ユーティリティスケールPVシステムの安全と効率を確保するケーブル管理の最適化
著者 Jeff Shepard(ジェフ・シェパード) 氏
DigiKeyの北米担当編集者 提供
2023-07-20
マルツ掲載日：2023-10-23
ユーティリティスケールの太陽光発電(PV)システムは、通常、数メガワット(MW)の電力を発電し、グリーンエネルギーと持続可能性に大きく貢献しています。1MWあたり、数エーカーの土地に敷き詰められた約2,900枚のソーラーパネル、1台以上のインバータとコントローラ、さらに接続装置が必要になります。
これらすべての要素をPVシステムにリンクさせるためには、何kmもの電源ケーブルや監視ケーブル、何万個ものケーブル管理部品が必要になります。これらを適切に使用しなければ、ケーブル配線とケーブル管理部品は弱点となり、効率を低下させ、可用性を制限し、安全上の危険を増大させ、設置コストと運用コストを押し上げる可能性があります。
安全で効率的なケーブル管理設備の設計は複雑です。これには、電力ケーブルの短絡保護用のケーブルクリート、設置作業を行う人員を保護するための電圧有無のテスタ、信頼性の高い信号とモニタリング接続用のエッジクリップケーブルタイ、電源やグランド用の圧縮ラグコネクタなどが含まれます。
さらに、これらのコンポーネントは、地絡に耐えることを保証するIEC61914:2015に準拠したケーブルクリートや、全米防火協会(NFPA)およびULとCSAの安全規格の要求通りに動作する電圧有無のテスタ、PV設置のためにIEC61215で定義されている屋外条件に耐えるソーラー部品など、さまざまな国際規格を満たしたものでなければなりません。
この記事では、特に必要とされる多数のケーブル管理コンポーネントに焦点を当て、関連する国際安全規格の詳細や、過酷な環境での動作とコスト効率の高い設備のための要件について、ユーティリティスケールのPV設備における要素を掘り下げて解説します。解説を通して、 Panduitの典型的な製品に焦点を当てます。
高まるBOSの重要性
PV設備における周辺機器(BOS)には、ラック、ケーブル、ケーブル管理、インバータ、その他のシステム機器など、PVパネル以外のすべてのものと、人件費やソフトウェアが含まれます。PVパネル技術が向上するにつれて、パネルの価格はBOS部品の価格よりも早く下がっています。国際再生可能エネルギー機関(IRENA)の分析によると、PV設備のコスト削減の62%は、PVパネルとインバータの価格下落によるものです(1)。
PVパネルとインバータの価格下落は、BOS部品に注目を集めています。IRENAによると、PV設備費用に占めるBOSの割合は増加しており、2007年の58%から2017年には80%に上昇しています(図1)。同時に、配電バスを1kVDC以上に昇圧することで、システム効率と安全性に関わるBOSコンポーネントの重要性が高まっています。今後、BOSコンポーネントは、グリッドスケールのPVシステムにおける安全性と効率の向上を含め、コスト削減と運用改善を推進する上でますます重要になります。
図1：PVパネルの設備費用に占める割合が低下し、PVシステムにおけるBOSの重要性が高まっています。(画像提供：Panduit)
ケーブル管理は、グリッドスケールのPVシステムにおけるBOSの重要な側面です。そのことは、安全性、コスト、効率に大きな影響を与えます。ケーブルクリートは、最適化されたケーブル管理の利点を示すのに良い例です。また、電源ケーブルの短絡保護も提供します。適切な保護がなければ、短絡時に発生する大電流が導体を加熱し、火災や爆発を誘発する可能性があります。また、短絡電流は配電ケーブルに大きな電気機械的ストレスも与えます。
最大限の安全性を確保するため、ケーブルクリートは IEC61914:2015の要件を満たす必要があります。電気機械的ストレスが最大になるのは、短絡時の約5ms後です。これは、回路ブレーカのような回路保護装置が反応するのに必要な60～100msよりもずっと前のことです。
IEC61914:2015は、ケーブルクリート(ケーブルクランプと呼ばれることもある)の短絡試験時間を100msと規定しています。Panduitは、ケーブルクリートを設計する際にシミュレーションソフトウェアを使用し、IEC61914:2015に準拠することを確認するために、実際に短絡故障を発生させます(図2)。
図2：ANSYSソフトウェアによる短絡時の初期段階におけるケーブルに生じる電磁力のシミュレーション。(画像提供：Panduit)
