Problemas del arco CC fotovoltaico Introducción y soluciones

Con el rápido desarrollo de la tecnología solar, la generación de energía fotovoltaica se ha convertido en una de las soluciones de energía verde más importantes en todo el mundo. Los sistemas fotovoltaicos desempeñan un papel importante, ya sea en tejados residenciales, parques industriales o plantas de energía solar-a gran escala. Al mismo tiempo, poco a poco se presta más atención a las cuestiones de seguridad de los sistemas fotovoltaicos. El arco CC, como fenómeno eléctrico que puede afectar la estabilidad de los sistemas fotovoltaicos, merece una cuidadosa comprensión por parte de todo profesional y usuario.

1.El significado del inicio del arco CC

El arco de corriente continua, como su nombre indica, se refiere al fenómeno en el que se forma un arco entre puntos de contacto cuando la ruta de la corriente en un circuito de corriente continua se interrumpe repentinamente.

Un arco eléctrico es un tipo de fenómeno de descarga de gas. Cuando un gas se ioniza, forma un canal conductor que da como resultado un arco eléctrico. En los circuitos fotovoltaicos de CC, cuando se produce un pequeño espacio en el circuito, el voltaje de CC a través del espacio creará un campo eléctrico dentro de él. Cuando la intensidad del campo eléctrico alcanza un cierto nivel, las moléculas de aire se ionizan. Las moléculas de aire están formadas por átomos, que constan de núcleos cargados positivamente y electrones cargados negativamente. Bajo un campo eléctrico intenso, los electrones ganan suficiente energía para liberarse del núcleo y convertirse en electrones libres. Estos electrones libres se aceleran en el campo eléctrico, chocan con otras moléculas de aire, ionizando más moléculas, creando así una gran cantidad de electrones libres e iones positivos. Este proceso se conoce como descomposición del gas. Una vez que el gas se descompone, se forma un arco eléctrico.

Proceso de inicio del arco CC:

Para la corriente continua, dado que no tiene punto de cruce por cero y la dirección de la corriente no cambia, el arco puede recibir energía continuamente, lo que dificulta su extinción por sí solo.

Según el método de conexión del circuito y la ubicación del arco, los arcos se pueden dividir en arcos en serie y arcos paralelos (el arco de conexión a tierra puede considerarse como un tipo especial de arco paralelo). Los arcos en serie generalmente ocurren dentro de un solo conductor vivo. Debido a que el espacio entre conductores es pequeño y hay muchos conductores, la frecuencia de ocurrencia es mayor; Además, dado que la señal del arco en serie es débil y fácilmente enmascarada por el ruido, es difícil de detectar y, si no se aborda a tiempo, puede provocar incendios fácilmente. Generalmente se producen arcos paralelos entre diferentes conductores activos. Dado que el espacio entre conductores es grande y el camino es complejo, la frecuencia de aparición es menor. Actualmente, medidas de protección como fusibles y disyuntores pueden controlar eficazmente el impacto de los arcos paralelos.

2.Causas deGolpe de arco DC

2.1 Problemas con los componentes de conexión

Los componentes de conexión son uno de los puntos problemáticos más comunes en los sistemas fotovoltaicos y también son una causa importante de formación de arcos CC.

• Los conectores flojos, oxidados o desgastados (como los enchufes MC4) son problemas comunes: durante el uso prolongado-, los conectores pueden aflojarse debido a factores como la vibración y los cambios de temperatura. Los conectores flojos pueden aumentar la resistencia del contacto, generando una gran cantidad de calor cuando pasa la corriente, lo que hace que la temperatura del conector aumente. Las altas temperaturas aceleran la oxidación y el desgaste del conector, creando un círculo vicioso que eventualmente conduce a espacios que pueden provocar la formación de arcos.

• El engarzado de las uniones de los cables no cumple con los estándares: una fuerza de engarzado insuficiente o una fuga pueden provocar un contacto deficiente en las uniones de los cables, lo que de manera similar aumenta la resistencia del contacto, genera altas temperaturas y, en consecuencia, puede provocar la formación de arcos.

