Solcellekabeltyper: PV-ledninger, USE-2 & AC-kabler forklaret

Den definerende skelnen mellem solcellekabeltyper er, om de er designet til direkte nedgravning i DC-fotovoltaisk array eller til AC-forbindelsen mellem inverteren og forsyningsnettet. PV-ledning (UL 4703) er den eneste kabeltype, der er klassificeret til både direkte nedgravning og kontinuerlig eksponering for sollys i DC-arrayet, med en 90°C vådklassificering og en 150°C tørklassificering, hvilket gør det obligatorisk for ujordede transformerløse invertersystemer, der arbejder ved 1.000 eller 1.500 volt DC. BRUG-2-kabel, mens det stadig er opført til direkte nedgravning, mangler den fulde sollys-modstandsevne og højere temperatur frihøjde, som moderne højspændingssystemer kræver.

De fire primære solcellekabelkategorier

Et solcelleanlæg indeholder adskilte elektriske zoner, der hver især er styret af en specifik kabeltype og et tilsvarende sæt installationskrav i henhold til National Electrical Code (NEC) Artikel 690. De fire kabeltyper, der optræder i et korrekt designet system fra arrayet til sammenkoblingspunktet, er som følger.

PV-ledning, opført til UL 4703 og emnestandarden UL 4703, er et enkeltlederkabel med tværbundet polyethylen (XLPE) isolering og en sollysafvisende yderjakke. Den er vurderet til 600 V, 1.000 V eller 2.000 V afhængig af isoleringstykkelsen, med 2.000 V-varianten specificeret til 1.500 VDC utility-scale arrays. XLPE-isoleringen giver termohærdende stabilitet, hvilket betyder, at kablet bevarer sin dielektriske styrke og mekaniske egenskaber, selv efter længere tids udsættelse for lederens maksimale driftstemperatur på 90°C våd og 150°C tør. Den fortinnede kobberleder, der er trådet i henhold til ASTM B174 Klasse B eller C, modstår de ætsende virkninger af fugt, der gennemtrænger isoleringen gennem årtiers brug. PV-ledning er det eneste kabel i solcelleindustrien, der bærer en VW-1 flammeklassificering og en direkte nedgravningsvurdering samtidig opfylder både brandsikkerhedskravet i taginstallationer og kravet til underjordisk føring i jordmonterede DC-opsamlingssystemer.

USE-2-kabel, bygget til UL 854 og anerkendt af NEC Artikel 338, er et enkeltlederkabel, der er klassificeret til underjordisk serviceindgang. Det bruger XLPE isolering identisk i kemi med PV-tråd, men anvender en tykkere, mere robust kappe designet til at modstå den mekaniske slid ved at trække gennem underjordisk rørledning og direkte jordkontakt. Dens spændingsværdi er begrænset til 600 V, og dens maksimale ledertemperatur er 90°C våd og 90°C tør , en kritisk begrænsning sammenlignet med PV-ledning. Fraværet af en 150°C tørklassificering betyder, at USE-2 ikke kan bruges i fri luft inden for en tagterrasse, hvor modulbagsidetemperaturer rutinemæssigt når 75°C til 85°C, og ledertemperaturstigningen under fuld belastning skubber isoleringen ind i termisk overbelastningsområde.

TC-ER-kabel, bakkekabel, der er eksponeret, fungerer som DC-opsamlingstrunken mellem kombineringsboksen og inverterindgangen eller mellem flere strenginvertere i en daisy-chain-konfiguration. TC-ER er en flerlederkonstruktion, typisk tre ledere plus jord, med en indvendig PVC-isolering og en ydre kappe af nylon eller PVC. Den er vurderet til 600 V og 90°C tør , og dens liste tillader føring i kabelbakke uden ledning til det udsatte forløb. Flerlederkonstruktionen forenkler ledningsføring sammenlignet med at trække individuelle enkeltlederkabler, men PVC-kappen nedbrydes under ultraviolet stråling, så TC-ER skal lukkes, når den installeres udendørs i direkte sollys.

THHN/THWN-2-bygningsledning, selvom det ikke er et dedikeret solcellekabel, vises på AC-siden af ​​inverterens udgang til hovedservicepanelet eller forsyningsforbindelsespunktet. Bedømt 600 V og 90°C tør, 75°C wet , med en nylonkappe over PVC-isolering, er det omkostningseffektivt, bredt tilgængeligt og kodekompatibelt for alle indendørs AC-ledninger nedstrøms for inverteren. Dens modstandsdygtighed over for sollys er nul, og den har ingen direkte nedgravningsliste, så dens brug er strengt begrænset til indvendige løbebaner, ledninger og lukkede AC-kombinationspaneler.

