Problemi s fotonaponskim istosmjernim lukom, Uvod i rješenja

S brzim razvojem solarne tehnologije, fotonaponska proizvodnja energije postala je jedno od važnih rješenja zelene energije diljem svijeta. Fotonaponski sustavi igraju značajnu ulogu, bilo na stambenim krovovima, industrijskim parkovima ili velikim-solarnim elektranama. U isto vrijeme, sigurnosna pitanja fotonaponskih sustava postupno dobivaju pozornost. DC luk, kao električni fenomen koji može utjecati na stabilnost fotonaponskih sustava, vrijedan je pažljivog razumijevanja svakog praktičara i korisnika.

1. Značenje DC luka

Istosmjerni luk, kao što ime sugerira, odnosi se na fenomen u kojem se luk formira između kontaktnih točaka kada se putanja struje u istosmjernom strujnom krugu iznenada prekine.

Električni luk je vrsta pojave plinskog pražnjenja. Kada se plin ionizira, on stvara vodljivi kanal, što rezultira električnim lukom. U fotonaponskim istosmjernim krugovima, kada se u krugu pojavi mali razmak, istosmjerni napon preko razmaka stvorit će električno polje unutar njega. Kada jakost električnog polja dosegne određenu razinu, molekule zraka postaju ionizirane. Molekule zraka sastoje se od atoma koji se sastoje od pozitivno nabijenih jezgri i negativno nabijenih elektrona. Pod jakim električnim poljem elektroni dobivaju dovoljno energije da se oslobode jezgre i postanu slobodni elektroni. Ti slobodni elektroni ubrzavaju se u električnom polju, sudaraju se s drugim molekulama zraka, ionizirajući više molekula, stvarajući tako veliki broj slobodnih elektrona i pozitivnih iona. Ovaj proces je poznat kao razgradnja plina. Nakon što se plin razbije, nastaje električni luk.

Proces paljenja DC luka:

Za istosmjernu struju, budući da nema nulte točke prijelaza i smjer struje se ne mijenja, luk može kontinuirano primati energiju, što otežava njegovo samostalno gašenje.

Prema načinu spajanja strujnog kruga i položaju luka, lukovi se mogu podijeliti na serijske lukove i paralelne lukove (Luk za uzemljenje može se smatrati posebnom vrstom paralelnog luka). Serijski lukovi se obično javljaju unutar jednog vodiča pod naponom. Budući da je razmak između vodiča mali i ima mnogo vodiča, učestalost pojavljivanja je veća; štoviše, budući da je serijski signal luka slab i lako ga je maskirati šumom, teško ga je detektirati i, ako se ne riješi na vrijeme, može lako izazvati požare. Paralelni lukovi se obično javljaju između različitih vodiča pod naponom. Budući da je razmak između vodiča velik, a put složen, učestalost pojavljivanja je manja. Trenutno, zaštitne mjere kao što su osigurači i prekidači mogu učinkovito kontrolirati utjecaj paralelnih lukova.

2. UzrociDC Arc Striking

2.1 Problemi s komponentom veze

Priključne komponente jedna su od najčešćih problematičnih točaka u fotonaponskim sustavima i također su glavni uzrok istosmjernog luka.

• Labavi, oksidirani ili istrošeni priključci (kao što su MC4 utikači) uobičajeni su problemi: tijekom dugotrajne-upotrebe priključci se mogu olabaviti zbog čimbenika kao što su vibracije i promjene temperature. Labavi priključci mogu povećati kontaktni otpor, stvarajući veliku količinu topline kada struja prolazi kroz njih, uzrokujući porast temperature konektora. Visoke temperature ubrzavaju oksidaciju i trošenje konektora, stvarajući začarani krug koji na kraju dovodi do pukotina, što može izazvati iskrenje.

• Savijanje kabelskih spojnica nije u skladu sa standardom: Nedovoljna sila savijanja ili curenje može dovesti do lošeg kontakta na kabelskim spojnicama, što na sličan način povećava kontaktni otpor, stvara visoke temperature i posljedično može uzrokovati iskrenje.

