Jenis Kabel Surya: Kawat PV, Penjelasan Kabel USE-2 & AC

Perbedaan utama antara jenis kabel surya adalah apakah kabel tersebut dirancang untuk ditanam langsung dalam rangkaian fotovoltaik DC atau untuk interkoneksi AC antara inverter dan jaringan utilitas. Kabel PV (UL 4703) adalah satu-satunya jenis kabel yang memiliki rating untuk penguburan langsung dan pemaparan terus-menerus terhadap sinar matahari dalam rangkaian DC, dengan rating basah 90°C dan rating kering 150°C, sehingga wajib untuk sistem inverter tanpa transformator tanpa ground yang beroperasi pada 1.000 atau 1.500 volt DC. Kabel PENGGUNAAN-2, meskipun masih terdaftar untuk penguburan langsung, tidak memiliki tingkat ketahanan sinar matahari penuh dan ruang kepala bersuhu lebih tinggi yang dibutuhkan oleh rangkaian tegangan tinggi modern.

Empat kategori kabel surya utama

Sistem fotovoltaik berisi zona listrik yang berbeda, masing-masing diatur oleh jenis kabel tertentu dan serangkaian persyaratan pemasangan yang sesuai berdasarkan Pasal 690 Kode Kelistrikan Nasional (NEC). Empat jenis kabel yang muncul dalam sistem yang dirancang dengan baik mulai dari susunan hingga titik interkoneksi adalah sebagai berikut.

Kawat PV, terdaftar pada UL 4703 dan standar subjek UL 4703, adalah kabel konduktor tunggal dengan isolasi polietilen ikatan silang (XLPE). dan jaket luar yang tahan sinar matahari. Itu dinilai untuk 600 V, 1.000 V, atau 2.000 V tergantung pada ketebalan insulasi, dengan varian 2.000 V ditentukan untuk rangkaian skala utilitas 1.500 VDC. Insulasi XLPE memberikan stabilitas termoset, yang berarti kabel mempertahankan kekuatan dielektrik dan sifat mekanisnya bahkan setelah terpapar dalam waktu lama pada suhu pengoperasian maksimum konduktor yaitu 90°C basah dan 150°C kering. Konduktor tembaga kaleng, yang dirangkai sesuai dengan ASTM B174 Kelas B atau C, tahan terhadap efek korosif kelembapan yang menembus insulasi selama beberapa dekade digunakan. Kawat PV adalah satu-satunya kabel di industri tenaga surya yang membawa a Peringkat api VW-1 dan peringkat penguburan langsung secara bersamaan, memenuhi persyaratan keselamatan kebakaran pada instalasi atap dan persyaratan jalur bawah tanah dalam sistem pengumpulan DC yang dipasang di tanah.

Kabel USE-2, dibuat sesuai UL 854 dan diakui oleh NEC Pasal 338, adalah kabel konduktor tunggal yang diperuntukkan bagi pintu masuk layanan bawah tanah. Ini menggunakan isolasi XLPE secara kimia identik dengan kawat PV tetapi menggunakan jaket yang lebih tebal dan kuat yang dirancang untuk menahan abrasi mekanis saat menarik saluran bawah tanah dan kontak langsung dengan tanah. Peringkat tegangannya dibatasi hingga 600 V, dan suhu konduktor maksimumnya adalah 90°C basah dan 90°C kering , batasan kritis dibandingkan dengan kabel PV. Tidak adanya peringkat kering 150°C berarti USE-2 tidak dapat digunakan di udara bebas dalam susunan atap di mana suhu lembar belakang modul secara rutin mencapai 75°C hingga 85°C dan kenaikan suhu konduktor pada beban penuh mendorong insulasi ke wilayah beban berlebih termal.

Kabel TC-ER, kabel baki dengan rating run terbuka, berfungsi sebagai saluran pengumpul DC antara kotak penggabung dan input inverter, atau antara beberapa inverter string dalam konfigurasi rantai daisy. TC-ER adalah rakitan multi-konduktor, biasanya tiga konduktor ditambah ground, dengan insulasi bagian dalam PVC dan jaket luar nilon atau PVC. Itu dinilai untuk 600 V dan 90°C kering , dan daftarnya mengizinkan perutean di baki kabel tanpa saluran untuk proses terbuka. Konstruksi multikonduktor menyederhanakan perkabelan dibandingkan dengan menarik kabel konduktor tunggal individual, namun jaket PVC akan rusak jika terkena radiasi ultraviolet, sehingga TC-ER harus tertutup saat dipasang di luar ruangan dan terkena sinar matahari langsung.

Kabel bangunan THHN/THWN-2, meskipun bukan kabel surya khusus, muncul di sisi AC keluaran inverter hingga ke panel layanan utama atau titik interkoneksi utilitas. Dinilai 600 V dan 90°C kering, 75°C wet , dengan jaket nilon di atas insulasi PVC, hemat biaya, tersedia secara luas, dan sesuai kode untuk semua kabel AC dalam ruangan di bagian hilir inverter. Ketahanannya terhadap sinar matahari adalah nol, dan tidak memiliki daftar penguburan langsung, sehingga penggunaannya terbatas pada jalur interior, saluran, dan panel penggabung AC tertutup.

