Instalacje PV są uważane za bezpieczne — i takie właśnie są. Niemniej jednak często nie docenia się jednego zagrożenia: chodzi o łuki elektryczne, które powstają bezpośrednio na modułach fotowoltaicznych. Mogą one powodować pożary, które są trudne do zlokalizowania i zwalczania. W tym miejscu do akcji wkracza technologia AFCI: wykrywa łuki elektryczne na wczesnym etapie, a tym samym pomaga zminimalizować potencjalne ryzyko pożaru. W tym artykule opowiemy, w jaki sposób instalacja PV wykrywa i zapobiega powstawaniu łuków elektrycznych wskutek awarii.
Nad bezpieczeństwem instalacji PV czuwają nie tylko surowe normy, które minimalizują zagrożenia takie jak zwarcia lub porażenia elektryczne, ale także urządzenia ochronne, które zapobiegają uszkodzeniom w razie uderzenia pioruna lub skoków napięcia i dbają o bezpieczne wyłączenie w sytuacji awaryjnej.
W rezultacie ryzyko pożaru instalacji PV jest bardzo niskie: w Niemczech — na jednym z największych rynków fotowoltaiki w Europie, gdzie dotąd zainstalowano ponad 2 miliony systemów — w ciągu ostatnich 20 lat doszło do 350 pożarów instalacji PV. Tylko w 120 przypadkach faktycznie były one przyczyną pożaru.
* Statystycznie oznacza to, że 99,994% instalacji PV nie powoduje pożarów. Inaczej: mówimy o 0,006% instalacji PV, które według statystyk są „zagrożone pożarem” — czyli 1 na 17 000 instalacji.
| *Instytut Fraunhofera, „Recent Facts about Photovoltaics in Germany”, Fraunhofer ISE, Department of Photovoltaic Modules and Power Plants, Freiburg, aktualizacja 18.8.2025 |
Ryzyko pożaru z powodu wadliwej instalacji
Do najczęstszych przyczyn pożaru instalacji PV należą zmęczenie materiału i korozja, ale przede wszystkim wadliwe instalacje: szczególnie niebezpieczne są szeregowe łuki elektryczne spowodowane luźnymi stykami, słabo zaprasowanymi, tj. mechanicznie ściśniętymi wtyczkami, uszkodzonymi kablami lub niekompatybilnymi połączeniami wtykowymi. Na przykład, jeśli w instalacji PV występują połączenia wtykowe MC4 różnych producentów, różnią się one nie tylko materiałami, ale także właściwościami związanymi z degradacją i rozszerzalnością cieplną, co może powodować wzrost temperatury nawet o 97% w punktach styku.
Skutek: łuki elektryczne, które mogą osiągnąć temperaturę ponad 1000°C — wystarczającą do zapalenia otaczającego materiału i spowodowania szkód, które czasami nie są objęte ubezpieczeniem. W związku z tym niezależna międzynarodowa organizacja normalizacyjna (IEC) przewiduje stosowanie elementów złącznych tego samego producenta.
Proces powstawania łuku elektrycznego w przewodzie:
1. Zmniejszenie przekroju przewodu
2. Wyższa rezystancja styku → zwiększone wytwarzanie ciepła w punkcie styku
3. Wyższa temperatura przyspiesza proces degradacji → dalsze zmniejszenie przekroju i zwiększenie rezystancji styku (pętla między punktami 2 i 3)
4. W pewnym momencie ciągłość przewodu zostaje przerwana
Optymalizator DC: za wiele tego dobrego?
Aby zoptymalizować wydajność na poziomie modułów, w instalacjach PV są często instalowane optymalizatory prądu stałego. Jeśli chodzi o ochronę przeciwpożarową, oferują one (przypuszczalnie) korzyść, jaką jest możliwość wyłączenia modułów fotowoltaicznych w sytuacji awaryjnej. O czym warto wiedzieć: instalacje PV pracują z prądem stałym i nie można ich po prostu wyłączyć. Wytwarzają energię elektryczną tak długo, jak długo pada światło na moduły fotowoltaiczne. O ile nowoczesne instalacje PV spełniają tzw. wymagania szybkiego wyłączania, w razie pożaru optymalizatory mogą zminimalizować napięcie modułu fotowoltaicznego do bezpiecznego poziomu (np poniżej 30 V lub nawet 1 V na moduł fotowoltaiczny). Ułatwia to strażakom bezpieczne gaszenie i zmniejsza ryzyko porażenia prądem elektrycznym, chociaż moduły nie są całkowicie wyłączone z obwodu prądowego.
