Photovoltaic DC Arc Issues Introduktion och lösningar

Med den snabba utvecklingen av solteknik har solenergiproduktion blivit en av de viktiga gröna energilösningarna världen över. Solceller spelar en viktig roll, oavsett om det är på hustak, industriparker eller storskaliga solkraftsanläggningar. Samtidigt uppmärksammas successivt säkerhetsfrågorna för solcellsanläggningar. Likströmsbåge, som ett elektriskt fenomen som kan påverka stabiliteten hos solcellssystem, är värt att noggrant förstå av alla utövare och användare.

1. Betydelsen av DC Arc Striking

Likströmsbåge, som namnet antyder, syftar på fenomenet där en ljusbåge bildas mellan kontaktpunkter när strömbanan i en likströmskrets plötsligt avbryts.

En elektrisk ljusbåge är en typ av gasurladdningsfenomen. När en gas joniseras bildar den en ledande kanal, vilket resulterar i en elektrisk ljusbåge. I fotovoltaiska DC-kretsar, när ett litet gap uppstår i kretsen, kommer DC-spänningen över gapet att skapa ett elektriskt fält inom den. När den elektriska fältstyrkan når en viss nivå blir luftmolekyler joniserade. Luftmolekyler är uppbyggda av atomer, som består av positivt laddade kärnor och negativt laddade elektroner. Under ett starkt elektriskt fält får elektroner tillräckligt med energi för att bryta sig loss från kärnan och bli fria elektroner. Dessa fria elektroner accelererar i det elektriska fältet, kolliderar med andra luftmolekyler, joniserar fler molekyler och skapar därigenom ett stort antal fria elektroner och positiva joner. Denna process är känd som gasnedbrytning. När gasen bryts ner bildas en elektrisk ljusbåge.

DC Arc Striking Process:

För likström, eftersom den inte har någon nollgenomgångspunkt och strömriktningen inte ändras, kan ljusbågen kontinuerligt ta emot energi, vilket gör det svårt att släcka på egen hand.

Enligt kretsanslutningsmetoden och bågens placering kan ljusbågar delas upp i seriebågar och parallella bågar (Jordbåge kan betraktas som en speciell typ av parallellbåge). Seriebågar förekommer vanligtvis inom en enda strömförande ledare. Eftersom avståndet mellan ledarna är litet och det finns många ledare, är förekomstfrekvensen högre; Dessutom, eftersom seriebågssignalen är svag och lätt maskerad av brus, är den svår att upptäcka och, om den inte åtgärdas i tid, kan den lätt orsaka bränder. Parallella bågar uppstår vanligtvis mellan olika spänningsförande ledare. Eftersom avståndet mellan ledarna är stort och vägen är komplex, är förekomstfrekvensen lägre. För närvarande kan skyddsåtgärder som säkringar och strömbrytare effektivt kontrollera effekten av parallella ljusbågar.

2. Orsaker tillDC Arc Striking

2.1 Anslutningskomponentproblem

Anslutningskomponenter är en av de vanligaste felpunkterna i solcellssystem och är också en viktig orsak till likströmsbågar.

• Lösa, oxiderade eller slitna kontakter (som MC4-kontakter) är vanliga problem: Under lång-användning kan kontakter lossna på grund av faktorer som vibrationer och temperaturförändringar. Lösa kontakter kan öka kontaktresistansen, generera en stor mängd värme när ström passerar, vilket gör att kontaktens temperatur stiger. Höga temperaturer påskyndar oxidationen och slitaget av kontaktdonet, vilket skapar en ond cirkel som så småningom leder till luckor, vilket kan utlösa ljusbågsbildning.

• Kabelförbandspressning håller inte standarden: Otillräcklig presskraft eller läckage kan leda till dålig kontakt vid kabelförband, vilket på samma sätt ökar kontaktmotståndet, genererar höga temperaturer och kan följaktligen orsaka ljusbågar.

