Θέματα φωτοβολταϊκού τόξου συνεχούς ρεύματος Εισαγωγή και λύσεις

Με την ταχεία ανάπτυξη της ηλιακής τεχνολογίας, η παραγωγή φωτοβολταϊκής ενέργειας έχει γίνει μία από τις σημαντικές λύσεις πράσινης ενέργειας παγκοσμίως. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο, είτε σε στέγες κατοικιών, σε βιομηχανικά πάρκα ή σε μεγάλης κλίμακας-σταθμούς ηλιακής ενέργειας. Παράλληλα, σταδιακά κερδίζουν την προσοχή τα θέματα ασφάλειας των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Το τόξο συνεχούς ρεύματος, ως ένα ηλεκτρικό φαινόμενο που μπορεί να επηρεάσει τη σταθερότητα των φωτοβολταϊκών συστημάτων, αξίζει προσεκτικής κατανόησης από κάθε επαγγελματία και χρήστη.

1.Το νόημα του DC Arc Striking

Το τόξο συνεχούς ρεύματος, όπως υποδηλώνει το όνομα, αναφέρεται στο φαινόμενο όπου σχηματίζεται τόξο μεταξύ σημείων επαφής όταν η διαδρομή ρεύματος σε ένα κύκλωμα συνεχούς ρεύματος διακόπτεται ξαφνικά.

Το ηλεκτρικό τόξο είναι ένα είδος φαινομένου εκκένωσης αερίου. Όταν ένα αέριο ιονίζεται, σχηματίζει ένα αγώγιμο κανάλι, με αποτέλεσμα ένα ηλεκτρικό τόξο. Στα φωτοβολταϊκά κυκλώματα συνεχούς ρεύματος, όταν εμφανίζεται ένα μικροσκοπικό κενό στο κύκλωμα, η τάση συνεχούς ρεύματος στο διάκενο θα δημιουργήσει ένα ηλεκτρικό πεδίο μέσα σε αυτό. Όταν η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου φτάσει σε ένα ορισμένο επίπεδο, τα μόρια του αέρα ιονίζονται. Τα μόρια του αέρα αποτελούνται από άτομα, τα οποία αποτελούνται από θετικά φορτισμένους πυρήνες και αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Κάτω από ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο, τα ηλεκτρόνια αποκτούν αρκετή ενέργεια για να απελευθερωθούν από τον πυρήνα και να γίνουν ελεύθερα ηλεκτρόνια. Αυτά τα ελεύθερα ηλεκτρόνια επιταχύνονται στο ηλεκτρικό πεδίο, συγκρούονται με άλλα μόρια του αέρα, ιονίζοντας περισσότερα μόρια, δημιουργώντας έτσι έναν μεγάλο αριθμό ελεύθερων ηλεκτρονίων και θετικών ιόντων. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως διάσπαση αερίου. Μόλις το αέριο διασπαστεί, σχηματίζεται ένα ηλεκτρικό τόξο.

Διαδικασία κρούσης τόξου DC:

Για συνεχές ρεύμα, δεδομένου ότι δεν έχει σημείο διέλευσης μηδέν και η κατεύθυνση του ρεύματος δεν αλλάζει, το τόξο μπορεί να δέχεται συνεχώς ενέργεια, καθιστώντας δύσκολη την κατάσβεση από μόνο του.

