Jak komercyjny instalator instalacji fotowoltaicznych skrócił przestoje spowodowane łukiem elektrycznym o 85% dzięki skrzynce rozdzielczej DC AFCI

Tło klienta

Regionalna komercyjna firma EPC zajmująca się energią słoneczną z siedzibą w Arizonie specjalizuje się w dachowych i naziemnych systemach fotowoltaicznych dla magazynów i centrów dystrybucyjnych. Firma instaluje około 25 MW rocznie, a typowe projekty wahają się od 500 kW do 3 MW. Ich klientami są operatorzy logistyczni i dostawcy chłodni, którzy potrzebują niezawodnych modułów fotowoltaicznych przy minimalnych przerwach w dostawie prądu.

Wyzwania związane ze standardowymi skrzynkami łączącymi i AFCI na poziomie falownika

Przez lata instalator korzystał ze standardowych skrzynek połączeniowych prądu stałego, zawierających wyłącznie bezpieczniki i rozłącznik prądu stałego. Ochronę przed zwarciami łukowymi zapewniono na poziomie falownika, ale spowodowało to dwa powtarzające się problemy. Po pierwsze, wykrywanie na poziomie falownika nie było w stanie określić, który ciąg znaków lub skrzynka łącznikowa uległy uszkodzeniu, co zmusiło załogi do sprawdzenia każdego złącza na dachu. Po drugie, falowniki generowały fałszywe wyłączenia awaryjne podczas przełączania sieci i uruchamiania falownika, powodując wyłączenie całego układu.

Najpoważniejszy incydent dotyczył luźnego złącza w skrzynce przyłączeniowej, co spowodowało szeregowe zwarcie łukowe. Łuk tlił się tygodniami, zanim został wykryty przez kontrolę termiczną. Zdarzenie to spowodowało pożar i spowodowało sześciocyfrowe roszczenie z tytułu odpowiedzialności cywilnej. Zespół EPC wiedział, że potrzebuje zabezpieczenia przed zwarciami łukowymi bliżej źródła, ale modernizacja zewnętrznych modułów AFCI w istniejących skrzynkach łączących była kosztowna i skomplikowana. Każdy moduł wymagał osobnego okablowania, obudów i koordynacji z falownikiem.

Dlaczego łącznik Soutya 12 w 1 DC DC AFCI?

Firma oceniła trzy opcje: kontynuację korzystania wyłącznie z AFCI na poziomie falownika, dodanie zewnętrznych modułów AFCI lub przejście na zintegrowaną skrzynkę łączącą DC AFCI. Moduły zewnętrzne spełniły wymagania normy UL 1699B, ale dodały ponad 2000 dolarów na łącznik i wydłużyły instalację o kilka godzin na jednostkę. Zintegrowana skrzynka Soutya łączy w jednej obudowie 12 wejść szeregowych, wykrywanie zwarć łukowych w każdym ciągu, zabezpieczenie nadprądowe i urządzenie przeciwprzepięciowe. Został zgodny z normą UL 1699B i zaprojektowany do obsługi napięć systemowych 600 VDC i 1200 VDC, co odpowiada standardowym specyfikacjom projektowym firmy.

Decyzja została podjęta ze względu na ekonomikę instalacji i niezawodność systemu. W przypadku skrzynki Soutya załoga musiała jedynie zamontować urządzenie, podłączyć przewody sznurkowe i ustawić parametry progowe AFCI. Nie były wymagane żadne zewnętrzne moduły ani dodatkowe obudowy. Zintegrowana konstrukcja zmniejszyła również liczbę punktów końcowych, zmniejszając ryzyko przyszłych zwarć łukowych. Test terenowy projektu dachowego o mocy 1,2 MW przekonał zespół inżynierów, że produkt będzie działał w rzeczywistych warunkach.

Proces wdrażania

Projekt pilotażowy obejmował instalację dachową o mocy 1,2 MW w chłodzonym centrum dystrybucyjnym. Instalacja trwała dwa tygodnie i obejmowała 24 skrzynki połączeniowe Soutya DC AFCI rozmieszczone na dachu. W każdym pudełku znajdowało się 12 ciągów z jednym wyjściem zasilanym do falownika centralnego.

