太陽光発電 DC アークの問題の概要と解決策

太陽光技術の急速な発展により、太陽光発電は世界中で重要なグリーンエネルギーソリューションの1つになりました。太陽光発電システムは、住宅の屋上、工業団地、大規模太陽光発電所など、重要な役割を果たしています。-同時に、太陽光発電システムの安全性の問題も徐々に注目を集めています。 DC アークは、太陽光発電システムの安定性に影響を与える可能性がある電気現象として、すべての専門家およびユーザーが注意深く理解する価値があります。

1.DCアークストライクの意味

直流アークとは、その名前が示すように、直流回路の電流経路が突然遮断されたときに接点間にアークが発生する現象を指します。

電気アークはガス放電現象の一種です。ガスがイオン化すると導電チャネルが形成され、アークが発生します。太陽光発電の DC 回路では、回路内に小さなギャップが発生すると、そのギャップにかかる DC 電圧によって回路内に電界が発生します。電界強度が一定レベルに達すると、空気分子がイオン化します。空気分子は、正に帯電した原子核と負に帯電した電子からなる原子で構成されています。強い電場の下では、電子は原子核から離脱して自由電子になるのに十分なエネルギーを獲得します。これらの自由電子は電界中で加速し、他の空気分子と衝突してより多くの分子をイオン化し、それによって多数の自由電子と陽イオンが生成されます。このプロセスはガス分解として知られています。ガスが分解されると、電気アークが形成されます。

DC アーク放電プロセス:

直流電流の場合、ゼロクロス点がなく電流の向きが変わらないため、アークは継続的にエネルギーを受け続けることができ、自然消滅しにくくなります。

回路の接続方法とアークの位置により、アークは直列アークと並列アークに分類できます（接地アークは並列アークの特殊タイプとみなすことができます）。直列アークは通常、単一の通電導体内で発生します。導体の間隔が狭く、導体の数が多いため、発生頻度が高くなります。さらに、直列アーク信号は弱く、ノイズによって容易に隠蔽されるため、検出が困難であり、時間内に対処しないと、容易に火災を引き起こす可能性があります。平行アークは通常、異なる通電導体間で発生します。導体間の間隔が広く、経路が複雑なため、発生頻度は低くなります。現在、ヒューズやサーキットブレーカーなどの保護手段により、並列アークの影響を効果的に制御できます。

2.原因DCアークストライキング

2.1接続コンポーネントの問題

接続コンポーネントは太陽光発電システムで最も一般的なトラブル箇所の 1 つであり、DC アーク発生の主な原因でもあります。

• コネクタ（MC4 プラグなど）の緩み、酸化、磨耗は一般的な問題です。長期間使用すると、振動や温度変化などの要因によりコネクタが緩む可能性があります。-。コネクタが緩んでいると接触抵抗が増加し、電流が流れると大量の熱が発生し、コネクタの温度が上昇することがあります。高温によりコネクタの酸化と摩耗が促進され、最終的にギャップが生じてアーク発生を引き起こす悪循環が生じます。

• ケーブル接続部の圧着が標準に達していない: 圧着力が不十分であったり、漏れが発生したりすると、ケーブル接続部の接触不良が発生する可能性があり、同様に接触抵抗が増加し、高温が発生し、その結果、アーク放電が発生する可能性があります。

2.2導体の問題

ワイヤは太陽光発電システムにおいて電流を伝送するための重要なコンポーネントであり、その品質と状態はシステムの安全な動作に直接影響します。

• ケーブルの絶縁層が損傷すると、導体と接地体または金属支持体との間に隙間が生じ、アーク放電が発生する可能性があります。ケーブルの絶縁層は、機械的損傷や化学的腐食などの要因により、設置中または使用中に損傷する可能性があります。

• ワイヤは外力（齧歯動物の噛みつきや機械的摩擦など）によって損傷し、その結果、局所的な露出が生じる可能性があり、これがアーク伸張の原因の 1 つでもあります。一部の屋外太陽光発電所では、齧歯動物がケーブルをかじることが時々発生します。

2.3環境と老化の要因

環境要因と機器の老朽化も、太陽光発電システムにおける DC アーク発生の重要な原因です。

• 高温および高湿度に長時間さらされると、コンポーネントの劣化が促進され、断熱性能の低下につながる可能性があります。高温環境では、コンポーネントの材料が熱老化し、その性能が徐々に低下します。-高湿度の環境では、コンポーネントが湿気を帯び、断熱特性に影響を与える可能性があります。-

• 接続点に塵や腐食が蓄積し、電気的導通が妨げられ、ギャップ放電が発生する可能性があります。腐食性の強い塵埃の多い環境では、接続点に大量の塵や腐食性物質が蓄積する傾向があります。これらの材料は電流の伝達を妨げ、接続点の抵抗を増加させ、高温を発生させ、アーク放電を引き起こす可能性があります。

3.太陽光発電におけるDCアークの検出技術と応用

3.1 アーク障害回路遮断器 (AFCI)/AFDD)

