ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина IX, брой 3, 2017

Електрическа дъга във фотоволтаиците

Електрическа дъга във фотоволтаиците

През последните години екипите, отговорни за експлоатацията на фотоволтаичните паркове, започнаха да обръщат все по-голямо внимание на рисковете от постояннотокови дъги. Постояннотоковите вериги във фотоволтаичната инсталация могат да генерират и поддържат дъги със значителна интензивност. Тези дъги не само са започвали пожари, но интензивната енергия, която генерират, също представлява значителен риск за пожарникарите по време на усилията им да изгасят огъня.

Надеждното откриване на поява на дъга е сериозно предизвикателство, а определянето на подходящи противодействия е трудно. Философията за проектиране на фотоволтаични системи има значително въздействие върху предотвратяването и потушаването на пожари, с все по-голямо предпочитание към променливотоковите системи, които намаляват риска от пожар като се избягва изцяло разпределението на високо постоянно напрежение и голям постоянен ток.

Фотоволтаичната индустрия предоставя адекватна система за защита и механизми за безопасност. Широкото разпространение на фотоволтаичните системи ни учи на нови уроци. Ние трябва да се поучим от тези уроци и да продължим да подобряваме безопасността им. Откриването на наличие на електрическа дъга е следващата необходима стъпка.


Последните предложения за промени в някои национални правилници подчертават сериозността на рисковете от повреди, причинени от поява на постояннотокова дъга. Промените ще засегнат откриването и превантивните мерки за повреди от серийна постояннотокова дъга в системите, където постоянното напрежение надвишава 80V. Това е стъпка в правилна посока, тъй като е насочена към предпазни мерки за безопасността при повреда, причинена от постояннотокова дъга. Има два проблема, свързани с появата на дъгата:

Предотвратяване - този аспект се занимава с механизма и факторите, които са необходими, за да се създаде електрическа дъга, особено този, който е в състояние да се превърне в източник на запалване на близките запалими материали. Следва да се отбележи, че постояннотоковите дъги могат да достигнат температури от над 3000°C. Дъга с такава температура може да разтопи метал, който може да падне като шлака и да възпламени намиращите се наоколо възпламеними материали. Следователно, на първо място са необходими превантивни мерки, за да се сведе до минимум риска от запалване.

Потушаване - това включва всички аспекти, свързани с гасене на пожар, след като е започнал. Обикновено пожарите започват по някакъв начин, различен от фотоволтаичната система, но наличието на относително високо постоянно напрежение и постоянен ток представляват значителен риск за пожарникарите.

Видове дъги
От особено значение са три вида дъги. Серийна дъга се получава, когато една електрическа връзка се извади от друга, докато фотоволтаичната инсталация произвежда електричество. Всяка прекъсваща се връзка в постояннотоковата верига има потенциал да произведе дъга. Тези връзки могат да включват спойките в модула, пресованите накрайници на проводниците или конкретните конектори, които обикновено се използват за свързване на краищата на проводниците към фотоволтаичните модули.

Паралелни дъги се появяват, когато изолационна система претърпи повреда. Два проводника с обратна полярност в една и съща постояннотокова верига често работят в непосредствена близост един до друг. Изолацията между двата проводника може да стане неефективна поради прегризване от животни, ултравиолетово разлагане, крехкост, напукване, проникване на влага и цикли на замръзване/размразяване.

Детектор на електрическа дъга
Още от 1992г. Alpha Real AG имат идея за детектор на дъга, който е чувствителен към електромагнитните смущения, причинени от електрическата дъга и е с много просто устройство (модифицирано AM радио). Обаче това устройство не е подходящо за практическо приложение във фотоволтаични инсталации и затова е потърсена фотоволтаичната лаборатория на BFH. В проект и дипломна работа на студент е разработена първата работеща версия на детектор на електрическа дъга. Тъй като сложността на проблема е по-висока, отколкото се е очаквало първоначално, е възникнала необходимостта от по-нататъшно развитие и подобрения, които са били извършени в сътрудничество с Alpha Real по време на национален проект.

В последващ европейски проект в рамките на JOULE, заедно с чуждестранните партньори по проекта (FhG/ISE, ANIT, ENEL) са разработени 6 детектора на дъга за ниско напрежение (55V-140V) и 6 детектора за дъга за високо напрежение (400V-1000V), които са били тествани във фотоволтаични инсталации в няколко страни (Германия, Швейцария, Италия и САЩ).