• Przygotowanie miejsca i montaż: Skrzynki łączące zostały zamontowane na wstępnie zainstalowanych stojakach rozporowych w pobliżu ścian zewnętrznych. Okablowanie prądu stałego z tablic zostało wciągnięte do dławików i zakończone na zaciskach wejściowych.
• Konfiguracja AFCI: Instalator ustawia próg wykrywania zwarcia łukowego w każdym kanale za pomocą wbudowanych przełączników DIP i miernika napięcia. Funkcja autotestu zweryfikowała obwód wykrywania łuku na wszystkich 12 wejściach bez powodowania uciążliwego wyłączenia.
• Koordynacja z falownikiem: Wyjście każdej skrzynki połączeniowej zostało podłączone do szyny DC falownika. Sygnał wyłączenia AFCI został podłączony do wejścia zdalnego zatrzymania falownika, zapewniając wyłączenie falownika w ciągu 0,5 sekundy od wystąpienia błędu – ponad dwukrotnie dłużej niż wymaganie 2 sekund określone w normie UL 1699B.
• Uruchomienie: Po włączeniu zasilania załoga przeprowadziła serię ręcznych symulacji zwarć łukowych przy użyciu skalibrowanego generatora łuku. Wszystkie 24 skrzynki wykryły łuki i prawidłowo przekazały sygnał wyłączenia.

Jedynym trudnym krokiem była integracja sygnału wyłączającego AFCI ze starszym modelem falownika, który nie posiadał dedykowanego wejścia wyłączającego. Zespół rozwiązał ten problem, podłączając przekaźnik wyłączający do sterownika rozłącznika prądu stałego falownika, co zajmowało 30 minut na każdy falownik. Była to jednorazowa zmiana konstrukcyjna i nie miała wpływu na pozostałą część instalacji.

Wymierne wyniki

Po pełnym roku działania system pilotażowy przyniósł wymierne ulepszenia w porównaniu z poprzednimi projektami skrzynek łączących firmy.

• Czas przestojów spowodowany zwarciem łukowym spadł o 85%– od średnio 12 godzin na kwartał do niespełna 2 godzin. Wyeliminowanie fałszywych wyłączeń spowodowanych samym uruchomieniem falownika pozwoliło zaoszczędzić 8 godzin przestojów na kwartał.
• Wykryto i wyizolowano dwa rzeczywiste zwarcia łukowe– jeden spowodowany skorodowanym złączem MC4, drugi – poluzowaną śrubą zaciskową. Obydwa zdarzenia zostały wykryte przed wystąpieniem uszkodzeń termicznych, co zapobiegło potencjalnym kosztom naprawy i odpowiedzialności cywilnej szacowanym na 50 000 USD.
• Wskaźnik fałszywych podróży spadł z 5 rocznie do 1. Pojedyncze fałszywe wyłączenie miało miejsce podczas nietypowego zdarzenia dotyczącego napięcia w sieci energetycznej, a reset trwał 10 minut.
• Czas instalacji na skrzynkę łączącą skrócony o 40%– z 4 godzin do 2,5 godziny – ponieważ załoga nie musiała już instalować osobnych urządzeń AFCI i puszek połączeniowych.

Klient zatwierdził wdrożenie tego samego projektu skrzynki przyłączeniowej w kolejnych trzech projektach o łącznej mocy 4 MW.

Opinia klienta

„Skrzynka przyłączeniowa Soutya AFCI usunęła warstwę złożoności z naszych projektów. Wykryła zwarcie łukowe, którego falownik nigdy nie zauważył, a uruchomienie przebiegło bezproblemowo. Ujednoliciliśmy tę skrzynkę dla wszystkich naszych instalacji komercyjnych”. — Starszy inżynier elektryk

Lekcje i zalecenia

• Ochrona przed łukiem elektrycznym należy do poziomu sumatora, a nie do falownika.Skrzynki połączeniowe są punktami połączeń o najwyższym ryzyku w przypadku zwarć łukowych szeregowo ze względu na wiele zakończeń w małej obudowie. Wdrożenie tam wykrywania zapewnia szybszą reakcję i lepsze rozwiązywanie problemów.
• Zintegrowany AFCI obniża całkowity koszt systemu.Mimo że skrzynka Soutya kosztuje o 30% więcej niż standardowa skrzynka łącząca, wyeliminowanie zewnętrznych modułów AFCI i ograniczenie prac instalacyjnych daje oszczędności netto w wysokości około 1000 USD na skrzynkę. Dla projektu o mocy 1 MW z 20 skrzynkami oznacza to oszczędności w wysokości 20 000 USD.
• Uruchomienie i autotest mają kluczowe znaczenie.Przed włączeniem układu sprawdź zachowanie AFCI. Należy także skoordynować logikę wyłączania z falownikiem, aby upewnić się, że wyłączenie będzie wystarczające, aby spełnić wymagania norm UL 1699B i NEC 690.12.
• W przypadku ponownego przeglądu projektu zespół dodałby zdalne monitorowanie statusu AFCI.Umożliwiłoby to jeszcze szybszą lokalizację usterek i zapobiegłoby niepotrzebnemu wchodzeniu techników na dach.

Referencje

• UL 1699B:2018 Zabezpieczenie fotowoltaiczne (PV) prądu stałego przed łukiem elektrycznym
• IEC 62548:2016 Układy fotowoltaiczne (PV) — Wymagania projektowe
• NEC 690.12 Szybkie wyłączanie systemów fotowoltaicznych w budynkach (NFPA 70)