Jak instalacja fotowoltaiczna skróciła przestoje stringów o 60% dzięki uchwytowi bezpiecznika DC 1000 V

Tło klienta

W elektrowni fotowoltaicznej (PV) o mocy 45 MW zlokalizowanej w pustynnym regionie na dużych wysokościach występowały powtarzające się awarie skrzynek łączników prądu stałego. Obiekt, obsługiwany przez niezależnego producenta energii obsługującego regionalną sieć elektroenergetyczną, działał przez sześć lat. Ponad 1400 obwodów łańcuchowych podłączonych do 28 skrzynek połączeniowych, z których każda przenosi napięcie prądu stałego do 1000 V z paneli słonecznych do falowników centralnych.

Zespół operacyjny elektrowni stanął w obliczu rosnącej presji, aby ograniczyć nieplanowane przestoje, ponieważ lokalny operator sieci wprowadził bardziej rygorystyczne kary za dostępność. Przy temperaturach w lecie przekraczających 45°C, naprężenia termiczne podzespołów prądu stałego były poważne.

Jakie problemy napotkała elektrownia fotowoltaiczna przed modernizacją?

Oryginalne oprawy bezpieczników były jednostkami ogólnymi przystosowanymi tylko do napięcia 600 V prądu stałego. Były za małe dla konfiguracji łańcuchów 1000 V w zakładzie. W ciągu 18 miesięcy zespół operacyjny odnotował 23 awarie podstaw bezpieczników w 11 skrzynkach połączeniowych.

Objawy były spójne: zaciski uchwytu bezpiecznika utraciły napięcie sprężyny po wielokrotnych cyklach termicznych, tworząc styki o wysokiej rezystancji. Przy napięciu 1000 V prądu stałego słabe połączenie powodowało miejscowe nagrzewanie i mikrołuki. W kilku przypadkach uchwyt bezpiecznika stopił się i skrzynkę połączeniową trzeba było wyłączyć w celu naprawy awaryjnej. Każdy incydent kosztował średnio 4800 dolarów w postaci utraconej produkcji energii, części zamiennych i robocizny.

Poprzednie próby ponownego dokręcenia zacisków i nałożenia smaru przewodzącego nie rozwiązały problemu. Po drugiej awarii kierownik zakładu zlecił pełny przegląd specyfikacji oprawek bezpieczników.

Dlaczego operator wybrał uchwyt bezpiecznika Soutya DC 1000 V?

Zespół inżynierów ocenił trzy alternatywy. Pierwszym z nich był standardowy uchwyt bezpiecznika na szynę DIN o napięciu znamionowym 1000 V prądu stałego, ale jego zaciski wykonano ze stopu miedzi niższej jakości, który nadal korodował w słonym pustynnym powietrzu. Drugą opcją było rozwiązanie autorskie, wymagające wymiany całej skrzynki kombi, co przekraczało budżet serwisowy.

Trzecią opcją był uchwyt bezpiecznika Soutya DC 1000V. Decydowały trzy czynniki:

• Wyraźna wartość znamionowa 1000 V DC z sprawdzoną zdolnością wyłączania odpowiadającą prądowi zwarciowemu łańcucha fotowoltaicznego zgodnie z warunkami IEC 60269-1.
• Zaciski sprężyn śrubowych wykonane ze stali nierdzewnej i miedzi cynowanej, zaprojektowane tak, aby utrzymać docisk w szerszym zakresie temperatur.
• Kompaktowa obudowa, która pasuje do istniejącego układu skrzynki przyłączeniowej bez konieczności zmiany okablowania. Zmniejszyło to ryzyko instalacji i utrzymało koszty pracy na niskim poziomie.

Uchwyt bezpiecznika Soutya był również wyposażony w matową nylonową obudowę odporną na degradację pod wpływem ultrafioletu, która była przyczyną kruchych pęknięć w starych jednostkach. Kierownik ds. zakupów potwierdził, że firma Soutya udzieliła trzyletniej gwarancji w oparciu o rzeczywiste dane dotyczące napięcia stałego i prądu z zakładu.

Jak zastosowano nowy uchwyt bezpiecznika?

Modernizację prowadzono etapami przez cztery tygodnie, podczas późnozimowego okna konserwacyjnego zakładu. Aby uniknąć częstych przestojów systemu, zespół operacyjny wymienił 520 opraw bezpiecznikowych etapami, po jednej skrzynce połączeniowej.