Детекторите на дъга са напълно автономни - те не се нуждаят от външен източник на захранване, а се захранват директно от фотоволтаичните панели. Поради това е възможно да се постави допълнителен радиочестотен филтър между инвертора с големи радиочестотни емисии и детектора за дъга, за да се вземат подходящи мерки за противодействие в случай на поява на дъга. Необходим е също скъп електромеханичен прекъсвач, оразмерен за високо постоянно напрежение. През 1994/1995г. е бил издаден патент, който поради липса на интерес от фотоволтаичната индустрия не се поддържа, за да се избегнат големите разходи.

Принцип на работа
Основните принципи на действие и свойства на детекторите на дъга са разработени през деветдесетте години и са базирани на резултатите от полеви тестове. Може да се каже, че детекторите успешно откриват дъги на разстояние до 100m-200m, ако други устройства, например инвертори, имат достатъчно ниски високочестотни емисии, както се изисква в днешно време в по-новите стандарти за електромагнитна съвместимост (например EN61000-6-3). Въпреки това, много от инверторите, използвани след това, все още имат твърде високи радиочестотни постоянни напрежения. Ето защо, за да се направи възможна работата на детекторите, доста често са необходими модификации на свързването на фотоволтаичните инсталации и допълнителни филтри на постоянния вход на инвертора. Освен това, при някои инвертори от време на време се появяват спорадични погрешни откривания на дъга, особено по време на стартиране и изключване на инвертора.

Базова версия
Първоначалната версия на автономен детектор на дъга е била разработена в средата на деветдесетте години. Когато електрическа дъга се появи в постояннотоковата верига, тя се открива чрез комбинация от две резонансни вериги с висока честота. След определени проверки за избягване на погрешни задействания, изолиращия прекъсвач се активира и постояннотоковата страната на инвертора се изключва. За автономно устройство, захранването трябва да е директно от фотоволтаичните панели и е необходим отделен изолиращ електромеханичен прекъсвач, което е доста скъпо. Много рядко детекторът на дъга може да разпознае и паралелни дъги между + и -.

Идеи за подобряване на детектора
По време на полеви тестове със самостоятелни детектори на дъга, от време на време са настъпили погрешни откривания на дъги при стартиране и изключване на инверторите, които предизвикват нежелано прекъсване на работата на инвертора. Разбира се, такива спорадични погрешни изключвания на детекторите не са приемливи. Затова е разработено устройство за интелигентно откриване, което се ангажира с по-задълбочен анализ на сигнала от детектора на дъга преди генериране на сигнал за изключване и което също може да направи разлика между серийни и паралелни дъги, нуждаещи се от различни контрамерки.

Важен извод от полевите тестове е, че трябва да се реализира детектор на дъга не като самостоятелно устройство (с интегрирано захранване и разединител), а като неразделна част на инвертора. Управляващата верига на инвертора (обикновено микропроцесор или микроконтролер) знае кога инверторът стартира и се изключва и може да пренебрегне сигналите, формирани от детектора на дъга по време на тази фаза. Освен това, в инвертора има вече постояннотоково захранване за електрониката и детекторът на дъга може да се възползва от него почти без допълнителни разходи.

Ето защо, такъв интегриран детектор на дъга може да се реализира с по-малка част от цената на самостоятелно устройство и да не е податлив на погрешно задействане. С помощта на подходящи софтуерни алгоритми са възможни дори по-интелигентни методи за откриване на дъги и потискане на погрешни превключвания. В края на 2006г. е подаден патент за нови идеи, които не бяха включени в първоначалния патент, за да се подобри детектора на дъга.

Проектиране на системата
Три аспекта на проектирането на системата допринасят за риска от поява на дъга: високо постоянно напрежение, голям постоянен ток и голямо пространствено разпределение на кабелите. За да се поддържа дъга със значителна температура, разликата в напрежението в междината с дъга трябва да бъде в интервала от 20V или повече. Постоянен ток на късо съединение под 2 или 3A трудно може да поддържа дъга с реална опасност. Широкото разпространение на кабелните системи увеличава вероятността от физическо увреждане и повишава степента на излагане на пожарникарите по време на потушаването на пожара.

Традиционната конфигурация на фотоволтаичната система със стрингов или централен инвертор не е от полза по отношение на решаване на проблема с риска от поява на дъга и безопасността на пожарникарите. Стринговете са предназначени за получаване на високо постоянно напрежение, за да се намалят I²R загубите, както и множество стрингове се свързват паралелно за увеличаване на тока. Този дизайн също така води до голямо пространствено разпределение на кабелните системи. Тези три фактора увеличават риска от поява на дъга и правят по-трудно предотвратяване на повреда, след като това се случи.

