Πώς ένας Εμπορικός Εγκαταστάτης Φ/Β μειώνει το χρόνο διακοπής λειτουργίας τόξου κατά 85% με ένα κουτί συνδυασμού DC AFCI

Υπόβαθρο πελατών

Μια περιφερειακή εμπορική εταιρεία ηλιακής ενέργειας EPC, με έδρα την Αριζόνα, ειδικεύεται σε φωτοβολταϊκά συστήματα σε στέγες και επίγεια φωτοβολταϊκά συστήματα για αποθήκες και κέντρα διανομής. Η εταιρεία εγκαθιστά περίπου 25 MW ετησίως, με τυπικά έργα που κυμαίνονται από 500 kW έως 3 MW. Οι πελάτες τους είναι χειριστές logistics και πάροχοι ψυκτικής αποθήκευσης που χρειάζονται αξιόπιστα ηλιακά στοιχεία με ελάχιστες διακοπές ρεύματος.

Προκλήσεις με τα τυπικά κουτιά συνδυασμού και το AFCI επιπέδου μετατροπέα

Για χρόνια, ο εγκαταστάτης χρησιμοποιούσε τυπικά κιβώτια συνδυασμού DC με μόνο ασφάλειες και αποσύνδεση DC. Η προστασία από σφάλματα τόξου αντιμετωπίστηκε στο επίπεδο του μετατροπέα, αλλά αυτό προκάλεσε δύο επαναλαμβανόμενα προβλήματα. Πρώτον, η ανίχνευση σε επίπεδο μετατροπέα δεν μπορούσε να απομονώσει ποια στοιχειοσειρά ή κιβώτιο συνδυασμού είχε σφάλμα, αναγκάζοντας τα πληρώματα να ελέγξουν κάθε σύνδεσμο στην οροφή. Δεύτερον, οι μετατροπείς δημιούργησαν λανθασμένες διαδρομές κατά την εναλλαγή δικτύου και την εκκίνηση του μετατροπέα, κλείνοντας ολόκληρη τη συστοιχία.

Το πιο σοβαρό περιστατικό αφορούσε έναν χαλαρό σύνδεσμο μέσα σε ένα κουτί συνδυασμού που δημιούργησε ένα σφάλμα σειράς τόξου. Το τόξο μύριζε για εβδομάδες πριν το πιάσει μια θερμική επιθεώρηση. Αυτό το γεγονός προκάλεσε πυρκαγιά και προκάλεσε εξαψήφια αξίωση αστικής ευθύνης. Η ομάδα EPC γνώριζε ότι χρειαζόταν προστασία από σφάλματα τόξου πιο κοντά στην πηγή, αλλά η εκ των υστέρων τοποθέτηση εξωτερικών μονάδων AFCI σε υπάρχοντα κουτιά συνδυασμού ήταν δαπανηρή και περίπλοκη. Κάθε μονάδα απαιτούσε ξεχωριστή καλωδίωση, περιβλήματα και συντονισμό με τον μετατροπέα.

Γιατί το Soutya 12-in-1-out DC AFCI Combiner Box;

Η εταιρεία αξιολόγησε τρεις επιλογές: να συνεχίσει μόνο με AFCI σε επίπεδο μετατροπέα, να προσθέσει εξωτερικές μονάδες AFCI ή να αλλάξει σε ένα ενσωματωμένο κιβώτιο συνδυασμού DC AFCI. Οι εξωτερικές μονάδες πληρούσαν τις απαιτήσεις UL 1699B αλλά πρόσθεσαν πάνω από 2.000 $ ανά συνδυαστή και επέκτεινε την εγκατάσταση κατά αρκετές ώρες ανά μονάδα. Το ενσωματωμένο κουτί Soutya συνδύαζε 12 εισόδους στοιχειοσειρών, ανίχνευση σφαλμάτων τόξου ανά χορδή, προστασία υπερέντασης και μια συσκευή προστασίας από υπερτάσεις σε ένα περίβλημα. Κατατάχθηκε στο UL 1699B και σχεδιάστηκε για να χειρίζεται τάσεις συστήματος 600 VDC και 1200 VDC, οι οποίες ταιριάζουν με τις τυπικές προδιαγραφές έργου της εταιρείας.

