PV DC Arc-Fault Protection: NEC 690.11 vs IEC 63027

Trả lời nhanh

Bảo vệ chống hồ quang điện một chiều (DC) cho hệ thống điện mặt trời là một chức năng an toàn chuyên dụng để phát hiện các hồ quang nguy hiểm trong mạch điện mặt trời. Chức năng này không được cung cấp tự động bởi cầu chì, aptomat tép (MCB) DC, thiết bị chống sét lan truyền (SPD), bộ cách ly hoặc thiết bị chống hồ quang điện xoay chiều (AC) dân dụng thông thường.

Hai tài liệu tham khảo thường được so sánh với nhau phục vụ các mục đích khác nhau:

NEC 690.11 là yêu cầu về quy chuẩn lắp đặt tại Bắc Mỹ. Trong các phiên bản NEC gần đây, các hệ thống điện mặt trời có mạch DC hoạt động ở mức điện áp từ 80 V DC trở lên giữa các dây dẫn thường yêu cầu phải có thiết bị bảo vệ chống hồ quang điện mặt trời được liệt kê, tùy thuộc vào phiên bản NEC được áp dụng, các trường hợp ngoại lệ, các sửa đổi tại địa phương và Cơ quan có thẩm quyền (AHJ).
IEC 63027:2023 là tiêu chuẩn quốc tế về hiệu suất và thử nghiệm sản phẩm dành cho thiết bị phát hiện và tùy chọn ngắt hồ quang DC trong các mạch điện mặt trời lên đến 1500 V DC. Bản thân tiêu chuẩn này không bắt buộc mọi quốc gia hoặc mọi dự án điện mặt trời phải lắp đặt thiết bị như vậy.
UL 1699B là một tiêu chuẩn sản phẩm của Bắc Mỹ được sử dụng cho thiết bị bảo vệ chống hồ quang điện một chiều (DC) trong hệ thống quang điện.

Điểm kỹ thuật trọng tâm là:

Hồ quang nối tiếp có thể mang dòng điện thấp hơn tải vận hành bình thường. Do đó, thiết bị bảo vệ quá dòng tiêu chuẩn có thể vẫn đóng trong khi hồ quang tiếp tục tạo ra nhiệt lượng tập trung.

Những điểm chính

NEC 690.11 chỉ dẫn cho người thiết kế khi nào một hệ thống lắp đặt cần được bảo vệ theo khuôn khổ NEC đã được áp dụng; IEC 63027 chỉ dẫn cho nhà sản xuất hoặc người mua cách thức thiết bị phát hiện hồ quang quang điện được phân loại và thử nghiệm trong phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn này.
IEC 63027 tập trung các quy trình thử nghiệm vào hồ quang nối tiếp. Tiêu chuẩn này công nhận các thiết bị chỉ có chức năng phát hiện cũng như các thiết bị kết hợp cả chức năng phát hiện và ngắt mạch.
Một bộ biến tần năng lượng mặt trời được đánh dấu "AFCI" không nên chỉ được phê duyệt dựa trên tên viết tắt. Cần xác nhận danh mục hoặc tiêu chuẩn thử nghiệm, phạm vi bảo vệ mạch, dải điện áp/dòng điện, số lượng chuỗi và kênh, phương thức ngắt mạch, phần mềm điều khiển (firmware) và cơ chế kết nối lại.
Việc ngắt đầu vào của bộ biến tần có thể dập tắt hồ quang nối tiếp trên đường dẫn dòng điện được giám sát, nhưng điều đó không đảm bảo rằng mọi hồ quang song song hoặc hồ quang chạm đất có thể xảy ra đều sẽ được loại bỏ. Kiến trúc bảo vệ phải phù hợp với loại sự cố.
Việc kết nối đầu nối, chất lượng bấm cos, lực siết đầu cực, giá đỡ cáp, khả năng chống nước và hồ sơ vận hành vẫn là những yếu tố thiết yếu. Các thiết bị điện tử phát hiện hồ quang không thể bù đắp cho các kỹ thuật lắp đặt hệ thống quang điện (PV) kém chất lượng.