2.2 Ledarproblem

Ledningar är viktiga komponenter i solcellssystem för att överföra ström, och deras kvalitet och skick påverkar direkt den säkra driften av systemet.

• Skador på kabelisoleringsskiktet kan orsaka ett gap mellan ledaren och jordningskroppar eller metallstöd, vilket kan leda till ljusbågar: Kabelisoleringen kan skadas under installation eller användning på grund av faktorer som mekanisk skada eller kemisk korrosion.

• Tråden kan skadas av yttre krafter (som gnagare som gnager eller mekanisk friktion), vilket resulterar i lokal exponering, vilket också är en av orsakerna till bågsträckning: I vissa utomhus solcellskraftverk förekommer gnagare som gnager på kablar då och då.

2.3 Miljö- och åldrandefaktorer

Miljöfaktorer och utrustningens åldrande är också viktiga orsaker till likströmsbågar i solcellssystem.

• Långvarig exponering för höga temperaturer och hög luftfuktighet kan påskynda komponenternas åldrande, vilket leder till en försämring av isoleringsprestanda: I miljöer med hög-temperatur genomgår materialen i komponenterna termisk åldring, vilket gör att deras prestanda gradvis försämras; i miljöer med hög-fuktighet kan komponenterna bli fuktiga, vilket påverkar deras isoleringsegenskaper.

• Damm och korrosion byggs upp vid anslutningspunkterna, vilket kan störa den elektriska kontinuiteten och orsaka spalturladdning: I dammiga miljöer med stark korrosivitet tenderar anslutningspunkter att samla en stor mängd damm och korrosiva ämnen. Dessa material kan hindra överföringen av elektrisk ström, öka motståndet vid anslutningspunkterna, generera höga temperaturer och potentiellt orsaka ljusbågar.

3. Detektionsteknik och tillämpning av DC-båge i solceller

3.1 Ljusbågsfelsbrytare (AFCI/AFDD)

Funktionen hos en AFCI är att "upptäcka och stänga av strömmen" omedelbart när en ljusbåge uppstår, vilket förhindrar att elden sprider sig.

Den är vanligtvis integrerad i DC-kombinationsboxar, växelriktare eller strömbrytare för att övervaka strömsignaler i realtid. När en ljusbåge uppstår uppvisar den aktuella vågformen specifikt högfrekvent brus och distorsion. AFCI använder algoritmer för att upptäcka denna onormala signal och kopplar snabbt bort kretsen.

Som visas i det aktuella spektrumvågformen ovan indikerar det röda förekomsten av en elektrisk båge, tydligt i kontrast till den blå där det inte finns någon båge.

I ett typiskt elektriskt system varierar slumpmässigt bakgrundsbrus i allmänhet bara märkbart vid frekvenser över 200 kHz. Däremot arbetar omkopplande styrkretsar såsom växelriktare i det elektriska systemet typiskt vid spektra under 50 kHz. För att inte nämna, själva strömförsörjningssignalen har en ännu lägre frekvens på 50/60 Hz. Genom att använda FFT-algoritmen för att omvandla den detekterade kabelströmmen till frekvensdomänen och sedan analysera frekvensbandet mellan 30 kHz och 100 kHz, är det därför möjligt att effektivt skilja mellan normal drift av kretssystemet och onormala ljusbågsförhållanden.

Huvudstruktur

AFCI-bågsfelsbrytare består huvudsakligen av en brytarmodul, läckagemodul, kraftmodul, signalbehandlingsmodul, utlösningsmodul och kommunikationsgränssnittsmodul.

• Strömmodul: ger ström till relevanta enheter inuti AFCI/AFDD.

• Signalbehandlingsmodul: Strömsignalen i huvudkretsen leds genom en linjeströmtransformator till signalbehandlingsmodulen. Modulen förstärker, likriktar och filtrerar signalen innan den skickas till mikrokontrollern för bearbetning.

