Bezpieczeństwo jest najwyższym priorytetem nie tylko przy produkcji wyrobów, ale również w ogólnie pojętym życiu osobistym. W przypadku systemów fotowoltaicznych (PV) ma ono tym większe znaczenie. Przekonaliśmy się, że duża liczba pożarów w instalacjach PV jest spowodowana łukami powstającymi w obwodach prądu stałego w wyniku złego połączenia urządzeń, starzenia się lub uszkodzenia kabli. Zwykle problemy te można rozwiązać poprzez poprawę jakości technicznej instalacji i dzięki ręcznej kontroli.
Metody te nie pomogą jednak w wykryciu wszystkich problemów, a wypadki mogą zdarzać się sporadycznie. Aktywny przerywacz obwodu zwarć łukowych (ang. arc-fault circuit interrupter – AFCI) posiada dokładniejsze funkcje wykrywania łuku i szybszego usuwania usterek, co może rozwiązać wszystkie wymienione wcześniej problemy i zapewnić większe bezpieczeństwo instalacji PV.
Co to jest AFCI – aktywny przerywacz obwodu zwarć łukowych
Główną rolę AFCI stanowi zapobieganie pożarom spowodowanym przez łuki powstałe wskutek działania takich czynników, jak: starzenie się sprzętu, uszkodzenia izolacji elektrycznej i przewodów, luźne połączenia i awarie spowodowane wilgocią powietrza itp. W 2011 roku w amerykańskim standardzie National Electrical Code (NEC) ujęta została norma dotycząca ochrony przed uszkodzeniami spowodowanymi przez łuk elektryczny: UL1699B. Norma ta wymaga, aby urządzenia PV instalowane w budynkach o napięciu większym niż 80 V i mniejszym niż 1 kV musiały być wyposażone w przerywacz łuku lub odpowiednie urządzenia zabezpieczające. Aby taki przerywacz (lub inne urządzenie) spełniał założenia normy, musi być zdolny wykryć i przerwać łuk w ciągu 2,5 s oraz ograniczyć energię do 750 J. AFCI firmy Growatt został zweryfikowany przez autoryzowane agencje certyfikacyjne w różnych trudnych warunkach. Czas zgłaszania błędów, udowodniony przez tysiące testów, jest zgodny z najnowszymi międzynarodowymi przepisami bezpieczeństwa. Najszybszy czas reakcji wynosi 0,209 s, a średni czas to tylko 0,7535 s, znacznie poniżej międzynarodowej normy (2,5 s).
Jak to działa
Łuki powstające w obwodach prądu stałego w systemach PV można podzielić na łuki równoległe, szeregowe łuki zwarciowe oraz równoległe łuki zwarciowe. Szeregowe łuki zwarciowe zwykle wynikają z przerwania przewodu fazowego lub utraty połączenia szeregowego z obciążeniem. W takich przypadkach prąd jest mniejszy niż prąd roboczy. Równoległe łuki zwarciowe są spowodowane przez łuk elektryczny powstały w wyniku uszkodzenia izolacji dwóch przewodów, a wartość prądu zależy w tym wypadku od impedancji obwodu. Łuki równoległe, inaczej zwane łukami zwarciowymi międzyfazowymi, mają tendencję do samoistnego gaśnięcia. Mogą jednak wywołać zwarcie międzyfazowe. Istniejące systemy fotowoltaiczne to przeważnie panele wysokiego napięcia prądu stałego z setkami lub tysiącami styków. Z powyższych względów najczęstszymi przyczynami pożarów są szeregowe łuki zwarciowe.
W przypadku wystąpienia łuku elektrycznego w określonym miejscu w instalacji PV nieuchronnie spowoduje on zmiany w przebiegu prądu i napięcia. Przy prawidłowym doborze miejsca detekcji można zaobserwować zmiany kształtu fali prądowej i napięciowej. Te z kolei mogą być wykorzystane do stwierdzenia wystąpienia łuku elektrycznego. W przypadku szeregowych łuków zwarciowych, ze względu na jednolitą charakterystykę prądową w obwodzie szeregowym, moduł Growatt AFCI wykrywa zmiany w fali prądowej na wejściu falownika i rozpoznaje, czy w obwodzie występuje łuk. Dzięki dużej liczbie eksperymentów porównawczych i analizie danych wiadomo, że w przypadku wystąpienia łuku elektrycznego zwiększają się wahanie napięcia i poziom rozproszenia zbieranych danych prądowych (odchylenie napięcia staje się większe). Dla odmiany, podczas normalnej pracy, tylko wartość średnia napięcia ulega sporadycznie nagłym zmianom. Dlatego też odchylenia napięcia mogą być wykorzystane do określenia występowania łuku elektrycznego w miejscu uszkodzenia. W przypadku instalacji PV podłączonych do sieci lokalnej, gdzie takie odchylenia są na porządku dziennym, wymienione kryteria detekcji łuków mogą jednak skutkować fałszywymi alarmami. Dalsze badania wykazały, że po wystąpieniu łuku zaburzeniom ulegają również składowe harmoniczne (jak pokazano poniżej), więc łuk może być wykryty również poprzez analizę pasma pomiaru prądu opartą na zmianach częstotliwości (rys. 1).