Sự cố hồ quang DC trong hệ thống PV là gì?

Hồ quang là hiện tượng phóng điện tự duy trì qua chất khí bị ion hóa. Trong một mảng PV, ánh sáng mặt trời giữ cho các mô-đun luôn được cấp điện, và dòng điện một chiều (DC) không có điểm không (zero-crossing) tự nhiên như dạng sóng xoay chiều (AC). Một khi hồ quang trở nên ổn định, nó có thể tiếp tục làm nóng một khu vực nhỏ của đầu nối, dây dẫn, đầu cực, hộp đấu nối hoặc mô-đun.

Các điểm khởi phát phổ biến bao gồm:

đầu nối chưa được cắm chặt hoàn toàn;
các tiếp điểm từ các tổ hợp đầu nối không được phê duyệt;
mối nối ép (crimp) không chính xác hoặc không hoàn thiện;
đầu cực tại hộp đấu nối (combiner-box) hoặc thiết bị cách ly bị lỏng;
dây dẫn bị đứt gãy do uốn cong, rung lắc hoặc do giá đỡ cáp kém;
lớp cách điện bị hư hỏng do ma sát, động vật, tiếp xúc với tia UV hoặc quá trình thi công lắp đặt;
độ ẩm, tạp chất hoặc sự ăn mòn xung quanh mối nối;
Mối hàn, dây dẫn mô-đun, hộp đấu nối hoặc kết nối đi-ốt chặn bị lỗi.

Hệ thống có thể vẫn tiếp tục sản xuất điện trong khi lỗi ngày càng nghiêm trọng. Điều đó khiến cho thiết bị bảo vệ hồ quang trở thành một biện pháp kiểm soát rủi ro hỏa hoạn thay vì là thiết bị thay thế cho bảo vệ quá tải thông thường.

Hồ quang nối tiếp so với hồ quang song song so với lỗi chạm đất

Các loại lỗi này có liên quan nhưng không thể thay thế cho nhau.

Loại lỗi	Đường dẫn hiện tại	Nguồn gốc điển hình	Tại sao thiết bị bảo vệ thông thường có thể hoặc không thể phản ứng	Phản ứng thiết kế chính
Hồ quang nối tiếp	Băng qua một điểm gián đoạn trên đường dẫn dòng điện dự kiến	Đầu nối lỏng, sợi dây bị đứt, mối bấm không đạt chuẩn, đầu cực lỏng	Dòng điện hồ quang bị giới hạn bởi chuỗi và tải; nó có thể vẫn thấp hơn ngưỡng tác động của cầu chì hoặc bộ ngắt mạch	Phát hiện hồ quang nối tiếp chuyên dụng và phương pháp ngắt đã được kiểm nghiệm
Hồ quang song song	Giữa các dây dẫn có điện thế khác nhau	Hỏng cách điện, dây dẫn dương và âm bị hư hại, nhiễm bẩn	Dòng điện có thể cao, nhưng cường độ phụ thuộc vào cấu trúc mảng và các đường dẫn nguồn khả dụng	Bảo vệ quá dòng, bảo vệ cách điện/chạm đất, cách ly và ngắt mạch theo lỗi cụ thể
Lỗi tiếp đất	Từ dây dẫn mang điện đến kim loại nối đất hoặc đường dẫn xuống đất	Cáp bị hỏng, nước xâm nhập, lớp cách điện bị kẹp	Dòng sự cố có thể bị giới hạn hoặc phân bổ theo những cách không làm thiết bị bảo vệ quá dòng (OCPD) thông thường hoạt động	Phát hiện chạm đất, giám sát cách điện, liên kết đẳng thế và ngắt mạch phù hợp

Tiêu chuẩn NEC 690.11 và phạm vi kiểm tra chính của IEC 63027 liên quan đến các lỗi gây ra do sự gián đoạn tính liên tục của mạch điện DC hệ thống quang điện (PV): hồ quang nối tiếp.