AFCI の機能は、アークが発生すると直ちに「検出して電源を遮断」し、火災の延焼を防ぐことです。

通常、DC 結合ボックス、インバーター、または回路ブレーカーに統合され、電流信号をリアルタイムで監視します。アークが発生すると、電流波形に特定の高周波ノイズと歪みが現れます。- AFCI はアルゴリズムを使用してこの異常な信号を検出し、回路を迅速に切断します。

上の電流スペクトル波形に示されているように、赤色は電気アークの発生を示し、アークが存在しない青色とは明らかに対照的です。

一般的な電気システムでは、バックグラウンドのランダム ノイズは通常、200 kHz を超える周波数でのみ顕著に変化します。対照的に、電気システム内のインバーターなどのスイッチング コントローラー回路は、通常、50 kHz 未満のスペクトルで動作します。言うまでもなく、AC 電源信号自体の周波数はさらに低い 50/60 Hz です。したがって、FFT アルゴリズムを使用して検出されたケーブル電流を周波数領域に変換し、30 kHz ～ 100 kHz の周波数帯域を分析することで、回路システムの正常な動作と異常なアーク放電状態を効果的に区別することができます。

主な構造

AFCIアーク障害サーキットブレーカーは、主にブレーカーモジュール、漏電モジュール、電源モジュール、信号調整モジュール、トリップユニットモジュール、通信インターフェースモジュールで構成されています。

• 電源モジュール: AFCI/AFDD 内の関連デバイスに電力を供給します。

• 信号調整モジュール: 主回路の電流信号は、線変流器を介して信号調整モジュールに渡されます。このモジュールは、処理のために信号をマイクロコントローラーに送信する前に、信号を増幅、整流、フィルター処理します。

• トリッピング モジュール: AFCI アーク障害サーキット ブレーカーでは、トリッピング モジュールの電磁構造に新しい省エネ技術が採用されており、スイッチ電磁システムのコア損失と短絡損失を最小限に抑え、エネルギーの節約を最大限に高めます。{0}{1}電磁システムへのエネルギーの影響を軽減するために緩衝装置が追加され、スイッチの閉動作性能が向上し、耐用年数が延長されます。トリップモジュールの動作機構は、主制御チップMCUによって検出された障害信号を受信し、制御接点を介してコイル回路を遮断し、電磁機構が主回路を遮断します。障害が解消された後、操作ボタンを押すとモジュールがリセットされます。

• 通信インターフェース モジュール: このモジュールにより、電流、電圧、電流位相、アーク信号などのデータを端末コンピュータにリアルタイムで送信できるため、遠隔監視が可能になります。{0}

動作原理

AFCI アーク障害サーキットブレーカーの主制御チップ MCU は、主回路の電流信号をリアルタイムで監視します。主回路でアーク故障が検出されると、マイコンからトリップ信号が送られ、トリップ回路がトリップ動作を実行します。

3.2赤外線サーマルイメージング技術

赤外線サーモグラフィ技術は、赤外線カメラを通じて接続ポイントの異常な加熱を検出し、潜在的なアークのリスクを事前に特定できます。接触不良は局所的な高温を伴うことが多く、赤外線熱画像ではこれらの高温領域を明確に表示できるため、メンテナンス担当者は直感的な参照情報を得ることができます。{1}

4.太陽光発電における直流アーク故障の保護対策と実施

4.1標準インストール

太陽光発電システムの DC アーク発生を防ぐには、適切な設置が基礎となります。取り付けプロセス中に、接続が緩まないように、コネクタとケーブルの接合部がしっかりと圧着されていることを確認してください。圧着には専門のツールを使用し、接続点での接触抵抗を最小限に抑えるために指定された力で操作する必要があります。

同時に、機械的損傷のリスクを軽減するために、規格を満たす断熱材を選択してください。ケーブルを取り付けるときは、絶縁層の損傷を防ぐため、過度の曲げや伸ばしを避けてください。

4.2コンポーネントの選択

経年劣化や高温に耐性のあるコネクタとケーブルを選択し、特に過酷な環境でコンポーネントの保護レベル (IP65/IP67 など) を強化します。部品を選定する際には、太陽光発電所の温度、湿度、腐食性などの環境条件を十分に考慮してください。

たとえば、高温地域にある太陽光発電所では、高温でも安定した性能を維持できるコネクタとケーブルを選択する必要があります。{0}海岸地域などの腐食性の高い環境では、耐食性のあるコンポーネントを選択する必要があります。

4.3システム設計の最適化

太陽光発電システムの DC アーク発生を防ぐには、システム設計の最適化が不可欠です。設計プロセスでは、過度に高い DC 電圧 (安全基準に準拠する必要がある) を避け、長いケーブルの配線を減らし、ギャップ放電の可能性を最小限に抑えることが重要です。

太陽光発電モジュールの配置とケーブルの配線を合理的に計画し、ケーブルの長さを最小限に抑え、ケーブルの曲げや接合部の数を減らすことを目指します。同時に、回路に異常が発生した場合には速やかに電源を遮断できるよう、ヒューズ、サーキットブレーカー、アーク故障保護装置などの適切な保護装置を設置する必要があります。