مقدمه و راه حل مسائل مربوط به قوس DC فتوولتائیک

با توسعه سریع فناوری خورشیدی، تولید برق فتوولتائیک به یکی از راه حل های مهم انرژی سبز در سراسر جهان تبدیل شده است. سیستم های فتوولتائیک چه در پشت بام های مسکونی، چه در پارک های صنعتی و چه در نیروگاه های خورشیدی در مقیاس بزرگ نقش مهمی دارند. در عین حال، مسائل ایمنی سیستم های فتوولتائیک به تدریج مورد توجه قرار می گیرد. قوس DC، به عنوان یک پدیده الکتریکی که ممکن است بر پایداری سیستم های فتوولتائیک تأثیر بگذارد، ارزش درک دقیق توسط هر پزشک و کاربر را دارد.

1. معنی ضربه زدن قوس DC

قوس جریان مستقیم همانطور که از نام آن پیداست به پدیده ای اشاره دارد که در آن یک قوس بین نقاط تماس زمانی که مسیر جریان در مدار جریان مستقیم به طور ناگهانی قطع می شود، ایجاد می شود.

قوس الکتریکی نوعی پدیده تخلیه گاز است. هنگامی که گاز یونیزه می شود، یک کانال رسانا را تشکیل می دهد و در نتیجه قوس الکتریکی ایجاد می شود. در مدارهای DC فتوولتائیک، هنگامی که یک شکاف کوچک در مدار رخ می دهد، ولتاژ DC در سراسر شکاف، یک میدان الکتریکی در آن ایجاد می کند. هنگامی که شدت میدان الکتریکی به حد معینی می رسد، مولکول های هوا یونیزه می شوند. مولکول های هوا از اتم هایی تشکیل شده اند که از هسته هایی با بار مثبت و الکترون هایی با بار منفی تشکیل شده اند. تحت یک میدان الکتریکی قوی، الکترون ها انرژی کافی برای رها شدن از هسته و تبدیل شدن به الکترون های آزاد به دست می آورند. این الکترون‌های آزاد در میدان الکتریکی شتاب می‌گیرند، با مولکول‌های دیگر هوا برخورد می‌کنند، مولکول‌های بیشتری را یونیزه می‌کنند و در نتیجه تعداد زیادی الکترون آزاد و یون‌های مثبت ایجاد می‌کنند. این فرآیند به عنوان شکست گاز شناخته می شود. هنگامی که گاز تجزیه می شود، قوس الکتریکی تشکیل می شود.

فرآیند ضربه زدن با قوس DC:

برای جریان مستقیم، از آنجایی که نقطه عبور صفر ندارد و جهت جریان تغییر نمی کند، قوس می تواند به طور مداوم انرژی دریافت کند و خاموش کردن آن به تنهایی دشوار است.

با توجه به روش اتصال مدار و محل قوس، قوس ها را می توان به قوس های سری و موازی تقسیم کرد (قوس زمینی را می توان نوع خاصی از قوس موازی در نظر گرفت). قوس های سری معمولاً در یک هادی زنده رخ می دهند. از آنجا که فاصله بین هادی ها کم است و هادی های زیادی وجود دارد، فراوانی وقوع بیشتر است. علاوه بر این، از آنجایی که سیگنال قوس سری ضعیف است و به راحتی توسط نویز پوشانده می شود، تشخیص آن دشوار است و در صورت عدم رسیدگی به موقع، می تواند به راحتی باعث آتش سوزی شود. قوس‌های موازی معمولاً بین هادی‌های مختلف جریان دارند. از آنجایی که فاصله بین هادی ها زیاد و مسیر پیچیده است، فراوانی وقوع کمتر است. در حال حاضر، اقدامات حفاظتی مانند فیوزها و قطع کننده های مدار می توانند تاثیر قوس های موازی را به طور موثر کنترل کنند.

2. عللDC Arc Striking

2.1 مشکلات مولفه اتصال

اجزای اتصال یکی از رایج ترین نقاط مشکل در سیستم های فتوولتائیک هستند و همچنین یکی از دلایل اصلی ایجاد قوس DC هستند.

• اتصالات شل، اکسید شده یا فرسوده (مانند دوشاخه های MC4) مشکلات رایجی هستند: در طول استفاده طولانی مدت، کانکتورها ممکن است به دلیل عواملی مانند لرزش و تغییرات دما شل شوند. کانکتورهای شل می توانند مقاومت تماس را افزایش دهند و در هنگام عبور جریان مقدار زیادی گرما ایجاد کنند و باعث افزایش دمای کانکتور می شوند. دمای بالا اکسیداسیون و سایش کانکتور را تسریع می‌کند و یک چرخه معیوب ایجاد می‌کند که در نهایت منجر به شکاف‌هایی می‌شود که می‌تواند باعث ایجاد قوس شود.

• چین و چروک شدن اتصالات کابل در حد استاندارد نیست: نیروی چروک یا نشتی ناکافی می تواند منجر به تماس ضعیف در اتصالات کابل شود که به طور مشابه مقاومت تماس را افزایش می دهد، دمای بالا ایجاد می کند و در نتیجه می تواند باعث ایجاد قوس شود.