Ranh giới này rất quan trọng. Nghiên cứu từ Sandia đã chỉ ra rằng các hồ quang nối tiếp và song song có thể tạo ra các tín hiệu tần số cao tương tự nhau, tuy nhiên hành động ngắt mạch chính xác có thể khác biệt. Việc ngắt một đường dẫn dòng điện nối tiếp sẽ dập tắt hồ quang nối tiếp đó. Một hồ quang song song có thể vẫn được cấp điện từ các nhánh khác của mảng pin, và một phản ứng không phù hợp có thể chuyển hướng dòng điện qua điểm lỗi. Do đó, một hệ thống không nên tuyên bố có khả năng bảo vệ hồ quang rộng hơn trừ khi chức năng đó được đánh giá cụ thể.

Tại sao cầu chì PV hoặc MCB DC có thể không dập tắt được hồ quang nối tiếp

Các thiết bị bảo vệ quá dòng hoạt động khi dòng điện vượt quá ngưỡng thời gian-dòng điện xác định. Hồ quang nối tiếp làm tăng trở kháng trên đường dẫn bình thường. Thay vì làm tăng dòng điện, nó thường làm giảm dòng điện.

Hãy xem xét một chuỗi (string) mang dòng điện 9 A trong điều kiện vận hành bình thường. Nếu một đầu nối bị hỏng bắt đầu phát sinh hồ quang nối tiếp, dòng điện có thể vẫn ở mức gần hoặc dưới mức vận hành thay vì tăng vượt ngưỡng của cầu chì chuỗi hoặc aptomat. Tuy nhiên, khe hở hồ quang nhỏ vẫn có thể tạo ra đủ nhiệt độ cục bộ để làm cacbon hóa lớp cách điện hoặc làm cháy vật liệu polymer gần đó.

Đó là lý do tại sao các thiết bị sau đây không tự động cung cấp khả năng bảo vệ chống hồ quang nối tiếp:

Thiết bị	Chức năng chính	Tại sao nó không phải là thiết bị phát hiện hồ quang PV
Cầu chì gPV	Bảo vệ các dây dẫn và mô-đun PV chống lại các điều kiện quá dòng xác định	Hồ quang nối tiếp có thể không tạo ra đủ dòng điện quá tải
MCB hoặc MCCB DC	Ngắt dòng quá tải và ngắn mạch trong phạm vi ứng dụng DC định mức	Cảm biến quá dòng từ nhiệt hoặc điện tử không tự động nhận diện được đặc tính hồ quang
SPD	Chuyển hướng năng lượng quá áp đột biến	Thiết bị không liên tục phân tích nhiễu dòng điện chuỗi để phát hiện hồ quang nối tiếp
Bộ cách ly DC	Cung cấp khả năng đóng cắt hoặc cách ly trong phạm vi định mức công bố	Thiết bị yêu cầu lệnh vận hành và thông thường không tự phát hiện hồ quang
Thiết bị phát hiện dòng rò chạm đất	Xác định dòng điện không mong muốn chạy xuống đất hoặc sự suy giảm chất lượng cách điện	Sự gián đoạn nối tiếp giữa các dây dẫn có thể không tạo ra dòng điện chạm đất
Thiết bị phát hiện lỗi hồ quang (AFDD/AFCI) xoay chiều	Phát hiện các đặc tính hồ quang cụ thể trong các mạch điện cuối xoay chiều	Các thuật toán và tiêu chuẩn sản phẩm xoay chiều dân dụng không thiết lập hiệu suất cho dòng điện một chiều (DC) từ hệ thống quang điện (PV)

Các thiết bị này vẫn cần thiết ở những nơi thiết kế yêu cầu. Bảo vệ lỗi hồ quang là một lớp phối hợp bổ sung, không phải là sự thay thế cho Thiết bị bảo vệ mạch một chiều (DC) định mức cho hệ thống quang điện (PV), cầu chì, thiết bị chống sét lan truyền hoặc cách ly an toàn.

