מבוא ופתרונות בנושאי קשת DC פוטו-וולטאיים

עם ההתפתחות המהירה של הטכנולוגיה הסולארית, ייצור חשמל פוטו-וולטאי הפך לאחד מפתרונות האנרגיה הירוקה החשובים בעולם. מערכות פוטו-וולטאיות ממלאות תפקיד משמעותי, בין אם על גגות מגורים, פארקי תעשייה או תחנות כוח סולאריות- גדולות. במקביל, נושאי הבטיחות של מערכות פוטו-וולטאיות זוכות לתשומת לב בהדרגה. קשת DC, כתופעה חשמלית שעשויה להשפיע על יציבות מערכות פוטו-וולטאיות, ראויה להבנה מדוקדקת של כל מתרגל ומשתמש.

1.המשמעות של DC Arc Striking

קשת זרם ישר, כפי שהשם מרמז, מתייחס לתופעה שבה נוצרת קשת בין נקודות מגע כאשר נתיב הזרם במעגל זרם ישר מופרע לפתע.

קשת חשמלית היא סוג של תופעת פריקת גז. כאשר גז מיונן, הוא יוצר תעלה מוליכה, וכתוצאה מכך נוצר קשת חשמלית. במעגלי DC פוטו-וולטאיים, כאשר נוצר פער זעיר במעגל, מתח ה-DC על פני הפער יצור בתוכו שדה חשמלי. כאשר עוצמת השדה החשמלי מגיעה לרמה מסוימת, מולקולות האוויר הופכות למיוננות. מולקולות אוויר מורכבות מאטומים, המורכבים מגרעינים בעלי מטען חיובי ואלקטרונים בעלי מטען שלילי. תחת שדה חשמלי חזק, אלקטרונים צוברים מספיק אנרגיה כדי להשתחרר מהגרעין ולהפוך לאלקטרונים חופשיים. אלקטרונים חופשיים אלו מאיצים בשדה החשמלי, מתנגשים במולקולות אוויר אחרות, מייננים יותר מולקולות, ובכך יוצרים מספר רב של אלקטרונים חופשיים ויונים חיוביים. תהליך זה ידוע בשם פירוק גז. ברגע שהגז מתפרק, נוצרת קשת חשמלית.

תהליך פגיעת קשת DC:

לזרם ישר, מכיוון שאין לו נקודת חצייה אפס וכיוון הזרם אינו משתנה, הקשת יכולה לקבל אנרגיה ברציפות, מה שמקשה על כיבויה בעצמה.

על פי שיטת חיבור המעגל ומיקום הקשת, ניתן לחלק את הקשתות לקשתות סדרתיות וקשתות מקבילות (ניתן להתייחס לקשת הארקה כסוג מיוחד של קשת מקבילה). קשתות סדרתיות מתרחשות בדרך כלל בתוך מוליך חי יחיד. מכיוון שהמרווח בין המוליכים קטן ויש הרבה מוליכים, תדירות ההתרחשות גבוהה יותר; יתרה מכך, מכיוון שאות הקשת הסדרתי חלש ומסווה בקלות על ידי רעש, קשה לזהות אותו, ואם לא מטפלים בו בזמן, יכול בקלות לגרום לשריפות. קשתות מקבילות מתרחשות בדרך כלל בין מוליכים חיים שונים. מכיוון שהמרווח בין המוליכים גדול והנתיב מורכב, תדירות ההתרחשות נמוכה יותר. נכון לעכשיו, אמצעי הגנה כגון נתיכים ומפסקים יכולים לשלוט ביעילות על ההשפעה של קשתות מקבילות.

2.סיבות לDC Arc Striking

2.1 בעיות רכיבי חיבור

רכיבי חיבור הם אחת מנקודות הקושי הנפוצות ביותר במערכות פוטו-וולטאיות ומהווים גם גורם מרכזי לקשת DC.

• מחברים רופפים, מחומצנים או בלויים (כגון תקעי MC4) הן בעיות נפוצות: במהלך-שימוש ארוך טווח, המחברים עלולים להתרופף עקב גורמים כגון רעידות ושינויי טמפרטורה. מחברים רופפים יכולים להגביר את ההתנגדות למגע, לייצר כמות גדולה של חום כאשר זרם עובר דרכו, ולגרום לטמפרטורה של המחבר לעלות. טמפרטורות גבוהות מאיצות את החמצון והבלאי של המחבר, ויוצרות מעגל קסמים שבסופו של דבר מוביל לפערים, שיכולים לעורר קשתות.

• כיווץ מפרקי הכבלים אינו עומד בתקן: כוח כיווץ או דליפה לא מספקים עלולים להוביל למגע לקוי במפרקי הכבלים, אשר באופן דומה מגביר את התנגדות המגע, יוצר טמפרטורות גבוהות, וכתוצאה מכך עלול לגרום לקשתות.

