Проблеми фотоелектричної дуги постійного струму Введення та рішення

Зі швидким розвитком сонячних технологій фотоелектрична генерація електроенергії стала одним із важливих рішень для екологічної енергетики в усьому світі. Фотоелектричні системи відіграють важливу роль на дахах житлових будинків, промислових парках чи велико-масштабних сонячних електростанціях. У той же час питання безпеки фотоелектричних систем поступово привертають увагу. Дуга постійного струму, як електричне явище, яке може вплинути на стабільність фотоелектричних систем, заслуговує на уважне розуміння кожним практиком і користувачем.

1. Значення дуги постійного струму

Дуга постійного струму, як випливає з назви, відноситься до явища, коли дуга утворюється між контактними точками, коли шлях струму в колі постійного струму раптово переривається.

Електрична дуга — різновид газорозрядного явища. Коли газ іонізується, він утворює провідний канал, у результаті чого виникає електрична дуга. У фотоелектричних ланцюгах постійного струму, коли в ланцюзі виникає невеликий розрив, напруга постійного струму в цьому проміжку створює електричне поле всередині нього. Коли напруженість електричного поля досягає певного рівня, молекули повітря стають іонізованими. Молекули повітря складаються з атомів, які складаються з позитивно заряджених ядер і негативно заряджених електронів. Під сильним електричним полем електрони отримують достатньо енергії, щоб вирватися з ядра і стати вільними електронами. Ці вільні електрони прискорюються в електричному полі, стикаються з іншими молекулами повітря, іонізуючи більше молекул, створюючи таким чином велику кількість вільних електронів і позитивних іонів. Цей процес відомий як розпад газу. Коли газ розпадається, утворюється електрична дуга.

Процес запалювання дуги постійного струму:

Для постійного струму, оскільки він не має точки перетину нуля і напрямок струму не змінюється, дуга може постійно отримувати енергію, що ускладнює її самостійне гасіння.

Відповідно до способу з’єднання та розташування дуги, дуги можна розділити на послідовні дуги та паралельні дуги (дугу заземлення можна розглядати як особливий тип паралельної дуги). Послідовні дуги зазвичай виникають в межах одного провідника під напругою. Оскільки відстань між провідниками невелика, а провідників багато, частота появи вища; крім того, оскільки послідовний сигнал дуги слабкий і легко маскується шумом, його важко виявити, і якщо вчасно не вжити заходів, він може легко спричинити пожежу. Паралельні дуги зазвичай виникають між різними провідниками під напругою. Оскільки відстань між провідниками велика, а шлях складний, частота появи нижча. В даний час такі захисні засоби, як запобіжники та автоматичні вимикачі, можуть ефективно контролювати вплив паралельних дуг.

2. Причини виникненняDC Arc Striking

2.1 Проблеми з компонентом підключення

Компоненти підключення є однією з найпоширеніших проблемних точок у фотоелектричних системах, а також є основною причиною виникнення дуги постійного струму.

• Розхитані, окислені або зношені роз’єми (наприклад, штекери MC4) є поширеними проблемами: під час тривалого-користування роз’єми можуть роз’єднатися через такі фактори, як вібрація та зміни температури. Незакріплені роз’єми можуть збільшити опір контакту, утворюючи велику кількість тепла під час проходження струму, що спричиняє підвищення температури роз’єму. Високі температури прискорюють окислення та зношування з’єднувача, створюючи порочне коло, яке зрештою призводить до розривів, які можуть викликати дугу.

• Обжим кабельних з’єднань не відповідає стандартам: недостатня сила обтиску або витік може призвести до поганого контакту в кабельних з’єднаннях, що так само збільшує опір контакту, створює високі температури та, як наслідок, може викликати дугу.

2.2 Проблеми з провідником

Дроти є важливими компонентами фотоелектричних систем для передачі струму, і їх якість і стан безпосередньо впливають на безпечну роботу системи.

• Пошкодження шару ізоляції кабелю може спричинити зазор між провідником і заземлюючими частинами або металевими опорами, що може призвести до утворення дуги: ізоляція кабелю може бути пошкоджена під час монтажу або використання через такі фактори, як механічні пошкодження або хімічна корозія.

• Дріт може бути пошкоджений зовнішніми силами (наприклад, гризунами або механічним тертям), що призводить до локального опромінення, що також є однією з причин розтягування дуги: на деяких вуличних фотоелектричних електростанціях час від часу гризуни гризуть кабелі.

2.3 Середовище та фактори старіння

Фактори навколишнього середовища та старіння обладнання також є важливими причинами виникнення дуги постійного струму в фотоелектричних системах.

• Тривалий вплив високих температур і високої вологості може пришвидшити старіння компонентів, що призведе до зниження ефективності ізоляції: у середовищі з високою-температурою матеріали компонентів піддаються термічному старінню, що призводить до поступового зниження їхніх характеристик; у середовищі з високою-вологістю компоненти можуть стати вологими, що вплине на їхні ізоляційні властивості.

• У точках з’єднання накопичується пил і корозія, що може порушити електричну безперервність і спричинити розряд у зазорі: у запиленому середовищі з сильною корозійною активністю точки з’єднання мають тенденцію накопичувати велику кількість пилу та корозійних речовин. Ці матеріали можуть перешкоджати передачі електричного струму, збільшувати опір у точках з’єднання, створювати високі температури та потенційно викликати дугу.

3. Технологія виявлення та застосування дуги постійного струму у фотоелектричних установках

3.1 Переривник ланцюга при замиканні дуги (AFCI/AFDD)

Функція AFCI полягає в тому, щоб «виявляти та відключати живлення» негайно, коли виникає дуга, запобігаючи поширенню вогню.