2.2 Problemi s vodičem

Žice su važne komponente u fotonaponskim sustavima za prijenos struje, a njihova kvaliteta i stanje izravno utječu na siguran rad sustava.

• Oštećenje izolacijskog sloja kabela može uzrokovati razmak između vodiča i tijela za uzemljenje ili metalnih nosača, što može dovesti do luka: Izolacija kabela može se oštetiti tijekom instalacije ili uporabe zbog čimbenika kao što su mehanička oštećenja ili kemijska korozija.

• Žica se može oštetiti vanjskim silama (kao što su grizenje glodavaca ili mehaničko trenje), što rezultira lokalnim izlaganjem, što je također jedan od uzroka istezanja luka: u nekim vanjskim fotonaponskim elektranama, glodavci grickaju kabele s vremena na vrijeme.

2.3 Čimbenici okoliša i starenja

Čimbenici okoliša i starenje opreme također su važni uzroci istosmjernog luka u fotonaponskim sustavima.

• Dugotrajno izlaganje visokim temperaturama i visokoj vlažnosti može ubrzati starenje komponenti, što dovodi do smanjenja učinkovitosti izolacije: u okruženjima s visokom-temperaturom, materijali komponenti podliježu toplinskom starenju, uzrokujući postupno opadanje njihove učinkovitosti; u okruženjima visoke -vlažnosti, komponente mogu postati vlažne, što utječe na njihova izolacijska svojstva.

• Prašina i korozija nakupljaju se na priključnim točkama, što može poremetiti električni kontinuitet i uzrokovati pražnjenje u praznini: U prašnjavim okruženjima s jakom korozivnošću, spojne točke imaju tendenciju nakupljanja velike količine prašine i korozivnih tvari. Ovi materijali mogu ometati prijenos električne struje, povećati otpor na spojnim točkama, stvoriti visoke temperature i potencijalno uzrokovati iskrenje.

3. Tehnologija detekcije i primjena istosmjernog luka u fotonaponskim sistemima

3.1 Prekidač strujnog kruga s greškom luka (AFCI/AFDD)

Funkcija AFCI-ja je 'otkriti i prekinuti napajanje' čim se pojavi luk, sprječavajući širenje požara.

Obično je integriran u kutije istosmjernog kombinatora, pretvarače ili prekidače za praćenje trenutnih signala u stvarnom vremenu. Kada dođe do luka, trenutni valni oblik pokazuje specifičan visoko{1}}šum i izobličenje. AFCI koristi algoritme za otkrivanje ovog abnormalnog signala i brzo prekida strujni krug.

Kao što je prikazano u valnom obliku trenutnog spektra iznad, crvena boja označava pojavu električnog luka, u jasnom kontrastu s plavom bojom gdje nema luka.

U tipičnom električnom sustavu, pozadinski nasumični šum općenito se značajno mijenja samo na frekvencijama iznad 200 kHz. Nasuprot tome, krugovi sklopnog regulatora kao što su pretvarači u električnom sustavu obično rade na spektrima ispod 50 kHz. Da ne spominjemo, sam signal AC napajanja je na još nižoj frekvenciji od 50/60 Hz. Stoga, upotrebom FFT algoritma za pretvaranje detektirane kabelske struje u frekvencijsku domenu i zatim analizom frekvencijskog pojasa između 30 kHz i 100 kHz, moguće je učinkovito razlikovati normalan rad sustava strujnog kruga od nenormalnih uvjeta luka.

Glavna struktura

AFCI prekidači za kvar na luku uglavnom se sastoje od modula prekidača, modula curenja, modula napajanja, modula za kondicioniranje signala, modula okidača i modula komunikacijskog sučelja.

• Modul napajanja: napaja relevantne uređaje unutar AFCI/AFDD.

• Modul za kondicioniranje signala: Trenutni signal u glavnom krugu prolazi kroz linijski strujni transformator do modula za kondicioniranje signala. Modul pojačava, ispravlja i filtrira signal prije nego što ga pošalje mikrokontroleru na obradu.