Rys. 1. Wyniki pomiaru prądu oparte na zmianach częstotliwości w czasie
Wejściowy prąd stały jest najpierw wykrywany przez przekładnik prądowy (ang. current transformer – CT) o wysokiej czułości. Następnie wykryty sygnał prądowy jest przetwarzany przez filtr środkowoprzepustowy, wysyłany do 16-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego w celu próbkowania, a na koniec przetwarzany przez mikrokontroler (ang. microcontroller unit – MCU). Proces przetwarzania polega na wykonaniu szybkiej transformacji (dekompozycji) Fouriera (ang. fast Fourier transform – FFT) danych, tj. porównania danych zarejestrowanych podczas normalnej pracy z danymi pobranymi przy zaistnieniu łuku. Ustala się kryterium wykrycia łuku zwarciowego, a następnie ocenia się, czy i gdzie łuk występuje. Informacja o wykryciu łuku zwarciowego jest przesyłana do systemu DSP, falownik automatycznie odcina ścieżkę generowania łuku, a powiadomienie o błędzie jest niezwłocznie zgłaszane.
Rys. 2. AFCI w falowniku – schemat
Metody wykrywania łuku – testy sprawności AFCI
Poniżej przedstawiono metodę wykrywania łuku (rys. 3). Podłączono reaktor łukowy do PV i porównano wyniki falownika wyposażonego w AFCI i bez AFCI podczas wystąpienia łuku.
1. Falownik bez przerywacza obwodu zwarć łukowych – AFCI
Rys. 4. Zasada działania generatora łuków w falowniku bez AFCI
Z testów wynika, że generator łuku (rys. 4) nadal wytwarza łuk, który nie jest odcięty, przez co istnieje poważne zagrożenie pożarowe.
2. Falownik wyposażony w przerywacz obwodu zwarć łukowych – AFCI
Rys. 5. Zasada działania generatora łuków w falowniku z AFCI
Moduł AFCI (rys. 5) wykrywa wahania prądu wejściowego DC w czasie rzeczywistym za pomocą wysokoczułego przekładnika prądowego. Po wykryciu łuku prądu stałego, przekazuje on ostrzeżenie do układu DSP, który z kolei odcina łuk. Czas całej operacji nie przekracza 2,5 s, co stanowi gwarancję bezpieczeństwa systemu.
Fot. 1. Odcięty łuk elektryczny
Seria falowników Growatt-X wyposażonych w AFCI
Bez względu na to, czy mają być wykorzystywane do celów mieszkalnych, komercyjnych czy użytkowych, wszystkie nowe falowniki z serii Growatt-X mogą być zintegrowane z AFCI w zależności od potrzeb klienta. Dzięki aktywnemu systemowi detekcji, możliwości szybkiego wyłączenia i inteligentnemu alarmowi seria X nie tylko zapewnia maksymalną efektywność systemu PV, lecz także niezawodną ochronę przed potencjalnym zagrożeniem pożarowym.
Fot. 2. Falowniki z serii X marki Growatt
Funkcie urządzeń Growatt AFCI
W celu zaspokojenia potrzeb wszystkich klientów AFCI firmy Growatt posiadają również następujące funkcje spełniające podstawowe wytyczne najnowszych międzynarodowych przepisów bezpieczeństwa:
- Szybki i prosty przełącznik AFCI umożliwia włączanie/wyłączanie AFCI za pomocą jednego kliknięcia w zależności od potrzeb.
- Szybki test modułu, ustawienie autodiagnostyki AFCI, rezultat w ciągu 30 s.
- Łuk jest wykrywany co 93 ms, a średni czas wynosi tylko 753 ms – znacznie poniżej międzynarodowego standardu bezpieczeństwa wynoszącego 2,5 s. Najszybsza reakcja AFCI wynosi tylko 209 ms.
- AFCI Reset – funkcja resetowania jednym kliknięciem po wykryciu usterki pozwala uniknąć utraty mocy.
- Funkcja skanowania AFCI w czasie rzeczywistym umożliwia klientom analizę działania ich systemów PV.
Rodzaje metod kontroli AFCI
Bez względu na to, czy zainstalowany jest system ShinePhone, ShineBus czy OSS, klienci mogą dowolnie ustawiać funkcje AFCI. Oprogramowanie pozwala kontrolować przełączniki AFCI oraz funkcje autodiagnostyki, resetowania i skanowania
1.ShinePhone (Smartphone APP)
Funkcje AFCI w ShinePhone
2. ShineBus (oprogramowanie, wymaga połączenia RS485)
3. OSS (System zarządzania)
3.1. Funkcje AFCI w systemie OSS
Fot. 3. Ustawienia AFCI widoczne na panelu (ShinePhone)
Fot.4. Magistrala ShineBus z funkcjami AFCI
Fot. 5. Ustawienia AFCI w systemie OSS
Więcej informacji dostępnych pod adresem email: info@growatt.pl lub na stronie internetowej:
www.growatt.pl