Σύμφωνα με τη μέθοδο σύνδεσης του κυκλώματος και τη θέση του τόξου, τα τόξα μπορούν να χωριστούν σε τόξα σειράς και παράλληλα τόξα (Το τόξο γείωσης μπορεί να θεωρηθεί ως ένας ειδικός τύπος παράλληλου τόξου). Τα τόξα σειράς εμφανίζονται συνήθως μέσα σε έναν μόνο ενεργό αγωγό. Επειδή η απόσταση μεταξύ των αγωγών είναι μικρή και υπάρχουν πολλοί αγωγοί, η συχνότητα εμφάνισης είναι μεγαλύτερη. Επιπλέον, δεδομένου ότι το σήμα τόξου σειράς είναι αδύναμο και καλύπτεται εύκολα από το θόρυβο, είναι δύσκολο να εντοπιστεί και, εάν δεν αντιμετωπιστεί έγκαιρα, μπορεί εύκολα να προκαλέσει πυρκαγιές. Τα παράλληλα τόξα εμφανίζονται συνήθως μεταξύ διαφορετικών ενεργών αγωγών. Δεδομένου ότι η απόσταση μεταξύ των αγωγών είναι μεγάλη και η διαδρομή είναι πολύπλοκη, η συχνότητα εμφάνισης είναι μικρότερη. Επί του παρόντος, προστατευτικά μέτρα όπως ασφάλειες και διακόπτες κυκλώματος μπορούν να ελέγξουν αποτελεσματικά την πρόσκρουση των παράλληλων τόξων.

2.Αιτίες τηςDC Arc Striking

2.1 Ζητήματα εξαρτημάτων σύνδεσης

Τα εξαρτήματα σύνδεσης είναι ένα από τα πιο κοινά σημεία προβλημάτων στα φωτοβολταϊκά συστήματα και είναι επίσης μια κύρια αιτία δημιουργίας τόξου DC.

• Οι χαλαροί, οξειδωμένοι ή φθαρμένοι σύνδεσμοι (όπως βύσματα MC4) είναι κοινά προβλήματα: Κατά τη διάρκεια-μακροχρόνιας χρήσης, οι σύνδεσμοι μπορεί να χαλαρώσουν λόγω παραγόντων όπως κραδασμοί και αλλαγές θερμοκρασίας. Οι χαλαροί σύνδεσμοι μπορούν να αυξήσουν την αντίσταση επαφής, δημιουργώντας μεγάλη ποσότητα θερμότητας όταν περνάει ρεύμα, προκαλώντας αύξηση της θερμοκρασίας του βύσματος. Οι υψηλές θερμοκρασίες επιταχύνουν την οξείδωση και τη φθορά του συνδετήρα, δημιουργώντας έναν φαύλο κύκλο που τελικά οδηγεί σε κενά, τα οποία μπορεί να πυροδοτήσουν το τόξο.

• Η πτύχωση της άρθρωσης καλωδίου δεν ανταποκρίνεται στα πρότυπα: Η ανεπαρκής δύναμη σύσφιξης ή διαρροή μπορεί να οδηγήσει σε κακή επαφή στις αρθρώσεις των καλωδίων, η οποία αυξάνει ομοίως την αντίσταση επαφής, δημιουργεί υψηλές θερμοκρασίες και, κατά συνέπεια, μπορεί να προκαλέσει τόξο.

2.2 Προβλήματα αγωγού

Τα καλώδια είναι σημαντικά εξαρτήματα στα φωτοβολταϊκά συστήματα για τη μετάδοση ρεύματος και η ποιότητα και η κατάστασή τους επηρεάζουν άμεσα την ασφαλή λειτουργία του συστήματος.

• Η ζημιά στο στρώμα μόνωσης του καλωδίου μπορεί να προκαλέσει διάκενο μεταξύ του αγωγού και των σωμάτων γείωσης ή των μεταλλικών στηρίξεων, το οποίο μπορεί να οδηγήσει σε δημιουργία τόξου: Η μόνωση του καλωδίου μπορεί να καταστραφεί κατά την εγκατάσταση ή τη χρήση λόγω παραγόντων όπως μηχανική βλάβη ή χημική διάβρωση.

• Το καλώδιο μπορεί να καταστραφεί από εξωτερικές δυνάμεις (όπως τρωκτικά που ροκανίζουν ή μηχανική τριβή), με αποτέλεσμα την τοπική έκθεση, η οποία είναι επίσης μία από τις αιτίες τεντώματος του τόξου: Σε ορισμένους υπαίθριους φωτοβολταϊκούς σταθμούς, τα τρωκτικά ροκανίζουν τα καλώδια κατά καιρούς.