• Modul okidanja: u AFCI prekidaču s lučnim kvarom, elektromagnetska struktura okidačkog modula usvaja novu tehnologiju -štede energije, minimizirajući gubitke u jezgri i gubitke u kratkom{1}}spoju elektromagnetskog sustava prekidača, čime se maksimizira ušteda energije. Dodan je međuspremnik kako bi se smanjio utjecaj energije na elektromagnetski sustav, poboljšavajući izvedbu zatvaranja prekidača i produžujući njegov životni vijek. Radni mehanizam okidačkog modula može primiti signale greške koje detektira glavni upravljački čip MCU i prekinuti strujni krug zavojnice putem upravljačkih kontakata, pri čemu elektromagnetski mehanizam prekida glavni krug. Nakon uklanjanja kvara, pritiskom na radnu tipku modul se resetira.

• Modul komunikacijskog sučelja: Ovaj modul omogućuje-prijenos podataka u stvarnom vremenu kao što su struja, napon, trenutna faza i signali luka na terminalsko računalo, omogućavajući daljinsko praćenje.

Princip rada

Glavni upravljački čip MCU AFCI prekidača strujnog kruga s greškom luka prati trenutni signal u glavnom krugu u stvarnom vremenu. Kada se detektira greška luka u glavnom krugu, mikrokontroler šalje signal okidanja, a krug okidanja izvršava operaciju okidanja.

3.2 Infracrvena tehnologija toplinske slike

Tehnologija infracrvenog toplinskog snimanja detektira abnormalno zagrijavanje na spojnim točkama putem infracrvene kamere, omogućujući da se potencijalni rizici od luka unaprijed identificiraju. Loš kontakt često je popraćen lokalnim visokim temperaturama, a infracrvena toplinska slika može jasno prikazati ta područja visoke-temperature, pružajući osoblju za održavanje intuitivnu referencu.

4. Zaštitne mjere i provedba za kvarove istosmjernog luka u fotonaponskim uređajima

4.1 Standardna instalacija

Ispravna instalacija je temelj za sprječavanje istosmjernog luka u fotonaponskim sustavima. Tijekom postupka ugradnje osigurajte da su konektori i kabelski spojevi čvrsto stegnuti kako biste izbjegli labave spojeve. Za prešanje treba koristiti profesionalne alate koji rade s navedenom snagom kako bi se osigurao minimalni kontaktni otpor na mjestima spajanja.

Istodobno odaberite izolacijske materijale koji zadovoljavaju standarde kako biste smanjili rizik od mehaničkih oštećenja. Prilikom postavljanja kabela izbjegavajte prekomjerno savijanje i istezanje kako biste spriječili oštećenje izolacijskog sloja.

4.2 Odabir komponente

Odaberite konektore i kabele koji su otporni na starenje i visoke temperature, a posebno u teškim uvjetima, povećavaju razinu zaštite komponenti (kao što je IP65/IP67). Prilikom odabira komponenti u potpunosti razmotrite uvjete okoline fotonaponske elektrane, kao što su temperatura, vlažnost i korozivnost.

Na primjer, u fotonaponskim elektranama u područjima s visokom{0}}temperaturom treba odabrati konektore i kabele koji mogu održati stabilne performanse na višim temperaturama; u visoko korozivnim sredinama kao što su obalna područja, treba odabrati komponente otporne na koroziju.

4.3 Optimizacija dizajna sustava

Optimizacija dizajna sustava ključna je za sprječavanje istosmjernog luka u fotonaponskim sustavima. Tijekom procesa projektiranja važno je izbjegavati pretjerano visoke istosmjerne napone (koji moraju biti u skladu sa sigurnosnim standardima), smanjiti dužinu kabela i minimizirati vjerojatnost pražnjenja u praznini.

Razumno planirajte raspored fotonaponskih modula i usmjeravanje kabela, s ciljem smanjenja duljine kabela i smanjenja broja zavoja i spojeva u kabelima. Istodobno treba instalirati odgovarajuće zaštitne uređaje, kao što su osigurači, prekidači strujnog kruga i uređaji za zaštitu od električnog luka, kako bi se odmah prekinulo napajanje u slučaju bilo kakvih nepravilnosti u krugu.