Introducere și soluții ale problemelor arcului DC fotovoltaic

Odată cu dezvoltarea rapidă a tehnologiei solare, generarea de energie fotovoltaică a devenit una dintre soluțiile importante de energie verde la nivel mondial. Sistemele fotovoltaice joacă un rol important, fie pe acoperișurile rezidențiale, în parcuri industriale sau în centralele solare la scară mare-. În același timp, problemele de siguranță ale sistemelor fotovoltaice capătă treptat atenție. Arcul de curent continuu, ca fenomen electric care poate afecta stabilitatea sistemelor fotovoltaice, merită o înțelegere atentă de către fiecare practician și utilizator.

1. Semnificația DC Arc Striking

Arcul de curent continuu, așa cum sugerează și numele, se referă la fenomenul în care se formează un arc între punctele de contact atunci când calea curentului într-un circuit de curent continuu este întreruptă brusc.

Un arc electric este un tip de fenomen de descărcare de gaz. Când un gaz este ionizat, formează un canal conductiv, rezultând un arc electric. În circuitele fotovoltaice de curent continuu, atunci când apare un mic decalaj în circuit, tensiunea de curent continuu pe decalaj va crea un câmp electric în interiorul acestuia. Când intensitatea câmpului electric atinge un anumit nivel, moleculele de aer devin ionizate. Moleculele de aer sunt formate din atomi, care constau din nuclee încărcate pozitiv și electroni încărcați negativ. Sub un câmp electric puternic, electronii câștigă suficientă energie pentru a se elibera de nucleu și a deveni electroni liberi. Acești electroni liberi accelerează în câmpul electric, se ciocnesc cu alte molecule de aer, ionizând mai multe molecule, creând astfel un număr mare de electroni liberi și ioni pozitivi. Acest proces este cunoscut sub numele de defalcare a gazelor. Odată ce gazul este defalcat, se formează un arc electric.

Proces de lovire cu arc DC:

Pentru curentul continuu, deoarece nu are punct de trecere zero și direcția curentului nu se schimbă, arcul poate primi energie în mod continuu, ceea ce face dificilă stingerea de la sine.

În conformitate cu metoda de conectare a circuitului și locația arcului, arcurile pot fi împărțite în arce în serie și arce paralele (Arcul de împământare poate fi privit ca un tip special de arc paralel). Arcurile în serie apar de obicei într-un singur conductor sub tensiune. Deoarece distanța dintre conductori este mică și există mulți conductori, frecvența de apariție este mai mare; în plus, deoarece semnalul arcului în serie este slab și ușor mascat de zgomot, este dificil de detectat și, dacă nu este abordat la timp, poate provoca cu ușurință incendii. Arcurile paralele apar de obicei între diferiți conductori sub tensiune. Deoarece distanța dintre conductori este mare și calea este complexă, frecvența de apariție este mai mică. În prezent, măsurile de protecție precum siguranțele și întreruptoarele pot controla eficient impactul arcurilor paralele.

2. Cauze aleLovirea arcului DC

2.1 Probleme cu componentele de conectare

Componentele de conexiune sunt una dintre cele mai frecvente puncte de probleme în sistemele fotovoltaice și sunt, de asemenea, o cauză majoră a arcului de curent continuu.

• Conectorii slăbiți, oxidați sau uzați (cum ar fi mufele MC4) sunt probleme frecvente: în timpul utilizării pe termen lung-, conectorii se pot slăbi din cauza unor factori precum vibrațiile și schimbările de temperatură. Conectorii slăbiți pot crește rezistența de contact, generând o cantitate mare de căldură atunci când trece curentul, determinând creșterea temperaturii conectorului. Temperaturile ridicate accelerează oxidarea și uzura conectorului, creând un cerc vicios care duce în cele din urmă la goluri, care pot declanșa arcul.

• Sertizarea îmbinărilor cablului nu este conform standardului: forța de sertizare insuficientă sau scurgerea poate duce la un contact slab la îmbinările cablurilor, ceea ce crește în mod similar rezistența la contact, generează temperaturi ridicate și, în consecință, poate provoca arc.

