Проблеми с фотоволтаичната постоянна дъга Въведение и решения

С бързото развитие на слънчевата технология, фотоволтаичното производство на енергия се превърна в едно от важните решения за зелена енергия в световен мащаб. Фотоволтаичните системи играят значителна роля, независимо дали на жилищни покриви, индустриални паркове или широко{1}}мащабни слънчеви електроцентрали. В същото време въпросите за безопасността на фотоволтаичните системи постепенно привличат внимание. DC дъгата, като електрически феномен, който може да повлияе на стабилността на фотоволтаичните системи, заслужава внимателно разбиране от всеки практикуващ и потребител.

1. Значението на DC Arc

Правотоковата дъга, както подсказва името, се отнася до явлението, при което се образува дъга между контактните точки, когато пътят на тока във верига с постоянен ток е внезапно прекъснат.

Електрическата дъга е вид газоразрядно явление. Когато газът се йонизира, той образува проводящ канал, което води до електрическа дъга. Във фотоволтаичните постояннотокови вериги, когато във веригата се появи малка празнина, постояннотоковото напрежение през междината ще създаде електрическо поле в нея. Когато силата на електрическото поле достигне определено ниво, молекулите на въздуха се йонизират. Молекулите на въздуха са съставени от атоми, които се състоят от положително заредени ядра и отрицателно заредени електрони. Под силно електрическо поле електроните получават достатъчно енергия, за да се освободят от ядрото и да станат свободни електрони. Тези свободни електрони се ускоряват в електрическото поле, сблъскват се с други въздушни молекули, йонизирайки повече молекули, като по този начин създават голям брой свободни електрони и положителни йони. Този процес е известен като разпадане на газ. След като газът се разпадне, се образува електрическа дъга.

Процес на запалване на DC дъга:

За постоянен ток, тъй като няма точка на пресичане на нулата и посоката на тока не се променя, дъгата може непрекъснато да получава енергия, което затруднява самото й гасене.

Според метода на свързване на веригата и местоположението на дъгата дъгите могат да бъдат разделени на последователни дъги и успоредни дъги (заземителната дъга може да се разглежда като специален тип успоредна дъга). Серийните дъги обикновено се появяват в рамките на един жив проводник. Тъй като разстоянието между проводниците е малко и има много проводници, честотата на поява е по-висока; освен това, тъй като сигналът на последователната дъга е слаб и лесно се маскира от шум, той е труден за откриване и, ако не се обърне внимание навреме, може лесно да причини пожари. Паралелни дъги обикновено възникват между различни живи проводници. Тъй като разстоянието между проводниците е голямо и пътят е сложен, честотата на поява е по-ниска. Понастоящем защитни мерки като предпазители и прекъсвачи могат ефективно да контролират въздействието на паралелни дъги.

2.Причини заDC Arc Striking

2.1 Проблеми с компонентите на връзката

Компонентите за свързване са едни от най-често срещаните проблемни точки във фотоволтаичните системи и също така са основна причина за DC дъга.

• Разхлабени, окислени или износени конектори (като щепсели MC4) са често срещани проблеми: При продължителна-използване конекторите може да се разхлабят поради фактори като вибрации и температурни промени. Разхлабените конектори могат да увеличат контактното съпротивление, генерирайки голямо количество топлина при преминаване на ток, което води до повишаване на температурата на конектора. Високите температури ускоряват окисляването и износването на съединителя, създавайки порочен кръг, който в крайна сметка води до празнини, които могат да предизвикат дъга.

• Кримпването на кабелните съединения не отговаря на стандарта: Недостатъчната сила на кримпване или изтичане може да доведе до лош контакт при кабелните съединения, което по подобен начин увеличава контактното съпротивление, генерира високи температури и впоследствие може да причини дъгова дъга.

2.2 Проблеми с проводника

Проводниците са важни компоненти във фотоволтаичните системи за пренос на ток и тяхното качество и състояние пряко влияят върху безопасната работа на системата.

• Повредата на изолационния слой на кабела може да причини празнина между проводника и заземяващите тела или метални опори, което може да доведе до образуване на дъга: Изолацията на кабела може да бъде повредена по време на монтаж или употреба поради фактори като механични повреди или химическа корозия.

• Проводникът може да бъде повреден от външни сили (като гризачи от гризачи или механично триене), което води до локално излагане, което също е една от причините за разтягане на дъгата: В някои открити фотоволтаични електроцентрали гризачите гризат кабели от време на време.

2.3 Околна среда и фактори на стареене

Факторите на околната среда и стареенето на оборудването също са важни причини за постоянна дъга във фотоволтаичните системи.

• Продължителното излагане на високи температури и висока влажност може да ускори стареенето на компонентите, което води до влошаване на изолационните характеристики: В среда с висока-температура материалите на компонентите претърпяват термично стареене, което води до постепенно намаляване на ефективността им; в среда с висока-влажност компонентите могат да се овлажнят, което да повлияе на изолационните им свойства.

• Прах и корозия се натрупват в точките на свързване, което може да наруши електрическата непрекъснатост и да причини разреждане в празнина: В прашни среди със силна корозивност точките на свързване са склонни да натрупват голямо количество прах и корозивни вещества. Тези материали могат да попречат на предаването на електрически ток, да увеличат съпротивлението в точките на свързване, да генерират високи температури и потенциално да причинят дъгова дъга.

3. Технология за откриване и приложение на DC Arc във фотоволтаиците

3.1 Прекъсвач на веригата при повреда на дъгата (AFCI/AFDD)

Функцията на AFCI е да „открива и прекъсва захранването“ незабавно, когато възникне дъга, предотвратявайки разпространението на огъня.