Tabel spesifikasi komparatif untuk jenis kabel surya

Pemilihan kelas tegangan dan transisi 1.500 V

Peralihan dari arsitektur sistem 1.000 VDC ke 1.500 VDC pada pembangkit listrik fotovoltaik skala utilitas mengurangi arus pengumpulan DC sekitar sepertiga untuk keluaran daya yang sama, sehingga mengurangi jumlah kotak penggabung, pengumpan DC, dan pembuatan parit terkait dengan proporsi yang sama. Namun, tegangan yang lebih tinggi memerlukan persyaratan isolasi yang lebih ketat. Array 1.500 VDC memerlukan kabel PV yang sesuai 2.000 VDC , bukan 1.000 VDC. Ketebalan isolasi pada kawat PV 2.000 V adalah kira-kira 2,4 mm untuk 10 konduktor AWG, dibandingkan dengan 1,14 mm untuk varian 1.000 V . Peningkatan ketebalan dinding ini mengurangi fleksibilitas kabel dan meningkatkan radius tekukan minimum, sebuah faktor yang mempersulit pengelolaan kabel di dalam kotak sambungan modul dan penutup inverter DC.

Standar IEC 62930, yang diterapkan secara global di luar Amerika Utara, menyelaraskan persyaratan kinerja untuk kabel PV 1.500 V. Ini menentukan resistansi isolasi minimum sebesar 10 MΩ·km pada 20°C , angka yang diverifikasi selama pengujian produksi pabrik pada setiap gulungan sebelum pengiriman. Pengujian lapangan terhadap kabel PV 1.500 V yang dipasang dengan megohmmeter 5.000 V harus menghasilkan nilai resistansi insulasi tidak kurang dari 4 MΩ per senar sebelum string disambungkan ke inverter, gerbang commissioning yang mengidentifikasi kerusakan pemasangan pada jaket atau segel konektor MC4 yang tidak dikerutkan dengan benar.

Penurunan suhu dan koreksi ampacity

Tabel ampacity dalam NEC Pasal 310.15 mengasumsikan suhu sekitar 30°C dan tidak lebih dari tiga konduktor pembawa arus dalam suatu jalur balap. Sistem pengumpulan tenaga surya DC secara rutin melanggar kedua asumsi tersebut. Di atap di Phoenix, Arizona, di mana suhu udara sekitar 12 inci di atas permukaan atap mencapai 65°C pada sore musim panas, faktor koreksi suhu untuk kabel PV dengan nilai 90°C adalah 0.58 menurut NEC Tabel 310.15(B)(1)(1). Kabel PV 10 AWG dengan ampacity 30°C sebesar 40 amp kemudian diturunkan nilainya menjadi 23,2 amp pada suhu 65°C. Jika kawat yang sama tersebut digabungkan dengan tiga tali pembawa arus lainnya dalam suatu saluran dengan jarak melebihi 24 inci, faktor penyesuaian tambahan sebesar 0.80 berlaku, selanjutnya mengurangi ampacity yang diijinkan menjadi 18,6 amp.

Hasilnya adalah konduktor 10 AWG, yang sekilas tampak terlalu besar untuk arus string 9 amp, beroperasi pada hampir 50% dari kapasitasnya diturunkan setelah koreksi suhu dan pengemasan . Praktik teknik untuk sistem atap menetapkan 10 AWG sebagai ukuran kabel PV minimum untuk interkoneksi modul, dengan 8 AWG diperlukan untuk konduktor yang dijalankan di rumah yang melayani lebih dari dua string, sebuah aturan praktis yang diperoleh dari data suhu atap kasus terburuk dan bukan dari standar tetap.

Kimia isolasi dan keunggulan XLPE

Bahan isolasi membedakan kabel surya dari kawat bangunan keperluan umum lebih dari atribut lainnya. XLPE, polietilen ikatan silang yang digunakan pada kawat PV dan USE-2, adalah bahan termoset, artinya rantai polimer terikat silang secara kimia selama proses pengawetan. Setelah berikatan silang, material tidak dapat meleleh atau mengalir saat dipanaskan. Kawat PV yang terkena suhu konduktor 150°C mempertahankan bentuk fisik dan kekuatan dielektriknya, sedangkan kawat THHN berinsulasi PVC pada suhu yang sama akan melunak, mengalir, dan menimbulkan korsleting internal.

Proses ikatan silang, yang dicapai dengan pengawetan kelembapan berbasis silan atau iradiasi berkas elektron, juga meningkatkan ketahanan insulasi terhadap aliran dingin di bawah kompresi. Ketika kawat PV terjepit di antara rangka modul dan rel pemasangan, insulasi XLPE menahan tekanan yang akan menipiskan dinding insulasi PVC seiring waktu. Ketebalan dinding yang ditahan setelahnya Pembebanan tekan selama 1.000 jam pada suhu 90°C biasanya mencapai 85% hingga 90% dari ketebalan asli untuk XLPE, dibandingkan dengan 60% atau kurang untuk PVC . Properti ini penting dalam susunan fotovoltaik di mana klem modul dan klip kawat menerapkan titik tekanan lokal yang bertahan selama umur desain sistem selama 25 tahun.