2.2 Problemas con los conductores

Los cables son componentes importantes en los sistemas fotovoltaicos para transmitir corriente, y su calidad y estado afectan directamente el funcionamiento seguro del sistema.

• Los daños en la capa de aislamiento del cable pueden provocar una separación entre el conductor y los cuerpos de puesta a tierra o soportes metálicos, lo que puede provocar la formación de arcos: El aislamiento del cable puede dañarse durante la instalación o el uso debido a factores como daños mecánicos o corrosión química.

• El cable puede dañarse por fuerzas externas (como roedores o fricción mecánica), lo que resulta en una exposición local, que también es una de las causas del estiramiento del arco: en algunas centrales fotovoltaicas al aire libre, los roedores roen los cables de vez en cuando.

2.3Factores ambientales y de envejecimiento

Los factores ambientales y el envejecimiento de los equipos también son causas importantes de formación de arcos CC en sistemas fotovoltaicos.

• La exposición prolongada a altas temperaturas y alta humedad puede acelerar el envejecimiento de los componentes, lo que provoca una disminución del rendimiento del aislamiento: en entornos de alta-temperatura, los materiales de los componentes sufren envejecimiento térmico, lo que hace que su rendimiento disminuya gradualmente; En ambientes de alta-humedad, los componentes pueden humedecerse, afectando sus propiedades de aislamiento.

• En los puntos de conexión se acumula polvo y corrosión, lo que puede alterar la continuidad eléctrica y provocar una descarga por interconexión: en entornos polvorientos con fuerte corrosividad, los puntos de conexión tienden a acumular una gran cantidad de polvo y sustancias corrosivas. Estos materiales pueden dificultar la transmisión de corriente eléctrica, aumentar la resistencia en los puntos de conexión, generar altas temperaturas y potencialmente provocar arcos.

3.Tecnología de detección y aplicación del arco CC en energía fotovoltaica

3.1Interruptor de circuito por falla de arco (AFCI/AFDD)

La función de un AFCI es "detectar y cortar la energía" inmediatamente cuando se produce un arco, evitando que el fuego se propague.

Por lo general, se integra en cajas combinadoras de CC, inversores o disyuntores para monitorear las señales actuales en tiempo real. Cuando se produce un arco, la forma de onda actual muestra distorsión y ruido específicos de alta-frecuencia. El AFCI utiliza algoritmos para detectar esta señal anormal y desconecta rápidamente el circuito.

Como se muestra en la forma de onda del espectro actual anterior, el rojo indica la aparición de un arco eléctrico, contrastando claramente con el azul donde no hay arco.

En un sistema eléctrico típico, el ruido aleatorio de fondo generalmente sólo varía notablemente en frecuencias superiores a 200 kHz. Por el contrario, los circuitos controladores de conmutación, como los inversores en el sistema eléctrico, normalmente funcionan en espectros por debajo de 50 kHz. Sin mencionar que la señal de la fuente de alimentación de CA tiene una frecuencia aún más baja de 50/60 Hz. Por lo tanto, al utilizar el algoritmo FFT para convertir la corriente del cable detectada al dominio de la frecuencia y luego analizar la banda de frecuencia entre 30 kHz y 100 kHz, es posible distinguir efectivamente entre el funcionamiento normal del sistema de circuito y condiciones anormales de formación de arco.

Estructura principal

Los disyuntores de falla de arco AFCI constan principalmente de un módulo de disyuntor, un módulo de fuga, un módulo de alimentación, un módulo de acondicionamiento de señal, un módulo de unidad de disparo y un módulo de interfaz de comunicación.

• Módulo de alimentación: suministra energía a los dispositivos relevantes dentro del AFCI/AFDD.

• Módulo de acondicionamiento de señal: la señal de corriente en el circuito principal pasa a través de un transformador de corriente de línea al módulo de acondicionamiento de señal. El módulo amplifica, rectifica y filtra la señal antes de enviarla al microcontrolador para su procesamiento.