Niestety zastosowanie układów elektroniczne mocy w każdym pojedynczym module fotowoltaicznym wiąże się z dużą liczbą połączeń prądu stałego w instalacji PV: w porównaniu z instalacją PV bez optymalizatora mocy, instalacja PV z optymalizatorami mocy wymaga nawet około trzykrotnie większej liczby połączeń wtykowych w modułach. To z kolei zwiększa prawdopodobieństwo powstania łuków elektrycznych i ryzyko pożaru. Ponadto optymalizatory mocy prądu stałego — podobnie jak większość komponentów PV — są przeznaczone do pracy w temperaturze otoczenia wynoszącej 60 stopni Celsjusza. W razie pożaru optymalizatory prądu stałego prawdopodobnie szybko się stopią lub spłoną, zamiast bezpiecznie zredukować moc modułu fotowoltaicznego.
Nie oszczędzaj w niewłaściwym miejscu
Niekompatybilne wtyczki albo kombinerki zamiast narzędzi specjalnych? Zakup instalacji PV bywa kosztowny. Kuszące wydaje się więc skorzystanie z pomocy domorosłych elektryków z kręgu przyjaciół i znajomych, aby zaoszczędzić trochę pieniędzy. Nie warto jednak oszczędzać w ten sposób, ponieważ tylko w przypadku zatrudnienia profesjonalistów można założyć, że instalacja została podłączona zgodnie ze wszystkimi normami bezpieczeństwa.
To właśnie robi różnicę: pod względem ryzyka pożaru instalacje PV nie różnią się od innych instalacji elektrycznych. Trzeba jednak przestrzegać odpowiednich zasad bezpieczeństwa elektrycznego — zarówno, jeśli chodzi o komponenty systemu, jak i sam proces instalacji. W dłuższej perspektywie warto więc postawić na jakość i profesjonalizm.
Na co zwrócić uwagę podczas montażu:
- Jakość komponentów (wysokiej jakości wtyczki, kable, moduły fotowoltaiczne, falowniki)
- Sumienne wykonanie (prawidłowe zaprasowanie wtyczek, bezpieczne układanie kabli)
- Przestrzeganie norm wynikających z przepisów budowlanych (normy ochrony przeciwpożarowej, uziemienie)
- Prostota systemu i minimalna liczba wtyczek DC
- Regularna kontrola i konserwacja instalacji PV w razie potrzeby
Zabezpieczenie przed łukiem elektrycznym (Arc Fault Circuit Interrupter; AFCI): Jak działa wykrywanie łuku w instalacji PV?
Systemy AFCI (Arc Fault Circuit Interrupter) wykrywają niebezpieczne szeregowe łuki elektryczne, analizując nieustannie sygnały elektryczne w obwodzie prądu stałego. Technologia sprawdza sygnał pod kątem typowych objawów, które wskazują na obecność łuku elektrycznego. Należą do nich na przykład zmiany spektrum częstotliwości prądu, skokowe wzrosty natężenia prądu, przepływ prądu nawet przy przerwanym napięciu, nieregularny szum i powtarzające się w krótkim czasie zakłócenia zwarciowe.
Dlatego AFCI stale monitoruje krzywe natężenia i napięcia w obwodzie prądu stałego instalacji PV i wykrywa zarówno komponenty sygnału o niskiej, jak i wysokiej częstotliwości. Wykrywane sygnały są badane i oceniane za pomocą cyfrowego przetwarzania sygnału i inteligentnego, uczącego się algorytmu. Prawdziwe łuki muszą być wykrywane niezawodnie, a jednocześnie należy unikać fałszywych alarmów. Gdy system wykryje pewien wzorzec, który może być wyraźnie powiązany z niebezpiecznym łukiem elektrycznym, dany obwód zostaje odłączony w ciągu milisekund. Zatrzymuje to dopływ energii do łuku elektrycznego i zapobiega wystąpieniu pożaru.
