Introdução e soluções para problemas de arco CC fotovoltaico

Com o rápido desenvolvimento da tecnologia solar, a geração de energia fotovoltaica tornou-se uma das importantes soluções de energia verde em todo o mundo. Os sistemas fotovoltaicos desempenham um papel significativo, seja em telhados residenciais, parques industriais ou usinas de energia solar em grande-escala. Ao mesmo tempo, as questões de segurança dos sistemas fotovoltaicos estão gradualmente a ganhar atenção. O arco CC, como fenômeno elétrico que pode afetar a estabilidade dos sistemas fotovoltaicos, merece uma compreensão cuidadosa por todos os profissionais e usuários.

1.O significado do ataque do arco DC

O arco elétrico de corrente contínua, como o nome sugere, refere-se ao fenômeno em que um arco se forma entre pontos de contato quando o caminho da corrente em um circuito de corrente contínua é interrompido repentinamente.

Um arco elétrico é um tipo de fenômeno de descarga de gás. Quando um gás é ionizado, forma um canal condutor, resultando em um arco elétrico. Em circuitos CC fotovoltaicos, quando ocorre uma pequena lacuna no circuito, a tensão CC através da lacuna criará um campo elétrico dentro dele. Quando a intensidade do campo elétrico atinge um certo nível, as moléculas de ar tornam-se ionizadas. As moléculas de ar são compostas de átomos, que consistem em núcleos carregados positivamente e elétrons carregados negativamente. Sob um forte campo elétrico, os elétrons ganham energia suficiente para se libertarem do núcleo e se tornarem elétrons livres. Esses elétrons livres aceleram no campo elétrico, colidem com outras moléculas de ar, ionizando mais moléculas, criando assim um grande número de elétrons livres e íons positivos. Este processo é conhecido como quebra de gás. Depois que o gás é decomposto, um arco elétrico se forma.

Processo de ataque do arco DC:

Para corrente contínua, por não ter ponto de cruzamento zero e a direção da corrente não mudar, o arco pode receber energia continuamente, dificultando sua extinção por conta própria.

De acordo com o método de conexão do circuito e a localização do arco, os arcos podem ser divididos em arcos em série e arcos paralelos (o arco de aterramento pode ser considerado um tipo especial de arco paralelo). Os arcos em série geralmente ocorrem dentro de um único condutor energizado. Como o espaçamento entre os condutores é pequeno e há muitos condutores, a frequência de ocorrência é maior; além disso, como o sinal do arco em série é fraco e facilmente mascarado pelo ruído, é difícil de detectar e, se não for resolvido a tempo, pode facilmente causar incêndios. Arcos paralelos geralmente ocorrem entre diferentes condutores energizados. Como o espaçamento entre os condutores é grande e o caminho é complexo, a frequência de ocorrência é menor. Atualmente, medidas de proteção como fusíveis e disjuntores podem controlar eficazmente o impacto de arcos paralelos.

2. Causas deAtaque de arco DC

2.1 Problemas nos componentes de conexão

Os componentes de conexão são um dos pontos problemáticos mais comuns em sistemas fotovoltaicos e também são uma das principais causas de arcos CC.

• Conectores soltos, oxidados ou desgastados (como plugues MC4) são problemas comuns: durante o uso-de longo prazo, os conectores podem se soltar devido a fatores como vibração e mudanças de temperatura. Conectores soltos podem aumentar a resistência do contato, gerando uma grande quantidade de calor quando a corrente passa, fazendo com que a temperatura do conector aumente. As altas temperaturas aceleram a oxidação e o desgaste do conector, criando um ciclo vicioso que eventualmente leva a lacunas, que podem desencadear arco voltaico.

• A crimpagem das juntas dos cabos não está de acordo com o padrão: Força de crimpagem insuficiente ou vazamento pode levar a um mau contato nas juntas dos cabos, o que aumenta de forma semelhante a resistência de contato, gera altas temperaturas e pode, consequentemente, causar arcos.

