Typen zonnekabels: PV-draad, USE-2 en AC-kabels uitgelegd

Het bepalende onderscheid tussen de typen zonnekabels is of ze zijn ontworpen voor directe ingraving in de DC-fotovoltaïsche array of voor de AC-verbinding tussen de omvormer en het elektriciteitsnet. PV-draad (UL 4703) is het enige kabeltype dat geschikt is voor zowel directe ingraving als continue blootstelling aan zonlicht in de DC-array, met een natte classificatie van 90°C en een droge classificatie van 150°C, waardoor het verplicht is voor niet-geaarde transformatorloze omvormersystemen die werken op 1.000 of 1.500 volt DC. Hoewel de GEBRUIK-2-kabel nog steeds vermeld staat voor direct ingraven, mist hij de volledige zonlichtbestendigheid en de hogere temperatuurruimte die moderne hoogspanningsarrays vereisen.

De vier primaire zonnekabelcategorieën

Een fotovoltaïsch systeem bevat afzonderlijke elektrische zones, elk bestuurd door een specifiek kabeltype en een overeenkomstige reeks installatievereisten onder artikel 690 van de National Electrical Code (NEC). De vier kabeltypen die voorkomen in een goed ontworpen systeem, van de array tot het verbindingspunt, zijn als volgt.

PV-draad, vermeld volgens UL 4703 en de onderwerpnorm UL 4703, is een enkeladerige kabel met isolatie van vernet polyethyleen (XLPE). en een zonlichtbestendige buitenmantel. Het is beoordeeld voor 600 V, 1.000 V of 2.000 V afhankelijk van de isolatiedikte, waarbij de 2.000 V-variant gespecificeerd is voor 1.500 VDC-arrays op utiliteitsschaal. De XLPE-isolatie zorgt voor thermohardende stabiliteit, wat betekent dat de kabel zijn diëlektrische sterkte en mechanische eigenschappen behoudt, zelfs na langdurige blootstelling aan de maximale bedrijfstemperatuur van de geleider van 90°C nat en 150°C droog. De vertinde koperen geleider, gevlochten volgens ASTM B174 klasse B of C, is bestand tegen de corrosieve effecten van vocht dat de isolatie gedurende tientallen jaren van dienst doordringt. PV-draad is de enige kabel in de zonne-energie-industrie die een VW-1 vlamclassificatie en een directe begrafenisclassificatie tegelijkertijd wordt voldaan aan zowel de brandveiligheidseis bij installaties op het dak als aan de ondergrondse routeringsvereiste bij op de grond gemonteerde DC-opvangsystemen.

De USE-2-kabel, gebouwd volgens UL 854 en erkend door NEC artikel 338, is een eenaderige kabel die geschikt is voor ondergrondse dienstingangen. Het gebruikt XLPE-isolatie is qua chemie identiek aan PV-draad, maar heeft een dikkere, robuustere mantel die is ontworpen om bestand te zijn tegen de mechanische slijtage door het trekken door ondergrondse leidingen en direct contact met de aarde. De spanning is beperkt tot 600 V en de maximale geleidertemperatuur is dat ook 90°C nat en 90°C droog , een kritische beperking vergeleken met PV-draad. De afwezigheid van een droge classificatie van 150°C betekent dat USE-2 niet kan worden gebruikt in de vrije lucht binnen een rooftop-array waar de temperatuur van de achterplaat van de module routinematig 75°C tot 85°C bereikt en de stijging van de geleidertemperatuur onder volledige belasting de isolatie in het gebied van thermische overbelasting duwt.

TC-ER-kabel, met een blootliggende kabel voor kabelgoten, dient als DC-verzameltrunk tussen de combinerbox en de ingang van de omvormer, of tussen meerdere stringomvormers in een doorgeluste configuratie. TC-ER is een meergeleidersamenstel, doorgaans drie geleiders plus aarde, met een PVC-binnenisolatie en een nylon- of PVC-buitenmantel. Het is beoordeeld voor 600 V en 90°C droog , en de vermelding ervan maakt routering in een kabelgoot zonder kabelgoot mogelijk voor het blootgestelde traject. De meergeleiderconstructie vereenvoudigt de bedrading in vergelijking met het trekken van individuele enkelgeleiderkabels, maar de PVC-mantel verslechtert onder ultraviolette straling, dus TC-ER moet worden ingesloten wanneer deze buiten in direct zonlicht wordt geïnstalleerd.

De THHN/THWN-2-gebouwdraad, hoewel geen speciale zonnekabel, verschijnt aan de AC-zijde van de uitgang van de omvormer tot aan het hoofdservicepaneel of het verbindingspunt van het elektriciteitsnet. Beoordeeld 600 V en 90°C droog, 75°C wet Met een nylon omhulsel over PVC-isolatie is het kosteneffectief, overal verkrijgbaar en voldoet aan de code voor alle AC-bedrading binnenshuis stroomafwaarts van de omvormer. De weerstand tegen zonlicht is nul en er is geen directe begraaflijst, dus het gebruik ervan is strikt beperkt tot interne loopkanalen, leidingen en ingesloten AC-combinerpanelen.

