Fotovoltinės nuolatinės srovės lanko problemos Įvadas ir sprendimai

Sparčiai tobulėjant saulės technologijoms, fotovoltinės energijos gamyba tapo vienu iš svarbiausių žaliosios energijos sprendimų visame pasaulyje. Fotovoltinės sistemos vaidina svarbų vaidmenį tiek ant gyvenamųjų namų stogų, tiek pramoniniuose parkuose, tiek ant didelių -saulės elektrinių. Tuo pat metu fotovoltinių sistemų saugos klausimai pamažu sulaukia dėmesio. Nuolatinės srovės lankas, kaip elektrinis reiškinys, galintis turėti įtakos fotovoltinių sistemų stabilumui, yra vertas kiekvieno specialisto ir naudotojo atidžiai suprasti.

1. Nuolatinės srovės lanko prasmė

Nuolatinės srovės lankas, kaip rodo pavadinimas, reiškia reiškinį, kai tarp kontaktinių taškų susidaro lankas, kai staiga nutrūksta srovės kelias nuolatinės srovės grandinėje.

Elektros lankas yra dujų išlydžio reiškinio rūšis. Kai dujos jonizuojamos, jos sudaro laidų kanalą, dėl kurio susidaro elektros lankas. Fotovoltinėse nuolatinės srovės grandinėse, kai grandinėje atsiranda nedidelis tarpelis, nuolatinės srovės įtampa per tarpą sukurs joje elektrinį lauką. Kai elektrinio lauko stiprumas pasiekia tam tikrą lygį, oro molekulės jonizuojasi. Oro molekulės yra sudarytos iš atomų, kuriuos sudaro teigiamai įkrauti branduoliai ir neigiamai įkrauti elektronai. Esant stipriam elektriniam laukui, elektronai įgyja pakankamai energijos, kad išsivaduotų iš branduolio ir taptų laisvais elektronais. Šie laisvieji elektronai įsibėgėja elektriniame lauke, susiduria su kitomis oro molekulėmis, jonizuoja daugiau molekulių, taip sukurdami daug laisvųjų elektronų ir teigiamų jonų. Šis procesas žinomas kaip dujų skilimas. Kai dujos suskaidomos, susidaro elektros lankas.

Nuolatinės srovės lanko sudarymo procesas:

Dėl nuolatinės srovės, kadangi ji neturi nulio kirtimo taško, o srovės kryptis nesikeičia, lankas gali nuolat gauti energiją, todėl jį sunku užgesinti savaime.

Pagal grandinės prijungimo būdą ir lanko vietą, lankai gali būti skirstomi į nuosekliuosius lankus ir lygiagrečius lankus (įžeminimo lankas gali būti laikomas specialiu lygiagrečiojo lanko tipu). Serijiniai lankai dažniausiai atsiranda viename laidininke, į kurį įtampa. Kadangi atstumas tarp laidininkų yra mažas ir yra daug laidininkų, atsiradimo dažnis yra didesnis; be to, kadangi serijinis lanko signalas yra silpnas ir lengvai užmaskuojamas triukšmo, jį sunku aptikti, o jei laiku nereaguojama, jis gali lengvai sukelti gaisrą. Lygiagretūs lankai dažniausiai susidaro tarp skirtingų įtampingųjų laidininkų. Kadangi atstumas tarp laidininkų yra didelis, o kelias sudėtingas, atsiradimo dažnis yra mažesnis. Šiuo metu apsaugos priemonės, tokios kaip saugikliai ir grandinės pertraukikliai, gali veiksmingai kontroliuoti lygiagrečių lankų poveikį.

2. PriežastysNuolatinės srovės lankas

2.1 Ryšio komponentų problemos

Sujungimo komponentai yra viena iš labiausiai paplitusių fotovoltinių sistemų problemų ir taip pat yra pagrindinė nuolatinės srovės lanko priežastis.

• Atsilaisvinusios, oksiduotos arba susidėvėjusios jungtys (pvz., MC4 kištukai) yra dažnos problemos: ilgai-naudojant, jungtys gali atsilaisvinti dėl tokių veiksnių kaip vibracija ir temperatūros pokyčiai. Atsilaisvinusios jungtys gali padidinti kontaktinę varžą, o srovei tekant susidaro daug šilumos, todėl jungties temperatūra gali pakilti. Aukšta temperatūra pagreitina jungties oksidaciją ir susidėvėjimą, sukurdama užburtą ciklą, dėl kurio galiausiai susidaro tarpai, dėl kurių gali atsirasti lankas.

• Kabelių jungčių užspaudimas neatitinka standarto: dėl nepakankamos užspaudimo jėgos arba nuotėkio kabelių jungtyse gali prastai kontaktuoti, o tai taip pat padidina kontakto varžą, sukelia aukštą temperatūrą ir dėl to gali susidaryti lankas.