Podatność na zakłócenia spowodowane szumem z otoczenia
Systemy AFCI są bardzo wrażliwe na zewnętrzne czynniki zakłócające. Na tym polega również największe wyzwanie: zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) z sąsiednich urządzeń, operacje przełączania lub wpływy atmosferyczne (np. uderzenia pioruna) mogą generować sygnały podobne do łuków elektrycznych. Jeśli zostaną one nieprawidłowo sklasyfikowane przez AFCI, może to prowadzić do niepotrzebnych alarmów — instalacja PV zostanie niepotrzebnie wyłączona, co pociąga za sobą straty. Pomóc może zaawansowana technologia, taka jak Fronius Arc Guard.
Fronius Arc Guard: Bezpieczeństwo w pakiecie
Specjalnie opracowany dla instalacji PV system wykrywania łuku Fronius Arc Guard wraz z niezbędnym oprogramowaniem i sprzętem jest już na wyposażeniu falowników Fronius. Uruchomienie przebiega łatwo i bez komplikacji w interfejsie falownika. Dzięki temu instalacja PV nie wymaga dodatkowych elementów, takich jak skrzynki rozdzielcze czy dodatkowe punkty przyłączeniowe. Ponadto można w ten sposób zaoszczędzić na dodatkowym nakładzie pracy podczas montażu.
W opracowaniu inteligentnego zabezpieczenia przed łukiem elektrycznym firmy Fronius pomogła bogata wiedza i wieloletnie doświadczenie firmy w zakresie spawania łukowego. Efektem jest wydajna technologia bazująca na widmowej detekcji łuku elektrycznego metodą FFT: jest to metoda matematyczna (szybka transformata Fouriera), za pomocą której sygnał w funkcji czasu (np. natężenie lub napięcie) jest rozkładany na składowe częstotliwościowe, co pozwala na analizowanie charakterystyki prądu i wszelkich zakłóceń w już opisany sposób. Innowacyjne techniki rozpoznawania wzorców i wyszkolony algorytm wykrywania łuku przyczyniają się do ciągłego doskonalenia technologii Fronius Arc Guard i stałego wzrostu dokładności wykrywania.
Lepiej zapobiegać. Fronius Arc Guard działa zgodnie z zasadą, iż lepiej zapobiegać niż leczyć — wykrywa i gasi łuki, zanim będą mogły doprowadzić do pożaru. W przypadku wykrycia tzw. zdarzenia łukowego stopnie mocy falownika przerywają przesył energii i zatrzymują zasilanie sieci. Powoduje to przerwanie przepływu prądu i wygaszenie łuku. Podczas gdy w USA od 2018 roku obowiązują specjalne normy dla systemów AFCI w instalacjach PV, obecnie nie ma wymogów normatywnych na poziomie UE. Fronius Arc Guard spełnia międzynarodowe normy bezpieczeństwa w zakresie zabezpieczenia przed łukiem elektrycznym, takie jak UL 1699B i IEC 63027, dzięki czemu ma przyszłość na rynkach światowych.
Czy wiesz, że…?
Potężny falownik Fronius Verto przeznaczony dla gospodarstw rolnych i małych firm, ale także do większych domów jedno- i wielorodzinnych jest standardowo wyposażony w automatyczne zabezpieczenie przed łukiem elektrycznym (AFCI). Potencjalne łuki są szybko identyfikowane i gaszone — dla większego bezpieczeństwa i wydajności.
Podsumowanie:
Instalacje PV nie stanowią zagrożenia pożarowego, ale łuki elektryczne będące następstwem awarii, na przykład z powodu uszkodzonych połączeń wtykowych lub niewłaściwej instalacji, mogą stanowić zagrożenie. Rozwiązaniem jest integracja technologii AFCI, takiej jak Fronius Arc Guard: wykrywa krytyczne wzorce w przepływie prądu i przerywa obwód, zanim dojdzie do pożaru. Powodem stosowania zabezpieczeń AFCI nie jest niepewność — jest to inteligentne dodatkowe zabezpieczenie, które dodatkowo wzmacnia i tak wysoki poziom bezpieczeństwa instalacji PV.
Więcej informacji na temat bezpieczeństwa pożarowego i wykrywania łuku w instalacjach PV można znaleźć w naszej białej księdze i webinarium w ramach Fronius Business Academy.
Biała księga Froniusa: Wykrywanie i przerywanie łuku w instalacjach PV
