עם הפיתוח המהיר של מערכות ייצור חשמל סולאריות פוטו-וולטאיות (PV), עיצובי HVDC נמצאים בשימוש יותר ויותר בגגות מגורים, תחנות כוח ופרויקטים תעשייתיים/מסחריים. הפתיל הוא חלק מרכזי בבטיחות המעגלים של מערכות PV. תפקידו העיקרי הוא לקטוע את המעגל במהירות במקרה של תקלות זרם יתר או קצר-במעגל, כדי למנוע נזק לציוד ואירועי בטיחות. עם זאת, חלק מהמשתמשים מאמינים בטעות שניתן להשתמש בנתיכים AC סטנדרטיים-שהם זולים יותר-כחלופה לנתיכים מיוחדים עבור תאים פוטו-וולטאיים. בפועל הדבר מהווה סיכונים בטיחותיים משמעותיים ועלול להוביל לכשלי מיגון, נזקי ציוד ואף שריפות.
אז למה לא להחליף נתיכים PV בנתיכים רגילים של זרם חילופין? במאמר זה ינותחו בפירוט עקרון העבודה, דרישות הביצועים והתקנים הקשורים.
מערכת PV משתמשת ב-DC
הרכבה PV מייצרת זרם ישר; הזרם נשאר DC בכל המעגל-ממחרוזת ההרכבה והשילוב של המארז ועד לרמת הקלט של המהפך.
במקום זאת, נתיכים AC סטנדרטיים מיועדים למערכות הפצת AC המבוססות על המאפיינים החשמליים של זרם (AC.
אחד המאפיינים העיקריים של AC הוא כיוון השינוי של הזרם, שעובר דרך "אפס" מספר פעמים בשנייה. ב-50Hz, למשל, הזרם יכול לעלות על 100 פעמים בשנייה. כאשר מעגל מתיך, כאשר הזרם עובר דרך האפס, הקשת נכבית באופן טבעי, כך שמנגנון כיבוי הקשת בנתיך AC הוא פשוט יחסית.
לעומת זאת, ל-DC חסר חיתוך טבעי של נקודת אפס- והכיוון הנוכחי נשאר זהה. במהלך קצר חשמלי, הקשת תימשך, מה שמחייב את הנתיך להסתמך על מבנה מיוחד לכיבוי קשת כדי לחתוך במהירות את הזרם. לכן, מערכת PV דורשת נתיך
תוכנן במיוחד עבור יישומי DC.
קשה יותר לכבות קשת DC מאשר קשת AC
זו הסיבה הבסיסית לכך שפתיכים AC סטנדרטיים אינם יכולים להחליף נתיכים פוטו-וולטאיים.
כאשר הרכיבים הפנימיים של הפתיל נמסים, נוצרת קשת בטמפרטורה גבוהה- בין שני הקצוות. במהלך AC, ניתן לכבות את הקשת באופן טבעי כאשר הזרם יורד שוב ושוב לאפס.
עם זאת, הקשת עדיין קיימת במערכת DC, שיכולה להגיע לטמפרטורות של כמה אלפי מעלות צלזיוס ולהמשיך לשחרר חום רב. אם לנתיך אין יכולת כיבוי קשת מספקת, עלולות להיווצר הבעיות הבאות:
הקשת ממשיכה להישרף, ומונעת מהמעגל להיפסק באמת.
נתיכים מתפוצצים או אפילו מתפוצצים;
חומרי בידוד מסביב נשרפו;
אש את תיבת המשלב או ארון חלוקת החשמל;
ציוד כגון ממירים ורכיבי PV ניזוק.
לכן, נתיכים PV מרובים בדרך כלל עם חול קוורץ, מעטפת קרמית בחוזק גבוה, והמבנה של אלמנט הפתיל מותאם כדי להבטיח כיבוי מהיר ובטוח של קשת DC.
לנתיכים פוטו-וולטאיים יש דירוג מתח DC גבוה.
רמות מתח נפוצות עבור מערכות PV כוללות:
600V DC
1000V DC
1500V DC
לעומת זאת, דירוג המתח של נתיך AC סטנדרטי הוא בדרך כלל:
250V AC
400V AC
500V AC
690V AC
חשוב לציין שדירוג מתח AC אינו שווה ערך ישירות לדירוג מתח DC.
לדוגמה, נתיך AC עם זרם נקוב של 690V עשוי לעמוד רק בכ-250V עד 400V של DC. אם הוא מותקן במערכת PV של 1000V או 1500V, ייתכן שהנתיך לא יספק הגנה, מכיוון שהנתיך אינו יכול לקטוע את קשת המתח DC-הגבוהה גם אם אלמנט הפתיל עצמו נמס.
לכן, מערכת PV דורשת נתיך שתוכנן במיוחד עבור יישומי PV, ודירוגי מתח ה-DC שלה צריכים לעמוד בדרישות המערכת.
מאפייני ההגנה של נתיכים פוטו-וולטאיים מתאימים יותר למערכות אנרגיה סולארית.
למערכים סולאריים מאפייני פלט ייחודיים.
לְדוּגמָה:
הזרם משתנה ברציפות עם קרינת השמש.
זרם הפלט משתנה בין בוקר/ערב, ימי מעונן ושמש;
כאשר מיתרים מרובים מקבילים, עלולה להתרחש זרימה חוזרת;
זרמי תקלה נוטים להימשך זמן רב יותר.
