Uvod i rješenja fotonaponskih DC luka

S brzim razvojem solarne tehnologije, fotonaponska proizvodnja električne energije postala je jedno od važnih rješenja zelene energije širom svijeta. Fotonaponski sistemi igraju značajnu ulogu, bilo na stambenim krovovima, industrijskim parkovima ili velikim-solarnim elektranama. Istovremeno, sigurnosna pitanja fotonaponskih sistema postepeno dobijaju pažnju. DC luk, kao električni fenomen koji može uticati na stabilnost fotonaponskih sistema, vredan je pažljivog razumevanja svakog praktičara i korisnika.

1. Značenje udaranja DC luka

Luk jednosmjerne struje, kao što ime sugerira, odnosi se na fenomen gdje se luk formira između dodirnih točaka kada se strujni put u kolu jednosmjerne struje iznenada prekine.

Električni luk je vrsta fenomena plinskog pražnjenja. Kada je plin joniziran, on formira provodni kanal, što rezultira električnim lukom. U fotonaponskim jednosmjernim kolima, kada se u krugu pojavi mali zazor, jednosmjerni napon kroz prazninu će stvoriti električno polje unutar njega. Kada jačina električnog polja dostigne određeni nivo, molekuli vazduha postaju jonizovani. Molekule zraka se sastoje od atoma, koji se sastoje od pozitivno nabijenih jezgara i negativno nabijenih elektrona. Pod jakim električnim poljem, elektroni dobijaju dovoljno energije da se oslobode jezgra i postanu slobodni elektroni. Ovi slobodni elektroni ubrzavaju se u električnom polju, sudaraju se s drugim molekulama zraka, ionizirajući više molekula, stvarajući tako veliki broj slobodnih elektrona i pozitivnih iona. Ovaj proces je poznat kao razgradnja gasa. Kada se gas razgradi, formira se električni luk.

Proces udaranja DC luka:

Za jednosmjernu struju, budući da nema nultu tačku križanja i smjer struje se ne mijenja, luk može kontinuirano primati energiju, što otežava samostalno gašenje.

Prema načinu povezivanja kola i lokaciji luka, lukovi se mogu podijeliti na serijske i paralelne lukove (Luk uzemljenja se može smatrati posebnom vrstom paralelnog luka). Serijski lukovi se obično javljaju unutar jednog provodnika pod naponom. Budući da je razmak između provodnika mali i ima mnogo provodnika, učestalost pojavljivanja je veća; štoviše, budući da je signal serije luka slab i lako se maskira šumom, teško ga je otkriti i, ako se ne riješi na vrijeme, može lako uzrokovati požar. Paralelni lukovi se obično javljaju između različitih vodiča pod naponom. Budući da je razmak između provodnika veliki i putanja složena, učestalost pojavljivanja je manja. Trenutno, zaštitne mjere kao što su osigurači i prekidači mogu efikasno kontrolirati utjecaj paralelnih luka.

2. UzrociDC Arc Striking

2.1 Problemi s komponentama veze

Komponente za povezivanje su jedna od najčešćih problematičnih tačaka u fotonaponskim sistemima, a takođe su i glavni uzrok DC luka.

• Labavi, oksidirani ili istrošeni konektori (kao što su MC4 utikači) su uobičajeni problemi: Tokom dugotrajne- upotrebe, konektori se mogu olabaviti zbog faktora kao što su vibracije i promjene temperature. Labavi konektori mogu povećati otpor kontakta, stvarajući veliku količinu topline kada struja prolazi, uzrokujući porast temperature konektora. Visoke temperature ubrzavaju oksidaciju i trošenje konektora, stvarajući začarani krug koji na kraju dovodi do praznina, što može izazvati stvaranje luka.

• Krimpovanje kablovskih spojeva nije u skladu sa standardom: Nedovoljna sila presovanja ili curenje mogu dovesti do lošeg kontakta na spojevima kablova, što na sličan način povećava otpor kontakta, stvara visoke temperature i posljedično može izazvati luk.

