توزیع شده PV قوس DC نیروگاه و خطر "ایمنی" آتش سوزی - تحلیل ریسک سناریوی کاربردی

خطر ایمنی آتش نشانی

در سال های اخیر، PV حوادث آتش سوزی نیروگاه ها به طور مکرر رخ می دهد که نه تنها اموال نیروگاه و درآمد تولید برق را از دست می دهد، بلکه باعث آسیب ساختمان و صدمات جانی می شود و حتی به محیط اطراف سرایت می کند و منجر به یک سری بلایای ثانویه می شود.

قوس DC رایج ترین پدیده گسلی است PV نیروگاه قوس ها به دلیل افت تماس، کهنه شدن دستگاه، پارگی عایق و زمین ضعیف ایجاد می شوند. علاوه بر این، آسیب قوس DC بسیار بیشتر از قوس AC است، زیرا هیچ نقطه عبور صفر در قوس DC وجود ندارد، پس از وقوع، به سوختن ادامه خواهد داد، خاموش کردن آن دشوار است و بسیار آسان است. باعث حوادث آتش سوزی شود. بر اساس آمار، بیش از نیمی از حوادث آتش سوزی در نیروگاه های PV ناشی از قوس DC است. با بزرگتر شدن مشخصات ماژول های PV، توان و جریان سیستم سمت DC افزایش می یابد. طبق قانون ژول Q=I²Rt جریان دو برابر می شود و اثر حرارتی نقطه اتصال کوتاه 4 برابر افزایش می یابد و خطر ایجاد آتش سوزی نیز بسیار افزایش می یابد.

طبقه بندی قوس DC

بر خلاف محصولات الکتریکی سنتی، هیچ محفظه یکپارچه برای آن وجود ندارد PV ماژول ها و سیم کشی آنها حاوی قوس ها و جرقه های ناشی از ایرادات قطعات و سیم کشی هستند، در حالی که بسیاری از PV تاسیسات قادر به کار در ولتاژهای DC معمولی هستند که قوس های DC را حفظ می کنند.

سه دسته اصلی از کمان ها وجود دارد PV تاسیسات:

- قوس های سری ممکن است به دلیل سیم کشی نادرست یا سیم کشی سری شکسته ایجاد شوند

- قوس های موازی ممکن است در اثر اتصال کوتاه جزئی بین خطوط مجاور با پتانسیل های مختلف ایجاد شوند

- قوس های زمین به دلیل نقص عایق

سری Arc

قوس سری که به عنوان قوس کشیده نیز شناخته می شود. قوس های سری معمولاً به دلیل تماس ضعیف دوشاخه های کابل بین قطعات و اتصال ضعیف بین کابل های رشته و جعبه های ترکیبی یا اینورتر ایجاد می شوند. با توجه به تعداد زیاد دوشاخه های سری در نیروگاه PV، 2000 جفت دوشاخه در یک نیروگاه برق 1 مگاواتی پشت بام وجود دارد. اطمینان از کیفیت خوب همه دوشاخه ها با تعداد زیادی جفت پریز دشوار است. این خطرات منجر به تماس ضعیف و تشکیل قوس DC می شود.

در حال حاضر، چند اینورتر عملکرد حفاظت قوس الکتریکی را ادغام می‌کنند، اما دو مشکل عمده در این حفاظت وجود دارد: اول، اگر یک خطای قوس الکتریکی در یک رشته وجود داشته باشد، کل اینورتر خاموش می‌شود و آسیب زیادی به بار می‌آورد. از دست دادن تولید برق؛ ثانیاً، بدون عملکرد مکان یابی خطای قوس، پرسنل عملیات و تعمیر و نگهداری نمی توانند مکان قوس را به موقع و با دقت پیدا کنند، که اساساً هیچ راه حلی نیست. تنها حفاظت فنی بازنشانی که می توانند انجام دهند این است که اینورتر را در حال کار نگه دارند. از این منظر، عملکرد حفاظت از کشش قوس ادغام شده در اینورتر نمی تواند به طور موثر مشکل خطای کشش قوس را حل کند.

قوس موازی

قوس های موازی عمدتاً به دلیل اتصال کوتاه هادی های مثبت و منفی ناشی از آسیب خط یا اتصال کوتاه بین کابل های رشته ای ایجاد می شوند. هنگامی که کابل های رشته به طور مکانیکی فشرده یا فرسوده می شوند، قوس بین الکترودهای مثبت و منفی یا بین رشته های مختلف ایجاد می شود که یک خطای قوس موازی است. وضعیت دیگری نیز وجود دارد که می تواند به قوس های موازی نیز منجر شود. زمانی که قوس های سری در سیستم به موقع رسیدگی نشود، گرمای قوس های سری، عایق کابل ها را می سوزاند و قوس های موازی ایجاد می کند.

