Úvod a riešenia problémov s fotovoltaickým jednosmerným oblúkom

S rýchlym rozvojom solárnej technológie sa výroba fotovoltaickej energie stala jedným z dôležitých riešení zelenej energie na celom svete. Fotovoltaické systémy zohrávajú významnú úlohu, či už na strechách obytných budov, priemyselných parkoch alebo veľkých-solárnych elektrárňach. Zároveň sa postupne dostávajú do pozornosti bezpečnostné otázky fotovoltických systémov. Jednosmerný oblúk, ako elektrický jav, ktorý môže ovplyvniť stabilitu fotovoltaických systémov, stojí za dôkladné pochopenie každého odborníka a používateľa.

1. Význam DC Arc Striking

Oblúk jednosmerného prúdu, ako už názov napovedá, sa týka javu, keď sa medzi kontaktnými bodmi vytvorí oblúk, keď sa prúdová dráha v obvode jednosmerného prúdu náhle preruší.

Elektrický oblúk je typ javu výboja plynu. Keď je plyn ionizovaný, vytvára vodivý kanál, čo vedie k elektrickému oblúku. Vo fotovoltaických jednosmerných obvodoch, keď sa v obvode vyskytne malá medzera, jednosmerné napätie cez medzeru vytvorí v nej elektrické pole. Keď intenzita elektrického poľa dosiahne určitú úroveň, molekuly vzduchu sa ionizujú. Molekuly vzduchu sa skladajú z atómov, ktoré pozostávajú z kladne nabitých jadier a záporne nabitých elektrónov. Pod silným elektrickým poľom získavajú elektróny dostatok energie na to, aby sa uvoľnili z jadra a stali sa voľnými elektrónmi. Tieto voľné elektróny sa v elektrickom poli zrýchľujú, zrážajú sa s inými molekulami vzduchu, ionizujú viac molekúl, čím vytvárajú veľké množstvo voľných elektrónov a kladných iónov. Tento proces je známy ako rozklad plynu. Akonáhle sa plyn rozloží, vytvorí sa elektrický oblúk.

Proces úderu DC oblúka:

Pri jednosmernom prúde, keďže nemá nulový bod prechodu a smer prúdu sa nemení, môže oblúk nepretržite prijímať energiu, čo sťažuje jeho samovoľné uhasenie.

Podľa spôsobu zapojenia obvodu a umiestnenia oblúka možno oblúky rozdeliť na sériové oblúky a paralelné oblúky (uzemňovací oblúk možno považovať za špeciálny typ paralelného oblúka). Sériové oblúky sa zvyčajne vyskytujú v rámci jedného živého vodiča. Pretože je vzdialenosť medzi vodičmi malá a vodičov je veľa, frekvencia výskytu je vyššia; okrem toho, keďže signál sériového oblúka je slabý a ľahko sa maskuje šumom, je ťažké ho odhaliť a ak nie je včas riešený, môže ľahko spôsobiť požiar. Medzi rôznymi živými vodičmi sa zvyčajne vyskytujú paralelné oblúky. Keďže vzdialenosť medzi vodičmi je veľká a cesta je zložitá, frekvencia výskytu je nižšia. V súčasnosti môžu ochranné opatrenia, ako sú poistky a ističe, účinne kontrolovať vplyv paralelných oblúkov.

2. PríčinyDC Arc Striking

2.1 Problémy s komponentmi pripojenia

Spojovacie komponenty sú jedným z najbežnejších problémov vo fotovoltaických systémoch a sú tiež hlavnou príčinou vzniku jednosmerného oblúka.

• Uvoľnené, zoxidované alebo opotrebované konektory (napríklad zástrčky MC4) sú bežné problémy: Počas-dlhodobého používania sa môžu konektory uvoľniť v dôsledku faktorov, ako sú vibrácie a zmeny teploty. Uvoľnené konektory môžu zvýšiť kontaktný odpor, pri prechode prúdu generovať veľké množstvo tepla, čo spôsobí zvýšenie teploty konektora. Vysoké teploty urýchľujú oxidáciu a opotrebovanie konektora, čím sa vytvára začarovaný kruh, ktorý nakoniec vedie k medzerám, ktoré môžu spôsobiť iskrenie.

• Krimpovanie káblových spojov nie je v súlade so štandardom: Nedostatočná sila krimpovania alebo netesnosť môže viesť k slabému kontaktu v káblových spojoch, čo podobne zvyšuje prechodový odpor, generuje vysoké teploty a následne môže spôsobiť iskrenie.