2.2 Laidininkų problemos

Laidai yra svarbūs fotovoltinių sistemų komponentai srovei perduoti, o jų kokybė ir būklė tiesiogiai įtakoja saugų sistemos veikimą.

• Pažeidus kabelio izoliacijos sluoksnį, tarp laidininko ir įžeminimo korpusų arba metalinių atramų gali atsirasti tarpas, dėl kurio gali susidaryti lankas: Montuojant arba naudojant kabelio izoliacija gali būti pažeista dėl tokių veiksnių kaip mechaniniai pažeidimai ar cheminė korozija.

• Laidą gali pažeisti išorinės jėgos (pvz., graužikai graužia ar mechaninė trintis), todėl atsiranda vietinis poveikis, kuris taip pat yra viena iš lanko tempimo priežasčių: kai kuriose lauko fotovoltinėse elektrinėse graužikai retkarčiais graužia kabelius.

2.3. Aplinka ir senėjimo veiksniai

Aplinkos veiksniai ir įrangos senėjimas taip pat yra svarbios nuolatinės srovės lanko priežastys fotovoltinėse sistemose.

• Ilgai veikiant aukštai temperatūrai ir didelei drėgmei, gali paspartėti komponentų senėjimas, dėl to pablogėja izoliacijos savybės: aukštoje{0}}temperatūroje komponentų medžiagos termiškai sensta, todėl jų našumas palaipsniui mažėja; didelės-drėgmės aplinkoje komponentai gali sudrėkti, o tai turi įtakos jų izoliacinėms savybėms.

• Prijungimo taškuose kaupiasi dulkės ir korozija, kurios gali sutrikdyti elektros tęstinumą ir sukelti tarpų iškrovimą: dulkėtoje aplinkoje, kurioje yra stiprus korozija, prijungimo taškai linkę kaupti daug dulkių ir korozinių medžiagų. Šios medžiagos gali trukdyti perduoti elektros srovę, padidinti varžą jungčių vietose, generuoti aukštą temperatūrą ir potencialiai sukelti lanką.

3. Nuolatinės srovės lanko aptikimo technologija ir taikymas fotovoltikoje

3.1 Lanko gedimo grandinės pertraukiklis (AFCI/AFDD)

AFCI funkcija yra „aptikti ir išjungti maitinimą“, kai atsiranda lankas, neleidžiant ugniai plisti.

Paprastai jis integruojamas į nuolatinės srovės kombinatorių dėžutes, keitiklius arba grandinės pertraukiklius, kad būtų galima stebėti srovės signalus realiuoju laiku. Kai atsiranda lankas, dabartinė bangos forma rodo specifinį aukšto{1}}dažnio triukšmą ir iškraipymus. AFCI naudoja algoritmus, kad aptiktų šį nenormalų signalą ir greitai atjungia grandinę.

Kaip parodyta aukščiau esančioje srovės spektro bangos formoje, raudona spalva rodo elektros lanko atsiradimą, aiškiai kontrastuojanti su mėlyna, kur nėra lanko.

Įprastoje elektros sistemoje foninis atsitiktinis triukšmas paprastai pastebimai kinta tik esant didesniam nei 200 kHz dažniui. Priešingai, perjungimo valdiklio grandinės, tokios kaip keitikliai elektros sistemoje, paprastai veikia mažesniais nei 50 kHz spektrais. Maža to, pats kintamosios srovės maitinimo signalas yra dar žemesniu 50/60 Hz dažniu. Todėl naudojant FFT algoritmą aptiktai kabelio srovei konvertuoti į dažnių sritį ir analizuojant dažnių juostą nuo 30 kHz iki 100 kHz, galima efektyviai atskirti normalų grandinės sistemos veikimą ir nenormalias lanko sąlygas.

Pagrindinė struktūra

AFCI lanko gedimo grandinės pertraukiklius daugiausia sudaro pertraukiklio modulis, nuotėkio modulis, maitinimo modulis, signalo kondicionavimo modulis, išjungimo bloko modulis ir ryšio sąsajos modulis.

• Maitinimo modulis: tiekia maitinimą atitinkamiems AFCI/AFDD įrenginiams.

• Signalo kondicionavimo modulis: Srovės signalas pagrindinėje grandinėje perduodamas per linijos srovės transformatorių į signalo kondicionavimo modulį. Modulis sustiprina, ištaiso ir filtruoja signalą prieš siųsdamas jį į mikrovaldiklį apdoroti.