Обикновено се интегрира в DC комбиниращи кутии, инвертори или прекъсвачи за наблюдение на текущите сигнали в реално време. Когато възникне дъга, текущата форма на вълната показва специфичен високо{1}}честотен шум и изкривяване. AFCI използва алгоритми за откриване на този необичаен сигнал и бързо прекъсва веригата.

Както е показано във формата на вълната на текущия спектър по-горе, червеното показва появата на електрическа дъга, ясно контрастиращо със синьото, където няма дъга.

В типична електрическа система произволният фонов шум обикновено варира забележимо само при честоти над 200 kHz. Обратно, превключващите контролерни вериги като инверторите в електрическата система обикновено работят при спектри под 50 kHz. Да не говорим, че самият AC захранващ сигнал е с още по-ниска честота от 50/60 Hz. Следователно, чрез използване на алгоритъма FFT за преобразуване на открития кабелен ток в честотна област и след това анализиране на честотната лента между 30 kHz и 100 kHz, е възможно ефективно да се разграничи нормалната работа на електрическата система от необичайните условия на дъга.

Основна структура

Прекъсвачите за дъгова повреда AFCI се състоят главно от модул на прекъсвача, модул за утечки, захранващ модул, модул за кондициониране на сигнала, модул на изключващо устройство и комуникационен интерфейсен модул.

• Захранващ модул: захранва съответните устройства в AFCI/AFDD.

• Модул за кондициониране на сигнала: Токовият сигнал в главната верига се предава през линеен токов трансформатор към модула за кондициониране на сигнала. Модулът усилва, коригира и филтрира сигнала, преди да го изпрати към микроконтролера за обработка.

• Изключващ модул: В прекъсвача за дъгова повреда AFCI електромагнитната структура на изключващия модул приема нова енерго{0}}спестяваща технология, минимизираща загубите в сърцевината и късо{1}}вериги на електромагнитната система на превключвателя, като по този начин максимизира икономията на енергия. Добавено е буферно устройство за намаляване на енергийното въздействие върху електромагнитната система, подобрявайки производителността на затваряне на превключвателя и удължавайки неговия експлоатационен живот. Работният механизъм на изключващия модул може да получава сигнали за повреда, открити от главния контролен чип MCU и да прекъсва веригата на бобината чрез управляващи контакти, като електромагнитният механизъм прекъсва главната верига. След отстраняване на повредата, натискането на работния бутон нулира модула.

• Модул за комуникационен интерфейс: Този модул позволява-предаване на данни в реално време като ток, напрежение, фаза на тока и дъгови сигнали към терминалния компютър, позволявайки дистанционно наблюдение.

Принцип на работа

Главният управляващ чип MCU на прекъсвача за дъгова повреда AFCI следи текущия сигнал в главната верига в реално време. Когато се открие повреда на дъгата в главната верига, микроконтролерът изпраща сигнал за изключване и веригата за изключване изпълнява операцията по изключване.

3.2 Инфрачервена технология за термично изображение

Технологията за инфрачервено термично изображение открива необичайно нагряване в точките на свързване чрез инфрачервена камера, което позволява предварително идентифициране на потенциални рискове от дъга. Лошият контакт често е придружен от локализирани високи температури и инфрачервеното термично изображение може ясно да покаже тези зони с висока-температура, предоставяйки на персонала по поддръжката интуитивна справка.

4. Защитни мерки и прилагане при повреда на DC дъга във фотоволтаици

4.1 Стандартна инсталация

Правилната инсталация е основата за предотвратяване на DC дъга във фотоволтаичните системи. По време на инсталационния процес се уверете, че съединителите и кабелните съединения са здраво нагънати, за да избегнете разхлабени връзки. За кримпване трябва да се използват професионални инструменти, работещи с определената сила, за да се осигури минимално контактно съпротивление в точките на свързване.

В същото време изберете изолационни материали, които отговарят на стандартите, за да намалите риска от механични повреди. Когато инсталирате кабели, избягвайте прекомерното огъване и разтягане, за да предотвратите повреда на изолационния слой.

4.2 Избор на компонент

Изберете съединители и кабели, които са устойчиви на стареене и високи температури, и особено в тежки среди, повишават нивото на защита на компонентите (като IP65/IP67). Когато избирате компоненти, съобразете напълно условията на околната среда на фотоволтаичната електроцентрала, като температура, влажност и корозивност.

Например във фотоволтаични електроцентрали в зони с висока{0}}температура трябва да се избират съединители и кабели, които могат да поддържат стабилна работа при по-високи температури; в силно корозивни среди, като крайбрежни райони, трябва да се избират компоненти с устойчивост на корозия.

4.3 Оптимизиране на дизайна на системата

Оптимизирането на дизайна на системата е от решаващо значение за предотвратяване на DC дъга във фотоволтаичните системи. По време на процеса на проектиране е важно да се избягват прекомерно високи постоянни напрежения (които трябва да отговарят на стандартите за безопасност), да се намалят дългите кабели и да се сведе до минимум вероятността от разреждане в празнина.

Разумно планирайте разположението на фотоволтаичните модули и маршрутизирането на кабелите, като се стремите да сведете до минимум дължината на кабела и да намалите броя на огъванията и съединенията в кабелите. В същото време трябва да се инсталират подходящи защитни устройства, като предпазители, прекъсвачи и устройства за защита от дъгова повреда, за незабавно прекъсване на захранването в случай на аномалии във веригата.