2.2 Problémy s vodičom

Drôty sú dôležitými komponentmi vo fotovoltaických systémoch na prenos prúdu a ich kvalita a stav priamo ovplyvňujú bezpečnú prevádzku systému.

• Poškodenie izolačnej vrstvy kábla môže spôsobiť medzeru medzi vodičom a uzemňovacími telesami alebo kovovými podperami, čo môže viesť k vzniku elektrického oblúka: Izolácia kábla sa môže poškodiť počas inštalácie alebo používania v dôsledku faktorov, ako je mechanické poškodenie alebo chemická korózia.

• Drôt môže byť poškodený vonkajšími silami (ako je hryzenie hlodavcami alebo mechanické trenie), čo má za následok miestne vystavenie, čo je tiež jednou z príčin napínania oblúka: V niektorých vonkajších fotovoltaických elektrárňach sa z času na čas vyskytujú hlodavce, ktoré obhrýzajú káble.

2.3 Životné prostredie a faktory starnutia

Environmentálne faktory a starnutie zariadení sú tiež dôležitými príčinami vzniku jednosmerného oblúka vo fotovoltaických systémoch.

• Dlhodobé vystavenie vysokým teplotám a vysokej vlhkosti môže urýchliť starnutie komponentov, čo vedie k zníženiu izolačného výkonu: V prostredí s vysokou-teplotou podliehajú materiály komponentov tepelnému starnutiu, čo spôsobuje postupné znižovanie ich výkonu; v prostredí s vysokou-vlhkosťou môžu komponenty zvlhnúť, čo ovplyvňuje ich izolačné vlastnosti.

• V miestach pripojenia sa hromadí prach a korózia, čo môže narušiť elektrickú kontinuitu a spôsobiť medzerový výboj: V prašnom prostredí so silnou korozívnosťou majú spojovacie body tendenciu hromadiť veľké množstvo prachu a korozívnych látok. Tieto materiály môžu brániť prenosu elektrického prúdu, zvyšovať odpor v miestach pripojenia, vytvárať vysoké teploty a potenciálne spôsobiť iskrenie.

3.Detekčná technológia a aplikácia jednosmerného oblúka vo fotovoltaike

3.1 Prerušovač obvodu pri poruche oblúka (AFCI/AFDD)

Funkciou AFCI je „detekovať a prerušiť napájanie“ okamžite, keď vznikne oblúk, čím sa zabráni šíreniu požiaru.

Zvyčajne je integrovaný do zlučovačov jednosmerného prúdu, invertorov alebo ističov na monitorovanie prúdových signálov v reálnom čase. Keď vznikne oblúk, aktuálna krivka vykazuje špecifický vysokofrekvenčný-šum a skreslenie. AFCI používa algoritmy na detekciu tohto abnormálneho signálu a rýchlo odpojí obvod.

Ako je znázornené na vlnovej krivke prúdového spektra vyššie, červená označuje výskyt elektrického oblúka, čo jasne kontrastuje s modrou farbou, kde oblúk nie je.

V typickom elektrickom systéme sa náhodný šum pozadia vo všeobecnosti výrazne mení len pri frekvenciách nad 200 kHz. Naproti tomu spínacie riadiace obvody, ako sú invertory v elektrickom systéme, zvyčajne pracujú pri spektrách pod 50 kHz. Aby toho nebolo málo, samotný signál striedavého napájania je na ešte nižšej frekvencii 50/60 Hz. Preto použitím algoritmu FFT na konverziu detekovaného prúdu kábla do frekvenčnej oblasti a následnou analýzou frekvenčného pásma medzi 30 kHz a 100 kHz je možné efektívne rozlíšiť medzi normálnou prevádzkou obvodového systému a abnormálnymi podmienkami iskrenia.

Hlavná štruktúra

Ističe AFCI sa skladajú hlavne z modulu ističa, zvodového modulu, výkonového modulu, modulu na úpravu signálu, modulu vypínacej jednotky a modulu komunikačného rozhrania.

• Napájací modul: napája príslušné zariadenia vo vnútri AFCI/AFDD.

• Modul úpravy signálu: Prúdový signál v hlavnom obvode prechádza cez transformátor prúdu do modulu úpravy signálu. Modul zosilňuje, usmerňuje a filtruje signál pred jeho odoslaním do mikrokontroléra na spracovanie.