Những yêu cầu của tiêu chuẩn NEC 690.11

NEC 690.11 có tiêu đề là Bảo vệ mạch lỗi hồ quang (Dòng điện một chiều). Theo cách diễn đạt được sử dụng trong các chu kỳ NEC gần đây, các hệ thống quang điện (PV) với mạch DC hoạt động ở mức 80 V DC trở lên giữa bất kỳ hai dây dẫn nào yêu cầu phải có bộ ngắt mạch lỗi hồ quang PV được liệt kê hoặc các thành phần hệ thống được liệt kê cung cấp khả năng bảo vệ tương đương.

Hệ thống được bảo vệ phải có khả năng phát hiện và ngắt hồ quang gây ra do mất tính liên tục dự kiến trong dây dẫn, kết nối, mô-đun hoặc các thành phần DC PV khác.

NEC 690.11 là một quy tắc lắp đặt

Hiệu lực pháp lý của nó phụ thuộc vào:

phiên bản NEC được tiểu bang, thành phố, đơn vị điện lực hoặc cơ quan có thẩm quyền khác áp dụng;
các sửa đổi tại địa phương;
liệu mạch điện một chiều (DC) có nằm trên, trong hoặc liên quan đến tòa nhà theo quy định của phiên bản đó hay không;
liệu một ngoại lệ đã nêu có áp dụng cho đúng tuyến đường và cơ sở đó hay không;
danh mục thiết bị và hướng dẫn lắp đặt;
sự chấp thuận của cơ quan có thẩm quyền (AHJ) đối với thiết kế đã đệ trình.

Ngôn ngữ quy chuẩn gần đây bao gồm các ngoại lệ cho các mạch điện mặt trời (PV) cụ thể bên ngoài hoặc liên quan đến các điều kiện tòa nhà nhất định khi dây dẫn được lắp đặt trong các phương pháp đi dây kim loại đủ tiêu chuẩn hoặc đi ngầm. Cách diễn đạt đã thay đổi qua các chu kỳ quy chuẩn. Không sao chép ngoại lệ từ ghi chú bản vẽ cũ vào dự án mới mà không kiểm tra phiên bản được áp dụng tại địa phương.

Các trạm cung cấp điện mặt trời quy mô lớn cũng có thể chịu sự điều chỉnh của các quy định bổ sung tại Điều 691 và các yêu cầu giảm thiểu rủi ro hỏa hoạn cụ thể cho dự án. Chỉ riêng thông tin "lắp đặt trên mặt đất" là không đủ để quyết định sự tuân thủ.

NEC 690.11 không phải là quy định về ngắt điện khẩn cấp (rapid-shutdown)

NEC 690.11 và NEC 690.12 giải quyết các mối nguy hiểm khác nhau:

Bảo vệ chống hồ quang điện phát hiện các hồ quang gián đoạn nguy hiểm và khởi tạo việc ngắt mạch.
Ngắt điện khẩn cấp kiểm soát điện áp dây dẫn xung quanh các dãy pin mặt trời trên tòa nhà để giảm nguy cơ điện giật cho nhân viên ứng cứu.

Một sản phẩm có thể tham gia vào cả hai chức năng, nhưng việc tuân thủ một phần không tự động chứng minh sự tuân thủ phần còn lại.

Tiêu chuẩn IEC 63027:2023 thực sự bao gồm những gì

IEC 63027:2023, Hệ thống điện quang điện – Phát hiện và ngắt hồ quang DC, áp dụng cho thiết bị được sử dụng để phát hiện và tùy chọn ngắt hồ quang DC trong các mạch hệ thống PV.

Phạm vi công bố của tiêu chuẩn này thiết lập ba ranh giới quan trọng:

Nó cung cấp các quy trình thử nghiệm để phát hiện hồ quang nối tiếp trong các mạch PV.
Nó giải quyết phản ứng của thiết bị được sử dụng để ngắt các hồ quang đó.
Nó bao gồm các thiết bị được kết nối với hệ thống PV với điện áp mạch nguồn PV tối đa không vượt quá 1500 V DC.

