Wprowadzenie i rozwiązania problemów związanych z fotowoltaicznym łukiem prądu stałego

Wraz z szybkim rozwojem technologii słonecznej, wytwarzanie energii fotowoltaicznej stało się jednym z najważniejszych rozwiązań w zakresie zielonej energii na całym świecie. Systemy fotowoltaiczne odgrywają znaczącą rolę zarówno na dachach budynków mieszkalnych, w parkach przemysłowych, jak i na dużych-elektrowniach słonecznych. Jednocześnie stopniowo zwraca się uwagę na kwestie bezpieczeństwa systemów fotowoltaicznych. Łuk prądu stałego, jako zjawisko elektryczne mogące mieć wpływ na stabilność systemów fotowoltaicznych, powinien być dokładnie poznany przez każdego praktyka i użytkownika.

1. Znaczenie zajarzenia łuku prądu stałego

Łuk prądu stałego, jak sama nazwa wskazuje, odnosi się do zjawiska, w którym łuk tworzy się pomiędzy punktami styku, gdy ścieżka prądu w obwodzie prądu stałego zostaje nagle przerwana.

Łuk elektryczny jest rodzajem zjawiska wyładowania gazowego. Kiedy gaz ulega jonizacji, tworzy kanał przewodzący, w wyniku czego powstaje łuk elektryczny. W fotowoltaicznych obwodach prądu stałego, gdy w obwodzie pojawi się niewielka przerwa, napięcie prądu stałego na szczelinie wytworzy w niej pole elektryczne. Kiedy natężenie pola elektrycznego osiągnie określony poziom, cząsteczki powietrza ulegają jonizacji. Cząsteczki powietrza składają się z atomów, które składają się z dodatnio naładowanych jąder i ujemnie naładowanych elektronów. Pod silnym polem elektrycznym elektrony uzyskują wystarczającą energię, aby uwolnić się z jądra i stać się wolnymi elektronami. Te wolne elektrony przyspieszają w polu elektrycznym, zderzają się z innymi cząsteczkami powietrza, jonizując kolejne cząsteczki, tworząc w ten sposób dużą liczbę wolnych elektronów i jonów dodatnich. Proces ten nazywany jest rozkładem gazu. Po rozbiciu gazu tworzy się łuk elektryczny.

Proces zajarzania łuku prądu stałego:

W przypadku prądu stałego, ponieważ nie ma on punktu przejścia przez zero i kierunek prądu się nie zmienia, łuk może w sposób ciągły otrzymywać energię, co utrudnia jego samodzielne zgaszenie.

Ze względu na sposób łączenia obwodów i lokalizację łuku łuki można podzielić na łuki szeregowe i łuki równoległe (łuk uziemiający można uznać za szczególny rodzaj łuku równoległego). Łuki szeregowe zwykle występują w obrębie jednego przewodu pod napięciem. Ponieważ odstępy między przewodnikami są małe i jest ich wiele, częstotliwość występowania jest większa; co więcej, ponieważ sygnał łuku szeregowego jest słaby i łatwo maskowany przez szum, jest on trudny do wykrycia i, jeśli nie zostanie naprawiony na czas, może łatwo spowodować pożar. Łuki równoległe zwykle występują pomiędzy różnymi przewodnikami pod napięciem. Ponieważ odstępy między przewodnikami są duże, a ścieżka jest złożona, częstotliwość występowania jest mniejsza. Obecnie środki ochronne, takie jak bezpieczniki i wyłączniki automatyczne, mogą skutecznie kontrolować wpływ łuków równoległych.

2.PrzyczynyZajarzenie łuku DC

2.1 Problemy z komponentami połączeniowymi

Elementy przyłączeniowe są jednymi z najczęstszych problemów w systemach fotowoltaicznych i są także główną przyczyną wyładowań łukowych prądu stałego.

• Luźne, utlenione lub zużyte złącza (takie jak wtyczki MC4) to częste problemy: podczas-długoterminowego użytkowania złącza mogą się poluzować z powodu takich czynników, jak wibracje i zmiany temperatury. Luźne złącza mogą zwiększać rezystancję styków, generując dużą ilość ciepła podczas przepływu prądu, powodując wzrost temperatury złącza. Wysokie temperatury przyspieszają utlenianie i zużycie złącza, tworząc błędne koło, które ostatecznie prowadzi do szczelin, które mogą wywołać wyładowania łukowe.

• Zaciskanie złączy kablowych nie jest zgodne ze standardami: Niewystarczająca siła zagniatania lub nieszczelność mogą prowadzić do słabego styku na złączach kablowych, co podobnie zwiększa rezystancję styku, generuje wysokie temperatury, a w konsekwencji może powodować wyładowania łukowe.