Η απόφαση οφείλεται στην οικονομία της εγκατάστασης και στην αξιοπιστία του συστήματος. Με το κουτί Soutya, το πλήρωμα χρειαζόταν μόνο να τοποθετήσει τη μονάδα, να συνδέσει τα καλώδια της χορδής και να ορίσει τις παραμέτρους κατωφλίου AFCI. Δεν απαιτήθηκαν εξωτερικές μονάδες ή πρόσθετα περιβλήματα. Ο ενσωματωμένος σχεδιασμός μείωσε επίσης τον αριθμό των σημείων τερματισμού, μειώνοντας τον κίνδυνο μελλοντικών σφαλμάτων τόξου. Η δοκιμή πεδίου σε ένα έργο ταράτσας ισχύος 1,2 MW έπεισε την ομάδα μηχανικών ότι το προϊόν θα είχε απόδοση υπό πραγματικές συνθήκες.

Διαδικασία Υλοποίησης

Το πιλοτικό έργο ήταν μια διάταξη ταράτσας ισχύος 1,2 MW σε ένα κέντρο διανομής με ψυγείο. Η εγκατάσταση πραγματοποιήθηκε σε διάστημα δύο εβδομάδων, με 24 κιβώτια συνδυασμού Soutya DC AFCI να διανέμονται στην οροφή. Κάθε κουτί συνδύαζε 12 στοιχειοσειρές, με μία τροφοδοσία εξόδου στον κεντρικό μετατροπέα.

• Προετοιμασία τοποθεσίας και τοποθέτηση: Τα κουτιά συνδυασμού τοποθετήθηκαν σε προεγκατεστημένες βάσεις στήριξης κοντά στους εξωτερικούς τοίχους. Η καλωδίωση DC από τις συστοιχίες τραβήχτηκε στους αδένες και τερματίστηκε στους ακροδέκτες εισόδου.
• Διαμόρφωση AFCI: Ο εγκαταστάτης όρισε το όριο ανίχνευσης σφαλμάτων τόξου κάθε καναλιού χρησιμοποιώντας τους ενσωματωμένους μικροδιακόπτες και έναν μετρητή τάσης. Η λειτουργία αυτοδιαγνωστικού ελέγχου επαλήθευσε το κύκλωμα ανίχνευσης τόξου και στις 12 εισόδους χωρίς να προκαλέσει ενοχλητικό τερματισμό λειτουργίας.
• Συντονισμός με τον μετατροπέα: Η έξοδος κάθε κιβωτίου συνδυαστή συνδέθηκε με το δίαυλο DC του μετατροπέα. Το σήμα διακοπής AFCI συνδέθηκε με την είσοδο απομακρυσμένης διακοπής λειτουργίας του μετατροπέα, διασφαλίζοντας ότι ο μετατροπέας τερματίστηκε εντός 0,5 δευτερολέπτων από ένα σφάλμα – περισσότερο από διπλάσιο από την απαίτηση 2 δευτερολέπτων στο UL 1699B.
• Θέση σε λειτουργία: Μετά την ενεργοποίηση, το πλήρωμα πραγματοποίησε μια σειρά χειροκίνητων προσομοιώσεων σφάλματος τόξου χρησιμοποιώντας μια βαθμονομημένη γεννήτρια τόξου. Και τα 24 κουτιά εντόπισαν τα τόξα και αναμετέδωσαν σωστά το σήμα διακοπής.

Το μόνο δύσκολο βήμα ήταν η ενσωμάτωση του σήματος διακοπής AFCI με ένα παλαιότερο μοντέλο μετατροπέα που δεν είχε ειδική είσοδο τερματισμού λειτουργίας. Η ομάδα το έλυσε αυτό συνδέοντας το ρελέ διακοπής στον ελεγκτή διακόπτη αποσύνδεσης DC του μετατροπέα, μια τροποποίηση που χρειάστηκε 30 λεπτά ανά μετατροπέα. Αυτή ήταν μια μοναδική αλλαγή μηχανικής και δεν επηρέασε την υπόλοιπη εγκατάσταση.

Ποσοτικοποιήσιμα αποτελέσματα

Μετά από ένα ολόκληρο έτος λειτουργίας, το πιλοτικό σύστημα παρήγαγε μετρήσιμες βελτιώσεις σε σύγκριση με τα προηγούμενα σχέδια κουτιών συνδυασμού της εταιρείας.