IEC61914:2015は、短絡保護以外に以下の規定も含んでいます。
・温度定格
・火炎伝播耐性
・耐腐食性
・アキシアル荷重試験
・横方向荷重試験
・耐衝撃
・UV耐性
PanduitのTrefoilケーブルクリートは、マリングレードステンレス鋼とも呼ばれる316Lステンレス鋼を使用しており、直径20～69mmのケーブルに対応するモデルがあります。例えば、モデルCCSSTR6269-Xは、62～69mmのケーブル径に対応します。
これらのケーブルクリートは、Panduitのマウントブラケットを使用してケー ブルを敷設した後に取り付けることも、M8ボルトを使用して固定穴からケーブルトレイのラングに直接クリートを取り付けてケーブルを敷設する前に取り付けることもできます(図3)。
図3：上図のように、PanduitのTrefoilケーブルクリートは、マウントブラケットを使用して取り付けることができます。(画像提供：Panduit)
短絡時に受ける電気機械的な力の複雑さと、IEC61914:2015の厳しい性能要求が相まって、必要なケーブルクランプを特定することは、負担の大きい数学的な作業になります。Panduitは、60種類以上のPanduitケーブルクリート製品からIEC61914:2015の短絡ソリューションを推奨するCable Cleat kAlculatorアプリを提供し、選択プロセスを短縮します。kAlculatorアプリを使用することで、ケーブルクランプの選択が以下のようなシンプルな3ステップのプロセスになります。
1) ケーブルレイアウトを選択します。
2) ケーブル径を入力します。
3) ピーク短絡電流を入力します。
このアプリは、推奨コンポーネントと間隔を提供します。
電源およびグランド
ユーティリティスケールのPV設備では、電源ケーブルとグランドケーブル用のケーブルクランプに加えて、電源とグランドの接続が必要です。銅の圧縮ラグコネクタは効率的な接続を提供することができ、PanduitはTelcordia Technologiesがテストしたネットワーク機器構築システム(NEBS)レベル3の要件を満たす唯一の銅圧縮ラグを提供しています。
NEBSレベル3を満たすことで、Pan-Lug圧縮コネクタは、ユーティリティスケールのPVのような、機器の寿命によるサービスの中断を最小限に抑えることが要求される用途において、信頼性の高い性能を提供できることをユーザーに対して保証します。
Panduitのフレックス導体、2ホール、標準バレルコネクタは、フレキシブル、エクストラフレキシブル、コード撚り銅導体に使用でき、効率的で信頼性の高い電源とグランド接続を提供します。例えば、モデルLCDX1/0-14B-Xは、#1アメリカンワイヤーゲージ(AWG)サイズのケーブル用に定格され、0.75インチ間隔で2つの0.25インチのスタッド穴があります(図4)。
すべてのPan-Lug圧縮コネクタに共通する特徴は、以下の通りです。
・ULリストおよびCSA認証は35kV、温度定格は＋90℃
・内側に面取りされたバレル端により、導体の挿入が容易
・完全に挿入されていることを確認するためのテスト窓
・純度99.9%の銅ボディに腐食を抑制するための錫メッキを実施
図4：このような圧縮ラグは、ユーティリティスケールのPVシステムで電源とグランド接続に使用できます。(画像提供：Panduit)
クリップおよびタイ
電源ケーブルに加え、ユーティリティスケールのPV設備には、制御や監視機能のための何kmにも及ぶ配線が含まれることがあります。ケーブル管理に使用されるケーブルクリップやケーブルタイは、適切に指定されて設置されていないと、システムの信頼性を低下させ、設置コストや運用コストを増加させる可能性があります。
汎用のケーブルクリップは、日光や屋外の気象条件に長期間さらされることを考慮して設計されていません。PV設備に使用する場合、紫外線(UV)耐性のない汎用のプラスチック製クリップやタイはもろくなり、定期的な交換が必要になることがあります。また、塩分にさらされると金属クリップが腐食し、PVパネルの亜鉛メッキエッジが損傷する可能性があります。どちらの場合も、メンテナンスコストが大幅に増加し、信頼性が損なわれる可能性があります。
PVシステムの設計者は、汎用のクリップやケーブルタイを使用する代わりに、PanduitのCMSA12-2S-C300のようなエッジクリップケーブルタイを使用することができます。このモデルは、熱安定化耐候性ナイロン6.6と亜鉛メッキ金属クリップで作られており、屋外PV設備用のIEC61215規格に準拠して試験されています(図5)。
