Einführung und Lösungen zu Photovoltaik-Gleichstromlichtbogenproblemen

Mit der rasanten Entwicklung der Solartechnologie hat sich die Stromerzeugung aus Photovoltaik zu einer der wichtigsten grünen Energielösungen weltweit entwickelt. Photovoltaikanlagen spielen eine bedeutende Rolle, sei es auf Wohndächern, Industrieparks oder großen Solarkraftwerken. Gleichzeitig gewinnen die Sicherheitsaspekte von Photovoltaikanlagen zunehmend an Bedeutung. Der Gleichstromlichtbogen ist ein elektrisches Phänomen, das die Stabilität von Photovoltaikanlagen beeinträchtigen kann und daher für jeden Praktiker und Anwender ein sorgfältiges Verständnis wert ist.

1. Die Bedeutung der DC-Lichtbogenzündung

Unter Gleichstromlichtbögen versteht man, wie der Name schon sagt, das Phänomen, dass sich zwischen Kontaktpunkten ein Lichtbogen bildet, wenn der Strompfad in einem Gleichstromkreis plötzlich unterbrochen wird.

Ein Lichtbogen ist eine Art Gasentladungsphänomen. Wenn ein Gas ionisiert wird, bildet es einen leitenden Kanal, wodurch ein Lichtbogen entsteht. Wenn in Photovoltaik-Gleichstromkreisen eine kleine Lücke im Stromkreis entsteht, erzeugt die Gleichspannung über der Lücke ein elektrisches Feld im Stromkreis. Wenn die elektrische Feldstärke ein bestimmtes Niveau erreicht, werden Luftmoleküle ionisiert. Luftmoleküle bestehen aus Atomen, die aus positiv geladenen Kernen und negativ geladenen Elektronen bestehen. Unter einem starken elektrischen Feld gewinnen Elektronen genug Energie, um sich aus dem Kern zu lösen und zu freien Elektronen zu werden. Diese freien Elektronen beschleunigen im elektrischen Feld, kollidieren mit anderen Luftmolekülen, ionisieren weitere Moleküle und erzeugen so eine große Anzahl freier Elektronen und positiver Ionen. Dieser Vorgang wird als Gaszerfall bezeichnet. Sobald das Gas zersetzt ist, entsteht ein Lichtbogen.

DC-Lichtbogenzündprozess:

Da es bei Gleichstrom keinen Nulldurchgangspunkt gibt und sich die Stromrichtung nicht ändert, kann der Lichtbogen kontinuierlich Energie aufnehmen, was ein selbstständiges Erlöschen erschwert.

Abhängig von der Schaltungsverbindungsmethode und der Position des Lichtbogens können Lichtbögen in Reihenlichtbögen und Parallellichtbögen unterteilt werden (der Erdungslichtbogen kann als eine spezielle Art von Parallellichtbögen angesehen werden). Serienlichtbögen treten normalerweise innerhalb eines einzelnen stromführenden Leiters auf. Da der Abstand zwischen den Leitern klein ist und es viele Leiter gibt, ist die Häufigkeit des Auftretens höher; Da das Serienlichtbogensignal außerdem schwach ist und leicht durch Rauschen überdeckt wird, ist es schwer zu erkennen und kann, wenn es nicht rechtzeitig behoben wird, leicht Brände verursachen. Parallele Lichtbögen entstehen meist zwischen verschiedenen spannungsführenden Leitern. Da der Abstand zwischen den Leitern groß und der Pfad komplex ist, ist die Häufigkeit des Auftretens geringer. Derzeit können Schutzmaßnahmen wie Sicherungen und Leistungsschalter die Auswirkungen paralleler Lichtbögen wirksam kontrollieren.

2.Ursachen vonDC-Lichtbogenzündung

2.1 Probleme mit Verbindungskomponenten

Verbindungsbauteile gehören zu den häufigsten Störstellen in Photovoltaikanlagen und sind auch eine Hauptursache für DC-Lichtbögen.

• Lockere, oxidierte oder abgenutzte Anschlüsse (z. B. MC4-Stecker) sind häufige Probleme: Bei längerem -Einsatz können sich Anschlüsse aufgrund von Faktoren wie Vibrationen und Temperaturschwankungen lockern. Lose Steckverbinder können den Kontaktwiderstand erhöhen und beim Stromdurchfluss eine große Wärmemenge erzeugen, wodurch die Temperatur des Steckverbinders ansteigt. Hohe Temperaturen beschleunigen die Oxidation und den Verschleiß des Steckers und erzeugen einen Teufelskreis, der schließlich zu Lücken führt, die Lichtbögen auslösen können.

