Introduzione e soluzioni ai problemi dell'arco CC fotovoltaico

Con il rapido sviluppo della tecnologia solare, la produzione di energia fotovoltaica è diventata una delle più importanti soluzioni di energia verde a livello mondiale. I sistemi fotovoltaici svolgono un ruolo significativo, sia sui tetti residenziali, sui parchi industriali o sugli impianti di energia solare su larga scala. Allo stesso tempo, le questioni relative alla sicurezza degli impianti fotovoltaici stanno gradualmente guadagnando attenzione. L'arco CC, in quanto fenomeno elettrico che può influenzare la stabilità dei sistemi fotovoltaici, merita un'attenta comprensione da parte di ogni professionista e utente.

1.Il significato dell'innesco dell'arco CC

L'arco a corrente continua, come suggerisce il nome, si riferisce al fenomeno in cui si forma un arco tra i punti di contatto quando il percorso della corrente in un circuito a corrente continua viene improvvisamente interrotto.

Un arco elettrico è un tipo di fenomeno di scarica di gas. Quando un gas viene ionizzato, forma un canale conduttivo, provocando un arco elettrico. Nei circuiti CC fotovoltaici, quando si verifica un piccolo spazio vuoto nel circuito, la tensione CC attraverso lo spazio vuoto creerà un campo elettrico al suo interno. Quando l’intensità del campo elettrico raggiunge un certo livello, le molecole d’aria si ionizzano. Le molecole dell'aria sono costituite da atomi, costituiti da nuclei carichi positivamente ed elettroni carichi negativamente. Sotto un forte campo elettrico, gli elettroni acquistano energia sufficiente per liberarsi dal nucleo e diventare elettroni liberi. Questi elettroni liberi accelerano nel campo elettrico, entrano in collisione con altre molecole d'aria, ionizzano più molecole, creando così un gran numero di elettroni liberi e ioni positivi. Questo processo è noto come degradazione del gas. Una volta scomposto il gas si forma un arco elettrico.

Processo di innesco dell'arco CC:

Per la corrente continua, poiché non ha punto di passaggio per lo zero e la direzione della corrente non cambia, l'arco può ricevere continuamente energia, rendendo difficile l'estinzione autonoma.

In base al metodo di connessione del circuito e alla posizione dell'arco, gli archi possono essere suddivisi in archi in serie e archi paralleli (l'arco di messa a terra può essere considerato un tipo speciale di arco parallelo). Gli archi in serie si verificano solitamente all'interno di un singolo conduttore sotto tensione. Poiché la distanza tra i conduttori è piccola e vi sono molti conduttori, la frequenza di occorrenza è maggiore; inoltre, essendo il segnale dell'arco serie debole e facilmente mascherabile dal rumore, è difficile da rilevare e, se non affrontato in tempo, può facilmente provocare incendi. Gli archi paralleli si verificano solitamente tra diversi conduttori sotto tensione. Poiché la distanza tra i conduttori è ampia e il percorso è complesso, la frequenza di occorrenza è inferiore. Attualmente, misure protettive come fusibili e interruttori automatici possono controllare efficacemente l’impatto degli archi paralleli.

2.Cause diColpire l'arco DC

2.1Problemi relativi ai componenti di connessione

I componenti di connessione sono uno dei punti problematici più comuni negli impianti fotovoltaici e sono anche una delle principali cause di archi elettrici CC.

• I connettori allentati, ossidati o usurati (come le spine MC4) sono problemi comuni: durante l'uso a lungo termine,-i connettori potrebbero allentarsi a causa di fattori quali vibrazioni e sbalzi di temperatura. I connettori allentati possono aumentare la resistenza dei contatti, generando una grande quantità di calore quando la corrente li attraversa, provocando un aumento della temperatura del connettore. Le alte temperature accelerano l'ossidazione e l'usura del connettore, creando un circolo vizioso che alla fine porta a spazi vuoti che possono innescare archi elettrici.

• La crimpatura dei giunti dei cavi non è conforme agli standard: una forza di crimpatura insufficiente o perdite possono portare a uno scarso contatto sui giunti dei cavi, che allo stesso modo aumenta la resistenza di contatto, genera alte temperature e di conseguenza può causare archi elettrici.