Sammenlignende specifikationstabel for solcellekabeltyper

Valg af spændingsklasse og 1.500 V overgangen

Skiftet fra 1.000 VDC til 1.500 VDC systemarkitekturer i solcelleanlæg i forsyningsskala reducerer DC-opsamlingsstrømmen med cirka en tredjedel for den samme effektgennemstrømning, hvilket reducerer antallet af kombineringsbokse, DC-fødere og tilhørende nedgravning med en tilsvarende andel. Den højere spænding stiller dog strengere isoleringskrav. Et 1.500 VDC-array kræver PV-ledning, der er normeret til 2.000 VDC , ikke 1.000 VDC. Isoleringstykkelsen på en 2.000 V PV-ledning er ca 2,4 mm for 10 AWG-ledere sammenlignet med 1,14 mm for 1.000 V-varianten . Denne øgede vægtykkelse reducerer kablets fleksibilitet og øger den mindste bøjningsradius, en faktor, der komplicerer ledningsstyringen i modulforgreningsdåser og inverter DC-kapslinger.

IEC 62930-standarden, der anvendes globalt uden for Nordamerika, harmoniserer ydeevnekravene for 1.500 V PV-kabler. Den angiver en minimum isolationsmodstand på 10 MΩ·km ved 20°C , et tal, der er verificeret under fabriksproduktionstestning på hver rulle før forsendelse. Feltprøvning af installeret 1.500 V PV-ledning med et 5.000 V megohmmeter skal give isolationsmodstandsværdier, der ikke er mindre end 4 MΩ pr streng før strengen forbindes med inverteren, en idriftsættelsesport, der identificerer installationsskader på kappen eller ukorrekt krympede MC4-konnektortætninger.

Temperaturnedsættelse og ampacitetskorrektion

Ampacity-tabellerne i NEC Artikel 310.15 antager en omgivelsestemperatur på 30°C og ikke mere end tre strømførende ledere i en løbebane. Et solar DC-opsamlingssystem overtræder rutinemæssigt begge antagelser. På en tagterrasse i Phoenix, Arizona, hvor den omgivende lufttemperatur 12 tommer over tagfladen når 65°C på en sommereftermiddag, er temperaturkorrektionsfaktoren for 90°C-klassificeret PV-ledning 0.58 ifølge NEC tabel 310.15(B)(1)(1). En 10 AWG PV-ledning med en 30°C ampacitet på 40 ampere er således de-klassificeret til 23,2 ampere ved 65°C. Hvis den samme ledning er bundtet med tre andre strømførende strenge i et rør i en afstand på mere end 24 tommer, vil en yderligere justeringsfaktor på 0.80 gælder, hvilket yderligere reducerer den tilladte ampacitet til 18,6 ampere.

Resultatet er, at en 10 AWG leder, som ved første øjekast virker generøst overdimensioneret til en strengstrøm på 9 ampere, arbejder kl. næsten 50 % af dens nedsatte kapacitet efter temperatur- og bundlingskorrektioner . Ingeniørpraksis for tagsystemer specificerer 10 AWG som minimum PV-ledningsstørrelse for modulforbindelser, med 8 AWG påkrævet for hjemmekørende ledere, der betjener mere end to strenge, en tommelfingerregel, der er afledt af værst tænkelige tagtemperaturdata snarere end en fast standard.

Isoleringskemi og XLPE-fordelen

Isoleringsmaterialet adskiller et solcellekabel fra bygningstråd til almindelige formål mere end nogen anden egenskab. XLPE, den tværbundne polyethylen, der anvendes i PV-tråd og USE-2, er et termohærdende materiale, hvilket betyder, at polymerkæderne er kemisk tværbundne under hærdningsprocessen. Når først det er tværbundet, kan materialet ikke smelte eller flyde, når det opvarmes. En PV-ledning udsat for en ledertemperatur på 150°C bevarer sin fysiske form og dielektriske styrke, hvorimod en PVC-isoleret THHN-ledning ved samme temperatur ville blødgøre, flyde og skabe en intern kortslutning.

Tværbindingsprocessen, opnået ved en silanbaseret fugthærdning eller elektronstrålebestråling, forbedrer også isoleringens modstand mod koldstrømning under kompression. Når en PV-ledning klemmes mellem modulrammen og monteringsskinnen, modstår XLPE-isoleringen det kompressionssæt, der ville fortynde PVC-isoleringsvæggen over tid. Den bibeholdte godstykkelse efter 1.000 timers trykbelastning ved 90°C er typisk 85 % til 90 % af den oprindelige tykkelse for XLPE sammenlignet med 60 % eller mindre for PVC . Denne egenskab er essentiel i et fotovoltaisk array, hvor modulklemmer og wireklemmer påfører lokale trykpunkter, der varer ved i systemets 25-årige designlevetid.