2.2 Problemas do Condutor

Os fios são componentes importantes em sistemas fotovoltaicos para transmissão de corrente, e sua qualidade e condição afetam diretamente a operação segura do sistema.

• Danos na camada de isolamento do cabo podem causar uma lacuna entre o condutor e os corpos de aterramento ou suportes metálicos, o que pode causar arcos elétricos: O isolamento do cabo pode ser danificado durante a instalação ou uso devido a fatores como danos mecânicos ou corrosão química.

• O fio pode ser danificado por forças externas (como roedores roendo ou fricção mecânica), resultando em exposição local, que também é uma das causas do estiramento do arco: Em algumas usinas fotovoltaicas externas, roedores roem cabos de vez em quando.

2.3Ambiente e Fatores de Envelhecimento

Fatores ambientais e envelhecimento do equipamento também são causas importantes de arcos CC em sistemas fotovoltaicos.

• A exposição prolongada a altas temperaturas e alta umidade pode acelerar o envelhecimento dos componentes, levando a um declínio no desempenho do isolamento: em ambientes-de alta temperatura, os materiais dos componentes sofrem envelhecimento térmico, fazendo com que seu desempenho diminua gradualmente; em ambientes-de alta umidade, os componentes podem ficar úmidos, afetando suas propriedades de isolamento.

• Poeira e corrosão se acumulam nos pontos de conexão, o que pode interromper a continuidade elétrica e causar descargas intermitentes: Em ambientes empoeirados com forte corrosividade, os pontos de conexão tendem a acumular uma grande quantidade de poeira e substâncias corrosivas. Esses materiais podem dificultar a transmissão da corrente elétrica, aumentar a resistência nos pontos de conexão, gerar altas temperaturas e potencialmente causar arco voltaico.

3.Tecnologia de detecção e aplicação de arco DC em energia fotovoltaica

3.1Interruptor de circuito de falha de arco (AFCI/AFDD)

A função de um AFCI é 'detectar e cortar a energia' imediatamente quando ocorre um arco, evitando que o fogo se espalhe.

Geralmente é integrado em caixas combinadoras CC, inversores ou disjuntores para monitorar sinais de corrente em tempo real. Quando ocorre um arco, a forma de onda atual exibe ruído e distorção específicos de alta{1}frequência. O AFCI usa algoritmos para detectar esse sinal anormal e desconecta rapidamente o circuito.

Conforme mostrado na forma de onda do espectro de corrente acima, o vermelho indica a ocorrência de um arco elétrico, contrastando claramente com o azul onde não há arco.

Em um sistema elétrico típico, o ruído aleatório de fundo geralmente varia visivelmente apenas em frequências acima de 200 kHz. Em contraste, circuitos controladores de comutação, como inversores no sistema elétrico, normalmente operam em espectros abaixo de 50 kHz. Sem mencionar que o próprio sinal da fonte de alimentação CA está em uma frequência ainda mais baixa, de 50/60 Hz. Portanto, usando o algoritmo FFT para converter a corrente detectada do cabo no domínio da frequência e depois analisando a banda de frequência entre 30 kHz e 100 kHz, é possível distinguir efetivamente entre a operação normal do sistema de circuito e condições anormais de arco.

Estrutura principal

Os disjuntores de falha de arco AFCI consistem principalmente em um módulo de disjuntor, módulo de vazamento, módulo de potência, módulo de condicionamento de sinal, módulo de unidade de disparo e módulo de interface de comunicação.

• Módulo de energia: fornece energia aos dispositivos relevantes dentro do AFCI/AFDD.

• Módulo de condicionamento de sinal: O sinal de corrente no circuito principal é passado através de um transformador de corrente de linha para o módulo de condicionamento de sinal. O módulo amplifica, retifica e filtra o sinal antes de enviá-lo ao microcontrolador para processamento.