その他の機能には、以下のようなものが含まれます。
・UL94V-2可燃性定格
・－60℃から＋115℃の連続動作定格
・分類R22:HL3とR23:HL3基準によるEN45545-2防火要件に適合
・紫外線劣化による平均耐用年数は7～9年
図5：このエッジクリップケーブルタイは、耐候性ナイロン6.6と亜鉛メッキスチール製クリップを備え、過酷な屋外条件下でも高い信頼性を確保します。(画像提供：Panduit)
このエッジクリップケーブルタイマウントは、接着剤や穴を開けることなく配線を固定できます。ケーブルタイとクリップであらかじめ組み立てられており、モデルによって厚さ0.7ミリから3ミリのパネルエッジに取り付けることができます。金属製のクリップはしっかりと固定でき、工具を使わずに手で取り付けることができます。
また、迅速に取り付けできるように設計されています。取り付けに約21秒かかる従来のジップタイに比べ、このエッジクリップは11秒で取り付けられ、クリップ1個あたり10秒の時間の節約ができます。それが積み重なっていきます。
1MWあたり2,900枚のPVパネルを使用し、パネル1枚あたり3個のクリップを使用する一般的なユーティリティスケールのPV設備では、24.17時間、47%の省力化が可能です(従来のジップタイによる設置の50.75時間に対し、Panduitソーラーケーブルエッジクリップによる設置は26.58時間)(図6)。
図6：ソーラーケーブルクリップを使用することで、設置時間を47%短縮できます。(画像提供：Panduit)
グリッドスケールPVへの対応
グリッドスケールのPV設備を点検する際、特に配電ケーブルを点検する際には、危険な電圧がないことを確認するために、安全規制によって電圧確認テストが義務付けられています。例えば、全米防火協会(NFPA)の規則NFPA-70Eは、保守要員がキャビネット内で作業を行う前に、機器キャビネット内の高電圧がないことを確認するよう求めています。
携帯型テスト機器を使用した電圧有無(AVT)テストは複雑で、不正確な可能性があり、時間がかかります。PanduitのVeriSafe AVTは、ドアを開ける前に機器キャビネット内の危険な電圧をテストする自動化されたソリューションを提供します。自動テストソリューションの使用には、以下のような利点があります。
・信頼性は安全性を高め、リスクを軽減します。
・シンプルさは生産性を向上させ、安全規制の遵守を確実にします。
・柔軟性が設置を強化します。
モデルVS-AVT-C02-L03のようなVeriSafe AVTは、筐体内部に取り付けられ、長めに用意されたセンサリード線を高電圧エリアに接続するための絶縁モジュール、および中性線と接地線など、複数の要素で構成されています。絶縁モジュールは、筐体のドアを閉めたときに見えるバッテリ駆動のインジケータモジュールと、2つのモジュールを接続するケーブルにしっかりと接続されています(図7)。
図7：AVTシステムは、システムケーブル(左)、インジケータモジュール(中央)、センサリードを備えた絶縁モジュール(右)で構成されています。(画像提供：Panduit)
VeriSafe AVTシステムを使用してテストを開始する場合、インジケータモジュールのテストボタンが押され、システムがセルフテストを実行します。赤色LEDとテスト停止は、セルフテストの失敗を示します。
セルフテストに合格すると、絶縁モジュールは電圧と地絡をテストします。最後のステップはAVTが2回目のセルフテストを行うことです。2回目のセルフテストに合格し、電圧が存在しない場合にのみ、AVTは、作業員がキャビネットを開けてシステムを操作しても安全であることを示します。
まとめ
ユーティリティスケールのPV設備のコストに占めるBOSコンポーネントの割合は増加しています。ケーブル管理はBOS設計の重要な側面であり、最適化されたケーブルクランプ、パワーラグ、グランドラグ、エッジクリップケーブルタイを選択することで、これらの設備の運用と安全性を大幅に向上させることができます。自動化された電圧有無テストを追加することで、継続的なメンテナンス活動をサポートし、安全性を高め、運用コストを削減します。
リファレンス
(1) 2019年の再生可能エネルギー発電コスト、国際再生可能エネルギー機関
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