• Išjungimo modulis: AFCI lankinio gedimo grandinės pertraukiklyje elektromagnetinėje išjungimo modulio struktūroje įdiegta nauja energijos{0}}taupymo technologija, sumažinanti jungiklio elektromagnetinės sistemos šerdies ir trumpojo{1} jungimo nuostolius, taip maksimaliai taupant energiją. Pridedamas buferinis įtaisas, kuris sumažina energijos poveikį elektromagnetinei sistemai, pagerina jungiklio uždarymo veikimą ir prailgina jo tarnavimo laiką. Išjungimo modulio veikimo mechanizmas gali priimti pagrindinio valdymo lusto MCU aptiktus gedimų signalus ir per valdymo kontaktus nutraukti ritės grandinę, o elektromagnetinis mechanizmas nutraukia pagrindinę grandinę. Pašalinus gedimą, paspaudus valdymo mygtuką modulis nustatomas iš naujo.

• Ryšio sąsajos modulis: šis modulis leidžia realiuoju laiku{0}}perduoti duomenis, pvz., srovės, įtampos, srovės fazės ir lanko signalus, į terminalo kompiuterį, leidžiantį nuotoliniu būdu stebėti.

Darbo principas

AFCI lankinio gedimo grandinės pertraukiklio pagrindinė valdymo lustas MCU realiu laiku stebi srovės signalą pagrindinėje grandinėje. Kai pagrindinėje grandinėje aptinkamas lanko gedimas, mikrovaldiklis siunčia suveikimo signalą, o išjungimo grandinė atlieka išjungimo operaciją.

3.2. Infraraudonųjų spindulių šiluminio vaizdo technologija

Infraraudonųjų spindulių šiluminio vaizdo technologija per infraraudonųjų spindulių kamerą aptinka nenormalų įkaitimą prijungimo vietose, todėl galima iš anksto nustatyti galimą lanko riziką. Dėl prasto kontakto dažnai būna vietiškai aukšta temperatūra, o infraraudonųjų spindulių šiluminis vaizdas gali aiškiai parodyti šias aukštos temperatūros sritis, todėl techninės priežiūros personalas gali gauti intuityvią informaciją.

4. Apsaugos priemonės ir įgyvendinimas nuo nuolatinės srovės lanko gedimų fotoelektroje

4.1 Standartinis diegimas

Tinkamas įrengimas yra pagrindas užkirsti kelią nuolatinės srovės lankui fotovoltinėse sistemose. Diegimo metu įsitikinkite, kad jungtys ir kabelių jungtys yra tvirtai suspaustos, kad būtų išvengta laisvų jungčių. Užspaudimui reikia naudoti profesionalius įrankius, veikiančius su nurodyta jėga, kad būtų užtikrintas minimalus kontaktinis pasipriešinimas sujungimo vietose.

Tuo pačiu rinkitės standartus atitinkančias šiltinimo medžiagas, kad sumažintumėte mechaninių pažeidimų riziką. Montuodami laidus venkite per didelio lenkimo ir tempimo, kad nepažeistumėte izoliacijos sluoksnio.

4.2 Komponentų pasirinkimas

Rinkitės jungtis ir laidus, atsparius senėjimui ir aukštai temperatūrai, o ypač atšiaurioje aplinkoje, padidinkite komponentų apsaugos lygį (pvz., IP65/IP67). Renkantis komponentus, visapusiškai atsižvelkite į fotovoltinės elektrinės aplinkos sąlygas, tokias kaip temperatūra, drėgmė ir korozija.

Pavyzdžiui, fotovoltinėse elektrinėse, kuriose yra aukšta{0}}temperatūra, reikia pasirinkti jungtis ir kabelius, kurie gali išlaikyti stabilų veikimą aukštesnėje temperatūroje; labai ėsdinančioje aplinkoje, pavyzdžiui, pakrantės zonose, reikia pasirinkti komponentus, atsparius korozijai.

4.3 Sistemos dizaino optimizavimas

Sistemos projektavimo optimizavimas yra labai svarbus siekiant išvengti nuolatinės srovės lanko fotovoltinėse sistemose. Projektavimo procese svarbu vengti pernelyg aukštų nuolatinės srovės įtampų (kuri turi atitikti saugos standartus), sumažinti ilgą kabelių eigą ir sumažinti tarpo iškrovimo tikimybę.

Protingai planuoti fotovoltinių modulių išdėstymą ir kabelių išvedžiojimą, siekiant kuo labiau sumažinti kabelio ilgį ir sumažinti kabelių vingių ir jungčių skaičių. Tuo pačiu metu turi būti sumontuoti atitinkami apsauginiai įtaisai, pvz., saugikliai, grandinės pertraukikliai ir apsaugos nuo lanko gedimų įtaisai, kad būtų nedelsiant atjungtas maitinimas, jei grandinėje atsiranda kokių nors sutrikimų.