Stikkompatibilitet og MC4-standarden

Selve solcellekablet er kun lederen; konnektorafslutningen er fejlpunktet på systemniveau. Branchestandarden er MC4-stikket, oprindeligt udviklet af Multi-Contact og nu fremstillet på licens af over et dusin globale leverandører. MC4 er bedømt til 1.500 VDC og 30 ampere kontinuerlig strøm med 4 mm² eller 6 mm² (12 AWG til 10 AWG) PV-ledning , og den bevarer en indtrængningsbeskyttelsesklassificering på IP68, når den er parret, hvilket betyder, at den tåler kontinuerlig nedsænkning i 1 meter vand.

Den kritiske regel for pålidelighed er konnektorhomogenitet: han- og hunstikkene på en enkelt streng skal være fra samme producent. Sammenkobling af et Amphenol H4-stik med en ægte Staubli MC4, på trods af deres fysiske kompatibilitet og UL-liste, introducerer en galvanisk korrosionsrisiko ved kontaktgrænsefladen, fordi basismetallerne og belægningstykkelserne er forskellige. Den resulterende kontaktmodstand, målt med en fire-tråds milliohm-meter, kan starte ved en acceptabel 0,5 milliohm men kan stige til 5 milliohm eller mere inden for tre år af termisk cykling, på hvilket tidspunkt I²R-opvarmningen ved stikket overstiger den omgivende kabeltemperatur og accelererer oxidation. Feltfejl, der spores til uoverensstemmende stik, er det mest almindelige forsikringskrav på hustagesystemer.

Krav til jordforbindelse og udstyrsforbindelsesleder

Udstyrets jordingsleder (EGC) i et solcellepanel fungerer som fejlstrømmens returvej og skal dimensioneres til at føre hele arrayets kortslutningsstrøm uden at overskride dets nominelle temperatur. NEC Tabel 250.122 regulerer EGC-størrelse baseret på overstrømsbeskyttelsesenhedens klassificering, men for transformerløse invertere, hvor DC-jordfejlsdetektering er integreret, anbefales en EGC, der ikke er mindre end den største DC-kredsløbsleder, af bedste praksis, selv når en mindre størrelse er tilladt ifølge koden. En 10 AWG PV-ledning, der bruges som den ujordede DC-positive leder, skal ledsages af en minimum 10 AWG EGC , dimensioneret efter 690,45 af NEC.

For AC-siden er EGC mellem inverteren og hovedservicepanelet typisk en THHN/THWN-2-leder med grøn isolering, dimensioneret i henhold til tabel 250.122 baseret på inverterens AC-udgangsoverstrømsbeskyttelsesklassificering. En 40-amp inverter udgangsafbryder kræver en minimum 10 AWG kobber EGC . EGC'en er ikke en strømførende leder i normal drift, men skal være i stand til at lede den fulde jordfejlsstrøm i den tid, det tager for overstrømsenheden at afhjælpe fejlen, en varighed typisk mindre end 0,1 sekund for moderne strømbegrænsende afbrydere.

Kabelstyring og UV-eksponeringsbeskyttelse

Selv sollysbestandig PV-ledning kræver fysisk beskyttelse mod skarpe kanter, skader på vilde dyr og koncentreret UV-nedbrydning ved stresspunkter. Kabler på et jordmonteret array føres gennem metallisk eller high-density polyethylen (HDPE) kabelbakke, fastgjort med rustfri stålkabelbindere med intervaller på højst 1,5 meter . Kabelbinderne må ikke overkomprimere isoleringen; en bindespænding, der overstiger producentens specifikationer, kan koldflyde XLPE-isoleringen og reducere vægtykkelsen ved bindepunktet med 50 % inden for en enkelt termisk cyklus.

I taginstallationer skal PV-tråd understøttes af tagfladen af ​​kabelklemmer eller modulramme-integrerede ledningsstyringskanaler. Direkte kontakt mellem kabelkappen og asfalt helvedesild overfører varme fra tagfladen til kablet, hvilket hæver ledertemperaturen med en estimeret 5°C til 10°C over den omgivende lufttemperatur , en margin, der kan skubbe ledertemperaturen ud over dens 90°C vådværdi, når den kombineres med fuld belastningsstrøm og høj modulbagsidestråling. Kablet skal også føres for at undgå stående vand i de lave punkter af taget, hvor fryse-tø-cyklusser belaster kappen gennem gentagen ekspansion og sammentrækning af isformationer.