Молниезащита солнечных панелей и защита от перенапряжения

Как защитить солнечные панели от молнии

Молниезащита солнечных панелей строится на двух уровнях, и ни один из них не заменяет другой. Внешний перехватывает прямой удар и уводит ток в землю мимо модулей. Внутренний гасит импульс, который успел зайти в кабели и бежит к инвертору. Я советую закладывать оба еще в проект станции, потому что стандарт прямо называет скоординированное проектирование самым дешевым и технически лучшим вариантом, а домонтаж после запуска часто упирается в уже проложенные кабели.

Два уровня выглядят так:

1. Внешняя защита. Молниеприемник над плоскостью панелей, токоотводы до земли и контур заземления, объединенный с заземлением дома.
2. Внутренняя защита. Устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) на линии от панелей к инвертору и на выходе инвертора в щит.

Комплексный подход здесь не маркетинговое слово. Одни УЗИП без мачты не переживут прямого удара в конструкцию. Одна мачта без УЗИП пропустит наведенный импульс по кабелю. Производители защитного оборудования, в частности OBO, советуют УЗИП на обеих сторонах даже там, где норма этого не требует.

Прямой удар и наведенный импульс в кабелях

Разряд рядом со станцией случается чаще прямого удара и тоже заметно вредит электронике и конструкции. Такой вывод сделан в докладе на симпозиуме EPNC 2020 о влиянии близких разрядов на фотоэлектрические системы. Процентной доли таких поломок первичные источники не дают, так что цифры вроде «70 % отказов» без документа я бы не повторял.

Попадание в конструкцию станции

Металлические рамы, профили и крепления хорошо проводят ток, поэтому прямой удар ищет путь через конструкцию к ближайшей заземленной точке. Сами панели риск не повышают, и дом под ними молния не выбирает чаще. Последствия попадания зависят от того, куда пойдет ток. В докладе Львовского государственного университета безопасности жизнедеятельности (2019) показана разница. Разбитая панель забирает часть генерации, а сгоревший инвертор останавливает станцию целиком или большую ее часть. Отсюда приоритет. Сначала беречь инвертор.

Отдельный риск касается людей. Рама без соединения с заземлением во время разряда может оказаться под напряжением, и тогда ток пойдет через того, кто к ней прикоснулся.

Разряд рядом со станцией

Модули в стринге соединены последовательно, и кабели между ними образуют петлю. При близком разряде эта петля работает как антенна, ловит электромагнитное поле и превращает его в импульсное перенапряжение внутри линии. Чем большую площадь охватывает петля, тем больше энергии в нее наводится. Поэтому плюсовой и минусовой кабели стринга ведут рядом, а не разными сторонами крыши.

Молниеприемник здесь бессилен. Импульс рождается в самой линии, весь кабель от панелей до инвертора собирает его по всей своей длине, и остановить его можно только устройством, которое стоит на входе инвертора и сбрасывает избыток напряжения в заземление.

Как работает внешняя молниезащита

Внешняя система молниезащиты ставит молниеприемник выше панелей, отводит ток отдельными проводниками в землю и держит эти проводники на расчетном расстоянии от станции. Чаще всего речь идет о крышной станции частного дома, где панели занимают скат, а инвертор висит в техническом помещении.

Молниеприемник над панелями

Над модулями ставят мачту или стержни, на пологой крыше иногда сетку. Проверка простая. Представьте линию, натянутую между верхушками молниеприемников, и вся плоскость панелей должна лежать под ней. Если модули выступают выше, панели наклоняют меньше или меняют схему молниезащиты. Есть еще одна ловушка, которую легко пропустить на этапе эскиза. Мачта, поставленная с южной стороны, бросает на панели тень, а тень на одном модуле снижает выработку всего стринга.

Токоотводы до земли

От молниеприемника ток идет в землю по токоотводам. На здании их не меньше двух, желательно на каждом углу. Типичный шаг между ними ДСТУ EN 62305-3:2021 задает в зависимости от класса системы, от 10 м для классов I и II до 20 м для класса IV. Маршрут выбирают в обход кабелей станции и инвертора.

Разделительное расстояние

Между токоотводом и элементами станции нужно выдержать промежуток, на котором разряд не перескочит искрой. Стандарт считает его по формуле s = (ki / km) · kc · l, в которой:

• ki зависит от класса системы;
• km зависит от материала промежутка;
• kc зависит от количества токоотводов;
• l обозначает длину пути тока до места, где проводник присоединен к системе выравнивания потенциалов.

Я посчитал для примера класс III или IV, воздушный промежуток, три токоотвода и 10 м пути. Получилось около 0,18 м. Для реальной крыши цифру должен посчитать специалист, потому что входов в формулу больше, чем кажется.

Если расстояние не выдержано, станцию приходится соединять с системой молниезащиты. Тогда часть разряда уже не уходит по токоотводу в землю, а попадает в кабели станции, и УЗИП на обеих сторонах инвертора должны быть рассчитаны на этот прямой ток. На здании с металлическим каркасом или непрерывно соединенной арматурой разделительное расстояние не нужно.

