Introducció i solucions de problemes d'arc de CC fotovoltaic

Amb el ràpid desenvolupament de la tecnologia solar, la generació d'energia fotovoltaica s'ha convertit en una de les solucions d'energia verda importants a tot el món. Els sistemes fotovoltaics tenen un paper important, ja sigui en terrats residencials, parcs industrials o centrals d'energia solar a gran-escala. Al mateix temps, els problemes de seguretat dels sistemes fotovoltaics estan guanyant atenció a poc a poc. L'arc de corrent continu, com a fenomen elèctric que pot afectar l'estabilitat dels sistemes fotovoltaics, mereix una comprensió acurada per part de tots els professionals i usuari.

1.El significat de DC Arc Striking

L'arc de corrent continu, com el seu nom indica, es refereix al fenomen on es forma un arc entre els punts de contacte quan el camí del corrent en un circuit de corrent continu s'interromp sobtadament.

Un arc elèctric és un tipus de fenomen de descàrrega de gas. Quan un gas s'ionitza, forma un canal conductor, donant lloc a un arc elèctric. En els circuits fotovoltaics de CC, quan es produeix un petit buit al circuit, la tensió de CC a través del buit crearà un camp elèctric al seu interior. Quan la intensitat del camp elèctric arriba a un cert nivell, les molècules d'aire s'ionitzen. Les molècules d'aire estan formades per àtoms, que consisteixen en nuclis carregats positivament i electrons carregats negativament. Sota un fort camp elèctric, els electrons guanyen prou energia per alliberar-se del nucli i convertir-se en electrons lliures. Aquests electrons lliures acceleren en el camp elèctric, xoquen amb altres molècules d'aire, ionitzant més molècules, creant així un gran nombre d'electrons lliures i ions positius. Aquest procés es coneix com a ruptura del gas. Un cop es trenca el gas, es forma un arc elèctric.

Procés d'atac d'arc de CC:

Per al corrent continu, ja que no té un punt d'encreuament zero i la direcció del corrent no canvia, l'arc pot rebre energia contínuament, cosa que dificulta l'extinció per si mateix.

Segons el mètode de connexió del circuit i la ubicació de l'arc, els arcs es poden dividir en arcs en sèrie i arcs paral·lels (l'arc de terra es pot considerar un tipus especial d'arc paral·lel). Els arcs en sèrie solen produir-se dins d'un sol conductor viu. Com que l'espai entre conductors és petit i hi ha molts conductors, la freqüència d'ocurrència és més alta; a més, com que el senyal d'arc en sèrie és feble i fàcilment emmascarat pel soroll, és difícil de detectar i, si no s'aborda a temps, pot provocar incendis fàcilment. Els arcs paral·lels solen produir-se entre diferents conductors actius. Com que l'espai entre conductors és gran i el camí és complex, la freqüència d'ocurrència és menor. Actualment, les mesures de protecció com els fusibles i els interruptors automàtics poden controlar eficaçment l'impacte dels arcs paral·lels.

2.Causes deEncesa d'arc DC

2.1 Problemes dels components de connexió

Els components de connexió són un dels problemes més comuns als sistemes fotovoltaics i també són una de les principals causes d'arc de corrent continu.

• Els connectors solts, oxidats o desgastats (com ara els endolls MC4) són problemes habituals: durant l'ús-a llarg termini, els connectors es poden soltar a causa de factors com ara vibracions i canvis de temperatura. Els connectors solts poden augmentar la resistència de contacte, generant una gran quantitat de calor quan passa el corrent, fent que la temperatura del connector augmenti. Les altes temperatures acceleren l'oxidació i el desgast del connector, creant un cercle viciós que finalment condueix a buits, que poden desencadenar arcs.

• El crimatge de les juntes del cable no està a l'altura de l'estàndard: una força de crim o una fuita insuficient pot provocar un mal contacte a les juntes del cable, la qual cosa augmenta la resistència de contacte, genera altes temperatures i, per tant, pot provocar arcs.