2.2 مشکلات هادی

سیم ها از اجزای مهم سیستم های فتوولتائیک برای انتقال جریان هستند و کیفیت و وضعیت آنها مستقیماً بر عملکرد ایمن سیستم تأثیر می گذارد.

• آسیب به لایه عایق کابل می تواند باعث ایجاد شکاف بین هادی و بدنه های زمین یا تکیه گاه های فلزی شود که می تواند منجر به ایجاد قوس شود: عایق کابل ممکن است در حین نصب یا استفاده به دلیل عواملی مانند آسیب مکانیکی یا خوردگی شیمیایی آسیب ببیند.

• سیم ممکن است توسط نیروهای خارجی (مانند جویدن جوندگان یا اصطکاک مکانیکی) آسیب ببیند و در نتیجه در معرض قرار گرفتن موضعی قرار گیرد، که این نیز یکی از دلایل کشش قوس است: در برخی از نیروگاه های فتوولتائیک در فضای باز، جویدن جوندگان روی کابل ها گهگاه اتفاق می افتد.

2.3 عوامل محیطی و پیری

عوامل محیطی و پیری تجهیزات نیز از عوامل مهم ایجاد قوس DC در سیستم های فتوولتائیک هستند.

• قرار گرفتن طولانی‌مدت در معرض دماهای بالا و رطوبت بالا می‌تواند پیری اجزا را تسریع کند و منجر به کاهش عملکرد عایق شود: در محیط‌های{0}در دمای بالا، مواد اجزاء تحت پیری حرارتی قرار می‌گیرند و باعث کاهش تدریجی عملکرد آنها می‌شوند. در محیط‌های{1}}با رطوبت بالا، اجزا می‌توانند مرطوب شوند و بر ویژگی‌های عایق آن‌ها تأثیر بگذارند.

• گرد و غبار و خوردگی در نقاط اتصال ایجاد می شود که می تواند تداوم الکتریکی را مختل کند و باعث تخلیه شکاف شود: در محیط های غبارآلود با خورندگی قوی، نقاط اتصال تمایل به تجمع مقدار زیادی گرد و غبار و مواد خورنده دارند. این مواد می توانند مانع انتقال جریان الکتریکی شوند، مقاومت در نقاط اتصال را افزایش دهند، دماهای بالا ایجاد کنند و به طور بالقوه باعث ایجاد قوس الکتریکی شوند.

3. فناوری تشخیص و کاربرد قوس DC در فتوولتائیک

3.1 قطع کننده مدار خطای قوس (AFCI/AFDD)

عملکرد AFCI این است که بلافاصله هنگام وقوع قوس، "تشخیص و قطع برق" را انجام دهد و از گسترش آتش جلوگیری کند.

معمولاً در جعبه‌های ترکیب‌کننده DC، اینورترها یا قطع کننده‌های مدار برای نظارت بر سیگنال‌های جریان در زمان واقعی ادغام می‌شود. هنگامی که یک قوس رخ می دهد، شکل موج فعلی نویز و اعوجاج با فرکانس بالا- خاص را نشان می دهد. AFCI از الگوریتم هایی برای تشخیص این سیگنال غیرعادی استفاده می کند و به سرعت مدار را قطع می کند.

همانطور که در شکل موج طیف فعلی در بالا نشان داده شده است، رنگ قرمز نشان دهنده وقوع یک قوس الکتریکی است که به وضوح با آبی که در آن قوس وجود ندارد، متضاد است.

در یک سیستم الکتریکی معمولی، نویز تصادفی پس‌زمینه معمولاً فقط در فرکانس‌های بالای 200 کیلوهرتز به‌طور قابل توجهی تغییر می‌کند. در مقابل، مدارهای کنترل کننده سوئیچینگ مانند اینورترها در سیستم الکتریکی معمولاً در طیف های زیر 50 کیلوهرتز کار می کنند. ناگفته نماند، سیگنال منبع تغذیه AC خود در فرکانس پایین تر 50/60 هرتز است. بنابراین، با استفاده از الگوریتم FFT برای تبدیل جریان کابل شناسایی شده به حوزه فرکانس و سپس آنالیز باند فرکانسی بین 30 کیلوهرتز تا 100 کیلوهرتز، می توان به طور موثر بین عملکرد عادی سیستم مدار و شرایط قوس الکتریکی غیرعادی تمایز قائل شد.

ساختار اصلی

قطع کننده های مدار خطای قوس AFCI عمدتاً از یک ماژول شکن، ماژول نشتی، ماژول قدرت، ماژول تهویه سیگنال، ماژول واحد سفر و ماژول رابط ارتباطی تشکیل شده اند.

• ماژول برق: برق دستگاه های مربوطه را در داخل AFCI/AFDD تامین می کند.

• ماژول تهویه سیگنال: سیگنال جریان در مدار اصلی از طریق یک ترانسفورماتور جریان خط به ماژول تهویه سیگنال منتقل می شود. ماژول سیگنال را قبل از ارسال به میکروکنترلر برای پردازش، تقویت، تصحیح و فیلتر می کند.