2.2 Probleme de conducător

Firele sunt componente importante în sistemele fotovoltaice pentru transmiterea curentului, iar calitatea și starea lor afectează direct funcționarea în siguranță a sistemului.

• Deteriorarea stratului de izolație a cablului poate cauza un spațiu între conductor și corpurile de împământare sau suporturile metalice, ceea ce poate duce la arc: Izolația cablului poate fi deteriorată în timpul instalării sau utilizării din cauza unor factori precum deteriorarea mecanică sau coroziunea chimică.

• Firul poate fi deteriorat de forțele externe (cum ar fi roaderea rozătoarelor sau frecarea mecanică), ducând la expunerea locală, care este, de asemenea, una dintre cauzele întinderii arcului: În unele centrale fotovoltaice exterioare, rozătoarele roade cablurile apar din când în când.

2.3 Factori de mediu și îmbătrânire

Factorii de mediu și îmbătrânirea echipamentelor sunt, de asemenea, cauze importante ale arcului de curent continuu în sistemele fotovoltaice.

• Expunerea prelungită la temperaturi ridicate și umiditate ridicată poate accelera îmbătrânirea componentelor, ducând la o scădere a performanței izolației: în medii cu temperatură ridicată-, materialele componentelor suferă îmbătrânire termică, ceea ce determină o scădere treptată a performanței acestora; în medii cu-umiditate ridicată, componentele pot deveni umede, afectându-le proprietățile de izolare.

• La punctele de conectare se acumulează praf și coroziune, ceea ce poate perturba continuitatea electrică și poate cauza descărcarea de gol: În mediile cu praf și corozivitate puternică, punctele de conectare tind să acumuleze o cantitate mare de praf și substanțe corozive. Aceste materiale pot împiedica transmiterea curentului electric, pot crește rezistența la punctele de conectare, pot genera temperaturi ridicate și pot provoca arc.

3.Tehnologia de detectare și aplicarea arcului DC în fotovoltaică

3.1 Întrerupător de circuit de defecțiune arc (AFCI/AFDD)

Funcția unui AFCI este de a „detecta și întrerupe alimentarea” imediat când apare un arc, împiedicând răspândirea incendiului.

De obicei, este integrat în cutii de combinare DC, invertoare sau întrerupătoare pentru a monitoriza semnalele curente în timp real. Când apare un arc, forma de undă curentă prezintă un zgomot specific de-frecvență înaltă și o distorsiune. AFCI folosește algoritmi pentru a detecta acest semnal anormal și deconectează rapid circuitul.

După cum se arată în forma de undă a spectrului curent de mai sus, roșul indică apariția unui arc electric, contrastând clar cu albastrul unde nu există arc.

Într-un sistem electric obișnuit, zgomotul de fundal aleatoriu variază în general doar la frecvențe de peste 200 kHz. În schimb, circuitele controlerului de comutare, cum ar fi invertoarele din sistemul electric, funcționează de obicei la spectre sub 50 kHz. Ca să nu mai vorbim că semnalul sursei de curent alternativ în sine este la o frecvență și mai mică de 50/60 Hz. Prin urmare, folosind algoritmul FFT pentru a converti curentul de cablu detectat în domeniul frecvenței și apoi analizând banda de frecvență între 30 kHz și 100 kHz, este posibil să se facă distincția eficientă între funcționarea normală a sistemului de circuit și condițiile anormale de arc.

Structura principală

Întreruptoarele AFCI cu defect de arc constau în principal dintr-un modul întrerupător, un modul de scurgere, un modul de alimentare, un modul de condiționare a semnalului, un modul de declanșare și un modul de interfață de comunicație.

• Modul de alimentare: furnizează energie dispozitivelor relevante din interiorul AFCI/AFDD.

• Modul de condiționare a semnalului: Semnalul de curent din circuitul principal este transmis printr-un transformator de curent de linie către modulul de condiționare a semnalului. Modulul amplifică, rectifică și filtrează semnalul înainte de a-l trimite la microcontroler pentru procesare.

