его нет, и подставлять значение от другого кабеля нельзя.
Для наземной станции кабель от массива до дома прокладывают в земле по ПУЭ гл. 2.3: глубина не менее 0,7 м (п. 2.3.84). Солнечный кабель в земле ведут в трубе; для длинной трассы после распределительной коробки у массива часто переходят на бронированный ВБбШв — тогда и он считается по падению напряжения. Порядок работ — в гайде прокладка кабеля в земле.
8. Заземление и перенапряжения
- Рамы модулей и металлические конструкции соединяют с заземляющим устройством объекта. Сечение проводника — по ПУЭ гл. 1.7, удобнее всего посчитать в калькуляторе сечения заземления. Гибкий жёлто-зелёный ПуГВ удобен для перемычек между профилями.
- УЗИП постоянного тока ставят на входе инвертора, если трасса от массива длинная: кабель на крыше собирает наведённые перенапряжения. Тип и напряжение устройства — по паспорту инвертора и напряжению струны.
- Коммутационный аппарат постоянного тока между массивом и инвертором нужен, чтобы обесточить инвертор для обслуживания. Отключать под нагрузкой разъём MC4 нельзя: на нём возникает дуга.
9. Сводная таблица
| Участок | Кабель | Сечение | Защита |
|---|---|---|---|
| Струна до 30 м | H1Z2Z2-K | 4 мм² | gPV в струне при 3+ параллельных струнах |
| Струна 30-50 м | H1Z2Z2-K | 6 мм² | то же |
| Батарея 48 В — инвертор 3 кВт | ПуГВ | по Iz ≥ In и I2 ≤ 1,45 · Iz | предохранитель от 80 А у батареи |
| Батарея 24 В — инвертор 3 кВт | ПуГВ | по Iz ≥ In и I2 ≤ 1,45 · Iz | предохранитель от 150 А у батареи |
| Инвертор 3 кВт — щит | ВВГнг(А)-LS | по Ib ≤ In ≤ Iz | автомат от 16 А в пределах паспорта, УЗО по паспорту |
| Инвертор 5 кВт — щит | ВВГнг(А)-LS | по Ib ≤ In ≤ Iz | автомат от 25 А в пределах паспорта, УЗО по паспорту |
| Заземление рам | ПуГВ | по расчёту гл. 1.7 | — |
10. Частые ошибки
- ВВГ на крыше без защиты. Оболочка трескается от ультрафиолета, дальше утечка на постоянном токе.
- Сечение струны «по току». Кабель не греется, а станция теряет выработку каждый день.
- Параллельная схема на 12 В с длинной трассой. Потери в 5-10 % вместо долей процента.
- Модульный автомат переменного тока в цепи постоянного. Может не разорвать дугу.
- Длинный незащищённый кабель от батареи до предохранителя. Короткое замыкание на нём ничем не ограничено.
- Разные разъёмы MC4, обжим пассатижами. Нагрев контакта, дуга.
- Автомат инвертора вровень с его выходным током. Нагрев щита в солнечный день и ложные отключения.
- Незаземлённые рамы модулей.
Заключение
У солнечной станции три кабельных участка, и у каждого своя логика. На струнах работает солнечный кабель H1Z2Z2-K, а сечение выбирают по потерям: 4 мм² до 30 м, 6 мм² дальше. На батарейных линиях решают ток предохранителя и допустимый ток провода в его условиях (Ib ≤ In ≤ Iz, I2 ≤ 1,45 · Iz), и чем ниже напряжение системы, тем толще кабель. Сторона переменного тока подчиняется обычным правилам с поправкой на то, что инвертор отдаёт номинальный ток часами.
Смежные материалы: кабель для генератора — резервный источник в гибридных системах, падение напряжения на длинной линии в общем гайде по расчёту сечения, прокладка кабеля в гофре и кабель для контура заземления.