Giới thiệu và giải pháp các vấn đề về hồ quang DC

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ năng lượng mặt trời, sản xuất điện quang điện đã trở thành một trong những giải pháp năng lượng xanh quan trọng trên toàn thế giới. Hệ thống quang điện đóng một vai trò quan trọng, dù trên mái nhà dân cư, khu công nghiệp hay-nhà máy điện mặt trời quy mô lớn. Đồng thời, vấn đề an toàn của hệ thống quang điện đang dần được chú ý. Hồ quang DC, như một hiện tượng điện có thể ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống quang điện, cần được mọi người thực hành và người sử dụng hiểu rõ.

1.Ý nghĩa của việc đánh hồ quang DC

Phóng điện hồ quang một chiều, như tên gọi của nó, đề cập đến hiện tượng hồ quang hình thành giữa các điểm tiếp xúc khi đường dẫn dòng điện trong mạch điện một chiều bị gián đoạn đột ngột.

Hồ quang điện là một loại hiện tượng phóng điện của chất khí. Khi một chất khí bị ion hóa, nó tạo thành một kênh dẫn điện, tạo ra hồ quang điện. Trong các mạch quang điện DC, khi xuất hiện một khe hở nhỏ trong mạch, điện áp DC trên khe hở sẽ tạo ra một điện trường bên trong khe hở đó. Khi cường độ điện trường đạt đến một mức nhất định, các phân tử không khí sẽ bị ion hóa. Các phân tử không khí được tạo thành từ các nguyên tử, bao gồm các hạt nhân tích điện dương và các electron tích điện âm. Dưới tác dụng của điện trường mạnh, các electron thu đủ năng lượng để thoát ra khỏi hạt nhân và trở thành electron tự do. Các electron tự do này tăng tốc trong điện trường, va chạm với các phân tử không khí khác, làm ion hóa nhiều phân tử hơn, từ đó tạo ra một số lượng lớn các electron tự do và ion dương. Quá trình này được gọi là sự cố khí. Khi khí bị phân hủy, hồ quang điện sẽ hình thành.

Quá trình tấn công hồ quang DC:

Đối với dòng điện một chiều, vì nó không có điểm giao nhau bằng 0 và hướng dòng điện không thay đổi nên hồ quang có thể liên tục nhận năng lượng, khiến hồ quang khó tự dập tắt.

Theo phương pháp kết nối mạch và vị trí hồ quang, các cung có thể được chia thành các cung nối tiếp và các cung song song (Cung nối đất có thể được coi là một loại hồ quang song song đặc biệt). Các hồ quang nối tiếp thường xuất hiện trong một dây dẫn mang điện. Do khoảng cách giữa các dây dẫn nhỏ và có nhiều dây dẫn nên tần suất xuất hiện cao hơn; Hơn nữa, do tín hiệu hồ quang nối tiếp yếu và dễ bị nhiễu nên rất khó phát hiện và nếu không được xử lý kịp thời có thể dễ gây cháy. Các hồ quang song song thường xảy ra giữa các dây dẫn mang điện khác nhau. Do khoảng cách giữa các dây dẫn lớn và đường dẫn phức tạp nên tần suất xuất hiện thấp hơn. Hiện nay, các biện pháp bảo vệ như cầu chì, cầu dao có thể kiểm soát hiệu quả tác động của hồ quang song song.

2. Nguyên nhân củaDC Arc nổi bật

2.1Các vấn đề về thành phần kết nối

Các thành phần kết nối là một trong những điểm rắc rối phổ biến nhất trong hệ thống quang điện và cũng là nguyên nhân chính gây ra hồ quang DC.

• Đầu nối lỏng, bị oxy hóa hoặc mòn (chẳng hạn như phích cắm MC4) là những sự cố thường gặp: Trong quá trình sử dụng-lâu dài, đầu nối có thể bị lỏng do các yếu tố như độ rung và thay đổi nhiệt độ. Các đầu nối bị lỏng có thể làm tăng điện trở tiếp xúc, tạo ra một lượng nhiệt lớn khi dòng điện chạy qua, khiến nhiệt độ của đầu nối tăng lên. Nhiệt độ cao đẩy nhanh quá trình oxy hóa và mài mòn của đầu nối, tạo ra một vòng luẩn quẩn mà cuối cùng dẫn đến các khe hở, có thể gây ra phóng điện.

• Việc uốn các mối nối cáp không đạt tiêu chuẩn: Lực uốn không đủ hoặc rò rỉ có thể dẫn đến tiếp xúc kém ở các mối nối cáp, điều này làm tăng điện trở tiếp xúc, tạo ra nhiệt độ cao và do đó có thể gây ra hồ quang điện.

