مقدمة وحلول لقضايا قوس التيار المستمر الكهروضوئي

مع التطور السريع لتكنولوجيا الطاقة الشمسية، أصبح توليد الطاقة الكهروضوئية أحد أهم حلول الطاقة الخضراء في جميع أنحاء العالم. تلعب الأنظمة الكهروضوئية دورًا مهمًا، سواء على أسطح المنازل السكنية أو المجمعات الصناعية أو محطات الطاقة الشمسية-الكبيرة الحجم. وفي الوقت نفسه، تكتسب قضايا السلامة المتعلقة بالأنظمة الكهروضوئية الاهتمام تدريجيًا. قوس التيار المستمر، كظاهرة كهربائية قد تؤثر على استقرار الأنظمة الكهروضوئية، يستحق الفهم الدقيق من قبل كل ممارس ومستخدم.

1. معنى ضرب قوس التيار المستمر

يشير قوس التيار المباشر، كما يوحي الاسم، إلى الظاهرة التي يتشكل فيها القوس بين نقاط الاتصال عندما ينقطع المسار الحالي في دائرة التيار المباشر فجأة.

القوس الكهربائي هو نوع من ظاهرة تفريغ الغاز. عندما يتأين الغاز، فإنه يشكل قناة موصلة، مما يؤدي إلى قوس كهربائي. في دوائر التيار المستمر الكهروضوئية، عندما تحدث فجوة صغيرة في الدائرة، فإن جهد التيار المستمر عبر الفجوة سيخلق مجالًا كهربائيًا بداخلها. عندما تصل شدة المجال الكهربائي إلى مستوى معين، تتأين جزيئات الهواء. تتكون جزيئات الهواء من ذرات تتكون من نوى موجبة الشحنة وإلكترونات سالبة الشحنة. تحت مجال كهربائي قوي، تكتسب الإلكترونات طاقة كافية لتتحرر من النواة وتصبح إلكترونات حرة. تتسارع هذه الإلكترونات الحرة في المجال الكهربائي، وتصطدم بجزيئات الهواء الأخرى، مما يؤدي إلى تأين المزيد من الجزيئات، وبالتالي تكوين عدد كبير من الإلكترونات الحرة والأيونات الموجبة. تُعرف هذه العملية باسم انهيار الغاز. وبمجرد تفكك الغاز، يتشكل قوس كهربائي.

عملية ضرب قوس التيار المستمر:

بالنسبة للتيار المباشر، نظرًا لعدم وجود نقطة عبور صفرية ولا يتغير اتجاه التيار، يمكن للقوس أن يستقبل الطاقة بشكل مستمر، مما يجعل من الصعب إخماده من تلقاء نفسه.

وفقًا لطريقة اتصال الدائرة وموقع القوس، يمكن تقسيم الأقواس إلى أقواس متسلسلة وأقواس متوازية (يمكن اعتبار قوس التأريض نوعًا خاصًا من القوس المتوازي). تحدث أقواس السلسلة عادة داخل موصل حي واحد. لأن التباعد بين الموصلات صغير، وهناك العديد من الموصلات، وتكرار حدوثها أعلى؛ علاوة على ذلك، نظرًا لأن إشارة القوس التسلسلي ضعيفة ويمكن إخفاؤها بسهولة بواسطة الضوضاء، فمن الصعب اكتشافها، وإذا لم تتم معالجتها في الوقت المناسب، يمكن أن تسبب حرائق بسهولة. تحدث الأقواس المتوازية عادة بين الموصلات الحية المختلفة. وبما أن المسافة بين الموصلات كبيرة والمسار معقد، فإن تكرار حدوثها يكون أقل. حاليًا، يمكن لتدابير الحماية مثل الصمامات وقواطع الدائرة التحكم بشكل فعال في تأثير الأقواس المتوازية.

2. أسبابضرب قوس العاصمة

2.1 مشكلات مكون الاتصال

تعد مكونات الاتصال واحدة من أكثر نقاط المشاكل شيوعًا في الأنظمة الكهروضوئية وهي أيضًا سبب رئيسي لقوس التيار المستمر.

• تعد الموصلات السائبة أو المؤكسدة أو البالية (مثل مقابس MC4) من المشكلات الشائعة: أثناء الاستخدام طويل الأمد-، قد تصبح الموصلات مفكوكة بسبب عوامل مثل الاهتزاز وتغيرات درجة الحرارة. يمكن أن تزيد الموصلات السائبة من مقاومة التلامس، وتولد كمية كبيرة من الحرارة عند مرور التيار، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الموصل. تعمل درجات الحرارة المرتفعة على تسريع عملية الأكسدة وتآكل الموصل، مما يخلق حلقة مفرغة تؤدي في النهاية إلى حدوث فجوات، مما قد يؤدي إلى حدوث قوس كهربائي.

• تجعيد وصلات الكابلات لا يرقى إلى المستوى القياسي: يمكن أن تؤدي قوة التجعيد غير الكافية أو التسرب إلى ضعف الاتصال في وصلات الكابلات، مما يزيد بالمثل من مقاومة التلامس، ويولد درجات حرارة عالية، وبالتالي يمكن أن يسبب الانحناء.