На DIY Solar Forum один пользователь вспоминал промышленное здание, которое дорогая молниезащита не уберегла от пожара в первую же грозу. Я читаю это как аргумент за расчет. Не против защиты.

Почему заземление для галочки не работает

Заземлитель, который никто не измерял, дает владельцу лишь ощущение защищенности. Стандарт считает более важным другое. Все металлические части станции и дома должны быть соединены в одну систему, и только вместе с этим имеет смысл число сопротивления.

Устройство контура

Для молниезащиты лучше всего работает одна объединенная система заземления, общая для молниеприемника, электроснабжения и связи. Отдельный колышек для станции рядом с отдельным контуром дома создает две точки с разным потенциалом. Во время разряда между ними и возникает напряжение, которое пробивает оборудование. На том же форуме практик объяснял, зачем расставлять по участку много заземлителей и плотно соединять их между собой. Объяснение инженерное. Сплошной медный лист под всем участком не положишь, а густая сетка электродов дает и низкое сопротивление, и почти одинаковый потенциал у всех аппаратов.

Измерение сопротивления

ДСТУ EN 62305-3:2021 советует держать общее сопротивление заземления до 10 Ом, если измерять на низкой частоте и грунт это позволяет. Это ориентир, а не обязательный предел. Когда сопротивление выше, стандарт требует сверить длины заземлителей с минимальными, а для скального грунта требование 10 Ом не применяют. Прибор настраивают на частоту, которая не совпадает с сетевыми 50 Гц и кратными им. Измерительный соединитель на токоотводе в обычной работе остается замкнутым и раскручивается только инструментом. После измерения монтажник должен отдать протокол с цифрой.

Выравнивание потенциалов

Рамы панелей, крепления, корпус инвертора и щиты соединяют проводниками с главной шиной заземления. Тогда во время разряда потенциал поднимается везде одинаково, и между рамой, корпусом инвертора и трубой отопления, которых человек может коснуться одновременно, не возникает разницы напряжений, способной ударить током или пробить изоляцию. Число сопротивления здесь второстепенно.

Так сформулировал пользователь DIY Solar Forum в треде о сгоревшем после грозы инверторе (сентябрь 2026, пересказ на русском).

Защита от перенапряжения на DC и AC стороне

Защиту от перенапряжения ставят с обеих сторон инвертора, потому что импульс приходит и с панелей, и из сети дома. УЗИП, ОПН и английское SPD означают один и тот же класс устройств. DC-разрядник на линии панелей не закрывает AC-сторону, и наоборот. Какой тип нужен в каждой точке, зависит от того, есть ли на доме внешний молниеприемник и выдержано ли расстояние s.

Таблица составлена по схеме выбора УЗИП производителя Phoenix Contact.

Линия от панелей к инвертору

На стороне постоянного тока ограничитель перенапряжения подбирают под напряжение холостого хода стринга. Устройства выпускают рядами на 600, 1000 и 1500 В DC. Количество устройств определяют MPPT-трекеры инвертора. У каждого входа свой стринг панелей, своя петля кабеля и свой путь к силовой электронике, поэтому защищают каждый вход отдельно.

По данным OBO, национальные требования (DIN VDE) УЗИП на DC-стороне без внешней молниезащиты не требуют, однако производитель прямо советует его ставить, а IEC 61643-32 предусматривает такие устройства на DC-стороне. Отдельное устройство возле самих панелей нужно не всегда. Его пропускают, когда кабеля от инвертора до панелей меньше 10 м, а уровень защиты УЗИП на инверторе не превышает 0,8 от импульсной стойкости модулей.

Выход инвертора в сеть дома

Для станции, подключенной к проводке дома, нормы IEC 60364-4-44 и IEC 60364-7-712 предусматривают на переменной стороне УЗИП типа 2. Если у дома есть молниеприемник, на вводе ставят устройство класса I. Через общее заземление в домашнюю проводку попадает часть разряда, и устройство должно быть испытано именно на такой ток. Кабель от щита до инвертора короче 10 м, а проводник заземления идет рядом с силовыми проводниками переменного тока? Тогда хватит одного УЗИП, поставленного в щите.

О линиях связи забывают чаще всего. Сетевой кабель мониторинга тоже заносит перенапряжение в дом, и SMA в руководстве к инверторам Sunny Tripower советует ставить защиту на переходе такого кабеля с улицы внутрь. Ethernet-порт их инвертора выдерживает до 1,5 кВ.

Как подобрать УЗИП для инвертора

Три параметра УЗИП, то есть тип устройства, его рабочее напряжение и уровень защиты, определяют, переживет ли инвертор первую грозу. Тип 1 нужен там, где у дома есть внешний молниеприемник и часть прямого тока может зайти в цепи. Тип 2 закрывает наведенные импульсы. Комбинированные разрядники тип 1+2 для цепей солнечного генератора выпускают, например, DEHN и Phoenix Contact, причем последний прямо пишет, что тип 1 на DC-стороне подходит и крышной, и наземной станции.