2.2 Problemi al conduttore

I cavi sono componenti importanti nei sistemi fotovoltaici per la trasmissione di corrente e la loro qualità e condizione influiscono direttamente sul funzionamento sicuro del sistema.

• I danni allo strato isolante del cavo possono causare uno spazio tra il conduttore e i corpi di terra o i supporti metallici, che può provocare la formazione di archi elettrici: l'isolamento del cavo può essere danneggiato durante l'installazione o l'uso a causa di fattori quali danni meccanici o corrosione chimica.

• Il filo può essere danneggiato da forze esterne (come roditori che rosicchiano o attrito meccanico), con conseguente esposizione locale, che è anche una delle cause dello stiramento dell'arco: in alcune centrali fotovoltaiche all'aperto, i roditori rosicchiano i cavi di tanto in tanto.

2.3 Ambiente e fattori di invecchiamento

Anche i fattori ambientali e l'invecchiamento delle apparecchiature sono cause importanti della formazione di archi CC nei sistemi fotovoltaici.

• L'esposizione prolungata a temperature e umidità elevate può accelerare l'invecchiamento dei componenti, portando a un calo delle prestazioni di isolamento: in ambienti ad alta-temperatura, i materiali dei componenti subiscono invecchiamento termico, causando un graduale calo delle loro prestazioni; in ambienti ad alta-umidità, i componenti possono bagnarsi, compromettendo le loro proprietà di isolamento.

• Nei punti di connessione si accumulano polvere e corrosione, che possono interrompere la continuità elettrica e causare scariche interstiziali: in ambienti polverosi con forte corrosività, i punti di connessione tendono ad accumulare una grande quantità di polvere e sostanze corrosive. Questi materiali possono ostacolare la trasmissione della corrente elettrica, aumentare la resistenza nei punti di connessione, generare temperature elevate e potenzialmente causare archi elettrici.

3.Tecnologia di rilevamento e applicazione dell'arco CC nel fotovoltaico

3.1Interruttore automatico per guasto d'arco (AFCI/AFDD)

La funzione di un AFCI è quella di "rilevare e interrompere immediatamente l'alimentazione" quando si verifica un arco, impedendo la propagazione dell'incendio.

Di solito è integrato in quadri elettrici, inverter o interruttori automatici per monitorare i segnali di corrente in tempo reale. Quando si verifica un arco, la forma d'onda della corrente presenta rumore e distorsione specifici ad alta-frequenza. L'AFCI utilizza algoritmi per rilevare questo segnale anomalo e disconnette rapidamente il circuito.

Come mostrato nella forma d'onda dello spettro di corrente sopra, il rosso indica il verificarsi di un arco elettrico, in netto contrasto con il blu dove non c'è arco.

In un tipico sistema elettrico, il rumore casuale di fondo generalmente varia notevolmente solo a frequenze superiori a 200 kHz. Al contrario, i circuiti del controller di commutazione come gli inverter nel sistema elettrico funzionano tipicamente a spettri inferiori a 50 kHz. Per non parlare del fatto che il segnale di alimentazione CA stesso ha una frequenza ancora più bassa di 50/60 Hz. Pertanto, utilizzando l'algoritmo FFT per convertire la corrente del cavo rilevata nel dominio della frequenza e quindi analizzando la banda di frequenza tra 30 kHz e 100 kHz, è possibile distinguere efficacemente tra il normale funzionamento del sistema circuitale e condizioni anomale di arco.

Struttura principale

Gli interruttori automatici per guasto ad arco AFCI sono costituiti principalmente da un modulo interruttore, un modulo perdite, un modulo di potenza, un modulo di condizionamento del segnale, un modulo sganciatore e un modulo di interfaccia di comunicazione.

• Modulo di alimentazione: fornisce alimentazione ai dispositivi interessati all'interno dell'AFCI/AFDD.

• Modulo di condizionamento segnale: Il segnale di corrente nel circuito principale viene fatto passare attraverso un trasformatore di corrente di linea al modulo di condizionamento segnale. Il modulo amplifica, rettifica e filtra il segnale prima di inviarlo al microcontrollore per l'elaborazione.