2.2 Problemi sa provodnicima

Žice su važne komponente fotonaponskih sistema za prenos struje, a njihov kvalitet i stanje direktno utiču na siguran rad sistema.

• Oštećenje izolacionog sloja kabla može prouzrokovati zazor između provodnika i tela za uzemljenje ili metalnih nosača, što može dovesti do stvaranja luka: Izolacija kabla se može oštetiti tokom instalacije ili upotrebe usled faktora kao što su mehanička oštećenja ili hemijska korozija.

• Žica se može oštetiti vanjskim silama (kao što su glodari koji grizu ili mehaničko trenje), što rezultira lokalnom izloženošću, što je također jedan od uzroka istezanja luka: U nekim vanjskim fotonaponskim elektranama, glodari koji grizu kabele se s vremena na vrijeme javljaju.

2.3 Okolina i faktori starenja

Faktori okoline i starenje opreme takođe su važni uzroci DC luka u fotonaponskim sistemima.

• Produženo izlaganje visokim temperaturama i visokoj vlažnosti može ubrzati starenje komponenti, što dovodi do pada performansi izolacije: U okruženjima s visokim-temperaturama, materijali komponenti podliježu termičkom starenju, uzrokujući postupno opadanje njihovih performansi; u okruženjima s visokom-vlažnošću, komponente mogu postati vlažne, što utiče na njihova izolacijska svojstva.

• Prašina i korozija se nakupljaju na priključnim točkama, što može poremetiti električni kontinuitet i uzrokovati pražnjenje: U prašnjavim sredinama sa jakom korozivnošću, priključne tačke imaju tendenciju da akumuliraju veliku količinu prašine i korozivnih tvari. Ovi materijali mogu ometati prijenos električne struje, povećati otpor na mjestima spajanja, generirati visoke temperature i potencijalno uzrokovati stvaranje luka.

3. Tehnologija detekcije i primjena DC luka u fotonaponskoj opremi

3.1 Prekidač strujnog kruga s greškom luka (AFCI/AFDD)

Funkcija AFCI-a je da 'detektuje i prekine napajanje' odmah kada se pojavi luk, sprečavajući širenje požara.

Obično je integriran u DC kombinatorske kutije, pretvarače ili prekidače za praćenje strujnih signala u realnom vremenu. Kada se pojavi luk, trenutni talasni oblik pokazuje specifičan visoko-šum i izobličenje. AFCI koristi algoritme za otkrivanje ovog abnormalnog signala i brzo isključuje strujni krug.

Kao što je prikazano u trenutnom talasnom obliku spektra iznad, crvena označava pojavu električnog luka, u jasnom kontrastu sa plavom gdje nema luka.

U tipičnom električnom sistemu, pozadinski slučajni šum generalno primetno varira samo na frekvencijama iznad 200 kHz. Nasuprot tome, sklopovi prekidača kao što su invertori u električnom sistemu obično rade na spektru ispod 50 kHz. Da ne spominjemo, sam signal napajanja naizmjeničnom strujom je na još nižoj frekvenciji od 50/60 Hz. Stoga, korištenjem FFT algoritma za pretvaranje detektovane struje kabla u frekvencijski domen, a zatim analiziranjem frekvencijskog opsega između 30 kHz i 100 kHz, moguće je efikasno razlikovati normalan rad sistema kola i abnormalne uslove za stvaranje luka.

Glavna struktura

AFCI automatski prekidači sa greškom luka se uglavnom sastoje od modula prekidača, modula curenja, modula napajanja, modula za kondicioniranje signala, modula okidačke jedinice i modula komunikacijskog interfejsa.

• Modul napajanja: napaja relevantne uređaje unutar AFCI/AFDD.

• Modul za kondicioniranje signala: Strujni signal u glavnom kolu prolazi kroz strujni transformator do modula za kondicioniranje signala. Modul pojačava, ispravlja i filtrira signal prije nego što ga pošalje mikrokontroleru na obradu.