• Módulo de disparo: en el disyuntor de falla de arco AFCI, la estructura electromagnética del módulo de disparo adopta una nueva tecnología de ahorro de energía-, que minimiza las pérdidas del núcleo y las pérdidas por cortocircuito-del sistema electromagnético del interruptor, maximizando así el ahorro de energía. Se agrega un dispositivo amortiguador para reducir el impacto energético en el sistema electromagnético, mejorando el rendimiento de cierre del interruptor y extendiendo su vida útil. El mecanismo operativo del módulo de disparo puede recibir señales de falla detectadas por el chip de control principal MCU e interrumpir el circuito de la bobina a través de contactos de control, con el mecanismo electromagnético rompiendo el circuito principal. Una vez eliminada la falla, al presionar el botón de operación se reinicia el módulo.

• Módulo de interfaz de comunicación: este módulo permite la transmisión en tiempo real-de datos como corriente, voltaje, fase de corriente y señales de arco a la computadora terminal, lo que permite el monitoreo remoto.

Principio de funcionamiento

El chip de control principal MCU del disyuntor de falla de arco AFCI monitorea la señal actual en el circuito principal en tiempo real. Cuando se detecta una falla de arco en el circuito principal, el microcontrolador envía una señal de disparo y el circuito de disparo ejecuta la operación de disparo.

3.2Tecnología de imágenes térmicas infrarrojas

La tecnología de imágenes térmicas infrarrojas detecta un calentamiento anormal en los puntos de conexión a través de una cámara infrarroja, lo que permite identificar de antemano los posibles riesgos de arco. Un contacto deficiente suele ir acompañado de altas temperaturas localizadas, y las imágenes térmicas infrarrojas pueden mostrar claramente estas áreas de alta-temperatura, proporcionando al personal de mantenimiento una referencia intuitiva.

4.Medidas de protección e implementación para fallas de arco CC en energía fotovoltaica

4.1Instalación estándar

La instalación adecuada es la base para prevenir la formación de arcos CC en sistemas fotovoltaicos. Durante el proceso de instalación, asegúrese de que los conectores y las uniones de cables estén firmemente engarzados para evitar conexiones sueltas. Se deben utilizar herramientas profesionales para engarzar, operando con la fuerza especificada para garantizar una resistencia de contacto mínima en los puntos de conexión.

Al mismo tiempo, elija materiales aislantes que cumplan con los estándares para reducir el riesgo de daños mecánicos. Al instalar cables, evite doblarlos y estirarlos excesivamente para evitar daños a la capa de aislamiento.

4.2 Selección de componentes

Elija conectores y cables que sean resistentes al envejecimiento y a las altas temperaturas y, especialmente en entornos hostiles, mejoren el nivel de protección de los componentes (como IP65/IP67). Al seleccionar los componentes, tenga plenamente en cuenta las condiciones ambientales de la central fotovoltaica, como la temperatura, la humedad y la corrosividad.

Por ejemplo, en plantas de energía fotovoltaica en áreas de alta-temperatura, se deben elegir conectores y cables que puedan mantener un rendimiento estable a temperaturas más altas; En ambientes altamente corrosivos, como áreas costeras, se deben seleccionar componentes con resistencia a la corrosión.

4.3Optimización del diseño del sistema

La optimización del diseño del sistema es crucial para prevenir la formación de arcos CC en sistemas fotovoltaicos. Durante el proceso de diseño, es importante evitar voltajes de CC excesivamente altos (que deben cumplir con los estándares de seguridad), reducir los tramos largos de cables y minimizar la probabilidad de descarga por espacio.

Planificar razonablemente la disposición de los módulos fotovoltaicos y el tendido de los cables, con el objetivo de minimizar la longitud de los cables y reducir el número de dobleces y uniones de los mismos. Al mismo tiempo, se deben instalar dispositivos de protección adecuados, como fusibles, disyuntores y dispositivos de protección contra fallas de arco, para cortar rápidamente la energía en caso de cualquier anomalía en el circuito.