В резултат на използване на DC-DC преобразуватели, които работят при високи постоянни напрежения и се свързват към традиционните стрингови/централни инвертори, се получава голямо пространствено разпределение на окабеляването и несигурност. Някои видове неизправности при поява на дъга могат да излъжат системата за контрол, вземайки неподходящи контролни действия и теоретично да задълбочат проблема. Други системи разчитат на управление чрез комуникация за гарантиране на безопасното функциониране.

Конфигурацията с микроинвертори работи при много по-ниски постоянни напрежения, малък ток и ограничаване на разпространението на кабелите до размерите на модула. Тези инвертори силно зависят от наличието на мрежово захранване. Ако то липсва, няма да има никакво променливо напрежение, а само ниско постоянно напрежение под всеки фотоволтаичен модул. Този подход намалява риска от дъга и осигурява най-висока степен на безопасност за пожарникарите.

Практически решения
С пикова ефективност от 98,3%, безтрансформаторният инвертор Sunny Boy TL-US на SMA Solar предоставя на своите собственици високи добиви. Класове на мощност, прецизно диференцирани от 6kW до 11kW, са идеални за проектиране на средно големи слънчеви електроцентрали. В същото време това е първият инвертор с вграден разединител на постояннотокова верига, изключващ я при поява на дъга според UL1699B.

Инверторът RD-195 на Texas Instruments също предлага решение за детекция на дъгата. Той надеждно открива дъги и подава сигнализация към системата за управление на соларния парк. По този начин намалява шансовете за пожари, причинени от искрене. Решението е напълно програмируемо, осигуряващо максимална гъвкавост за системна интеграция и оптимизиране на откриването на фалшиви сигнали. Той е придружен от лесен за използване графичен интерфейс, което позволява бърза промяна на параметрите.

Инверторът използва патентована техника за динамично филтриране и ефективно откриване на дъга между проводници в присъствието на големи радиочестотни замърсявания. Аналоговият път се нуждае от по-малко от 50mW мощност за прилагане на активно филтриране. Работният температурен диапазон на всички устройства покрива промишления температурен диапазон от -40°C до +85°C. За производителите на соларни компоненти RD-195 е напълно съвместимо с изискванията на NEC690.11.

Детектор за наличие на дъга
Появата на електрическа дъга е потенциална опасност във фотоволтаичните системи поради големите постоянни напрежения и токове. Дъгите - най-вече серийните, често са причинени от дефектни модули или конектори, както и от дефектни кабели, поради застаряване, прегризване от животни и градушка. Това може да доведе до пожар в другите компоненти на системата и заобикалящата ги среда, като например запалване на покрива.

За да се реализира ефективна превантивна противопожарна защита, компанията Е-Т-А е проектирала няколко решения, които наблюдават цялата постояннотокова страна на фотоволтаичната система и по този начин спомагат за повишаване на безопасността и надеждността. Серийната дъга ще бъде открита, угасена и сигнализирана преди да могат да възникнат критични за безопасността ситуации. Функцията за откриване на дъга е на разположение в комбинация с DC Disconnect с дистанционно управление и с Firefighter Switch до максимално 1000V и 30А. В допълнение, фирмата може да предостави на своите клиенти специфична версия на базовата печатна платка.

Фотоволтаичен микроинвертор
Фотоволтаичният микроинвертор бързо се превръща в любим сред почитателите на иновативни соларни технологии. Вместо да има един голям инвертор, който изпълнява цялото преобразуване от постоянен ток до променлив ток и отдаването му в мрежата, микроинверторът се инсталира във всеки от фотоволтаичните панели. Той превръща постоянния ток от фотоволтаичния панел директно в променлив ток преди да напусне панела. По този начин има цялостно решение в рамките на един фотоволтаичен панел, който може да произвежда точната мощност, необходима за работа. Тъй като електричеството с по-високо променливо напрежение има много по-малко загуби през дълъг проводник, може да се получи по-ефективно преобразуване и да се използва по-голяма част от мощността, която се генерира от фотоволтаичните панели. Това прави разширяването на соларната система по-лесно, тъй като може просто да се купят още панели и да се добавят към инсталацията. Не е необходимо надграждане на инвертора. Въпреки, че тези нови фотоволтаични панели са малко по-скъпи от старите, елиминирането на разходите за по-голям инвертор прави общата стойност на системата същата.

Фотоволтаичната индустрия започва да обръща по-голямо внимание на заплахата от поява на дъга заради предотвратяване на пожари. Предизвикателствата с повредите поради поява на дъга включват разбирането на вида на дъгата и извършване на подходящите коригиращи действия. Проектирането на системата също има значителен ефект за предотвратяване и потушаване на пожари, с увеличаване на предпочитанията към променливотоково базираните системи, които намаляват риска от пожар, като се избягва изцяло разпределението на високо постоянно напрежение и ток.