2.2 Sự cố dây dẫn

Dây điện là thành phần quan trọng trong hệ thống quang điện để truyền dòng điện, chất lượng và tình trạng của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động an toàn của hệ thống.

• Hư hỏng lớp cách điện của cáp có thể tạo ra khe hở giữa dây dẫn và thân nối đất hoặc các giá đỡ kim loại, có thể dẫn đến hồ quang: Lớp cách điện của cáp có thể bị hỏng trong quá trình lắp đặt hoặc sử dụng do các yếu tố như hư hỏng cơ học hoặc ăn mòn hóa học.

• Dây có thể bị hư hỏng do ngoại lực (chẳng hạn như chuột gặm hoặc ma sát cơ học), dẫn đến phơi nhiễm cục bộ, đây cũng là một trong những nguyên nhân gây giãn hồ quang: Ở một số trạm quang điện ngoài trời thỉnh thoảng xảy ra hiện tượng chuột gặm dây cáp.

2.3 Yếu tố môi trường và lão hóa

Các yếu tố môi trường và sự lão hóa của thiết bị cũng là nguyên nhân quan trọng gây ra hồ quang DC trong hệ thống quang điện.

• Việc tiếp xúc kéo dài với nhiệt độ cao và độ ẩm cao có thể đẩy nhanh quá trình lão hóa của linh kiện, dẫn đến giảm hiệu suất cách nhiệt: Trong-môi trường nhiệt độ cao, vật liệu của các linh kiện bị lão hóa do nhiệt, khiến hiệu suất của chúng giảm dần; trong môi trường có-độ ẩm cao, các bộ phận có thể bị ẩm, ảnh hưởng đến đặc tính cách nhiệt của chúng.

• Bụi và ăn mòn tích tụ tại các điểm kết nối, có thể làm gián đoạn tính liên tục của dòng điện và gây ra hiện tượng phóng điện khe hở: Trong môi trường bụi bặm có tính ăn mòn mạnh, các điểm kết nối có xu hướng tích tụ một lượng lớn bụi và chất ăn mòn. Những vật liệu này có thể cản trở sự truyền tải dòng điện, tăng điện trở tại các điểm kết nối, tạo ra nhiệt độ cao và có khả năng gây ra hồ quang điện.

3. Công nghệ phát hiện và ứng dụng hồ quang DC trong quang điện

3.1 Bộ ngắt mạch sự cố Arc (AFCI/AFDD)

Chức năng của AFCI là “phát hiện và cắt điện” ngay lập tức khi xảy ra hồ quang, ngăn chặn đám cháy lan rộng.

Nó thường được tích hợp vào hộp tổ hợp DC, bộ biến tần hoặc bộ ngắt mạch để theo dõi tín hiệu hiện tại trong thời gian thực. Khi hồ quang xảy ra, dạng sóng hiện tại thể hiện nhiễu và biến dạng tần số-cao cụ thể. AFCI sử dụng thuật toán để phát hiện tín hiệu bất thường này và nhanh chóng ngắt mạch.

Như thể hiện trong dạng sóng phổ hiện tại ở trên, màu đỏ biểu thị sự xuất hiện của hồ quang điện, tương phản rõ ràng với màu xanh lam khi không có hồ quang.

Trong một hệ thống điện điển hình, nhiễu nền ngẫu nhiên thường chỉ thay đổi đáng kể ở tần số trên 200 kHz. Ngược lại, các mạch điều khiển chuyển mạch như bộ biến tần trong hệ thống điện thường hoạt động ở phổ tần dưới 50 kHz. Chưa kể, bản thân tín hiệu nguồn điện AC thậm chí còn ở tần số thấp hơn 50/60 Hz. Do đó, bằng cách sử dụng thuật toán FFT để chuyển đổi dòng cáp được phát hiện sang miền tần số, sau đó phân tích dải tần trong khoảng từ 30 kHz đến 100 kHz, có thể phân biệt một cách hiệu quả giữa hoạt động bình thường của hệ thống mạch và điều kiện hồ quang bất thường.

Cấu trúc chính

Bộ ngắt mạch sự cố hồ quang AFCI chủ yếu bao gồm mô-đun ngắt, mô-đun rò rỉ, mô-đun nguồn, mô-đun điều hòa tín hiệu, mô-đun bộ ngắt và mô-đun giao diện truyền thông.

• Mô-đun nguồn: cấp nguồn cho các thiết bị liên quan bên trong AFCI/AFDD.

• Mô-đun điều hòa tín hiệu: Tín hiệu dòng điện trong mạch chính được truyền qua máy biến dòng đến mô-đun điều hòa tín hiệu. Mô-đun khuếch đại, chỉnh lưu và lọc tín hiệu trước khi gửi đến bộ vi điều khiển để xử lý.