• Das Crimpen der Kabelverbindungen entspricht nicht den Standards: Unzureichende Crimpkraft oder Undichtigkeiten können zu schlechtem Kontakt an den Kabelverbindungen führen, was wiederum den Kontaktwiderstand erhöht, hohe Temperaturen erzeugt und in der Folge Lichtbögen verursachen kann.

2.2Leiterprobleme

Leitungen sind wichtige Komponenten in Photovoltaikanlagen zur Stromübertragung und ihre Qualität und Beschaffenheit haben direkten Einfluss auf den sicheren Betrieb der Anlage.

• Eine Beschädigung der Kabelisolationsschicht kann zu einem Spalt zwischen dem Leiter und den Erdungskörpern oder Metallstützen führen, was zu Lichtbögen führen kann: Die Kabelisolierung kann während der Installation oder des Gebrauchs aufgrund von Faktoren wie mechanischer Beschädigung oder chemischer Korrosion beschädigt werden.

• Der Draht kann durch äußere Kräfte (z. B. Nagen von Nagetieren oder mechanische Reibung) beschädigt werden, was zu einer lokalen Belastung führt, die auch eine der Ursachen für die Lichtbogenausdehnung ist: In einigen Photovoltaik-Freiluftkraftwerken kommt es von Zeit zu Zeit zu Nagetieren, die an Kabeln nagen.

2.3Umwelt- und Alterungsfaktoren

Umweltfaktoren und die Alterung der Geräte sind ebenfalls wichtige Ursachen für Gleichstromlichtbögen in Photovoltaikanlagen.

• Eine längere Einwirkung von hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit kann die Alterung der Komponenten beschleunigen und zu einer Verschlechterung der Isolationsleistung führen: In Umgebungen mit hohen Temperaturen altern die Materialien der Komponenten thermisch, wodurch ihre Leistung allmählich abnimmt. In Umgebungen mit hoher -Luftfeuchtigkeit können die Komponenten feucht werden, was ihre Isolationseigenschaften beeinträchtigt.

• An den Verbindungsstellen bilden sich Staub und Korrosion, die den Stromdurchgang stören und Spaltentladungen verursachen können: In staubigen Umgebungen mit starker Korrosivität neigen die Verbindungsstellen dazu, eine große Menge Staub und korrosive Substanzen anzusammeln. Diese Materialien können die Übertragung von elektrischem Strom behindern, den Widerstand an den Verbindungsstellen erhöhen, hohe Temperaturen erzeugen und möglicherweise Lichtbögen verursachen.

3.Detektionstechnologie und Anwendung von Gleichstromlichtbögen in der Photovoltaik

3.1 Lichtbogenfehler-Schutzschalter (AFCI)./AFDD)

Die Funktion eines AFCI besteht darin, das Auftreten eines Lichtbogens sofort zu „erkennen und die Stromversorgung zu unterbrechen“ und so die Ausbreitung des Feuers zu verhindern.

Es wird normalerweise in DC-Sammelboxen, Wechselrichter oder Leistungsschalter integriert, um Stromsignale in Echtzeit zu überwachen. Wenn ein Lichtbogen auftritt, weist die Stromwellenform spezifisches hochfrequentes Rauschen und Verzerrungen auf. Der AFCI verwendet Algorithmen, um dieses abnormale Signal zu erkennen und den Stromkreis schnell zu trennen.

Hauptstruktur

AFCI-Lichtbogenfehlerschutzschalter bestehen hauptsächlich aus einem Leistungsschaltermodul, einem Leckagemodul, einem Leistungsmodul, einem Signalaufbereitungsmodul, einem Auslösermodul und einem Kommunikationsschnittstellenmodul.

• Leistungsmodul: Versorgt die relevanten Geräte im AFCI/AFDD mit Strom.

• Signalaufbereitungsmodul: Das Stromsignal im Hauptstromkreis wird über einen Netzstromwandler zum Signalaufbereitungsmodul geleitet. Das Modul verstärkt, gleichrichtet und filtert das Signal, bevor es es zur Verarbeitung an den Mikrocontroller sendet.