Vergelijkende specificatietabel voor typen zonnekabels

Selectie van spanningsklassen en de 1.500 V-overgang

De verschuiving van 1.000 VDC naar 1.500 VDC systeemarchitecturen in fotovoltaïsche installaties op nutsschaal vermindert de DC-opvangstroom met ongeveer een derde voor dezelfde stroomdoorvoer, waardoor het aantal combinerboxen, DC-feeders en de bijbehorende sleuvengraving met een vergelijkbaar percentage wordt verminderd. De hogere spanning stelt echter strengere isolatie-eisen. Voor een array van 1.500 VDC is PV-draad vereist die geschikt is voor 2.000 V DC , niet 1.000 VDC. De isolatiedikte op een PV-draad van 2.000 V is ongeveer 2,4 mm voor 10 AWG-geleiders, vergeleken met 1,14 mm voor de 1.000 V-variant . Deze grotere wanddikte vermindert de flexibiliteit van de kabel en vergroot de minimale buigradius, een factor die het draadbeheer in module-aansluitdozen en DC-behuizingen van omvormers bemoeilijkt.

De IEC 62930-norm, die wereldwijd buiten Noord-Amerika wordt toegepast, harmoniseert de prestatie-eisen voor 1.500 V PV-kabels. Het specificeert een minimale isolatieweerstand van 10 MΩ·km bij 20°C , een cijfer dat is geverifieerd tijdens productietests in de fabriek op elke haspel vóór verzending. Veldtesten van geïnstalleerde 1.500 V PV-draad met een 5.000 V-megohmmeter moeten isolatieweerstandswaarden opleveren die niet lager zijn dan 4 MΩ per string voordat de string op de omvormer wordt aangesloten, een inbedrijfstellingspoort die installatieschade aan de mantel of onjuist gekrompen MC4-connectorafdichtingen identificeert.

Temperatuurvermindering en correctie van de capaciteit

De capaciteitstabellen in NEC artikel 310.15 gaan uit van een omgevingstemperatuur van 30°C en niet meer dan drie stroomvoerende geleiders in een kabelgoot. Een zonne-DC-opvangsysteem schendt routinematig beide aannames. Op een dak in Phoenix, Arizona, waar de omgevingstemperatuur 30 cm boven het dakoppervlak op een zomermiddag 65°C bereikt, is de temperatuurcorrectiefactor voor PV-draad met een classificatie van 90°C: 0.58 volgens NEC-tabel 310.15(B)(1)(1). Een PV-draad van 10 AWG met een stroomsterkte van 40 ampère bij 30°C wordt dus verlaagd tot 23,2 ampère bij 65°C. Als diezelfde draad wordt gebundeld met drie andere stroomvoerende snaren in een leiding over een afstand van meer dan 24 inch, wordt een extra aanpassingsfactor van 0.80 is van toepassing, waardoor de toegestane capaciteit verder wordt verlaagd tot 18,6 ampère.

Het resultaat is dat een 10 AWG-geleider, die op het eerste gezicht royaal overgedimensioneerd lijkt voor een stringstroom van 9 ampère, werkt op bijna 50% van zijn verminderde capaciteit na temperatuur- en bundelcorrecties . De technische praktijk voor daksystemen specificeert 10 AWG als de minimale PV-draadgrootte voor module-interconnecties, waarbij 8 AWG vereist is voor thuisgeleide geleiders die meer dan twee strings bedienen, een vuistregel die is afgeleid van de slechtste temperatuurgegevens op het dak in plaats van een vaste standaard.

Isolatiechemie en het XLPE-voordeel

Het isolatiemateriaal onderscheidt een zonnekabel meer dan enig ander kenmerk van algemene bouwdraad. XLPE, het verknoopte polyethyleen dat wordt gebruikt in PV-draad en USE-2, is een thermohardend materiaal, wat betekent dat de polymeerketens tijdens het uithardingsproces chemisch verknoopt worden. Eenmaal verknoopt kan het materiaal bij verhitting niet smelten of vloeien. Een PV-draad die wordt blootgesteld aan een geleidertemperatuur van 150°C behoudt zijn fysieke vorm en diëlektrische sterkte, terwijl een PVC-geïsoleerde THHN-draad bij dezelfde temperatuur zacht wordt, gaat vloeien en een interne kortsluiting veroorzaakt.

Het verknopingsproces, dat wordt bereikt door een op silaan gebaseerde vochtuitharding of bestraling met elektronenstralen, verbetert ook de weerstand van de isolatie tegen koude vloei onder compressie. Wanneer een PV-draad bekneld raakt tussen het moduleframe en de montagerail, is de XLPE-isolatie bestand tegen de drukzetting die de PVC-isolatiewand na verloop van tijd dunner zou maken. De behouden wanddikte daarna 1000 uur drukbelasting bij 90°C is doorgaans 85% tot 90% van de oorspronkelijke dikte voor XLPE, vergeleken met 60% of minder voor PVC . Deze eigenschap is essentieel in een fotovoltaïsche opstelling waar moduleklemmen en draadklemmen plaatselijke drukpunten uitoefenen die gedurende de ontwerplevensduur van 25 jaar van het systeem blijven bestaan.