هنگامی که یک قوس موازی بین هادی‌های اصلی آرایه مربعی مولفه‌ای رخ می‌دهد، از آنجایی که قوس می‌تواند انرژی کافی دریافت کند، خاموش کردن آن دشوارتر می‌شود، که باعث یک حادثه آتش‌سوزی بزرگ می‌شود. قوس خطای سری را می توان با قطع باس DC یا رشته مربوطه سیستم PV خاموش کرد، اما قوس خطای موازی را نمی توان خاموش کرد و حتی ممکن است باعث شود جریان بزرگتری از مسیر قوس عبور کند و قوس شدیدتر شود.

در حال حاضر، عملکرد حفاظت قوس ادغام شده در اینورتر نمی تواند قوس های موازی و قوس های زمینی را تشخیص دهد، اما قدرت تخریب قوس های موازی اغلب 10 برابر قوس های سری است و خطر ایمنی حتی بیشتر است.

قوس زمینی

پیری و آسیب قطعات یا آسیب مکانیکی منجر به تخلیه زمین می شود. اگر قطعات روی سقف کاشی فولادی رنگی صاف گذاشته شوند، قوس های زمینی یا نشتی وجود خواهد داشت. تشخیص این نوع عیب به خصوص در روزهای بارانی آسان نیست. در حال حاضر، راه حل این است که اینورتر را خاموش کنید و قبل از راه اندازی منتظر بمانید تا زمین خشک شود. این روش نمی تواند به طور موثر خطرات را از بین ببرد و خطر برق گرفتگی شخصی را افزایش دهد.

ولتاژ بالا DC

در یک نیروگاه PV، ماژول های PV به صورت سری به هم متصل می شوند تا یک مدار ولتاژ بالا DC را تشکیل دهند که به طور کلی به حدود 1000 ولت می رسد. حتی زمانی که سیستم خاموش می شود، هنوز یک ولتاژ DC بالا در حدود 1000 ولت در ماتریس ماژول PV وجود دارد. به خصوص برای نیروگاه های PV پشت بام، هنگامی که آتش سوزی در نیروگاه ها و ساختمان های PV رخ می دهد، نجات ایمن دشوار است. در طول عملیات معمول نیروگاه و تعمیر و نگهداری یا نگهداری اموال، اپراتورها و بازرسان نیز در معرض خطر برق گرفتگی هستند. 

تحلیل ریسک سناریو

دولت، مدرسه، بیمارستان، پشت بام مسکونی

1. کنترل منطقه ای. استفاده از هواپیماهای بدون سرنشین برای اسکن اجزای غیرعادی غیرممکن است و نمی توان خطر را به موقع پیدا کرد.

2. جمعیت متراکم است. آرایه مربع جزء دارای نشتی، خطر بالای شوک الکتریکی برای پرسنل است.

3. نجات محدود است. در مواقع اضطراری مانند آتش سوزی، ولتاژ بالای سیم را نمی توان خاموش کرد و مانع از نجات می شود.

4. نفوذ افکار عمومی. اگر حادثه ای رخ دهد افکار عمومی تاثیر بیشتری خواهد داشت

سقف کاشی فولادی رنگ های مختلف

1. بازرسی دشوار است. سقف کاشی فولادی رنگی برای بازرسی ناخوشایند است و خطر ایمنی قوس الکتریکی را نمی توان به موقع کشف کرد.

2. نجات محدود است. در مواقع اضطراری مانند آتش سوزی، ولتاژ بالای سیم را نمی توان خاموش کرد و مانع از نجات می شود.

3. سقف شکننده است. و جرقه قوس DC به راحتی از طریق کاشی فولادی رنگی سوخته و وارد فضای پایینی می شود و باعث آتش سوزی و آسیب به اموال می شود.

بزرگراه ها، رودخانه ها و مناطق دیگر

1. خطرات زیست محیطی. جرقه های قوس پراکنده از ته سیگار و اجزای آن می تواند به راحتی باعث سوختن علف های هرز در زیر شود.

2. بازرسی دشوار است. منطقه طولانی و باریک برای بازرسی ناخوشایند است، عملیات و نگهداری دشوار است و خطرات را نمی توان در زمان پیدا کرد.