Đây là tiêu chuẩn sản phẩm, không phải là quy định lắp đặt bắt buộc mang tính phổ quát. Các quy định về đi dây quốc gia, quy chuẩn xây dựng, thông số kỹ thuật đấu thầu, yêu cầu của đơn vị bảo hiểm hoặc cơ quan chức năng địa phương sẽ quyết định việc có bắt buộc lắp đặt thiết bị bảo vệ hồ quang hay không và lắp đặt ở đâu.

AFD, AFI và AFPE

Thuật ngữ IEC phân tách chức năng cảm biến và chức năng ngắt:

Hạn	Ý nghĩa	Chức năng
AFD	Thiết bị phát hiện hồ quang	Phát hiện hồ quang và tạo ra tín hiệu hoặc lệnh tương ứng
AFI	Thiết bị ngắt hồ quang	Nhận lệnh và ngắt đường dẫn dòng điện hồ quang
AFPE	Thiết bị bảo vệ lỗi hồ quang	Kết hợp chức năng phát hiện và ngắt hồ quang thành một chức năng bảo vệ hoàn chỉnh
AFS	Cảm biến lỗi hồ quang	Phần tử hoặc kênh cảm biến liên quan đến cấu trúc phát hiện

Sự phân biệt này giúp tránh một lỗi mua hàng phổ biến: một AFD có thể phát hiện hồ quang mà không cần ngắt mạch độc lập. Nếu sản phẩm chỉ có chức năng phát hiện, dự án phải xác định thiết bị AFI tương thích, liên kết truyền thông, cơ chế an toàn khi có sự cố và hệ thống hoàn chỉnh đã được kiểm chứng.

Phân loại và phạm vi bảo vệ là rất quan trọng

Phân loại theo tiêu chuẩn IEC 63027 nhằm mô tả các đặc tính lắp đặt thực tế, bao gồm:

phạm vi bảo vệ trong hệ thống điện mặt trời (PV);
triển khai tích hợp, độc lập hoặc phân tán;
chức năng chỉ phát hiện so với chức năng phát hiện và ngắt mạch;
số lượng chuỗi và đầu vào được giám sát tối đa;
số lượng và sự phân bổ các kênh phát hiện hoặc cảm biến;
phương thức kết nối lại sau khi vận hành.

Hai bộ biến tần đều có thể quảng cáo "phát hiện hồ quang IEC 63027" trong khi bao phủ số lượng chuỗi, tiết diện dây dẫn hoặc chức năng ngắt khác nhau. Hãy lấy phân loại và bằng chứng thử nghiệm cho đúng kiểu máy và phần mềm cơ sở thay vì phê duyệt tài liệu quảng cáo cấp dòng sản phẩm.