• Ο χρόνος διακοπής λειτουργίας που σχετίζεται με σφάλματα τόξου μειώθηκε κατά 85%– από κατά μέσο όρο 12 ώρες ανά τρίμηνο σε λιγότερο από 2 ώρες. Η εξάλειψη των ψευδών διαδρομών μόνο από την εκκίνηση του μετατροπέα εξοικονομούσε 8 ώρες διακοπής λειτουργίας ανά τρίμηνο.
• Εντοπίστηκαν και απομονώθηκαν δύο πραγματικά σφάλματα τόξου– το ένα προκαλείται από έναν διαβρωμένο σύνδεσμο MC4 και ένα από μια χαλαρή βίδα ακροδεκτών. Και τα δύο συμβάντα καταγράφηκαν πριν συμβεί θερμική ζημιά, αποτρέποντας περίπου 50.000 $ σε πιθανές δαπάνες επισκευής και ευθύνης.
• Το ποσοστό ψευδών ταξιδιών μειώθηκε από 5 ετησίως σε 1. Η απλή εσφαλμένη διακοπή συνέβη κατά τη διάρκεια ενός ασυνήθιστου συμβάντος τάσης δικτύου κοινής ωφέλειας και η επαναφορά διήρκεσε 10 λεπτά.
• Ο χρόνος εγκατάστασης ανά κιβώτιο συνδυασμού μειώθηκε κατά 40%– από 4 ώρες έως 2,5 ώρες – επειδή το πλήρωμα δεν χρειαζόταν πλέον να εγκαταστήσει ξεχωριστές συσκευές AFCI και κουτιά διακλάδωσης.

Ο πελάτης ενέκρινε την ανάπτυξη του ίδιου σχεδιασμού κιβωτίων συνδυασμού στα επόμενα τρία έργα του, συνολικής ισχύος 4 MW.

Μαρτυρία πελάτη

"Το κουτί συνδυασμού Soutya AFCI αφαίρεσε ένα στρώμα πολυπλοκότητας από τα σχέδιά μας. Έπιασε ένα σφάλμα τόξου που δεν είδε ποτέ ο μετατροπέας και η θέση σε λειτουργία ήταν εύκολη. Έχουμε τυποποιήσει αυτό το κουτί για όλες τις εμπορικές μας εγκαταστάσεις." — Ανώτερος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός

Μαθήματα και συστάσεις

• Η προστασία σφάλματος τόξου ανήκει στο επίπεδο του συνδυαστή, όχι στον μετατροπέα.Τα κουτιά συνδυασμού είναι το σημείο διασταύρωσης υψηλότερου κινδύνου για σφάλματα σειριακού τόξου λόγω των πολλών τερματισμών σε ένα μικρό περίβλημα. Η εφαρμογή εντοπισμού εκεί παρέχει ταχύτερη απόκριση και καλύτερη αντιμετώπιση προβλημάτων.
• Το ενσωματωμένο AFCI μειώνει το συνολικό κόστος του συστήματος.Παρόλο που το κουτί Soutya κοστίζει 30% περισσότερο από ένα τυπικό κιβώτιο συνδυασμού, η εξάλειψη των εξωτερικών μονάδων AFCI και η μειωμένη εργασία εγκατάστασης αποφέρει καθαρή εξοικονόμηση περίπου 1.000 $ ανά κιβώτιο. Για ένα έργο 1 MW με 20 κιβώτια, αυτό είναι 20.000 $ σε εξοικονόμηση.
• Η θέση σε λειτουργία και ο αυτοέλεγχος είναι κρίσιμες.Επαληθεύστε τη συμπεριφορά AFCI πριν ενεργοποιήσετε τη συστοιχία. Επίσης, συντονίστε τη λογική διακοπής με τον μετατροπέα για να διασφαλίσετε ότι η απενεργοποίηση είναι αρκετή για να πληροί τις απαιτήσεις UL 1699B και NEC 690.12.
• Εάν επανεξεταστεί το έργο, η ομάδα θα προσθέσει απομακρυσμένη παρακολούθηση της κατάστασης του AFCI.Αυτό θα επέτρεπε ακόμη πιο γρήγορο εντοπισμό σφαλμάτων και θα αποτρέψει τους τεχνικούς να σκαρφαλώσουν άσκοπα στην οροφή.

Αναφορές

• UL 1699B:2018 Φωτοβολταϊκά (PV) Προστασία κυκλώματος τόξου συνεχούς ρεύματος-σφαλμάτων
• IEC 62548:2016 Φωτοβολταϊκές (PV) συστοιχίες — Απαιτήσεις σχεδιασμού
• NEC 690.12 Ταχεία απενεργοποίηση φωτοβολταϊκών συστημάτων σε κτίρια (NFPA 70)