• Modul za okidanje: U AFCI lučnom prekidaču, elektromagnetna struktura modula za okidanje usvaja novu tehnologiju{0}}uštede energije, minimizirajući gubitke u jezgri i kratko{1}} gubitke u elektromagnetnom sistemu prekidača, čime se maksimizira ušteda energije. Dodan je uređaj za puferiranje kako bi se smanjio uticaj energije na elektromagnetski sistem, poboljšavajući performanse zatvaranja prekidača i produžavajući njegov vijek trajanja. Radni mehanizam modula za okidanje može primiti signale greške koje je detektirao glavni upravljački čip MCU i prekinuti kolo zavojnice preko kontrolnih kontakata, pri čemu elektromagnetski mehanizam prekida glavni krug. Nakon što je greška uklonjena, pritiskom na dugme za rad resetuje modul.

• Modul komunikacijskog interfejsa: Ovaj modul omogućava-prenos podataka u stvarnom vremenu kao što su struja, napon, trenutna faza i signali luka do terminalnog računara, omogućavajući daljinski nadzor.

Princip rada

Glavni upravljački čip MCU AFCI prekidača s greškom struje prati trenutni signal u glavnom kolu u realnom vremenu. Kada se otkrije greška luka u glavnom kolu, mikrokontroler šalje signal okidanja, a krug okidanja izvršava operaciju isključenja.

3.2 Tehnologija infracrvenog termičkog snimanja

Tehnologija infracrvenog termičkog snimanja detektuje abnormalno zagrevanje na mestima povezivanja preko infracrvene kamere, omogućavajući da se unapred identifikuju potencijalni rizici od luka. Loš kontakt je često praćen lokalizovanim visokim temperaturama, a infracrvena termalna slika može jasno prikazati ova područja visoke{1}}temperature, pružajući osoblju za održavanje intuitivnu referencu.

4. Zaštitne mjere i implementacija za kvarove DC luka u fotonaponskoj opremi

4.1Standardna instalacija

Pravilna instalacija je osnova za sprečavanje DC luka u fotonaponskim sistemima. Tokom procesa instalacije, uverite se da su konektori i spojevi kablova čvrsto uvijeni kako biste izbegli labave veze. Za presovanje treba koristiti profesionalne alate, koji rade sa specificiranom silom kako bi se osigurao minimalan kontaktni otpor na mjestima spajanja.

Istovremeno birajte izolacijske materijale koji zadovoljavaju standarde kako biste smanjili rizik od mehaničkih oštećenja. Prilikom postavljanja kablova izbjegavajte pretjerano savijanje i istezanje kako biste spriječili oštećenje izolacijskog sloja.

4.2 Odabir komponenti

Odaberite konektore i kablove koji su otporni na starenje i visoke temperature, a posebno u teškim okruženjima, poboljšavaju nivo zaštite komponenti (kao što je IP65/IP67). Prilikom odabira komponenti, u potpunosti razmotrite uslove okoline fotonaponske elektrane, kao što su temperatura, vlažnost i korozivnost.

Na primjer, u fotonaponskim elektranama u područjima sa visokim{0}}temperaturama treba odabrati konektore i kablove koji mogu održati stabilne performanse na višim temperaturama; u visoko korozivnim okruženjima kao što su priobalna područja treba odabrati komponente otporne na koroziju.

4.3 Optimizacija dizajna sistema

Optimizacija dizajna sistema je ključna za sprečavanje DC luka u fotonaponskim sistemima. Tokom procesa projektovanja, važno je izbjeći pretjerano visoke istosmjerne napone (koji moraju biti u skladu sa sigurnosnim standardima), smanjiti dugačke kablove i minimizirati vjerovatnoću pražnjenja praznine.

Razumno planirajte raspored fotonaponskih modula i polaganje kablova, sa ciljem da se minimizira dužina kabla i smanji broj krivina i spojeva u kablovima. Istovremeno, potrebno je instalirati odgovarajuće zaštitne uređaje, kao što su osigurači, prekidači i uređaji za zaštitu od kvara, kako bi se brzo prekinulo napajanje u slučaju bilo kakvih abnormalnosti u strujnom kolu.