2.3Περιβάλλον και Παράγοντες Γήρανσης

Οι περιβαλλοντικοί παράγοντες και η γήρανση του εξοπλισμού είναι επίσης σημαντικές αιτίες δημιουργίας τόξου DC στα φωτοβολταϊκά συστήματα.

• Η παρατεταμένη έκθεση σε υψηλές θερμοκρασίες και υψηλή υγρασία μπορεί να επιταχύνει τη γήρανση των εξαρτημάτων, οδηγώντας σε μείωση της απόδοσης της μόνωσης: Σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας, τα υλικά των εξαρτημάτων υφίστανται θερμική γήρανση, προκαλώντας σταδιακή μείωση της απόδοσής τους. σε περιβάλλοντα υψηλής-υγρασίας, τα εξαρτήματα μπορεί να υγρασθούν, επηρεάζοντας τις μονωτικές τους ιδιότητες.

• Συσσωρεύεται σκόνη και διάβρωση στα σημεία σύνδεσης, τα οποία μπορούν να διαταράξουν την ηλεκτρική συνέχεια και να προκαλέσουν εκφόρτιση κενού: Σε περιβάλλοντα με σκόνη με ισχυρή διαβρωτική ικανότητα, τα σημεία σύνδεσης τείνουν να συσσωρεύουν μεγάλη ποσότητα σκόνης και διαβρωτικών ουσιών. Αυτά τα υλικά μπορούν να εμποδίσουν τη μετάδοση ηλεκτρικού ρεύματος, να αυξήσουν την αντίσταση στα σημεία σύνδεσης, να δημιουργήσουν υψηλές θερμοκρασίες και ενδεχομένως να προκαλέσουν τόξο.

3.Τεχνολογία Ανίχνευσης και Εφαρμογή Τόξου DC στα Φωτοβολταϊκά

3.1 Διακόπτης κυκλώματος σφάλματος τόξου (AFCI/ΑΦΔΔ)

Η λειτουργία ενός AFCI είναι να «ανιχνεύει και να διακόπτει την τροφοδοσία» αμέσως όταν εμφανίζεται ένα τόξο, αποτρέποντας την εξάπλωση της φωτιάς.

Συνήθως ενσωματώνεται σε κιβώτια συνδυασμού DC, μετατροπείς ή διακόπτες κυκλώματος για την παρακολούθηση των σημάτων ρεύματος σε πραγματικό χρόνο. Όταν εμφανίζεται ένα τόξο, η τρέχουσα κυματομορφή εμφανίζει συγκεκριμένο θόρυβο-υψηλής συχνότητας και παραμόρφωση. Το AFCI χρησιμοποιεί αλγόριθμους για να ανιχνεύσει αυτό το μη φυσιολογικό σήμα και αποσυνδέει γρήγορα το κύκλωμα.

Όπως φαίνεται στην παραπάνω κυματομορφή του τρέχοντος φάσματος, το κόκκινο υποδηλώνει την εμφάνιση ηλεκτρικού τόξου, σε σαφή αντίθεση με το μπλε όπου δεν υπάρχει τόξο.

Σε ένα τυπικό ηλεκτρικό σύστημα, ο τυχαίος θόρυβος του περιβάλλοντος γενικά ποικίλλει αισθητά μόνο σε συχνότητες πάνω από 200 kHz. Αντίθετα, τα κυκλώματα ελεγκτή μεταγωγής όπως οι μετατροπείς στο ηλεκτρικό σύστημα λειτουργούν συνήθως σε φάσματα κάτω των 50 kHz. Για να μην αναφέρουμε, το ίδιο το σήμα τροφοδοσίας εναλλασσόμενου ρεύματος είναι σε ακόμη χαμηλότερη συχνότητα 50/60 Hz. Επομένως, χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο FFT για τη μετατροπή του ρεύματος του ανιχνευόμενου καλωδίου στην περιοχή συχνότητας και στη συνέχεια αναλύοντας τη ζώνη συχνοτήτων μεταξύ 30 kHz και 100 kHz, είναι δυνατό να γίνει αποτελεσματική διάκριση μεταξύ κανονικής λειτουργίας του συστήματος κυκλώματος και μη κανονικών συνθηκών τόξου.