2.2 בעיות מוליכים

חוטים הם מרכיבים חשובים במערכות פוטו-וולטאיות להעברת זרם, ואיכותם ומצבם משפיעים ישירות על תפעול בטוח של המערכת.

• פגיעה בשכבת הבידוד של הכבלים עלולה לגרום לרווח בין המוליך לגופי הארקה או לתמיכות מתכת, מה שעלול להוביל לקשתות: בידוד הכבל עלול להינזק במהלך ההתקנה או השימוש עקב גורמים כגון נזק מכני או קורוזיה כימית.

• החוט עלול להינזק מכוחות חיצוניים (כגון מכרסמים מכרסמים או חיכוך מכני), וכתוצאה מכך לחשיפה מקומית, שהיא גם אחת הסיבות למתיחה של קשת: בחלק מתחנות כוח פוטו-וולטאיות חיצוניות, מתרחשים מעת לעת מכרסמים מכרסמים בכבלים.

2.3 גורמי סביבה והזדקנות

גורמים סביבתיים והזדקנות ציוד הם גם גורמים חשובים לקשת DC במערכות פוטו-וולטאיות.

• חשיפה ממושכת לטמפרטורות גבוהות ולחות גבוהה עלולה להאיץ את הזדקנות הרכיבים, ולהוביל לירידה בביצועי הבידוד: בסביבות-טמפרטורות גבוהות, חומרי הרכיבים עוברים הזדקנות תרמית, מה שגורם לביצועים שלהם לרדת בהדרגה; בסביבות לחות- גבוהה, הרכיבים עלולים להיות לחים, מה שמשפיע על תכונות הבידוד שלהם.

• אבק וקורוזיה מצטברים בנקודות החיבור, מה שעלול לשבש את המשכיות החשמל ולגרום לפריקת מרווחים: בסביבות מאובקות בעלות קורוזיביות חזקה, נקודות חיבור נוטות לצבור כמות גדולה של אבק וחומרים קורוזיביים. חומרים אלה יכולים להפריע להעברת זרם חשמלי, להגביר את ההתנגדות בנקודות החיבור, ליצור טמפרטורות גבוהות, ועלולים לגרום לקשתות.

3. טכנולוגיית זיהוי ויישום של DC Arc בפוטו-וולטאים

3.1 מפסק תקלות קשת (AFCI/AFDD)

תפקידו של AFCI הוא 'לזהות ולנתק את החשמל' מיד כאשר מתרחשת קשת, ולמנוע את התפשטות האש.

הוא משולב בדרך כלל בקופסאות משלבי DC, ממירים או מפסקי זרם כדי לנטר אותות זרם בזמן אמת. כאשר מתרחשת קשת, צורת הגל הנוכחית מציגה רעש ועיוות- ספציפיים בתדר גבוה. ה-AFCI משתמש באלגוריתמים כדי לזהות אות חריג זה ומנתק במהירות את המעגל.

כפי שמוצג בצורת הגל של הספקטרום הנוכחי לעיל, האדום מציין את התרחשות של קשת חשמלית, בניגוד ברור לכחול שבו אין קשת.

במערכת חשמלית טיפוסית, רעשי רקע אקראי בדרך כלל משתנה באופן ניכר רק בתדרים מעל 200 קילו-הרץ. לעומת זאת, מעגלי בקר מיתוג כגון ממירים במערכת החשמל פועלים בדרך כלל בספקטרים ​​מתחת ל-50 קילו-הרץ. שלא לדבר, אות אספקת החשמל עצמו הוא בתדר נמוך עוד יותר של 50/60 הרץ. לכן, על ידי שימוש באלגוריתם FFT כדי להמיר את זרם הכבל שזוהה לתחום התדר ולאחר מכן ניתוח רצועת התדרים בין 30 קילו-הרץ ל-100 קילו-הרץ, ניתן להבחין ביעילות בין פעולה תקינה של מערכת המעגל לבין תנאי קשת חריגים.

מבנה ראשי

מפסקי תקלות קשת AFCI מורכבים בעיקר ממודול מפסק, מודול דליפה, מודול מתח, מודול מיזוג אותות, מודול יחידת דרך ומודול ממשק תקשורת.

• מודול מתח: מספק חשמל להתקנים הרלוונטיים בתוך AFCI/AFDD.

• מודול מיזוג אותות: אות הזרם במעגל הראשי מועבר דרך שנאי זרם קו למודול מיזוג האותות. המודול מגביר, מתקן ומסנן את האות לפני שליחתו למיקרו-בקר לעיבוד.