• Mô-đun cắt: Trong cầu dao ngắt mạch AFCI, cấu trúc điện từ của mô-đun cắt áp dụng công nghệ tiết kiệm năng lượng-mới, giảm thiểu tổn thất lõi và tổn thất ngắn mạch-của hệ thống điện từ công tắc, nhờ đó tiết kiệm năng lượng tối đa. Một thiết bị đệm được thêm vào để giảm tác động năng lượng lên hệ thống điện từ, cải thiện hiệu suất đóng của công tắc và kéo dài tuổi thọ của nó. Cơ chế hoạt động của mô-đun ngắt có thể nhận tín hiệu lỗi được phát hiện bởi chip điều khiển chính MCU và làm gián đoạn mạch cuộn dây thông qua các tiếp điểm điều khiển, với cơ chế điện từ sẽ ngắt mạch chính. Sau khi lỗi được xóa, nhấn nút vận hành sẽ đặt lại mô-đun.

• Mô-đun giao diện giao tiếp: Mô-đun này cho phép truyền dữ liệu theo thời gian thực, chẳng hạn như tín hiệu dòng điện, điện áp, pha hiện tại và hồ quang đến máy tính đầu cuối, cho phép giám sát từ xa.

Nguyên tắc làm việc

Chip điều khiển chính MCU của bộ ngắt mạch sự cố hồ quang AFCI giám sát tín hiệu hiện tại trong mạch chính theo thời gian thực. Khi phát hiện lỗi hồ quang trong mạch chính, bộ vi điều khiển sẽ gửi tín hiệu cắt và mạch cắt sẽ thực hiện thao tác cắt.

3.2 Công nghệ chụp ảnh nhiệt hồng ngoại

Công nghệ chụp ảnh nhiệt hồng ngoại phát hiện sự nóng lên bất thường tại các điểm kết nối thông qua camera hồng ngoại, cho phép xác định trước các nguy cơ hồ quang tiềm ẩn. Tiếp xúc kém thường đi kèm với nhiệt độ cao cục bộ và hình ảnh nhiệt hồng ngoại có thể hiển thị rõ ràng-các khu vực có nhiệt độ cao này, giúp nhân viên bảo trì có tài liệu tham khảo trực quan.

4. Các biện pháp bảo vệ và thực hiện đối với sự cố hồ quang DC trong quang điện

4.1 Cài đặt tiêu chuẩn

Việc lắp đặt đúng cách là nền tảng để ngăn ngừa hiện tượng phóng điện DC trong hệ thống quang điện. Trong quá trình lắp đặt, hãy đảm bảo rằng các đầu nối và mối nối cáp được uốn chắc chắn để tránh các kết nối bị lỏng. Nên sử dụng dụng cụ chuyên nghiệp để uốn, thao tác với lực xác định để đảm bảo điện trở tiếp xúc ở mức tối thiểu tại các điểm nối.

Đồng thời, lựa chọn vật liệu cách nhiệt đạt tiêu chuẩn để giảm nguy cơ hư hỏng cơ học. Khi lắp đặt cáp, tránh uốn, kéo giãn quá mức để tránh làm hỏng lớp cách điện.

4.2 Lựa chọn thành phần

Chọn các đầu nối và cáp có khả năng chống lão hóa và nhiệt độ cao, đặc biệt là trong môi trường khắc nghiệt, nâng cao mức độ bảo vệ của các bộ phận (chẳng hạn như IP65/IP67). Khi lựa chọn các bộ phận, hãy xem xét đầy đủ các điều kiện môi trường của nhà máy quang điện, chẳng hạn như nhiệt độ, độ ẩm và độ ăn mòn.

Ví dụ: trong các nhà máy quang điện ở khu vực có nhiệt độ-cao, nên chọn đầu nối và cáp có thể duy trì hiệu suất ổn định ở nhiệt độ cao hơn; trong môi trường có tính ăn mòn cao như khu vực ven biển, nên chọn các bộ phận có khả năng chống ăn mòn.

4.3Tối ưu hóa thiết kế hệ thống

Tối ưu hóa thiết kế hệ thống là rất quan trọng để ngăn chặn hiện tượng phóng điện DC trong hệ thống quang điện. Trong quá trình thiết kế, điều quan trọng là tránh điện áp DC quá cao (phải tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn), giảm thời gian chạy cáp dài và giảm thiểu khả năng phóng điện qua khe hở.

Lập kế hoạch hợp lý để bố trí các mô-đun quang điện và định tuyến cáp, nhằm giảm thiểu chiều dài cáp và giảm số chỗ uốn và khớp trong cáp. Đồng thời, cần lắp đặt các thiết bị bảo vệ thích hợp như cầu chì, cầu dao, thiết bị bảo vệ sự cố hồ quang để kịp thời cắt điện khi có bất thường trong mạch điện.