• Auslösemodul: Beim AFCI-Lichtbogenfehlerschutzschalter nutzt die elektromagnetische Struktur des Auslösemoduls eine neue Energiespartechnologie, die die Kernverluste und Kurzschlussverluste des elektromagnetischen Schaltersystems minimiert und so die Energieeinsparung maximiert. Eine Puffervorrichtung wird hinzugefügt, um die Energieeinwirkung auf das elektromagnetische System zu reduzieren, die Schließleistung des Schalters zu verbessern und seine Lebensdauer zu verlängern. Der Betätigungsmechanismus des Auslösemoduls kann vom Hauptsteuerchip MCU erkannte Fehlersignale empfangen und den Spulenstromkreis über Steuerkontakte unterbrechen, wobei der elektromagnetische Mechanismus den Hauptstromkreis unterbricht. Nachdem der Fehler behoben ist, wird das Modul durch Drücken der Bedientaste zurückgesetzt.

Kommunikationsschnittstellenmodul: Dieses Modul ermöglicht die Echtzeitübertragung von Daten wie Strom, Spannung, Stromphase und Lichtbogensignalen an den Terminalcomputer und ermöglicht so eine Fernüberwachung.

Funktionsprinzip

Der Hauptsteuerchip MCU des AFCI-Lichtbogenfehlerschutzschalters überwacht das Stromsignal im Hauptstromkreis in Echtzeit. Wenn im Hauptstromkreis ein Lichtbogenfehler erkannt wird, sendet der Mikrocontroller ein Auslösesignal und der Auslösekreis führt den Auslösevorgang aus.

3.2Infrarot-Wärmebildtechnologie

Die Infrarot-Wärmebildtechnik erkennt mithilfe einer Infrarotkamera abnormale Erwärmungen an Verbindungspunkten und ermöglicht so die frühzeitige Erkennung potenzieller Lichtbogenrisiken. Schlechter Kontakt geht oft mit lokal hohen Temperaturen einher, und Infrarot-Wärmebilder können diese Hochtemperaturbereiche deutlich darstellen und dem Wartungspersonal eine intuitive Orientierung bieten.

4. Schutzmaßnahmen und Umsetzung bei DC-Störlichtbögen in der Photovoltaik

4.1Standardinstallation

Die ordnungsgemäße Installation ist die Grundlage zur Vermeidung von DC-Lichtbögen in Photovoltaikanlagen. Stellen Sie während des Installationsvorgangs sicher, dass die Anschlüsse und Kabelverbindungen fest gecrimpt sind, um lose Verbindungen zu vermeiden. Zum Crimpen sollten professionelle Werkzeuge verwendet werden, die mit der angegebenen Kraft arbeiten, um minimale Übergangswiderstände an den Verbindungsstellen zu gewährleisten.

Wählen Sie gleichzeitig Dämmstoffe, die den Normen entsprechen, um das Risiko mechanischer Beschädigungen zu verringern. Vermeiden Sie beim Verlegen von Kabeln übermäßiges Biegen und Dehnen, um Schäden an der Isolierschicht zu vermeiden.

4.2Komponentenauswahl

Wählen Sie Steckverbinder und Kabel, die alterungs- und hochtemperaturbeständig sind und insbesondere in rauen Umgebungen den Schutzgrad der Komponenten erhöhen (z. B. IP65/IP67). Berücksichtigen Sie bei der Auswahl der Komponenten die Umgebungsbedingungen des Photovoltaikkraftwerks wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Korrosivität.

Beispielsweise sollten in Photovoltaik-Kraftwerken in Hochtemperaturgebieten Steckverbinder und Kabel gewählt werden, die auch bei höheren Temperaturen eine stabile Leistung aufrechterhalten können. In stark korrosiven Umgebungen wie Küstengebieten sollten Komponenten mit Korrosionsbeständigkeit ausgewählt werden.

4.3Optimierung des Systemdesigns

Die Optimierung des Systemdesigns ist entscheidend für die Vermeidung von Gleichstromlichtbögen in Photovoltaikanlagen. Während des Designprozesses ist es wichtig, zu hohe Gleichspannungen (die den Sicherheitsstandards entsprechen müssen) zu vermeiden, lange Kabelwege zu reduzieren und die Wahrscheinlichkeit einer Spaltentladung zu minimieren.

Planen Sie die Anordnung der Photovoltaikmodule und die Kabelführung sinnvoll und achten Sie darauf, die Kabellänge zu minimieren und die Anzahl der Biegungen und Verbindungen in den Kabeln zu reduzieren. Gleichzeitig sollten geeignete Schutzvorrichtungen wie Sicherungen, Leistungsschalter und Lichtbogenschutzvorrichtungen installiert werden, um im Falle von Anomalien im Stromkreis die Stromversorgung sofort zu unterbrechen.