Kompatibilitas konektor dan standar MC4

Kabel surya itu sendiri hanyalah konduktor; terminasi konektor adalah titik kegagalan tingkat sistem. Standar industrinya adalah konektor MC4, yang awalnya dikembangkan oleh Multi-Contact dan kini diproduksi di bawah lisensi oleh lebih dari selusin pemasok global. MC4 diberi peringkat 1.500 VDC dan 30 amp arus kontinu dengan kabel PV 4 mm² atau 6 mm² (12 AWG hingga 10 AWG) , dan mempertahankan peringkat perlindungan masuknya IP68 saat dipasangkan, yang berarti tahan terhadap perendaman terus menerus dalam air sedalam 1 meter.

Aturan penting untuk keandalan adalah homogenitas konektor: konektor pria dan wanita pada satu string harus berasal dari pabrikan yang sama. Mengawinkan konektor Amphenol H4 dengan Staubli MC4 asli, meskipun memiliki kompatibilitas fisik dan terdaftar di UL, menimbulkan risiko korosi galvanik pada antarmuka kontak karena logam dasar dan ketebalan pelapisan berbeda. Resistansi kontak yang dihasilkan, diukur dengan miliohm meter empat kawat, mungkin dimulai pada nilai yang dapat diterima 0,5 miliohm tapi bisa naik menjadi 5 miliohm atau lebih dalam waktu tiga tahun siklus termal, yang mana pemanasan I²R pada konektor melebihi suhu kabel di sekitarnya dan mempercepat oksidasi. Kegagalan lapangan yang ditelusuri ke konektor yang tidak cocok adalah klaim asuransi yang paling umum pada sistem atap perumahan.

Persyaratan konduktor pengikat pembumian dan peralatan

Konduktor pembumian peralatan (EGC) dalam susunan surya berfungsi sebagai jalur balik arus gangguan dan harus berukuran untuk membawa arus hubung singkat penuh dari susunan tersebut tanpa melebihi suhu pengenalnya. NEC Tabel 250.122 mengatur ukuran EGC berdasarkan peringkat perangkat proteksi arus lebih, namun untuk inverter tanpa transformator yang mana deteksi gangguan tanah DC terintegrasi, EGC yang tidak lebih kecil dari konduktor rangkaian DC terbesar direkomendasikan oleh praktik terbaik teknik, bahkan ketika ukuran yang lebih kecil diizinkan oleh kode. Kabel PV 10 AWG yang digunakan sebagai konduktor positif DC yang tidak dibumikan harus disertai dengan a minimal 10 AWG EGC , berukuran per 690,45 NEC.

Untuk sisi AC, EGC antara inverter dan panel servis utama biasanya berupa konduktor THHN/THWN-2 dengan insulasi hijau, berukuran sesuai Tabel 250.122 berdasarkan peringkat proteksi arus lebih keluaran AC inverter. Pemutus keluaran inverter 40 amp memerlukan a minimal 10 AWG tembaga EGC . EGC bukanlah konduktor pembawa arus dalam operasi normal tetapi harus mampu menghantarkan arus gangguan tanah secara penuh selama waktu yang diperlukan perangkat arus lebih untuk mengatasi gangguan, durasi yang biasanya kurang dari 0,1 detik untuk pemutus arus pembatas arus modern.

Manajemen kabel dan perlindungan paparan sinar UV

Bahkan kawat PV yang tahan sinar matahari memerlukan perlindungan fisik terhadap tepian tajam, kerusakan satwa liar, dan degradasi UV terkonsentrasi pada titik-titik stres. Kabel pada rangkaian pemasangan di tanah disalurkan melalui baki kabel logam atau polietilen densitas tinggi (HDPE), diamankan dengan pengikat kabel baja tahan karat dengan interval tidak melebihi 1,5 meter . Pengikat kabel tidak boleh menekan insulasi secara berlebihan; tegangan pengikat yang melebihi spesifikasi pabrikan dapat mengalirkan insulasi XLPE secara dingin dan mengurangi ketebalan dinding pada titik pengikat sebesar 50% dalam satu siklus termal.

Pada instalasi atap, kabel PV harus disangga dari permukaan atap dengan klip kabel atau saluran manajemen kabel yang terintegrasi dengan rangka modul. Kontak langsung antara jaket kabel dan sirap aspal memindahkan panas dari permukaan atap ke kabel, sehingga diperkirakan meningkatkan suhu konduktor. 5°C hingga 10°C di atas suhu udara sekitar , margin yang dapat mendorong suhu konduktor melampaui tingkat basah 90°C bila dikombinasikan dengan arus beban penuh dan radiasi lembar belakang modul yang tinggi. Kabel juga harus dirutekan untuk menghindari genangan air di titik rendah atap, tempat siklus pembekuan-pencairan menekan selubung melalui pemuaian dan kontraksi formasi es yang berulang-ulang.