2.2 مشاكل الموصلات

تعتبر الأسلاك مكونات مهمة في الأنظمة الكهروضوئية لنقل التيار، وتؤثر جودتها وحالتها بشكل مباشر على التشغيل الآمن للنظام.

• يمكن أن يؤدي تلف الطبقة العازلة للكابل إلى حدوث فجوة بين الموصل وأجسام التأريض أو الدعامات المعدنية، مما قد يؤدي إلى حدوث قوس كهربائي: قد يتلف عزل الكابل أثناء التركيب أو الاستخدام بسبب عوامل مثل التلف الميكانيكي أو التآكل الكيميائي.

• قد يتلف السلك بسبب قوى خارجية (مثل قضم القوارض أو الاحتكاك الميكانيكي)، مما يؤدي إلى التعرض المحلي، وهو أيضًا أحد أسباب تمدد القوس: في بعض محطات الطاقة الكهروضوئية الخارجية، تحدث القوارض قضم الكابلات من وقت لآخر.

2.3 العوامل البيئية والشيخوخة

تعد العوامل البيئية وشيخوخة المعدات أيضًا من الأسباب المهمة لقوس التيار المستمر في الأنظمة الكهروضوئية.

• يمكن أن يؤدي التعرض لفترات طويلة لدرجات الحرارة المرتفعة والرطوبة العالية إلى تسريع تقادم المكونات، مما يؤدي إلى انخفاض أداء العزل: في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة-، تتعرض مواد المكونات للشيخوخة الحرارية، مما يؤدي إلى انخفاض أدائها تدريجيًا؛ في البيئات عالية الرطوبة-، يمكن أن تصبح المكونات رطبة، مما يؤثر على خصائص العزل الخاصة بها.

• يتراكم الغبار والتآكل عند نقاط الاتصال، مما قد يؤدي إلى تعطيل الاستمرارية الكهربائية ويسبب تفريغ الفجوة: في البيئات المغبرة ذات التآكل القوي، تميل نقاط الاتصال إلى تراكم كمية كبيرة من الغبار والمواد المسببة للتآكل. يمكن لهذه المواد أن تعيق نقل التيار الكهربائي، وتزيد المقاومة عند نقاط الاتصال، وتولد درجات حرارة عالية، ومن المحتمل أن تسبب قوسًا كهربائيًا.

3. تكنولوجيا الكشف وتطبيق قوس التيار المستمر في الخلايا الكهروضوئية

3.1 قاطع دائرة الأعطال القوسية (AFCI/AFDD)

وتتمثل وظيفة AFCI في "اكتشاف وقطع الطاقة" فورًا عند حدوث قوس، مما يمنع الحريق من الانتشار.

عادةً ما يتم دمجه في صناديق تجميع التيار المستمر أو العاكسات أو قواطع الدائرة لمراقبة الإشارات الحالية في الوقت الفعلي. عند حدوث قوس، يُظهر شكل الموجة الحالي ضوضاء وتشويهًا محددًا عالي التردد-. يستخدم AFCI خوارزميات لاكتشاف هذه الإشارة غير الطبيعية ويقوم بفصل الدائرة بسرعة.

كما هو موضح في الشكل الموجي للطيف الحالي أعلاه، يشير اللون الأحمر إلى حدوث قوس كهربائي، وهو ما يتناقض بوضوح مع اللون الأزرق حيث لا يوجد قوس.

في النظام الكهربائي النموذجي، تختلف الضوضاء العشوائية الخلفية عمومًا بشكل ملحوظ فقط عند الترددات التي تزيد عن 200 كيلو هرتز. في المقابل، تعمل دوائر التحكم في التبديل مثل العاكسات في النظام الكهربائي عادةً عند أطياف أقل من 50 كيلو هرتز. ناهيك عن أن إشارة مصدر طاقة التيار المتردد نفسها تكون بتردد أقل يبلغ 50/60 هرتز. لذلك، باستخدام خوارزمية FFT لتحويل تيار الكبل المكتشف إلى مجال التردد ثم تحليل نطاق التردد بين 30 كيلو هرتز و100 كيلو هرتز، من الممكن التمييز بشكل فعال بين التشغيل العادي لنظام الدائرة وظروف الانحناء غير الطبيعية.

الهيكل الرئيسي

تتكون قواطع دائرة خطأ القوس AFCI بشكل أساسي من وحدة الكسارة، ووحدة التسرب، ووحدة الطاقة، ووحدة تكييف الإشارة، ووحدة وحدة الرحلة، ووحدة واجهة الاتصال.

• وحدة الطاقة: توفر الطاقة للأجهزة ذات الصلة داخل AFCI/AFDD.

• وحدة تكييف الإشارة: يتم تمرير الإشارة الحالية في الدائرة الرئيسية عبر محول تيار خطي إلى وحدة تكييف الإشارة. تعمل الوحدة على تضخيم الإشارة وتصحيحها وتصفيتها قبل إرسالها إلى وحدة التحكم الدقيقة للمعالجة.

