Úvod do problematiky fotovoltaického stejnosměrného oblouku a řešení

S rychlým rozvojem solární technologie se výroba fotovoltaické energie stala jedním z důležitých řešení zelené energie po celém světě. Fotovoltaické systémy hrají významnou roli, ať už na střechách obytných domů, průmyslových parcích nebo velkých-solárních elektrárnách. Bezpečnostní otázky fotovoltaických systémů se přitom postupně dostávají do pozornosti. Stejnosměrný oblouk jako elektrický jev, který může ovlivnit stabilitu fotovoltaických systémů, stojí za pečlivé pochopení každého praktika a uživatele.

1. Význam DC Arc Striking

Stejnosměrný oblouk, jak název napovídá, se týká jevu, kdy se mezi kontaktními body vytvoří oblouk, když je cesta proudu v obvodu stejnosměrného proudu náhle přerušena.

Elektrický oblouk je druh jevu výboje plynu. Když je plyn ionizován, vytváří vodivý kanál, což má za následek elektrický oblouk. Ve fotovoltaických stejnosměrných obvodech, když se v obvodu objeví malá mezera, stejnosměrné napětí přes mezeru v ní vytvoří elektrické pole. Když intenzita elektrického pole dosáhne určité úrovně, molekuly vzduchu se ionizují. Molekuly vzduchu se skládají z atomů, které se skládají z kladně nabitých jader a záporně nabitých elektronů. Pod silným elektrickým polem získávají elektrony dostatek energie k tomu, aby se uvolnily z jádra a staly se volnými elektrony. Tyto volné elektrony se v elektrickém poli urychlují, srážejí se s jinými molekulami vzduchu, ionizují více molekul, čímž vzniká velké množství volných elektronů a kladných iontů. Tento proces je známý jako rozpad plynu. Jakmile se plyn rozloží, vytvoří se elektrický oblouk.

Proces úderu DC oblouku:

U stejnosměrného proudu, protože nemá žádný nulový bod křížení a směr proudu se nemění, může oblouk nepřetržitě přijímat energii, což ztěžuje jeho vlastní uhašení.

Podle způsobu zapojení obvodu a umístění oblouku lze oblouky rozdělit na sériové oblouky a paralelní oblouky (Zemňovací oblouk lze považovat za zvláštní typ paralelního oblouku). Sériové oblouky se obvykle vyskytují v rámci jednoho živého vodiče. Protože je vzdálenost mezi vodiči malá a vodičů je mnoho, četnost výskytu je vyšší; navíc, protože signál sériového oblouku je slabý a snadno maskovaný šumem, je obtížné jej detekovat, a pokud není včas řešen, může snadno způsobit požár. Paralelní oblouky se obvykle vyskytují mezi různými živými vodiči. Vzhledem k tomu, že vzdálenost mezi vodiči je velká a cesta je složitá, frekvence výskytu je nižší. V současné době mohou ochranná opatření, jako jsou pojistky a jističe, účinně kontrolovat dopad paralelních oblouků.

2.PříčinyDC Arc Striking

2.1 Problémy s připojením

Spojovací komponenty jsou jedním z nejčastějších problémových míst ve fotovoltaických systémech a jsou také hlavní příčinou stejnosměrného oblouku.

• Uvolněné, zoxidované nebo opotřebované konektory (jako jsou zástrčky MC4) jsou běžné problémy: Při dlouhodobém-používání se konektory mohou uvolnit v důsledku faktorů, jako jsou vibrace a změny teploty. Uvolněné konektory mohou zvýšit přechodový odpor a při průchodu proudu generovat velké množství tepla, což způsobí zvýšení teploty konektoru. Vysoké teploty urychlují oxidaci a opotřebení konektoru a vytvářejí začarovaný kruh, který nakonec vede k mezerám, které mohou vyvolat jiskření.

• Lisování kabelových spojů není v souladu se standardem: Nedostatečná lisovací síla nebo netěsnost může vést ke špatnému kontaktu na kabelových spojích, což podobně zvyšuje přechodový odpor, generuje vysoké teploty a následně může způsobit jiskření.