• מודול טריפינג: במפסק תקלות קשת AFCI, המבנה האלקטרומגנטי של מודול הטריפ מאמץ טכנולוגיית חיסכון- באנרגיה חדשה, ממזערת את הפסדי הליבה ואת הפסדי הקצר-של המערכת האלקטרומגנטית המתג, ובכך ממקסמת את החיסכון באנרגיה. נוסף התקן חציצה כדי להפחית את השפעת האנרגיה על המערכת האלקטרומגנטית, לשפר את ביצועי הסגירה של המתג ולהאריך את חיי השירות שלו. מנגנון ההפעלה של מודול הטריפ יכול לקבל אותות תקלה שזוהו על ידי שבב הבקרה הראשי MCU ולקטוע את מעגל הסליל באמצעות מגעי שליטה, כאשר המנגנון האלקטרומגנטי שובר את המעגל הראשי. לאחר ניקוי התקלה, לחיצה על לחצן ההפעלה מאפסת את המודול.

• מודול ממשק תקשורת: מודול זה מאפשר שידור-בזמן אמת של נתונים כגון זרם, מתח, שלב זרם וקשת למחשב המסוף, מה שמאפשר ניטור מרחוק.

עקרון עבודה

שבב הבקרה הראשי MCU של מפסק תקלות קשת AFCI מנטר את האות הנוכחי במעגל הראשי בזמן אמת. כאשר מזוהה תקלת קשת במעגל הראשי, המיקרו-בקר שולח אות יציאה, ומעגל היציאה מבצע את פעולת היציאה.

3.2 טכנולוגיית הדמיה תרמית אינפרא אדום

טכנולוגיית הדמיה תרמית אינפרא אדום מזהה חימום חריג בנקודות חיבור באמצעות מצלמת אינפרא אדום, ומאפשרת לזהות מראש סיכוני קשת פוטנציאליים. מגע לקוי מלווה לעתים קרובות בטמפרטורות גבוהות מקומיות, והדמיה תרמית אינפרא אדום יכולה להציג בבירור את אזורי הטמפרטורה הגבוהה- הללו, ולספק לצוות התחזוקה התייחסות אינטואיטיבית.

4. אמצעי הגנה ויישום עבור תקלות קשת DC בפוטו-וולטאים

4.1 התקנה רגילה

התקנה נכונה היא הבסיס למניעת קשת DC במערכות פוטו-וולטאיות. במהלך תהליך ההתקנה, ודא שהמחברים ומחברי הכבלים מכווצים היטב כדי למנוע חיבורים רופפים. יש להשתמש בכלים מקצועיים לכיווץ, הפועלים בכוח שצוין כדי להבטיח התנגדות מינימלית למגע בנקודות החיבור.

במקביל, בחרו בחומרי בידוד העומדים בתקנים כדי להפחית את הסיכון לנזק מכני. בעת התקנת כבלים, הימנעו מכיפוף ומתיחות יתר כדי למנוע נזק לשכבת הבידוד.

4.2 בחירת רכיבים

בחרו מחברים וכבלים עמידים בפני הזדקנות וטמפרטורות גבוהות, ובמיוחד בסביבות קשות, משפרים את רמת ההגנה של רכיבים (כגון IP65/IP67). בעת בחירת רכיבים, שקול היטב את התנאים הסביבתיים של תחנת הכוח הפוטו-וולטאית, כגון טמפרטורה, לחות ויכולת קורוזיה.

לדוגמה, בתחנות כוח פוטו-וולטאיות באזורי-טמפרטורות גבוהות, יש לבחור מחברים וכבלים שיכולים לשמור על ביצועים יציבים בטמפרטורות גבוהות יותר; בסביבות קורוזיביות מאוד כגון אזורי חוף, יש לבחור רכיבים בעלי עמידות בפני קורוזיה.

4.3 מיטוב עיצוב מערכת

אופטימיזציה של תכנון המערכת חיונית למניעת קשת DC במערכות פוטו-וולטאיות. במהלך תהליך התכנון, חשוב להימנע מתחי DC גבוהים מדי (שחייבים לעמוד בתקני בטיחות), לצמצם מסלולי כבלים ארוכים ולמזער את הסבירות לפריקת פערים.

תכנן באופן סביר את סידור המודולים הפוטו-וולטאיים ואת ניתוב הכבלים, במטרה למזער את אורך הכבלים ולצמצם את מספר הכיפופים והחיבורים בכבלים. במקביל, יש להתקין התקני הגנה מתאימים, כגון נתיכים, מפסקי זרם והתקני הגנה מפני תקלות קשת, על מנת לנתק מיד את החשמל במקרה של חריגות כלשהן במעגל.