• وحدة التعثر: في قاطع دائرة الصدع القوسي AFCI، يعتمد الهيكل الكهرومغناطيسي لوحدة التعثر تقنية جديدة لتوفير الطاقة -، مما يقلل من خسائر القلب وفواقد الدائرة القصيرة- للنظام الكهرومغناطيسي للمفتاح، وبالتالي زيادة توفير الطاقة إلى الحد الأقصى. تمت إضافة جهاز تخزين مؤقت لتقليل تأثير الطاقة على النظام الكهرومغناطيسي، وتحسين أداء إغلاق المفتاح وإطالة عمر الخدمة. يمكن لآلية تشغيل وحدة التعثر أن تستقبل إشارات الخطأ المكتشفة بواسطة شريحة التحكم الرئيسية MCU وتقاطع دائرة الملف من خلال اتصالات التحكم، مع كسر الآلية الكهرومغناطيسية للدائرة الرئيسية. بعد إزالة الخلل، يؤدي الضغط على زر التشغيل إلى إعادة ضبط الوحدة.

• وحدة واجهة الاتصال: تسمح هذه الوحدة بنقل البيانات في الوقت الفعلي-مثل التيار والجهد والمرحلة الحالية وإشارات القوس إلى الكمبيوتر الطرفي، مما يتيح المراقبة عن بعد.

مبدأ العمل

تقوم شريحة التحكم الرئيسية MCU لقاطع دائرة الأعطال القوسية AFCI بمراقبة الإشارة الحالية في الدائرة الرئيسية في الوقت الفعلي. عندما يتم اكتشاف خطأ قوسي في الدائرة الرئيسية، يرسل المتحكم الدقيق إشارة رحلة، وتقوم دائرة الرحلة بتنفيذ عملية الرحلة.

3.2 تكنولوجيا التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء

تكتشف تقنية التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء التسخين غير الطبيعي في نقاط الاتصال من خلال كاميرا تعمل بالأشعة تحت الحمراء، مما يسمح بتحديد مخاطر القوس المحتملة مسبقًا. غالبًا ما يكون ضعف الاتصال مصحوبًا بدرجات حرارة عالية محلية، ويمكن للتصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء أن يعرض بوضوح مناطق درجات الحرارة المرتفعة-، مما يوفر لموظفي الصيانة مرجعًا بديهيًا.

4. التدابير الوقائية وتنفيذها لأعطال قوس التيار المستمر في الخلايا الكهروضوئية

4.1 التثبيت القياسي

التثبيت الصحيح هو الأساس لمنع انحناء التيار المستمر في الأنظمة الكهروضوئية. أثناء عملية التثبيت، تأكد من أن الموصلات ومفاصل الكابلات مجعدة بإحكام لتجنب التوصيلات السائبة. يجب استخدام أدوات احترافية للتجعيد، والعمل بالقوة المحددة لضمان الحد الأدنى من مقاومة التلامس عند نقاط الاتصال.

وفي الوقت نفسه، اختر مواد العزل التي تلبي المعايير لتقليل مخاطر الأضرار الميكانيكية. عند تركيب الكابلات، تجنب الثني والتمدد الزائد لمنع تلف الطبقة العازلة.

4.2 اختيار المكونات

اختر الموصلات والكابلات المقاومة للشيخوخة ودرجات الحرارة المرتفعة، وخاصة في البيئات القاسية، مما يعزز مستوى حماية المكونات (مثل IP65/IP67). عند اختيار المكونات، يجب مراعاة الظروف البيئية لمحطة الطاقة الكهروضوئية بشكل كامل، مثل درجة الحرارة والرطوبة والتآكل.

على سبيل المثال، في محطات الطاقة الكهروضوئية الموجودة في{0}المناطق ذات درجات الحرارة المرتفعة، يجب اختيار الموصلات والكابلات التي يمكنها الحفاظ على أداء مستقر في درجات الحرارة المرتفعة؛ وفي البيئات شديدة التآكل مثل المناطق الساحلية، ينبغي اختيار المكونات ذات المقاومة للتآكل.

4.3 تحسين تصميم النظام

يعد تحسين تصميم النظام أمرًا بالغ الأهمية لمنع الانحناء المستمر في الأنظمة الكهروضوئية. أثناء عملية التصميم، من المهم تجنب الفولتية العالية جدًا للتيار المستمر (والتي يجب أن تتوافق مع معايير السلامة)، وتقليل تشغيل الكابلات الطويلة، وتقليل احتمالية تفريغ الفجوة.

التخطيط بشكل معقول لترتيب الوحدات الكهروضوئية وتوجيه الكابلات، بهدف تقليل طول الكابل وتقليل عدد الانحناءات والمفاصل في الكابلات. في نفس الوقت، يجب تركيب أجهزة الحماية المناسبة، مثل الصمامات، وقواطع الدائرة، وأجهزة الحماية من أعطال القوس الكهربائي، لقطع الطاقة على الفور في حالة وجود أي خلل في الدائرة.