Зазвичай його інтегрують у суматорні блоки постійного струму, інвертори або автоматичні вимикачі для моніторингу поточних сигналів у реальному часі. Коли виникає дуга, хвиля струму демонструє специфічний високочастотний-шум і спотворення. AFCI використовує алгоритми для виявлення цього ненормального сигналу та швидко від’єднує ланцюг.

Як показано на хвилі поточного спектру вище, червоний колір вказує на виникнення електричної дуги, чітко контрастуючи з синім кольором, де дуги немає.

У типовій електричній системі випадковий фоновий шум зазвичай помітно змінюється лише на частотах понад 200 кГц. Навпаки, схеми комутаційного контролера, такі як інвертори в електричній системі, зазвичай працюють на спектрі нижче 50 кГц. Не кажучи вже про те, що сам сигнал джерела змінного струму має ще нижчу частоту 50/60 Гц. Таким чином, використовуючи алгоритм ШПФ для перетворення виявленого струму кабелю в частотну область і потім аналізуючи смугу частот між 30 кГц і 100 кГц, можна ефективно відрізнити нормальну роботу системи схеми від аномальних умов дуги.

Основна структура

Автоматичні вимикачі AFCI в основному складаються з модуля вимикача, модуля витоку, модуля живлення, модуля формування сигналу, модуля розчіплювача та модуля інтерфейсу зв’язку.

• Модуль живлення: подає живлення на відповідні пристрої всередині AFCI/AFDD.

• Модуль формування сигналу: Сигнал струму в основному ланцюзі передається через лінійний трансформатор струму до модуля формування сигналу. Модуль підсилює, випрямляє і фільтрує сигнал перед тим, як відправити його на обробку в мікроконтролер.

• Модуль відключення: у автоматичному вимикачі від дугового замикання AFCI електромагнітна структура модуля відключення застосовує нову технологію-збереження енергії, що мінімізує втрати в сердечнику та короткі{1}}замикання електромагнітної системи вимикача, таким чином максимізуючи енергозбереження. Буферний пристрій додається для зменшення енергетичного впливу на електромагнітну систему, покращуючи ефективність замикання вимикача та подовжуючи термін його служби. Робочий механізм модуля відключення може отримувати сигнали про несправності, виявлені головною мікросхемою керування MCU, і переривати ланцюг котушки через керуючі контакти, при цьому електромагнітний механізм розриває основне коло. Після усунення несправності натискання робочої кнопки скидає модуль.

• Модуль інтерфейсу зв’язку: цей модуль дозволяє-передавати дані в режимі реального часу, як-от струм, напруга, фаза струму та сигнали дуги, до кінцевого комп’ютера, уможливлюючи віддалений моніторинг.

Принцип роботи

Основна мікросхема керування MCU вимикача AFCI від дугового замикання контролює сигнал струму в головному колі в режимі реального часу. Коли в головному ланцюзі виявляється дугова несправність, мікроконтролер надсилає сигнал відключення, а схема відключення виконує операцію відключення.

3.2 Інфрачервона тепловізійна технологія

Технологія інфрачервоного теплового зображення виявляє ненормальне нагрівання в точках з’єднання за допомогою інфрачервоної камери, що дозволяє заздалегідь визначити потенційні ризики виникнення дуги. Поганий контакт часто супроводжується локальними високими температурами, і інфрачервоне тепловізор може чітко відобразити ці високо{1}}температурні зони, надаючи обслуговуючому персоналу інтуїтивно зрозумілу орієнтиру.

4. Захисні заходи та впровадження для дугових замикань постійного струму у фотоелектричних системах

4.1 Стандартне встановлення

Правильне встановлення є основою для запобігання виникненню постійного струму в фотоелектричних системах. Під час встановлення переконайтеся, що з’єднувачі та кабельні з’єднання міцно затиснуті, щоб уникнути ослаблення з’єднань. Для обтиску слід використовувати професійні інструменти, які діють із заданим зусиллям, щоб забезпечити мінімальний опір контакту в місцях з’єднання.

При цьому вибирайте ізоляційні матеріали, які відповідають стандартам, щоб знизити ризик механічних пошкоджень. Під час монтажу кабелів уникайте надмірного згинання та розтягування, щоб запобігти пошкодженню шару ізоляції.

4.2 Вибір компонентів

Вибирайте роз’єми та кабелі, стійкі до старіння та високих температур, а особливо в суворих умовах, підвищують рівень захисту компонентів (наприклад, IP65/IP67). Вибираючи компоненти, повністю враховуйте умови навколишнього середовища фотоелектричної станції, такі як температура, вологість і агресивність.

Наприклад, для фотоелектричних електростанцій у зонах із високою-температурою слід вибирати з’єднувачі та кабелі, які можуть підтримувати стабільну роботу за вищих температур; у висококорозійних середовищах, таких як прибережні райони, слід вибирати компоненти з корозійною стійкістю.

4.3 Оптимізація дизайну системи

Оптимізація конструкції системи має вирішальне значення для запобігання електричній дузі постійного струму в фотоелектричних системах. У процесі проектування важливо уникати надмірно високих напруг постійного струму (які мають відповідати стандартам безпеки), зменшити протяжність кабелю та мінімізувати ймовірність розряду через зазор.

Розумно сплануйте розташування фотоелектричних модулів і прокладку кабелів, прагнучи мінімізувати довжину кабелю та зменшити кількість вигинів і з’єднань кабелів. У той же час слід встановити відповідні захисні пристрої, такі як запобіжники, автоматичні вимикачі та пристрої захисту від дугового замикання, щоб негайно відключити живлення у разі будь-яких несправностей у ланцюзі.