• Vypínací modul: Elektromagnetická štruktúra vypínacieho modulu v ističi pri oblúkovom zlyhaní AFCI využíva novú technológiu-úspory energie, ktorá minimalizuje straty v jadre a skratové{1}}straty elektromagnetického systému spínača, čím sa maximalizuje úspora energie. Pridáva sa vyrovnávacie zariadenie na zníženie energetického vplyvu na elektromagnetický systém, čím sa zlepšuje zatvárací výkon spínača a predlžuje sa jeho životnosť. Ovládací mechanizmus vypínacieho modulu môže prijímať poruchové signály detekované hlavným riadiacim čipom MCU a prerušiť obvod cievky cez riadiace kontakty, pričom elektromagnetický mechanizmus preruší hlavný obvod. Po odstránení poruchy sa stlačením ovládacieho tlačidla resetuje modul.

• Modul komunikačného rozhrania: Tento modul umožňuje-prenos údajov v reálnom čase, ako sú prúd, napätie, prúdová fáza a signály oblúka, do koncového počítača, čo umožňuje vzdialené monitorovanie.

Pracovný princíp

Hlavný riadiaci čip MCU ističa oblúka AFCI monitoruje aktuálny signál v hlavnom obvode v reálnom čase. Keď sa v hlavnom obvode zistí porucha oblúka, mikrokontrolér vyšle vypínací signál a vypínací obvod vykoná vypínaciu operáciu.

3.2 Technológia infračerveného tepelného zobrazovania

Technológia infračerveného tepelného zobrazovania deteguje abnormálne zahrievanie v miestach pripojenia pomocou infračervenej kamery, čo umožňuje vopred identifikovať potenciálne riziko oblúka. Slabý kontakt je často sprevádzaný lokalizovanými vysokými teplotami a infračervené tepelné zobrazovanie dokáže tieto oblasti s vysokou teplotou jasne zobraziť-, čo personálu údržby poskytuje intuitívny prehľad.

4.Ochranné opatrenia a implementácia pre jednosmerné oblúkové poruchy vo fotovoltaike

4.1 Štandardná inštalácia

Správna inštalácia je základom pre zabránenie vzniku jednosmerného oblúka vo fotovoltaických systémoch. Počas procesu inštalácie sa uistite, že konektory a káblové spoje sú pevne zalisované, aby sa zabránilo uvoľneniu spojov. Na krimpovanie by sa malo používať profesionálne náradie, ktoré pracuje so špecifikovanou silou, aby sa zabezpečil minimálny prechodový odpor v miestach pripojenia.

Zároveň vyberajte izolačné materiály, ktoré spĺňajú normy, aby sa znížilo riziko mechanického poškodenia. Pri inštalácii káblov sa vyhnite nadmernému ohýbaniu a naťahovaniu, aby nedošlo k poškodeniu izolačnej vrstvy.

4.2 Výber komponentov

Vyberte si konektory a káble, ktoré sú odolné voči starnutiu a vysokým teplotám, a najmä v drsnom prostredí, zvyšujú úroveň ochrany komponentov (napríklad IP65/IP67). Pri výbere komponentov plne zohľadnite podmienky prostredia fotovoltaickej elektrárne, ako je teplota, vlhkosť a korózia.

Napríklad vo fotovoltaických elektrárňach v oblastiach s vysokou{0}}teplotou by sa mali zvoliť konektory a káble, ktoré dokážu udržať stabilný výkon pri vyšších teplotách. vo vysoko korozívnych prostrediach, ako sú pobrežné oblasti, by sa mali vyberať komponenty s odolnosťou proti korózii.

4.3 Optimalizácia návrhu systému

Optimalizácia návrhu systému je rozhodujúca pre zabránenie vzniku jednosmerného oblúka vo fotovoltaických systémoch. Počas procesu navrhovania je dôležité vyhnúť sa príliš vysokým jednosmerným napätím (ktoré musia spĺňať bezpečnostné normy), obmedziť dlhé káble a minimalizovať pravdepodobnosť vybitia medzier.

Rozumne naplánujte usporiadanie fotovoltaických modulov a vedenie káblov s cieľom minimalizovať dĺžku káblov a znížiť počet ohybov a spojov v kábloch. Súčasne by mali byť nainštalované vhodné ochranné zariadenia, ako sú poistky, ističe a zariadenia na ochranu pred elektrickým oblúkom, aby sa okamžite prerušilo napájanie v prípade akýchkoľvek abnormalít v obvode.