• Modulo di sgancio: nell'interruttore automatico per guasti ad arco AFCI, la struttura elettromagnetica del modulo di sgancio adotta una nuova tecnologia di risparmio energetico-, riducendo al minimo le perdite del nucleo e le perdite di cortocircuito-del sistema elettromagnetico dell'interruttore, massimizzando così il risparmio energetico. Viene aggiunto un dispositivo tampone per ridurre l'impatto energetico sul sistema elettromagnetico, migliorando le prestazioni di chiusura dell'interruttore e prolungandone la durata. Il meccanismo operativo del modulo di sgancio può ricevere segnali di guasto rilevati dal chip di controllo principale MCU e interrompere il circuito della bobina attraverso contatti di controllo, con il meccanismo elettromagnetico che interrompe il circuito principale. Una volta eliminato il guasto, premendo il pulsante operativo si ripristina il modulo.

• Modulo di interfaccia di comunicazione: questo modulo consente la trasmissione in tempo reale-di dati quali corrente, tensione, fase di corrente e segnali di arco al computer terminale, consentendo il monitoraggio remoto.

Principio di funzionamento

L'MCU del chip di controllo principale dell'interruttore automatico per guasti ad arco AFCI monitora il segnale di corrente nel circuito principale in tempo reale. Quando viene rilevato un guasto da arco nel circuito principale, il microcontrollore invia un segnale di sgancio e il circuito di sgancio esegue l'operazione di sgancio.

3.2 Tecnologia di imaging termico a infrarossi

La tecnologia di imaging termico a infrarossi rileva il riscaldamento anomalo nei punti di connessione attraverso una telecamera a infrarossi, consentendo di identificare in anticipo potenziali rischi di arco. Uno scarso contatto è spesso accompagnato da temperature elevate localizzate e la termografia a infrarossi può visualizzare chiaramente queste aree ad alta-temperatura, fornendo al personale di manutenzione un riferimento intuitivo.

4.Misure di protezione e implementazione per guasti da arco CC nel fotovoltaico

4.1Installazione standard

Una corretta installazione è la base per prevenire la formazione di archi CC nei sistemi fotovoltaici. Durante il processo di installazione, assicurarsi che i connettori e i giunti dei cavi siano saldamente crimpati per evitare collegamenti allentati. Per la crimpatura devono essere utilizzati strumenti professionali, operando con la forza specificata per garantire una resistenza di contatto minima nei punti di connessione.

Allo stesso tempo, scegli materiali isolanti che soddisfino gli standard per ridurre il rischio di danni meccanici. Durante l'installazione dei cavi, evitare piegature e allungamenti eccessivi per evitare danni allo strato isolante.

4.2Selezione dei componenti

Scegli connettori e cavi resistenti all'invecchiamento e alle alte temperature e, soprattutto in ambienti difficili, migliora il livello di protezione dei componenti (come IP65/IP67). Nella scelta dei componenti, considerare attentamente le condizioni ambientali della centrale fotovoltaica, come temperatura, umidità e corrosività.

Ad esempio, negli impianti fotovoltaici in aree ad alta-temperatura, dovrebbero essere scelti connettori e cavi in ​​grado di mantenere prestazioni stabili a temperature più elevate; in ambienti altamente corrosivi come le zone costiere, è necessario selezionare componenti resistenti alla corrosione.

4.3 Ottimizzazione della progettazione del sistema

L’ottimizzazione della progettazione del sistema è fondamentale per prevenire la formazione di archi CC nei sistemi fotovoltaici. Durante il processo di progettazione, è importante evitare tensioni CC eccessivamente elevate (che devono essere conformi agli standard di sicurezza), ridurre la lunghezza dei cavi e ridurre al minimo la probabilità di scariche a gap.

Pianificare ragionevolmente la disposizione dei moduli fotovoltaici e il percorso dei cavi, mirando a ridurre al minimo la lunghezza dei cavi e a ridurre il numero di curve e giunzioni dei cavi. Allo stesso tempo, dovrebbero essere installati dispositivi di protezione adeguati, come fusibili, interruttori automatici e dispositivi di protezione contro i guasti da arco elettrico, per interrompere tempestivamente l'alimentazione in caso di eventuali anomalie nel circuito.