Κύρια δομή

Οι διακόπτες κυκλώματος σφάλματος τόξου AFCI αποτελούνται κυρίως από μια μονάδα διακόπτη, μονάδα διαρροής, μονάδα ισχύος, μονάδα κλιματισμού σήματος, μονάδα μονάδας διακοπής και μονάδα διασύνδεσης επικοινωνίας.

• Μονάδα ισχύος: τροφοδοτεί με ρεύμα τις σχετικές συσκευές μέσα στο AFCI/AFDD.

• Μονάδα ρύθμισης σήματος: Το σήμα ρεύματος στο κύριο κύκλωμα διοχετεύεται μέσω ενός μετασχηματιστή ρεύματος γραμμής στη μονάδα κλιματισμού σήματος. Η μονάδα ενισχύει, διορθώνει και φιλτράρει το σήμα πριν το στείλει στον μικροελεγκτή για επεξεργασία.

• Μονάδα ενεργοποίησης: Στον διακόπτη σφάλματος τόξου AFCI, η ηλεκτρομαγνητική δομή της μονάδας ενεργοποίησης υιοθετεί μια νέα τεχνολογία εξοικονόμησης ενέργειας, ελαχιστοποιώντας τις απώλειες πυρήνα και τις απώλειες βραχυκυκλώματος του ηλεκτρομαγνητικού συστήματος διακόπτη, μεγιστοποιώντας έτσι την εξοικονόμηση ενέργειας. Προστίθεται μια συσκευή προσωρινής αποθήκευσης για τη μείωση της ενεργειακής επίδρασης στο ηλεκτρομαγνητικό σύστημα, βελτιώνοντας την απόδοση κλεισίματος του διακόπτη και επεκτείνοντας τη διάρκεια ζωής του. Ο μηχανισμός λειτουργίας της μονάδας ενεργοποίησης μπορεί να λάβει σήματα σφάλματος που ανιχνεύονται από το κύριο τσιπ ελέγχου MCU και να διακόπτει το κύκλωμα του πηνίου μέσω των επαφών ελέγχου, με τον ηλεκτρομαγνητικό μηχανισμό να διακόπτει το κύριο κύκλωμα. Αφού αποκατασταθεί το σφάλμα, το πάτημα του κουμπιού λειτουργίας επαναφέρει τη μονάδα.

• Μονάδα διεπαφής επικοινωνίας: Αυτή η λειτουργική μονάδα επιτρέπει τη μετάδοση δεδομένων-σε πραγματικό χρόνο, όπως σήματα ρεύματος, τάσης, τρέχουσας φάσης και τόξου στον τερματικό υπολογιστή, επιτρέποντας την απομακρυσμένη παρακολούθηση.

Αρχή λειτουργίας

Το κύριο τσιπ ελέγχου MCU του διακόπτη σφάλματος τόξου AFCI παρακολουθεί το σήμα ρεύματος στο κύριο κύκλωμα σε πραγματικό χρόνο. Όταν ανιχνεύεται σφάλμα τόξου στο κύριο κύκλωμα, ο μικροελεγκτής στέλνει ένα σήμα διακοπής και το κύκλωμα διακοπής εκτελεί τη λειτουργία διακοπής.

3.2 Τεχνολογία Υπέρυθρης Θερμικής Απεικόνισης

Η τεχνολογία υπέρυθρης θερμικής απεικόνισης ανιχνεύει ανώμαλη θέρμανση σε σημεία σύνδεσης μέσω κάμερας υπέρυθρης ακτινοβολίας, επιτρέποντας τον εκ των προτέρων εντοπισμό πιθανών κινδύνων τόξου. Η κακή επαφή συχνά συνοδεύεται από εντοπισμένες υψηλές θερμοκρασίες και η υπέρυθρη θερμική απεικόνιση μπορεί να εμφανίσει ξεκάθαρα αυτές τις περιοχές υψηλής{1} θερμοκρασίας, παρέχοντας στο προσωπικό συντήρησης μια διαισθητική αναφορά.

