Moduł przerywacza łuku elektrycznego – AFCI

Bezpieczeństwo jest najwyższym priorytetem nie tylko przy produkcji wyrobów, ale również w ogólnie pojętym życiu osobistym. W przypadku systemów fotowoltaicznych (w skrócie PV) ma ono tym większe znaczenie. Przekonaliśmy się, że duża liczba pożarów 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. Jednak metody te nie pomogą w wykryciu wszystkich problemów, a wypadki mogą zdarzać się sporadycznie. Aktywny przerywacz łuku elektrycznego (AFCI) posiada dokładniejsze funkcje wykrywania łuku i szybszego usuwania usterek, co może rozwiązać wszystkie wymienione wcześniej problemy i zapewnić pełne bezpieczeństwo instalacji PV.

O AFCI

Główną funkcją AFCI jest zapobieganie pożarom spowodowanym przez łuki powstałe przez czynniki takie jak starzenie się sprzętu, uszkodzenia izolacji elektrycznej, przewody, 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) spełniały założenia normy, muszą być zdolne wykryć i przerwać łuk w ciągu 2,5 sekundy oraz ograniczyć energię do 750 J. AFCI firmy Growatt został zweryfikowany przez niezależne jednostki certyfikujące w różnych trudnych warunkach. Czas zgłaszania błędów, udowodniony przez tysiące testów, jest zgodny z najnowszymi międzynarodowymi przepisami bezpieczeństwa. Najszybszy czas reakcji wynosi 0,209 sek, a średni czas wynosi tylko 0,7535 sek., znacznie poniżej międzynarodowej normy 2,5 sek.

Zasada działania AFCI

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. Równoległe łuki, 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. Dlatego też 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. Zmiany kształtu fali prądowej i napięciowej mogą z kolei być wykorzystane do stwierdzenia wystąpienia łuku elektrycznego. W przypadku szeregowych łuków zwarciowych, ze względu na jednolitą charakterystykę prądową w obwodzie szeregowym, 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, zwiększa 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 uszkodzenia. Jednak w przypadku instalacji PV podłączonych do sieci lokalnej, gdzie takie odchylenia są na porządku dziennym, wymienione kryteria detekcji łuków mogą skutkować fałszywymi alarmami. Dalsze badania wykazały, że po wystąpieniu łuku zaburzeniom ulegają również składowe harmoniczne (jak pokazano poniżej), więc łuk może być również wykryty poprzez analizę pasma pomiaru prądu opartym na zmianach częstotliwości.

Pasmo pomiaru prądu oparte na zmianach częstotliwości w czasie

Zasada działania

Wejściowy prąd stały jest wpierw wykrywany przez przekładnik prądowy (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 (MCU). Proces przetwarzania polega na wykonaniu szybkiej transformacji (dekompozycji) Fouriera (FFT) danych, 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 występuje. Informacja o wykryciu łuku zwarciowego jest przesyłana do systemu DSP, falownik automatycznie odcina ścieżkę generowania łuku, a powiadomienie o błędzie jest niezwłocznie zgłaszane.

Schemat AFCI falownika

Test sprawności AFCI

Poniżej przedstawiono metodę wykrywania łuku. Podłączono reaktor łukowy do PV i porównano wyniki falownika wyposażonego w AFCI i bez AFCI podczas wystąpienia łuku.

1. Falownik bez AFCI

Z testów wynika, że generator łuku nadal wytwarza łuk, który nie jest odcięty, przez co istnieje poważne zagrożenie pożarowe.

2. Falownik wyposażony w AFCI

AFCI 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 sek., co gwarantuje bezpieczeństwo systemu.

Odcięty łuk

AFCI dla falowników serii Growatt-X

Bez względu na to, czy mają być wykorzystywane do celów mieszkalnych, komercyjnych czy użytkowych, wszystkie nowe falowniki z serii Growatt-X są  zintegrowane z AFCI. Dzięki aktywnemu systemowi detekcji, możliwości szybkiego wyłączenia i inteligentnemu alarmowi, seria X nie tylko zapewnia maksymalną efektywność systemu PV, ale także niezawodną ochronę przed potencjalnym zagrożeniem pożarowym.

Falowniki z serii X

Growatt AFCI – Szybki & Inteligentny

W celu zaspokojenia potrzeb wszystkich klientów, AFCI firmy Growatt posiadają również następujące funkcje spełniające podstawowe funkcje najnowszych międzynarodowych przepisów bezpieczeństwa.

1. Szybki i prosty przełącznik AFCI umożliwia włączanie/wyłączanie AFCI za pomocą jednego kliknięcia w zależności od potrzeb.
2. Szybki test modułu, ustawienie autodiagnostyki AFCI, rezultat w ciągu 30 sek.
3. Łuk jest wykrywany co 93 ms, a średni czas wynosi 753 ms, co jest znacznie poniżej międzynarodowego standardu bezpieczeństwa wynoszącego 2.5 sek. Najszybsza reakcja AFCI wynosi 209 ms.
4. AFCI Reset: funkcja resetowania jednym kliknięciem po wykryciu usterki pozwala na uniknięcie utraty mocy.
5. Funkcja skanowania AFCI w czasie rzeczywistym umożliwia klientom analizę działania ich systemów PV.

Różne 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

Panel ustawień AFCI (ShinePhone)

2. ShineBus (oprogramowanie, wymaga połączenia RS485)

Funkcje AFCI w magistrali ShineBus