NEC 690.11 so với IEC 63027 so với UL 1699B

Mục	NEC 690.11	UL 1699B	IEC 63027:2023
Vai trò của tài liệu	Yêu cầu về quy chuẩn lắp đặt điện	Tiêu chuẩn an toàn sản phẩm Bắc Mỹ	Tiêu chuẩn thử nghiệm và hiệu suất sản phẩm quốc tế
Mục đích sử dụng chính	Xác định thời điểm yêu cầu bảo vệ chống hồ quang điện một chiều (DC) cho hệ thống quang điện (PV) theo quy định của NEC tại khu vực áp dụng	Hỗ trợ việc đánh giá/liệt kê các thiết bị bảo vệ mạch chống hồ quang điện một chiều (DC) cho hệ thống quang điện (PV)	Phân loại và thử nghiệm thiết bị phát hiện và ngắt hồ quang điện một chiều (DC) tùy chọn cho hệ thống quang điện (PV)
Hiệu lực pháp lý	Được thực thi khi được thông qua và được giải thích bởi cơ quan có thẩm quyền (AHJ)	Có liên quan thông qua việc liệt kê, đặc tính kỹ thuật và sự chấp thuận của quy chuẩn	Trở nên có hiệu lực về mặt hợp đồng hoặc pháp lý khi được một thị trường, quy tắc lắp đặt hoặc đặc tính kỹ thuật của dự án thông qua
Giới hạn điện áp	Các phiên bản gần đây sử dụng điện áp 80 V DC hoặc lớn hơn giữa các dây dẫn, tùy thuộc vào phiên bản và các trường hợp ngoại lệ	Sử dụng phạm vi và định mức được liệt kê của sản phẩm	Thiết bị được kết nối với các mạch nguồn PV lên đến 1500 V DC
Trọng tâm sự cố chính	Hồ quang nối tiếp gây ra do mất tính liên tục dự kiến	Bảo vệ chống hồ quang điện DC trong hệ thống PV nằm trong phạm vi của tiêu chuẩn	Quy trình kiểm tra cho việc phát hiện hồ quang nối tiếp và phản ứng ngắt mạch
Ngắt mạch	Được yêu cầu như một phần của kết quả bảo vệ	Được đánh giá như một phần của chức năng bảo vệ được liệt kê	Tùy chọn ở phạm vi thiết bị: AFD có thể chỉ phát hiện; AFPE bao gồm cả chức năng ngắt
Bằng chứng dự án	Quy chuẩn áp dụng, bản vẽ, thiết bị được liệt kê, hướng dẫn, sự chấp thuận của cơ quan có thẩm quyền (AHJ)	Hồ sơ niêm yết/chứng nhận và các ký hiệu kiểu loại	Phân loại, bằng chứng chứng nhận/thử nghiệm, định mức, chương trình cơ sở (firmware) và các giới hạn lắp đặt

UL Solutions xác định UL 1699B là tiêu chuẩn cho bảo vệ chống hồ quang điện một chiều (DC) trong hệ thống quang điện. Do đó, tuyên bố "đáp ứng NEC 690.11" phải được hỗ trợ bởi danh mục liệt kê phù hợp hoặc các thành phần hệ thống tương đương đã được liệt kê, chứ không chỉ dựa trên thuật toán phát hiện hồ quang nội bộ.

IEC 63027 không phải là IEC 62606

Thuật ngữ tương tự có thể gây hiểu lầm cho người mua:

IEC 62606 đề cập đến các thiết bị phát hiện lỗi hồ quang (AFDD) cho các mạch điện xoay chiều (AC) trong gia đình và các mục đích tương tự trong phạm vi của tiêu chuẩn này.
IEC 63027 đề cập đến thiết bị phát hiện và ngắt hồ quang điện một chiều (DC) cho các hệ thống quang điện (PV).

Một thiết bị AFDD AC dân dụng được thử nghiệm theo tiêu chuẩn IEC 62606 không mặc nhiên phù hợp cho chuỗi PV 1000 V hoặc 1500 V. Dạng sóng, đặc tính nguồn, nhiễu đóng cắt, hệ thống cách điện, điều kiện môi trường và vấn đề ngắt mạch đều khác biệt.

Đối với danh mục thiết bị mạch cuối AC, vui lòng xem hướng dẫn riêng của VIOX về Bảo vệ AFDD theo tiêu chuẩn IEC 62606.

Vị trí có thể lắp đặt thiết bị bảo vệ hồ quang điện mặt trời (PV)

Vị trí chính xác phụ thuộc vào phạm vi bảo vệ đã được kiểm nghiệm, cấu trúc liên kết của dàn pin, số lượng chuỗi và phương thức ngắt mạch.

Bảo vệ tích hợp trong bộ biến tần (Inverter)

Thiết bị dò tìm phân tích một hoặc nhiều đầu vào DC, và bộ biến tần hoặc thiết bị đóng cắt liên quan sẽ ngắt đường dẫn dòng điện sau khi phát hiện sự cố.

Lợi thế

ít linh kiện bên ngoài hơn;
có thể truy cập dữ liệu MPPT và dòng điện;
có thể có sẵn tính năng ghi nhật ký sự kiện và chẩn đoán từ xa;
phổ biến trong các thiết kế biến tần chuỗi (string-inverter).