3. نجات دشوار است. دور از منطقه شهری، مانند آتش سوزی و حوادث دیگر، نجات آن دشوار است.

4. حادثه ثانویه. هنگامی که وسیله نقلیه یا حادثه دیگری به قطعات آسیب می رساند، ولتاژ بالای سیم را نمی توان به موقع خاموش کرد، که احتمالاً باعث تصادف ثانویه جدی می شود.

قوانین و مقررات ملی

ایالات متحده آمریکا:

طبق آخرین ویرایش سند ملی کد برق NEC2020:

فاصله تا ماتریس PV را 305 میلی متر به عنوان حد در نظر بگیرید، خارج از حد، در 30 ثانیه پس از راه اندازی دستگاه ماشه، ولتاژ به زیر 30 ولت کاهش می یابد. در داخل مرز، لازم است که یک "سیستم کنترل خطر PV" داشته باشید یا پس از راه اندازی دستگاه راه اندازی، ولتاژ را در عرض 80 ثانیه به زیر 30 ولت کاهش دهید.

کانادا:

طبق نسخه 2021 کد برق کانادا:

هنگامی که ولتاژ سمت DC سیستم PV بیشتر از 80 ولت است، یک دستگاه قطع کننده خطای قوس الکتریکی یا سایر تجهیزات مشابه باید نصب شود.

هنگامی که سیستم PV در داخل یا روی ساختمان نصب می شود، باید یک دستگاه خاموش کننده سریع نصب شود. 1 متر دورتر از ماژول PV، پس از راه اندازی دستگاه خاموش کننده سریع، لازم است ولتاژ را به کمتر از 30 ولت در 30 ثانیه کاهش دهید.

آلمان:

طبق استاندارد آلمانی VDE-AR-E 2100-712:

در سیستم PV، اگر اینورتر خاموش باشد یا شبکه از کار بیفتد، ولتاژ DC باید کمتر از 120 ولت باشد. استفاده از دستگاه خاموش کننده برای پایین آوردن ولتاژ سمت DC به زیر 120 ولت ذکر شده است.

استرالیا:

طبق بخش 4.3.3 آخرین استاندارد AS/NZS 5033:2021:

هنگامی که ولتاژ DC بیشتر از 120 Vd.c است، باید یک دستگاه قطع کننده بین ماژول و اینورتر نصب شود.

تایلند:

طبق بخش 4.3.13 کد برق تایلندی - تاسیسات منبع تغذیه پشت بام خورشیدی 2022:

لازم است که نیروگاه PV پشت بام باید مجهز به یک دستگاه خاموش کننده سریع باشد و حد مجاز 300 میلی متر از ماتریس PV است. ولتاژ در محدوده محدود در عرض 80 ثانیه پس از راه اندازی دستگاه به زیر 30 ولت کاهش می یابد و ولتاژ خارج از محدوده محدود به زیر 30 ولت کاهش می یابد.

BENY خود-R&D محصولات - Sanxin

برای ایمنی سقف خورشیدی و آتش سوزی ساختمان، BENY دستگاه های خاموش کننده سریع سطح رشته و سطح ماژول ولتاژ پانل ها را تا یک سطح ایمن خاص در میکروثانیه کنترل می کنند. جلوگیری از حوادث و بهبود ایمنی سیستم برق خورشیدی. BENY راه حل های خاموش کردن سریع مطابق با استاندارد CE، TUV، UL، مطابق با قوانین و مقررات ملی مانند کد برق تایلند، NEC2020 طراحی شده اند. به عنوان یکی از اعضای اتحاد Sunspec، BENY RSD های ارتباطی PLC را برای انطباق بیشتر با اینورترهای رشته ای متعدد توسعه دهید. اکنون محصولات را بررسی کنید.

خاتمه

ساخت نیروگاه های PV در حال پیشرفت کامل است و ارتباط نزدیکی با هزاران خانوار برقرار کرده است. نحوه اطمینان از "ایمنی" نیروگاه های PV توجه زیادی را از کل صنعت به خود جلب کرده است. برای حل موثر این مشکل، کل صنعت باید با هم کار کنند تا راه حل های نوآورانه ارائه دهند و استانداردها و مقررات مربوطه را به طور مداوم بهبود بخشند، سپس الزامات مربوطه را در ساخت نیروگاه بعدی به طور واقعی اجرا کنند.

به عنوان یک زیرساخت مهم انرژی، بهره برداری ایمن، پایدار و کارآمد نیروگاه های PV تضمینی مهم برای توسعه اقتصادی است.