• Krok 1: Ekipa konserwacyjna elektrowni odłączyła zasilanie od jednej skrzynki przyłączeniowej i zweryfikowała zerowe napięcie na zaciskach stringów.
• Krok 2: Usunięto każdy istniejący uchwyt bezpiecznika. Technicy udokumentowali moment obrotowy śrub zaciskowych i sprawdzili zaciski bezpieczników pod kątem oznak wyładowania łukowego.
• Krok 3: Nowe oprawki bezpieczników Soutya DC 1000 V zostały zamontowane przy użyciu istniejącej szyny DIN i listew zaciskowych. Siła włożenia bezpiecznika była zauważalnie większa, co zmniejszyło prawdopodobieństwo nieprawidłowego ustawienia.
• Krok 4: Przed ponownym włączeniem każdy obwód został przetestowany za pomocą testera rezystancji izolacji prądu stałego i wskaźnika stanu bezpiecznika.
• Krok 5: Zespół konserwacyjny przeprowadził badanie termowizyjne tydzień po ponownym uruchomieniu każdej skrzynki połączeniowej.

Jedyną znaczącą trudnością była ciasna przestrzeń do gięcia drutu wewnątrz skrzynek łączących. Dzięki orientacji zacisków uchwytu bezpiecznika Soutya można było łatwo poprowadzić przewody fotowoltaiczne o przekroju 6 mm² bez konieczności wymuszania zginania, dzięki czemu problem został rozwiązany w ciągu kilku godzin.

Jakie wymierne wyniki osiągnął operator?

Dwanaście miesięcy po modernizacji operator porównał dane dotyczące wydajności z dwoma latami przed wymianą.

• Przestoje stringów spowodowane awarią uchwytów bezpieczników spadły o 60%, ze średnio 14 godzin miesięcznie do 5,5 godziny.
• Koszt wymiany oprawki bezpiecznika spadł o 45%, z 2800 dolarów na kwartał do 1540 dolarów. Obejmowało to części, robociznę i czas kontroli termicznej.
• Liczba nieplanowanych zdarzeń serwisowych skrzynki łącznikowej spadła z 8 do 2 rocznie. Żaden uchwyt bezpiecznika nie zgłosił powstania łuku ani stopienia podczas
• Średni wzrost temperatury na stykach oprawek bezpieczników obniżył się o 18°C, mierzony kamerą na podczerwień.

Kierownik zakładu zauważył również, że w trzech ostatnich miesięcznych raportach rozliczeniowych kara za dostępność nałożona przez operatora sieci została zmniejszona do zera. Na napiętym rynku sama ta poprawa uzasadniała inwestycję w sprzęt o wartości 11 000 dolarów.

Opinia klienta: Co powiedział dyrektor ds. konserwacji?

"Straciliśmy zaufanie do oryginalnych opraw bezpieczników po drugim stopieniu. Uchwyt bezpiecznika Soutya DC 1000 V zapewnił nam niezawodne połączenie, które możemy przewidzieć. Wyniki obrazowania termowizyjnego są jasne, a mój zespół może skupić się na czyszczeniu i kontroli momentu obrotowego zamiast na awaryjnej wymianie ", powiedział dyrektor ds. konserwacji zakładu.

Lekcje i zalecenia dla innych operatorów systemów elektroenergetycznych prądu stałego

Zespołom operacyjnym zarządzającym obwodami prądu stałego 1000 V w elektrowniach słonecznych, systemach magazynowania lub przemysłowych sieciach prądu stałego projekt zapewnił trzy praktyczne korzyści.

1. Przed wybraniem oprawki bezpiecznika należy zawsze sprawdzić rzeczywiste napięcie prądu stałego i prąd zwarciowy w obwodzie. Uchwyt o napięciu znamionowym 600 V w systemie 1000 V stanowi zagrożenie, niezależnie od tego, jak dobrze pasuje mechanicznie.
2. Sprawdź materiał zacisku bezpiecznika i konstrukcję sprężyny. Wysokiej jakości docisk stykowy jest najważniejszą ochroną przed przegrzaniem przy wysokich napięciach prądu stałego.
3. W przypadku modernizacji istniejących skrzynek połączeniowych należy wybrać oprawkę bezpiecznikową, która jest montowana na istniejącej szynie i nie wymaga wymiany listew zaciskowych. Oprawka bezpiecznika Soutya działała dokładnie zgodnie ze swoją specyfikacją, a projekt ukończono przed terminem.

Jeżeli zakład miałby to zrobić ponownie, jedynym ulepszeniem byłaby wcześniejsza wymiana opraw bezpiecznikowych, podczas pierwszego uruchomienia sprzętu. Koszt zapobiegania stanowił jedną trzecią kosztów pierwszych dwóch napraw awaryjnych.

Referencje

[1] IEC 60269-1. Bezpieczniki niskonapięciowe – Część 1: Wymagania ogólne [S]. 2020.https://webstore.iec.ch/publication/62496

[2] Charakterystyka starzenia elektrod kontaktowych przełączników prądu stałego niskiego napięcia [J]. Energie, 2021, 14(20): 6838.https://doi.org/10.3390/en14206838