2.2 Problémy s vodiči

Vodiče jsou důležitou součástí fotovoltaických systémů pro přenos proudu a jejich kvalita a stav přímo ovlivňují bezpečný provoz systému.

• Poškození izolační vrstvy kabelu může způsobit mezeru mezi vodičem a uzemňovacími tělesy nebo kovovými podpěrami, což může vést k jiskření: Izolace kabelu může být poškozena během instalace nebo používání v důsledku faktorů, jako je mechanické poškození nebo chemická koroze.

• Drát může být poškozen vnějšími silami (jako je ohryzávání hlodavci nebo mechanické tření), což má za následek místní expozici, což je také jednou z příčin natahování oblouku: V některých venkovních fotovoltaických elektrárnách dochází čas od času k ohryzávání kabelů hlodavci.

2.3 Životní prostředí a faktory stárnutí

Faktory prostředí a stárnutí zařízení jsou také důležitými příčinami stejnosměrného oblouku ve fotovoltaických systémech.

• Dlouhodobé vystavení vysokým teplotám a vysoké vlhkosti může urychlit stárnutí součástí, což vede ke snížení izolačního výkonu: V prostředí s vysokou-teplotou podléhají materiály součástí tepelnému stárnutí, což způsobuje postupné snižování jejich výkonu; v prostředí s vysokou-vlhkostí mohou součásti zvlhnout, což ovlivňuje jejich izolační vlastnosti.

• V místech připojení se hromadí prach a koroze, což může narušit elektrickou kontinuitu a způsobit mezerový výboj: V prašném prostředí se silnou korozí mají místa připojení tendenci hromadit velké množství prachu a korozivních látek. Tyto materiály mohou bránit přenosu elektrického proudu, zvyšovat odpor v místech připojení, generovat vysoké teploty a potenciálně způsobit jiskření.

3. Technologie detekce a aplikace stejnosměrného oblouku ve fotovoltaice

3.1 Přerušovač obvodu při chybě oblouku (AFCI/AFDD)

Funkcí AFCI je „detekovat a přerušit napájení“ okamžitě, když dojde k oblouku, a zabránit tak šíření požáru.

Obvykle je integrován do stejnosměrných slučovačů, střídačů nebo jističů pro monitorování aktuálních signálů v reálném čase. Když dojde k oblouku, aktuální tvar vlny vykazuje specifický vysokofrekvenční šum a zkreslení. AFCI používá algoritmy k detekci tohoto abnormálního signálu a rychle odpojí obvod.

Jak je znázorněno na křivce proudového spektra výše, červená označuje výskyt elektrického oblouku, což jasně kontrastuje s modrou barvou, kde žádný oblouk není.

V typickém elektrickém systému se náhodný šum pozadí obecně výrazně mění pouze při frekvencích nad 200 kHz. Naproti tomu spínací řídicí obvody, jako jsou invertory v elektrickém systému, obvykle pracují při spektrech pod 50 kHz. Aby také ne, samotný signál střídavého napájení je na ještě nižší frekvenci 50/60 Hz. Použitím algoritmu FFT pro převod detekovaného proudu kabelu do frekvenční oblasti a následnou analýzou frekvenčního pásma mezi 30 kHz a 100 kHz je tedy možné efektivně rozlišit mezi normálním provozem obvodového systému a abnormálními podmínkami jiskření.

Hlavní struktura

Jističe obloukových poruch AFCI se skládají hlavně z modulu vypínače, modulu svodového proudu, napájecího modulu, modulu úpravy signálu, modulu vypínací jednotky a modulu komunikačního rozhraní.

• Napájecí modul: dodává energii příslušným zařízením uvnitř AFCI/AFDD.

• Modul úpravy signálu: Proudový signál v hlavním obvodu je veden přes transformátor proudu do modulu úpravy signálu. Modul zesiluje, usměrňuje a filtruje signál před jeho odesláním do mikrokontroléru ke zpracování.