מאפייני זרימת הזמן- של נתיכים PV תוכננו במיוחד עבור תנאי הפעלה אלה; הם יכולים לעמוד בתנודות הנוכחיות במהלך פעולות רגילות תוך תגובה מהירה במקרה של כשל.
נתיכים AC סטנדרטיים מיועדים בעיקר לעומסי AC ואינם פועלים היטב במערכות PV DC, מה שמוביל לשתי בעיות פוטנציאליות:
תאונות מעידה (נשיפה) במהלך פעולה רגילה;
תגובה מאוחרת או חוסר יכולת לפעול במהלך תקלה.
שני התנאים הללו יכולים להשפיע על הפעולה היציבה של מערכות PV. נתיכים PV בהתאם לתקנים בינלאומיים מיוחדים
נתיכים שתוכננו במיוחד עבור יישומים פוטו-וולטאיים חייבים לעמוד בסטנדרטים בינלאומיים, כגון:
IEC 60269-6 (נתיכים במתח נמוך--נתיכים המגנים על מערכות פוטו-וולטאיות סולאריות)
UL 248-19 (תקן עבור נתיכים פוטו-וולטאיים)
תקנים אלה מציגים דרישות מחמירות לשבירות DC, עליית טמפרטורה, עמידות, ביצועי כיבוי קשת ואמינות.
לעומת זאת, נתיכים AC סטנדרטיים מתוכננים לפי תקני חלוקת AC וטרם אושרו על ידי סביבת ההפעלה של מערכות PV ולכן אינם עומדים בדרישות הבטיחות של מערכת PV.
סיכונים בשימוש בנתיכים AC סטנדרטיים
החלפת נתיכים פוטו-וולטאיים בנתיכים AC סטנדרטיים כדי להפחית עלויות עלולה להוביל לסיכונים הבאים:
זרם תקלה DC לא ניתן להפסקה;
קשת חשמל מתמשכת, המובילה לנזק נתיך;
צריבה בטמפרטורה גבוהה בתוך תיבת השילוב;
מתח זרם יתר של רכיבי PV וממירים;
זמן השבתת מערכת ועלויות תחזוקה מוגברת;
שריפה חשמלית כבדה וגדולה במיוחד סכנה נסתרת, מסכנת את בטיחות האדם והרכוש.
בהתחשב בהשקעה הכוללת במערכות PV, עלות הנתיכים זניחה, אך הם ממלאים תפקיד מכריע בהגנה על בטיחות. בחירה במוצר הלא נכון כדי לחסוך כמות קטנה של עלויות רכש מובילה לרוב להפסדים כלכליים גדולים יותר.
כיצד לבחור נתיכים PV נכון?
על מנת להבטיח את הפעולה הבטוחה והאמינה של מערכת ה-PV, יש לתת עדיפות לפעולות הבאות בתהליך הבחירה:
מתח מדורג: לא יהיה נמוך ממתח DC המרבי של המערכת (למשל, 1000V DC או 1500V DC).
זרם מדורג: מבוסס על זרם קצר חשמלי (Isc), מספר גדילים מקבילים ושולי עיצוב של המכלול הפוטו-וולטאי.
קיבולת ריסוק: יש לעמוד בדרישת זרם תקלה פוטנציאלי מרבי במערכת.
קריטריוני הסמכה: תעדוף מוצרים העומדים ומוסמכים ל-IEC 60269-6, 248-19 ואחרים.
יכולת הסתגלות סביבתית: שקול סביבות יישום כגון טמפרטורה גבוהה/נמוכה, לחות, ערפל מלח וכו', ובחר מוצרים שעמידים בפני מזג אוויר-. מַסְקָנָה:
למרות שנתיכים פוטו-וולטאיים (PV) נראים דומים לנתיכים AC סטנדרטיים, ישנם הבדלים מהותיים בעקרונות התכנון, סביבות היישום ודרישות הביצועים. מכיוון שמערכת PV פועלת תחת זרם DC במתח גבוה, הדרישות של יכולת כיבוי אש בקשת DC, יכולת פיצול, מתח מדורג וכו' הן קפדניות. נתיכים AC סטנדרטיים אינם עומדים בדרישות אלו, והשימוש בנתיכים AC סטנדרטיים לא רק שאינו מספק הגנה יעילה, אלא גם מהווה סיכונים בטיחותיים חמורים.
במהלך הקמה, תפעול ותחזוקה של תחנות כוח PV, יש לבחור נתיכים מיוחדים לפוטו-וולטאיים (PV) בהתאם לתקנים הרלוונטיים ובהתאם למתח, הזרם והתפעול של המערכת. רק על ידי שימוש בהתקן המגן הנכון, מערכת ה-PV יכולה לפעול בצורה בטוחה ויציבה לאורך זמן.
שאלות נפוצות
1. נתיכים פוטו-וולטאיים נראים אותו דבר כמו נתיכים AC רגילים. האם זה ניתן להחלפה?
לא. בעוד שלמוצרים מסוימים עשויים להיות ממדים פיזיים דומים, יש להם מבנים פנימיים, עיצוב קשת ופרמטרים שונים של ביצועים; אתה לא יכול להחליף ביניהם פשוט כי הם נראים דומים.
2. מדוע קשה יותר להגן על מערכות DC מאשר מערכות AC?
היעדר נקודת אפס טבעית של מעבר DC פירושו שהקשת שנוצרה במהלך הכשל תמשיך לבעור; לפיכך, נדרשים אלמנטים מיוחדים להגנת DC עם יכולת כיבוי קשתות מתקדמת.