2.2 Problemes del conductor

Els cables són components importants dels sistemes fotovoltaics per transmetre corrent, i la seva qualitat i estat afecten directament el funcionament segur del sistema.

• Els danys a la capa d'aïllament del cable poden provocar un buit entre el conductor i els cossos de connexió a terra o els suports metàl·lics, que poden provocar arcs: l'aïllament del cable es pot danyar durant la instal·lació o l'ús a causa de factors com ara danys mecànics o corrosió química.

• El cable pot ser danyat per forces externes (com ara rosegadors que roseguen o fricció mecànica), donant lloc a una exposició local, que també és una de les causes de l'estirament de l'arc: en algunes centrals fotovoltaiques exteriors, els rosegadors roseguen cables de tant en tant.

2.3 Factors mediambientals i envelliment

Els factors ambientals i l'envelliment dels equips també són causes importants de l'arc de corrent continu en sistemes fotovoltaics.

• L'exposició prolongada a altes temperatures i humitat elevada pot accelerar l'envelliment dels components, provocant una disminució del rendiment de l'aïllament: en entorns d'alta-temperatura, els materials dels components experimenten un envelliment tèrmic, la qual cosa fa que el seu rendiment disminueixi gradualment; en entorns d'alta-humitat, els components poden humitejar-se, afectant les seves propietats d'aïllament.

• La pols i la corrosió s'acumulen als punts de connexió, cosa que pot interrompre la continuïtat elèctrica i provocar una descàrrega de buits: en entorns polsosos i amb una forta corrosivitat, els punts de connexió tendeixen a acumular una gran quantitat de pols i substàncies corrosives. Aquests materials poden dificultar la transmissió del corrent elèctric, augmentar la resistència als punts de connexió, generar altes temperatures i, potencialment, provocar arcs.

3.Tecnologia de Detecció i Aplicació d'Arc DC en Fotovoltaica

3.1 Interruptor de circuit de falla d'arc (AFCI/AFDD)

La funció d'un AFCI és "detectar i tallar l'alimentació" immediatament quan es produeix un arc, evitant que el foc es propagui.

Normalment s'integra en caixes combinadores de CC, inversors o disjuntors per controlar els senyals actuals en temps real. Quan es produeix un arc, la forma d'ona actual presenta un soroll i una distorsió d'alta freqüència-específics. L'AFCI utilitza algorismes per detectar aquest senyal anormal i desconnecta ràpidament el circuit.

Tal com es mostra a la forma d'ona de l'espectre actual anterior, el vermell indica l'aparició d'un arc elèctric, en contrast clara amb el blau on no hi ha arc.

En un sistema elèctric típic, el soroll aleatori de fons generalment només varia notablement a freqüències superiors a 200 kHz. En canvi, els circuits controladors de commutació, com ara els inversors del sistema elèctric, solen funcionar a espectres per sota de 50 kHz. Per no parlar, el propi senyal de la font d'alimentació de CA es troba a una freqüència encara més baixa de 50/60 Hz. Per tant, mitjançant l'ús de l'algorisme FFT per convertir el corrent del cable detectat en el domini de la freqüència i després analitzar la banda de freqüència entre 30 kHz i 100 kHz, és possible distingir eficaçment entre el funcionament normal del sistema de circuits i les condicions d'arc anormals.

Estructura principal

Els interruptors de falla d'arc AFCI consisteixen principalment en un mòdul d'interruptors, un mòdul de fuites, un mòdul de potència, un mòdul de condicionament de senyal, un mòdul d'unitat d'activació i un mòdul d'interfície de comunicació.

• Mòdul d'alimentació: subministra energia als dispositius rellevants dins de l'AFCI/AFDD.

• Mòdul de condicionament de senyal: el senyal de corrent del circuit principal es fa passar a través d'un transformador de corrent de línia al mòdul de condicionament de senyal. El mòdul amplifica, rectifica i filtra el senyal abans d'enviar-lo al microcontrolador per processar-lo.