Connectorcompatibiliteit en de MC4-standaard

De zonnekabel zelf is slechts de geleider; de connectorafsluiting is het storingspunt op systeemniveau. De industriestandaard is de MC4-connector, oorspronkelijk ontwikkeld door Multi-Contact en nu onder licentie geproduceerd door meer dan een dozijn wereldwijde leveranciers. De MC4 is geschikt voor 1.500 VDC en 30 ampère continue stroom met 4 mm² of 6 mm² (12 AWG tot 10 AWG) PV-draad , en het behoudt een beschermingsgraad van IP68 wanneer het wordt gekoppeld, wat betekent dat het bestand is tegen voortdurende onderdompeling in 1 meter water.

De cruciale regel voor betrouwbaarheid is connector-homogeniteit: de mannelijke en vrouwelijke connectoren op een enkele string moeten van dezelfde fabrikant zijn. Het koppelen van een Amfenol H4-connector met een echte Staubli MC4, ondanks hun fysieke compatibiliteit en UL-lijst, introduceert een risico op galvanische corrosie op het contactoppervlak omdat de basismetalen en plaatdiktes verschillen. De resulterende contactweerstand, gemeten door een vierdraads milliohmmeter, kan op een acceptabel niveau beginnen 0,5 milliohm maar kan oplopen 5 milliohm of meer binnen drie jaar van thermische cycli, waarbij de I²R-verwarming bij de connector de omringende kabeltemperatuur overschrijdt en de oxidatie versnelt. Storingen ter plaatse die te wijten zijn aan niet-overeenkomende connectoren zijn de meest voorkomende verzekeringsclaim op residentiële daksystemen.

Vereisten voor aarding en apparatuurverbinding van geleiders

De aardgeleider van de apparatuur (EGC) in een zonnepaneel dient als retourpad voor de foutstroom en moet zodanig zijn gedimensioneerd dat deze de volledige kortsluitstroom van de array kan geleiden zonder de nominale temperatuur ervan te overschrijden. NEC Tabel 250.122 regelt de EGC-dimensionering op basis van de classificatie van het overstroombeveiligingsapparaat, maar voor transformatorloze omvormers waarin DC-aardfoutdetectie is geïntegreerd, wordt een EGC die niet kleiner is dan de grootste DC-circuitgeleider aanbevolen door de beste technische praktijken, zelfs als een kleinere maat door de code is toegestaan. Een PV-draad van 10 AWG die als ongeaarde positieve gelijkstroomgeleider wordt gebruikt, moet vergezeld zijn van een minimaal 10 AWG EGC , formaat volgens 690.45 van de NEC.

Voor de AC-zijde is de EGC tussen de omvormer en het hoofdservicepaneel doorgaans een THHN/THWN-2-geleider met groene isolatie, met afmetingen volgens Tabel 250.122, gebaseerd op de overstroombeveiligingsklasse van de AC-uitgang van de omvormer. Voor een omvormeruitgangsonderbreker van 40 ampère is een minimaal 10 AWG koper EGC . De EGC is bij normaal bedrijf geen stroomvoerende geleider, maar moet in staat zijn de volledige aardfoutstroom te geleiden gedurende de tijd die het overstroomapparaat nodig heeft om de fout te verhelpen, een duur die doorgaans minder dan 0,1 seconde bedraagt ​​voor moderne stroombegrenzende stroomonderbrekers.

Kabelbeheer en bescherming tegen UV-blootstelling

Zelfs zonlichtbestendig PV-draad vereist fysieke bescherming tegen scherpe randen, schade door dieren in het wild en geconcentreerde UV-degradatie op stresspunten. Kabels op een op de grond gemonteerde array worden door een metalen of HDPE-kabelgoot (high-density polyethyleen) geleid en vastgezet met roestvrijstalen kabelbinders op onderlinge afstanden van niet meer dan 1,5 meter . De kabelbinders mogen de isolatie niet te veel samendrukken; een verbindingsspanning die de specificatie van de fabrikant overschrijdt, kan de XLPE-isolatie koud laten vloeien en de wanddikte op het verbindingspunt met 50% verminderen binnen een enkele thermische cyclus.

Bij installaties op daken moet de PV-draad vanaf het dakoppervlak worden ondersteund door kabelclips of in het moduleframe geïntegreerde draadbeheerkanalen. Direct contact tussen de kabelmantel en asfaltshingles brengt warmte over van het dakoppervlak naar de kabel, waardoor de temperatuur van de geleider met naar schatting stijgt. 5°C tot 10°C boven de omgevingsluchttemperatuur , een marge die de temperatuur van de geleider boven de natte classificatie van 90°C kan brengen in combinatie met volledige belastingsstroom en hoge straling van de achterplaat van de module. De kabel moet ook worden gelegd om te voorkomen dat er water op de lage punten van het dak blijft staan, waar vries-dooicycli de mantel onder druk zetten door herhaalde uitzetting en samentrekking van ijsformaties.