2.2 Problemy z przewodami

Przewody są ważnymi elementami systemów fotowoltaicznych służącymi do przesyłu prądu, a ich jakość i stan bezpośrednio wpływają na bezpieczną pracę systemu.

• Uszkodzenie warstwy izolacyjnej kabla może spowodować powstanie szczeliny pomiędzy przewodnikiem a elementami uziemiającymi lub metalowymi wspornikami, co może prowadzić do wyładowania łukowego: Izolacja kabla może zostać uszkodzona podczas instalacji lub użytkowania z powodu takich czynników, jak uszkodzenia mechaniczne lub korozja chemiczna.

• Drut może zostać uszkodzony przez siły zewnętrzne (takie jak gryzonie lub tarcie mechaniczne), powodując miejscowe narażenie, które jest również jedną z przyczyn rozciągania łuku: W niektórych zewnętrznych elektrowniach fotowoltaicznych od czasu do czasu zdarzają się gryzonie obgryzające kable.

2.3 Czynniki środowiskowe i starzenie się

Czynniki środowiskowe i starzenie się sprzętu są również ważnymi przyczynami wyładowań łukowych prądu stałego w systemach fotowoltaicznych.

• Długotrwałe narażenie na wysokie temperatury i wysoką wilgotność może przyspieszyć starzenie się komponentów, prowadząc do pogorszenia właściwości izolacyjnych: w-środowiskach o wysokiej temperaturze materiały komponentów ulegają starzeniu termicznemu, powodując stopniowy spadek ich wydajności; w środowiskach o wysokiej-wilgotności elementy mogą ulec zawilgoceniu, co wpłynie na ich właściwości izolacyjne.

• W punktach połączeń gromadzi się kurz i korozja, które mogą zakłócać ciągłość elektryczną i powodować wyładowania szczelinowe: W zapylonych środowiskach o silnej korozyjności, w punktach połączeń gromadzą się duże ilości pyłu i substancji żrących. Materiały te mogą utrudniać przepływ prądu elektrycznego, zwiększać rezystancję w punktach połączeń, generować wysokie temperatury i potencjalnie powodować wyładowania łukowe.

3.Technologia detekcji i zastosowanie łuku prądu stałego w fotowoltaice

3.1 Przerywacz obwodu zwarcia łukowego (AFCI/AFDD)

Funkcja AFCI polega na „wykrywaniu i odcinaniu zasilania” natychmiast po wystąpieniu łuku, zapobiegając rozprzestrzenianiu się pożaru.

Zwykle integruje się go ze skrzynkami przyłączeniowymi prądu stałego, falownikami lub wyłącznikami automatycznymi w celu monitorowania sygnałów prądowych w czasie rzeczywistym. Kiedy pojawia się łuk, przebieg prądu wykazuje specyficzny szum i zniekształcenia-o wysokiej częstotliwości. AFCI wykorzystuje algorytmy do wykrywania tego nieprawidłowego sygnału i szybko rozłącza obwód.

Jak pokazano na powyższym przebiegu widma prądu, kolor czerwony wskazuje występowanie łuku elektrycznego, wyraźnie kontrastując z kolorem niebieskim w przypadku braku łuku.

W typowym systemie elektrycznym losowy szum tła zasadniczo zmienia się zauważalnie tylko przy częstotliwościach powyżej 200 kHz. Natomiast obwody sterownika przełączającego, takie jak falowniki w systemie elektrycznym, zwykle działają przy widmach poniżej 50 kHz. Nie wspominając już o tym, że sam sygnał zasilania prądem przemiennym ma jeszcze niższą częstotliwość 50/60 Hz. Dlatego też, stosując algorytm FFT do konwersji wykrytego prądu w kablu na dziedzinę częstotliwości, a następnie analizując pasmo częstotliwości od 30 kHz do 100 kHz, możliwe jest skuteczne rozróżnienie pomiędzy normalną pracą układu obwodu a nietypowymi warunkami wyładowania łukowego.

Główna struktura

Wyłączniki automatyczne AFCI składają się głównie z modułu wyłącznika, modułu upływowego, modułu mocy, modułu kondycjonowania sygnału, modułu wyzwalacza i modułu interfejsu komunikacyjnego.

• Moduł zasilania: zasila odpowiednie urządzenia wewnątrz AFCI/AFDD.

• Moduł kondycjonowania sygnału: Sygnał prądowy w obwodzie głównym przekazywany jest przez liniowy przekładnik prądowy do modułu kondycjonowania sygnału. Moduł wzmacnia, prostuje i filtruje sygnał przed wysłaniem go do mikrokontrolera w celu przetworzenia.