Рабочее напряжение и уровень защиты Up

Наибольшее длительное рабочее напряжение УЗИП на DC-стороне должно быть не ниже самого высокого напряжения холостого хода массива. Считают его при самой холодной температуре площадки, потому что на морозе модули выдают больше вольт, чем написано в паспорте, и устройство со слишком малым запасом начнет проводить ток в обычной работе, греться и тихо деградировать. Уровень защиты Up держат ниже 0,8 от импульсной стойкости инвертора. Для стринга до 1500 В оборудование категории II по таблице 12 IEC 62109-1 выдерживает 6000 В, значит Up не больше 4800 В. Для стринга до 1000 В интерполяция той таблицы дает около 4,5 кВ, то есть Up не больше 3,6 кВ.

Импульсный ток

Подбор УЗИП для инвертора по импульсному току, номинальному напряжению и типу устройства зависит еще и от уровня защиты дома. IEC 61643-32 приводит пример для уровней III и IV с менее чем четырьмя токоотводами. Там достаточно одного ограничительного устройства класса I на 5 кА по форме 10/350 мкс (или 8,5 кА по форме 8/20 мкс). Это пример из стандарта, а не универсальное число.

Нормы ДСТУ EN 62305 и уровни LPL

В Украине молниезащиту проектируют по серии ДСТУ EN 62305 из четырех частей. Часть 1 описывает общие принципы, часть 2 управление рисками, часть 3 физические разрушения и опасность для людей, часть 4 электрические и электронные системы внутри зданий. Часть 3 в 2021 году заменена новой редакцией, ДСТУ EN 62305-3:2021.

Уровень защиты LPL стандарт не привязывает к типу дома. Только к риску. Класс системы выбирают по оценке риска из части 2, поэтому утверждения «для частного дома всегда достаточно IV уровня» я в норме не нашел. Уровень определяет сразу несколько вещей:

Пиковые токи взяты из IEC 61643-32, остальное из ДСТУ EN 62305-3:2021. Визуальный осмотр для уровней I и II делают ежегодно, для III и IV раз в 2 года.

Почему активные молниеприемники ESE не подходят

Активный молниеприемник ESE продают с обещанием опережающей эмиссии стримера (раннего запуска разряда навстречу молнии) и в разы большей зоны защиты. Сторонники ссылаются на французский стандарт NF C 17-102, по которому один такой приемник часто ставят на все сооружение. ДСТУ EN 62305-3:2021 считает такую молниезащиту иначе. Защищенный объем для любого перехватчика определяют только по его реальным металлическим размерам. Слова «ESE» в тексте стандарта нет, но увеличенного радиуса за «активность» он не засчитывает.

Научная база активной молниезащиты тоже слабая. Обзор Чандимы Гомеса на конференции по молниезащите APL 2025 констатирует, что заявленное преимущество над обычным стержнем до сих пор не подтверждено строгой проверкой. Производитель TrilPeak, который сам делает и активные, и обычные приемники, пишет, что американский NFPA 780 ESE не признает, и международный IEC 62305 стоит на той же позиции.

Вывод короткий. Если монтажник предлагает активную молниезащиту ESE над панелями, зону защиты я бы считал как для обычного стержня той же высоты.

Как проверить защиту своей станции

Большую часть проверки владелец делает сам. Без покупок. Сильная гроза прошла, инвертор вроде бы работает, а все равно хочется знать, сработало ли что-то в щитах, не отгорел ли контакт на раме и не стоит ли в щите уже отработавший картридж, который следующего импульса не выдержит.

После сильной грозы

• Посмотрите на индикаторы УЗИП в щитах, не снимая крышек. Если индикатор показывает срабатывание, вызовите электрика, потому что замену картриджей и работу в DC-части выполняет он.
• Проверьте, вышел ли инвертор в работу без ошибок и отдают ли генерацию все стринги.
• Если на доме есть внешняя молниезащита, сверьте дату последнего полного осмотра с таблицей выше. Для уровней III и IV это раз в 4 года. В критических ситуациях ежегодно.

Перед заказом монтажа

• Попросите протокол измерения сопротивления заземления с частотой измерения. Цель до 10 Ом, более высокое сопротивление требует проверки длины заземлителей.
• Требуйте схему, где видно, какие УЗИП стоят на DC и AC стороне, какого типа и с каким рабочим напряжением.
• Уточните, рассчитано ли разделительное расстояние s и не затеняют ли молниеприемники панели.
• Проверьте маршрут кабелей стринга. Плюс и минус должны идти рядом, чтобы петля оставалась маленькой.
• Договоритесь об осмотре скрытых частей заземления еще во время монтажа, пока траншею не засыпали.

Схему защиты и маршруты кабелей проектируют до установки, а не домонтируют после первой грозы, когда кабели уже проложены, щит заполнен автоматами и для УЗИП типа 1 нет ни места, ни правильного подключения к заземлению. Поэтому монтаж под ключ позволяет заложить оба уровня защиты в проект сразу. Уже работающую станцию так же может проверить независимый электрик с прибором для измерения сопротивления заземления, а заодно осмотреть проводники между рамами панелей и шиной заземления, потому что оборванный или окисленный контакт исключает раму из выравнивания потенциалов.

Частые вопросы о грозе и СЭС