• Vypínací modul: Elektromagnetická struktura vypínacího modulu využívá v jističi obloukového zkratu AFCI novou technologii úspory energie-, která minimalizuje ztráty v jádře a zkratové{1}}ztráty elektromagnetického systému spínače, čímž maximalizuje úspory energie. Je přidáno vyrovnávací zařízení, které snižuje energetický dopad na elektromagnetický systém, zlepšuje zapínací výkon spínače a prodlužuje jeho životnost. Ovládací mechanismus vypínacího modulu může přijímat poruchové signály detekované hlavním řídicím čipem MCU a přerušit obvod cívky prostřednictvím ovládacích kontaktů, přičemž elektromagnetický mechanismus přeruší hlavní obvod. Po odstranění poruchy se stisknutím ovládacího tlačítka resetuje modul.

• Modul komunikačního rozhraní: Tento modul umožňuje v reálném čase{0}}přenos dat, jako je proud, napětí, proudová fáze a signály oblouku, do terminálového počítače, což umožňuje vzdálené sledování.

Princip fungování

Hlavní řídicí čip MCU jističe AFCI v reálném čase monitoruje aktuální signál v hlavním obvodu. Když je v hlavním obvodu detekována porucha oblouku, mikrokontrolér vyšle vypínací signál a vypínací obvod provede vypínací operaci.

3.2 Technologie infračerveného tepelného zobrazování

Technologie infračerveného tepelného zobrazování detekuje abnormální zahřívání v místech připojení pomocí infračervené kamery, což umožňuje předem identifikovat potenciální riziko oblouku. Špatný kontakt je často doprovázen lokalizovanými vysokými teplotami a infračervené tepelné zobrazování dokáže tyto oblasti s vysokou teplotou jasně zobrazit-, což personálu údržby poskytuje intuitivní informace.

4.Ochranná opatření a implementace pro stejnosměrné obloukové poruchy ve fotovoltaice

4.1 Standardní instalace

Správná instalace je základem pro zamezení vzniku stejnosměrného oblouku ve fotovoltaických systémech. Během procesu instalace zajistěte, aby byly konektory a kabelové spoje pevně zalisovány, aby nedošlo k uvolnění spojení. Pro krimpování by měly být použity profesionální nástroje, které pracují se specifikovanou silou, aby byl zajištěn minimální přechodový odpor v místech připojení.

Zároveň volte izolační materiály splňující normy, abyste snížili riziko mechanického poškození. Při instalaci kabelů se vyhněte nadměrnému ohýbání a natahování, aby nedošlo k poškození izolační vrstvy.

4.2 Výběr komponentu

Vybírejte konektory a kabely, které jsou odolné vůči stárnutí a vysokým teplotám, a zejména v náročných prostředích, zvyšují úroveň ochrany komponentů (např. IP65/IP67). Při výběru komponent plně zohledněte podmínky prostředí fotovoltaické elektrárny, jako je teplota, vlhkost a korozivnost.

Například ve fotovoltaických elektrárnách v oblastech s vysokou-teplotou by měly být vybrány konektory a kabely, které si udrží stabilní výkon při vyšších teplotách; ve vysoce korozivních prostředích, jako jsou pobřežní oblasti, by měly být vybrány součásti s odolností proti korozi.

4.3 Optimalizace návrhu systému

Optimalizace návrhu systému je zásadní pro prevenci stejnosměrného oblouku ve fotovoltaických systémech. Během procesu návrhu je důležité vyhnout se příliš vysokému stejnosměrnému napětí (které musí splňovat bezpečnostní normy), omezit dlouhé kabely a minimalizovat pravděpodobnost vybití mezerou.

Rozumně naplánujte uspořádání fotovoltaických modulů a vedení kabelů s cílem minimalizovat délku kabelů a snížit počet ohybů a spojů kabelů. Současně by měla být instalována vhodná ochranná zařízení, jako jsou pojistky, jističe a zařízení na ochranu proti obloukovému zkratu, aby se v případě jakýchkoliv abnormalit v obvodu okamžitě přerušilo napájení.