• Utlösningsmodul: I AFCI-ljusbågsfelsbrytaren antar den elektromagnetiska strukturen hos utlösningsmodulen en ny-energibesparande teknik, vilket minimerar kärnförlusterna och-kortslutningsförlusterna i det elektromagnetiska brytarsystemet, och maximerar därmed energibesparingarna. En buffertanordning läggs till för att minska energipåverkan på det elektromagnetiska systemet, förbättra switchens stängningsprestanda och förlänga dess livslängd. Driftsmekanismen för utlösningsmodulen kan ta emot felsignaler som detekteras av huvudkontrollchipset MCU och avbryta spolkretsen genom styrkontakter, varvid den elektromagnetiska mekanismen bryter huvudkretsen. Efter att felet har åtgärdats, återställs modulen genom att trycka på manöverknappen.

• Kommunikationsgränssnittsmodul: Denna modul tillåter realtidsöverföring av data som ström, spänning, strömfas och ljusbågssignaler till terminaldatorn, vilket möjliggör fjärrövervakning.

Arbetsprincip

Huvudkontrollchipet MCU för AFCI-bågfelsbrytaren övervakar strömsignalen i huvudkretsen i realtid. När ett ljusbågsfel upptäcks i huvudkretsen sänder mikrokontrollern en utlösningssignal och utlösningskretsen utför utlösningsoperationen.

3.2 Infraröd termisk bildteknik

Infraröd värmeavbildningsteknik upptäcker onormal uppvärmning vid anslutningspunkter genom en infraröd kamera, vilket gör att potentiella ljusbågarisker kan identifieras i förväg. Dålig kontakt åtföljs ofta av lokaliserade höga temperaturer, och infraröd värmeavbildning kan tydligt visa dessa områden med hög-temperatur, vilket ger underhållspersonal en intuitiv referens.

4. Skyddsåtgärder och implementering för DC-bågsfel i solceller

4.1 Standardinstallation

Korrekt installation är grunden för att förhindra likströmsbågar i solcellsanläggningar. Se till att kontakter och kabelskarvar är ordentligt krympta under installationsprocessen för att undvika lösa anslutningar. Professionella verktyg bör användas för pressning, arbeta med den specificerade kraften för att säkerställa minimalt kontaktmotstånd vid anslutningspunkterna.

Välj samtidigt isoleringsmaterial som uppfyller standarderna för att minska risken för mekaniska skador. Vid installation av kablar, undvik överdriven böjning och sträckning för att förhindra skador på isoleringsskiktet.

4.2 Komponentval

Välj kontakter och kablar som är resistenta mot åldrande och höga temperaturer, och särskilt i tuffa miljöer, förbättrar komponenternas skyddsnivå (som IP65/IP67). När du väljer komponenter, överväg fullständigt miljöförhållandena för solcellskraftverket, såsom temperatur, luftfuktighet och korrosivitet.

Till exempel, i solcellsanläggningar i områden med hög-temperatur bör kontakter och kablar som kan bibehålla stabil prestanda vid högre temperaturer väljas. i mycket korrosiva miljöer som kustområden bör komponenter med korrosionsbeständighet väljas.

4.3Systemdesignoptimering

Optimering av systemdesign är avgörande för att förhindra likströmsbågar i solcellssystem. Under designprocessen är det viktigt att undvika alltför höga DC-spänningar (som måste uppfylla säkerhetsstandarder), minska långa kabeldragningar och minimera sannolikheten för gapurladdning.

Planera rimligt arrangemanget av solcellsmoduler och dragningen av kablar, i syfte att minimera kabellängden och minska antalet böjar och skarvar i kablarna. Samtidigt bör lämpliga skyddsanordningar installeras, såsom säkringar, strömbrytare och ljusbågsfelskyddsanordningar, för att omedelbart stänga av strömmen vid eventuella avvikelser i kretsen.