• Moduł wyzwalający: W wyłączniku AFCI na wypadek zwarcia łukowego struktura elektromagnetyczna modułu wyzwalającego wykorzystuje nową-technologię oszczędzania energii, minimalizując straty w rdzeniu i-straty zwarciowe układu elektromagnetycznego wyłącznika, maksymalizując w ten sposób oszczędności energii. Dodano urządzenie buforujące, aby zmniejszyć wpływ energii na układ elektromagnetyczny, poprawiając skuteczność zamykania wyłącznika i wydłużając jego żywotność. Mechanizm operacyjny modułu wyzwalającego może odbierać sygnały usterek wykryte przez główny układ sterujący MCU i przerywać obwód cewki poprzez styki sterujące, przy czym mechanizm elektromagnetyczny przerywa obwód główny. Po usunięciu usterki naciśnięcie przycisku sterującego resetuje moduł.

• Moduł interfejsu komunikacyjnego: moduł ten umożliwia transmisję-w czasie rzeczywistym danych, takich jak prąd, napięcie, faza prądu i sygnały łuku, do komputera terminala, umożliwiając zdalne monitorowanie.

Zasada działania

Główny układ kontrolny MCU wyłącznika zwarciowego AFCI monitoruje sygnał prądowy w obwodzie głównym w czasie rzeczywistym. Po wykryciu zwarcia łukowego w obwodzie głównym mikrokontroler wysyła sygnał wyłączający, a obwód wyłączający wykonuje operację wyłączania.

3.2 Technologia termowizyjna w podczerwieni

Technologia obrazowania termowizyjnego w podczerwieni wykrywa nieprawidłowe nagrzewanie się punktów połączeń za pomocą kamery na podczerwień, umożliwiając wcześniejszą identyfikację potencjalnego zagrożenia łukiem elektrycznym. Słabemu kontaktowi często towarzyszą miejscowo wysokie temperatury, a obrazowanie termowizyjne w podczerwieni może wyraźnie pokazać te obszary-o wysokiej temperaturze, zapewniając personelowi konserwacyjnemu intuicyjną pomoc.

4.Środki ochronne i wdrażanie w przypadku zwarć łukowych prądu stałego w fotowoltaice

4.1 Instalacja standardowa

Prawidłowy montaż jest podstawą zapobiegania wyładowaniom łukowym prądu stałego w instalacjach fotowoltaicznych. Podczas procesu instalacji upewnij się, że złącza i złącza kablowe są mocno zaciśnięte, aby uniknąć luźnych połączeń. Do zaciskania należy używać profesjonalnych narzędzi, działających z określoną siłą, aby zapewnić minimalną rezystancję styku w miejscach połączeń.

Jednocześnie wybieraj materiały izolacyjne spełniające normy, aby zmniejszyć ryzyko uszkodzeń mechanicznych. Podczas instalowania kabli należy unikać nadmiernego zginania i rozciągania, aby zapobiec uszkodzeniu warstwy izolacyjnej.

4.2Wybór komponentów

Wybieraj złącza i kable, które są odporne na starzenie i wysokie temperatury, a zwłaszcza w trudnych warunkach, podnoszą poziom ochrony komponentów (np. IP65/IP67). Wybierając komponenty, należy w pełni wziąć pod uwagę warunki środowiskowe elektrowni fotowoltaicznej, takie jak temperatura, wilgotność i korozyjność.

Na przykład w elektrowniach fotowoltaicznych działających-w obszarach o wysokiej temperaturze należy wybierać złącza i kable, które mogą utrzymać stabilną pracę w wyższych temperaturach; w środowiskach silnie korozyjnych, takich jak obszary przybrzeżne, należy wybrać komponenty odporne na korozję.

4.3 Optymalizacja projektu systemu

Optymalizacja projektu systemu ma kluczowe znaczenie dla zapobiegania wyładowaniom łukowym prądu stałego w systemach fotowoltaicznych. Podczas procesu projektowania ważne jest, aby unikać zbyt wysokich napięć prądu stałego (które muszą być zgodne z normami bezpieczeństwa), ograniczać długie przebiegi kabli i minimalizować prawdopodobieństwo wyładowania szczelinowego.

Rozsądnie planuj rozmieszczenie modułów fotowoltaicznych i przebieg kabli, starając się zminimalizować długość kabla oraz zmniejszyć liczbę zagięć i złączy w kablach. Jednocześnie należy zainstalować odpowiednie urządzenia zabezpieczające, takie jak bezpieczniki, wyłączniki automatyczne i urządzenia chroniące przed zwarciami łukowymi, aby natychmiast odciąć zasilanie w przypadku jakichkolwiek nieprawidłowości w obwodzie.