4.Μέτρα προστασίας και εφαρμογή για σφάλματα τόξου συνεχούς ρεύματος στα φωτοβολταϊκά

4.1 Τυπική εγκατάσταση

Η σωστή εγκατάσταση είναι το θεμέλιο για την πρόληψη του τόξου DC στα φωτοβολταϊκά συστήματα. Κατά τη διαδικασία εγκατάστασης, βεβαιωθείτε ότι οι σύνδεσμοι και οι αρμοί καλωδίων είναι σταθερά πτυχωμένοι για να αποφύγετε χαλαρές συνδέσεις. Για την πτύχωση πρέπει να χρησιμοποιούνται επαγγελματικά εργαλεία, που λειτουργούν με την καθορισμένη δύναμη για να εξασφαλίζεται η ελάχιστη αντίσταση επαφής στα σημεία σύνδεσης.

Ταυτόχρονα, επιλέξτε μονωτικά υλικά που πληρούν τις προδιαγραφές για να μειώσετε τον κίνδυνο μηχανικής βλάβης. Κατά την εγκατάσταση καλωδίων, αποφύγετε την υπερβολική κάμψη και τέντωμα για να αποφύγετε ζημιά στο μονωτικό στρώμα.

4.2 Επιλογή εξαρτημάτων

Επιλέξτε υποδοχές και καλώδια που είναι ανθεκτικά στη γήρανση και στις υψηλές θερμοκρασίες, και ειδικά σε σκληρά περιβάλλοντα, ενισχύουν το επίπεδο προστασίας των εξαρτημάτων (όπως IP65/IP67). Κατά την επιλογή εξαρτημάτων, λάβετε υπόψη πλήρως τις περιβαλλοντικές συνθήκες του φωτοβολταϊκού σταθμού, όπως η θερμοκρασία, η υγρασία και η διαβρωτικότητα.

Για παράδειγμα, σε φωτοβολταϊκούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής σε περιοχές υψηλής{{0} θερμοκρασίας, θα πρέπει να επιλέγονται σύνδεσμοι και καλώδια που μπορούν να διατηρήσουν σταθερή απόδοση σε υψηλότερες θερμοκρασίες. σε εξαιρετικά διαβρωτικά περιβάλλοντα όπως οι παράκτιες περιοχές, θα πρέπει να επιλέγονται εξαρτήματα με αντοχή στη διάβρωση.

4.3 Βελτιστοποίηση σχεδίασης συστήματος

Η βελτιστοποίηση του σχεδιασμού του συστήματος είναι ζωτικής σημασίας για την πρόληψη του τόξου DC στα φωτοβολταϊκά συστήματα. Κατά τη διαδικασία σχεδιασμού, είναι σημαντικό να αποφεύγονται οι υπερβολικά υψηλές τάσεις συνεχούς ρεύματος (οι οποίες πρέπει να συμμορφώνονται με τα πρότυπα ασφαλείας), να μειώνονται οι μεγάλες διαδρομές καλωδίων και να ελαχιστοποιείται η πιθανότητα εκφόρτισης του διακένου.

Σχεδιάστε εύλογα τη διάταξη των φωτοβολταϊκών μονάδων και τη δρομολόγηση των καλωδίων, με στόχο να ελαχιστοποιήσετε το μήκος του καλωδίου και να μειώσετε τον αριθμό των στροφών και των αρμών στα καλώδια. Ταυτόχρονα, θα πρέπει να εγκατασταθούν κατάλληλες προστατευτικές συσκευές, όπως ασφάλειες, διακόπτες κυκλώματος και συσκευές προστασίας από σφάλματα τόξου, για να διακοπεί αμέσως η παροχή ρεύματος σε περίπτωση τυχόν ανωμαλιών στο κύκλωμα.