• Modul de declanșare: în întrerupătorul de circuit de declanșare AFCI, structura electromagnetică a modulului de declanșare adoptă o nouă tehnologie de{0}}economisire a energiei, reducând la minimum pierderile de miez și pierderile de scurt-circuit ale sistemului electromagnetic al comutatorului, maximizând astfel economiile de energie. Se adaugă un dispozitiv de tamponare pentru a reduce impactul energiei asupra sistemului electromagnetic, îmbunătățind performanța de închidere a comutatorului și prelungind durata de viață a acestuia. Mecanismul de operare al modulului de declanșare poate primi semnale de defecțiune detectate de cipul principal de control MCU și poate întrerupe circuitul bobinei prin contacte de control, mecanismul electromagnetic întrerupând circuitul principal. După eliminarea defecțiunii, apăsarea butonului de operare resetează modulul.

• Modulul de interfață de comunicație: acest modul permite transmiterea-în timp real a datelor, cum ar fi semnalele de curent, tensiune, fază curentă și arc către computerul terminal, permițând monitorizarea de la distanță.

Principiul de funcționare

Cipul de control principal MCU al întreruptorului de defect de arc AFCI monitorizează semnalul curent în circuitul principal în timp real. Când este detectată o defecțiune de arc în circuitul principal, microcontrolerul trimite un semnal de declanșare, iar circuitul de declanșare execută operația de declanșare.

3.2 Tehnologia imaginii termice în infraroșu

Tehnologia de termoviziune în infraroșu detectează încălzirea anormală la punctele de conectare printr-o cameră cu infraroșu, permițând identificarea în avans a potențialelor riscuri de arc. Contactul slab este adesea însoțit de temperaturi ridicate localizate, iar imaginile termice în infraroșu pot afișa clar aceste zone cu temperatură ridicată-, oferind personalului de întreținere o referință intuitivă.

4.Măsuri de protecție și implementare pentru defecțiuni de arc DC în fotovoltaică

4.1 Instalare standard

Instalarea corectă este fundamentul pentru prevenirea arcului de curent continuu în sistemele fotovoltaice. În timpul procesului de instalare, asigurați-vă că conectorii și îmbinările cablurilor sunt ferm sertizate pentru a evita conexiunile slăbite. Pentru sertizare trebuie utilizate unelte profesionale, care funcționează cu forța specificată pentru a asigura o rezistență minimă la contact la punctele de conectare.

În același timp, alegeți materiale de izolare care îndeplinesc standardele pentru a reduce riscul de deteriorare mecanică. La instalarea cablurilor, evitați îndoirea și întinderea excesivă pentru a preveni deteriorarea stratului de izolație.

4.2 Selectarea componentelor

Alegeți conectori și cabluri care sunt rezistente la îmbătrânire și la temperaturi ridicate, și mai ales în medii dure, sporesc nivelul de protecție al componentelor (cum ar fi IP65/IP67). Atunci când selectați componente, luați în considerare pe deplin condițiile de mediu ale centralei fotovoltaice, cum ar fi temperatura, umiditatea și coroziunea.

De exemplu, în centralele fotovoltaice din zonele cu temperatură înaltă-, ar trebui să fie aleși conectori și cabluri care pot menține performanța stabilă la temperaturi mai ridicate; în medii foarte corozive, cum ar fi zonele de coastă, trebuie selectate componente cu rezistență la coroziune.

4.3 Optimizarea designului sistemului

Optimizarea designului sistemului este esențială pentru prevenirea arcului de curent continuu în sistemele fotovoltaice. În timpul procesului de proiectare, este important să se evite tensiunile DC excesiv de ridicate (care trebuie să respecte standardele de siguranță), să se reducă porțiunile lungi ale cablurilor și să se minimizeze probabilitatea de descărcare a golului.

Planificați în mod rezonabil amenajarea modulelor fotovoltaice și trasarea cablurilor, având ca scop minimizarea lungimii cablului și reducerea numărului de coturi și îmbinări ale cablurilor. În același timp, ar trebui instalate dispozitive de protecție adecvate, cum ar fi siguranțe, întrerupătoare și dispozitive de protecție împotriva arcului electric, pentru a întrerupe rapid alimentarea în cazul oricăror anomalii în circuit.