• Módulo de disparo: No disjuntor de falha por arco AFCI, a estrutura eletromagnética do módulo de disparo adota uma nova tecnologia-de economia de energia, minimizando as perdas do núcleo e as perdas-de curto-circuito do sistema eletromagnético da chave, maximizando assim a economia de energia. Um dispositivo de buffer é adicionado para reduzir o impacto energético no sistema eletromagnético, melhorando o desempenho de fechamento da chave e prolongando sua vida útil. O mecanismo de operação do módulo de disparo pode receber sinais de falha detectados pelo chip de controle principal MCU e interromper o circuito da bobina através de contatos de controle, com o mecanismo eletromagnético interrompendo o circuito principal. Após a falha ser eliminada, pressionar o botão de operação reinicializa o módulo.

• Módulo de interface de comunicação: este módulo permite a transmissão-em tempo real de dados como corrente, tensão, fase de corrente e sinais de arco para o computador terminal, permitindo monitoramento remoto.

Princípio de funcionamento

O chip de controle principal MCU do disjuntor de falha de arco AFCI monitora o sinal de corrente no circuito principal em tempo real. Quando uma falha de arco é detectada no circuito principal, o microcontrolador envia um sinal de disparo e o circuito de disparo executa a operação de disparo.

3.2Tecnologia de imagem térmica infravermelha

A tecnologia de imagem térmica infravermelha detecta aquecimento anormal em pontos de conexão por meio de uma câmera infravermelha, permitindo a identificação antecipada de possíveis riscos de arco. O mau contato geralmente é acompanhado por altas temperaturas localizadas, e as imagens térmicas infravermelhas podem exibir claramente essas áreas-de alta temperatura, fornecendo ao pessoal de manutenção uma referência intuitiva.

4. Medidas de proteção e implementação para falhas de arco CC em energia fotovoltaica

4.1 Instalação Padrão

A instalação adequada é a base para evitar arcos CC em sistemas fotovoltaicos. Durante o processo de instalação, certifique-se de que os conectores e as juntas dos cabos estejam firmemente cravados para evitar conexões soltas. Para crimpagem devem ser utilizadas ferramentas profissionais, operando com a força especificada para garantir resistência mínima de contato nos pontos de conexão.

Ao mesmo tempo, escolha materiais de isolamento que atendam aos padrões para reduzir o risco de danos mecânicos. Ao instalar os cabos, evite dobrar e esticar excessivamente para evitar danos à camada de isolamento.

4.2 Seleção de Componentes

Escolha conectores e cabos que sejam resistentes ao envelhecimento e às altas temperaturas e, especialmente em ambientes agressivos, que melhorem o nível de proteção dos componentes (como IP65/IP67). Ao selecionar os componentes, considere totalmente as condições ambientais da usina fotovoltaica, como temperatura, umidade e corrosividade.

Por exemplo, em usinas fotovoltaicas em áreas-de alta temperatura, devem ser escolhidos conectores e cabos que possam manter desempenho estável em temperaturas mais altas; em ambientes altamente corrosivos, como áreas costeiras, devem ser selecionados componentes com resistência à corrosão.

4.3 Otimização do Projeto do Sistema

A otimização do projeto do sistema é crucial para evitar arcos CC em sistemas fotovoltaicos. Durante o processo de projeto, é importante evitar tensões CC excessivamente altas (que devem estar em conformidade com os padrões de segurança), reduzir cabos longos e minimizar a probabilidade de descarga de lacuna.

Planeje razoavelmente a disposição dos módulos fotovoltaicos e o roteamento dos cabos, visando minimizar o comprimento dos cabos e reduzir o número de curvas e juntas nos cabos. Ao mesmo tempo, dispositivos de proteção apropriados devem ser instalados, como fusíveis, disjuntores e dispositivos de proteção contra arco elétrico, para cortar imediatamente a energia em caso de qualquer anormalidade no circuito.