• ماژول قطع: در مدار شکن خطای قوس AFCI، ساختار الکترومغناطیسی ماژول قطع‌کننده از فناوری جدید صرفه‌جویی در انرژی استفاده می‌کند، تلفات هسته و تلفات اتصال کوتاه سیستم الکترومغناطیسی سوئیچ را به حداقل می‌رساند و در نتیجه صرفه‌جویی در انرژی را به حداکثر می‌رساند. یک دستگاه بافر برای کاهش تأثیر انرژی بر سیستم الکترومغناطیسی، بهبود عملکرد بسته شدن سوئیچ و افزایش عمر مفید آن اضافه شده است. مکانیسم عملیاتی ماژول قطع می‌تواند سیگنال‌های خطا شناسایی شده توسط تراشه کنترل اصلی MCU را دریافت کند و مدار سیم‌پیچ را از طریق کنتاکت‌های کنترلی قطع کند و مکانیزم الکترومغناطیسی مدار اصلی را قطع کند. پس از رفع عیب، با فشار دادن دکمه عملکرد، ماژول مجدداً تنظیم می شود.

• ماژول رابط ارتباطی: این ماژول امکان انتقال{0}زمان واقعی داده‌ها مانند سیگنال‌های جریان، ولتاژ، فاز فعلی و قوس را به رایانه پایانه می‌دهد و نظارت از راه دور را امکان‌پذیر می‌سازد.

اصل کار

تراشه کنترل اصلی MCU مدارشکن خطای قوس AFCI سیگنال جریان در مدار اصلی را در زمان واقعی نظارت می کند. هنگامی که یک خطای قوس در مدار اصلی تشخیص داده می شود، میکروکنترلر یک سیگنال سفر ارسال می کند و مدار تریپ عملیات تریپ را اجرا می کند.

3.2 فناوری تصویربرداری حرارتی مادون قرمز

فناوری تصویربرداری حرارتی مادون قرمز گرمای غیرعادی را در نقاط اتصال از طریق یک دوربین مادون قرمز تشخیص می‌دهد و امکان شناسایی خطرات قوس بالقوه را از قبل می‌دهد. تماس ضعیف اغلب با دمای بالای موضعی همراه است و تصویربرداری حرارتی مادون قرمز می‌تواند به وضوح این مناطق{1}در دمای بالا را نمایش دهد و به پرسنل تعمیر و نگهداری یک مرجع بصری ارائه دهد.

4. اقدامات حفاظتی و پیاده سازی برای خطاهای قوس DC در فتوولتائیک

4.1 نصب استاندارد

نصب صحیح پایه ای برای جلوگیری از ایجاد قوس DC در سیستم های فتوولتائیک است. در طول مراحل نصب، اطمینان حاصل کنید که اتصالات و اتصالات کابل محکم بسته شده اند تا از اتصالات سست جلوگیری شود. باید از ابزارهای حرفه ای برای چین دادن استفاده کرد که با نیروی مشخص کار می کنند تا از حداقل مقاومت تماس در نقاط اتصال اطمینان حاصل شود.

در عین حال، مواد عایق را انتخاب کنید که مطابق با استانداردها باشد تا خطر آسیب مکانیکی کاهش یابد. هنگام نصب کابل ها از خم شدن و کشش بیش از حد خودداری کنید تا از آسیب به لایه عایق جلوگیری شود.

4.2 انتخاب مؤلفه

کانکتورها و کابل هایی را انتخاب کنید که در برابر کهنگی و دمای بالا مقاوم باشند و به ویژه در محیط های سخت، سطح حفاظتی قطعات را افزایش دهند (مانند IP65/IP67). هنگام انتخاب اجزاء، شرایط محیطی نیروگاه فتوولتائیک مانند دما، رطوبت و خورندگی را کاملاً در نظر بگیرید.

برای مثال، در نیروگاه‌های فتوولتائیک در مناطق با دمای{0}بالا، اتصالات و کابل‌هایی که می‌توانند عملکرد پایدار را در دماهای بالاتر حفظ کنند، باید انتخاب شوند. در محیط های بسیار خورنده مانند مناطق ساحلی، اجزای دارای مقاومت در برابر خوردگی باید انتخاب شوند.

4.3 بهینه سازی طراحی سیستم

بهینه سازی طراحی سیستم برای جلوگیری از ایجاد قوس DC در سیستم های فتوولتائیک بسیار مهم است. در طول فرآیند طراحی، اجتناب از ولتاژهای DC بیش از حد بالا (که باید با استانداردهای ایمنی مطابقت داشته باشد)، کاهش طول کابل و به حداقل رساندن احتمال تخلیه شکاف مهم است.

با هدف به حداقل رساندن طول کابل و کاهش تعداد خمیدگی ها و اتصالات در کابل ها، ترتیب ماژول های فتوولتائیک و مسیریابی کابل ها را معقولانه برنامه ریزی کنید. در عین حال باید وسایل حفاظتی مناسبی مانند فیوزها، قطع کننده های مدار و دستگاه های حفاظت از خطای قوس نصب شود تا در صورت بروز هرگونه ناهنجاری در مدار، به سرعت جریان برق قطع شود.