• Mòdul d'activació: a l'interruptor de falla d'arc AFCI, l'estructura electromagnètica del mòdul d'engegada adopta una nova tecnologia d'estalvi d'energia{0}}, minimitzant les pèrdues de nucli i les pèrdues de curt-circuits del sistema electromagnètic de l'interruptor, maximitzant així l'estalvi d'energia. S'afegeix un dispositiu d'amortiment per reduir l'impacte energètic en el sistema electromagnètic, millorant el rendiment de tancament de l'interruptor i allargant la seva vida útil. El mecanisme de funcionament del mòdul d'activació pot rebre senyals d'error detectats pel xip de control principal MCU i interrompre el circuit de la bobina mitjançant contactes de control, amb el mecanisme electromagnètic trencant el circuit principal. Després d'esborrar l'error, prement el botó d'operació restableix el mòdul.

• Mòdul d'interfície de comunicació: aquest mòdul permet la transmissió-en temps real de dades com ara senyals de corrent, voltatge, fase actual i arc a l'ordinador terminal, permetent la supervisió remota.

Principi de funcionament

El xip de control principal MCU de l'interruptor de falla d'arc AFCI supervisa el senyal actual al circuit principal en temps real. Quan es detecta una fallada d'arc al circuit principal, el microcontrolador envia un senyal de disparo i el circuit de disparo executa l'operació de disparo.

3.2 Tecnologia d'imatge tèrmica per infrarojos

La tecnologia d'imatge tèrmica d'infrarojos detecta l'escalfament anormal als punts de connexió a través d'una càmera d'infrarojos, permetent identificar amb antelació els possibles riscos d'arc. El mal contacte sovint s'acompanya d'eleves temperatures localitzades, i les imatges tèrmiques d'infrarojos poden mostrar clarament aquestes zones d'alta-temperatura, proporcionant al personal de manteniment una referència intuïtiva.

4.Mesures de protecció i implantació per a fallades d'arc de CC en fotovoltaica

4.1 Instal·lació estàndard

La instal·lació adequada és la base per prevenir l'arc de corrent continu en sistemes fotovoltaics. Durant el procés d'instal·lació, assegureu-vos que els connectors i les juntes dels cables estiguin fermament enganxats per evitar connexions soltes. S'han d'utilitzar eines professionals per a l'enrotllament, operant amb la força especificada per garantir una resistència de contacte mínima als punts de connexió.

Al mateix temps, trieu materials d'aïllament que compleixin els estàndards per reduir el risc de danys mecànics. Quan instal·leu cables, eviteu la flexió i l'estirament excessius per evitar danys a la capa d'aïllament.

4.2 Selecció de components

Trieu connectors i cables que siguin resistents a l'envelliment i a les altes temperatures, i especialment en entorns durs, milloren el nivell de protecció dels components (com ara IP65/IP67). Quan seleccioneu components, tingueu en compte les condicions ambientals de la central fotovoltaica, com ara la temperatura, la humitat i la corrosivitat.

Per exemple, a les centrals fotovoltaiques en zones d'-alta temperatura, s'han de triar connectors i cables que puguin mantenir un rendiment estable a temperatures més altes; en entorns altament corrosius, com ara zones costaneres, s'han de seleccionar components amb resistència a la corrosió.

4.3 Optimització del disseny del sistema

L'optimització del disseny del sistema és crucial per prevenir l'arc de corrent continu en sistemes fotovoltaics. Durant el procés de disseny, és important evitar tensions de CC excessivament altes (que han de complir els estàndards de seguretat), reduir els llargs recorreguts de cable i minimitzar la probabilitat de descàrrega de buits.

Planificar raonablement la disposició dels mòduls fotovoltaics i l'encaminament dels cables, amb l'objectiu de minimitzar la longitud del cable i reduir el nombre de corbes i juntes dels cables. Al mateix temps, s'han d'instal·lar dispositius de protecció adequats, com ara fusibles, disjuntors i dispositius de protecció contra falles d'arc, per tallar ràpidament l'alimentació en cas de qualsevol anomalia en el circuit.