Các vấn đề cần giải quyết

Có bao nhiêu chuỗi (string) có thể được kết nối với mỗi đầu vào được giám sát?
Mỗi chuỗi được giám sát độc lập hay nhiều chuỗi được kết hợp trước khi đi qua một cảm biến?
Việc ngắt đầu vào bộ biến tần (inverter) có làm mất điện toàn bộ phần được bảo vệ không?
Chức năng này có phụ thuộc vào phiên bản phần sụn (firmware) hoặc cài đặt cụ thể nào không?
Tiết diện cáp giữa mảng pin, hộp đấu nối (combiner) và bộ biến tần nằm trong phạm vi được kiểm nghiệm là bao nhiêu?

Bảo vệ tại hộp đấu nối (combiner-box) hoặc cấp chuỗi (string-level)

Việc phát hiện gần mảng pin hơn có thể cải thiện khả năng định vị lỗi và giảm số lượng chuỗi được đại diện bởi một kênh cảm biến. Thiết bị AFD hoặc AFPE có thể được tích hợp vào một Hộp kết hợp PV hoặc được lắp đặt như thiết bị chuyên dụng cho chuỗi pin mặt trời.

Kiến trúc này phải tính đến:

số lượng các chuỗi song song;
dòng điện chạy từ các chuỗi bình thường về phía điểm sự cố;
phân bổ cảm biến và tính độc lập của kênh;
điện áp ngắt DC và cực tính;
nhiệt độ môi trường và cấp bảo vệ của vỏ tủ;
mất kết nối truyền thông và nguồn điện phụ trợ;
phối hợp với cầu chì chuỗi, thiết bị ngắt kết nối và bộ điều khiển biến tần.

Một hộp đấu nối tiêu chuẩn không trở thành AFPE chỉ vì nó chứa cầu chì, thiết bị chống sét lan truyền (SPD) và công tắc DC.

Bảo vệ ở cấp độ mô-đun hoặc phân tán

Các cảm biến hoặc thiết bị ngắt phân tán có thể thu hẹp vùng bảo vệ và cải thiện khả năng định vị. Chúng cũng làm tăng số lượng linh kiện, mức độ tiếp xúc trên mái nhà, độ phức tạp của hệ thống truyền thông và các cân nhắc về thay thế.

Dự án cần xác minh điều gì sẽ xảy ra khi:

một thiết bị mô-đun bị mất nguồn hoặc mất kết nối truyền thông;
chỉ một phần của chuỗi bị hở mạch;
bộ điều khiển trung tâm không khả dụng;
các phiên bản firmware khác nhau giữa các thiết bị;
một lỗi song song vẫn được cấp điện từ các chuỗi liền kề.

Phối hợp AFCI với cầu chì, bộ ngắt mạch, SPD và bộ cách ly

Một thiết kế bảo vệ DC cho hệ thống quang điện (PV) hoàn chỉnh sẽ gán một nhiệm vụ cho mỗi lớp bảo vệ.

Lớp bảo vệ	Phát hiện hoặc điều khiển	Câu hỏi về phối hợp bảo vệ
Cầu chì chuỗi	Dòng điện ngược và các điều kiện quá dòng được xác định	Định mức của nó có phối hợp với định mức cầu chì nối tiếp tối đa của mô-đun và dòng điện chuỗi song song hay không?
Bộ ngắt mạch DC	Bảo vệ quá tải/ngắn mạch và đóng cắt theo công bố	Thiết bị có được định mức cho điện áp DC, cực tính, dòng sự cố và đặc tính thời gian-dòng điện của hệ thống PV không?
SPD	Quá điện áp do sét và do đóng cắt	Thiết bị chống sét lan truyền (SPD) có phù hợp với cấu trúc điện áp và sơ đồ nối đất của hệ thống PV không?
Bộ cách ly DC	Đóng cắt/cách ly bằng tay hoặc bằng lệnh điều khiển	Thiết bị có thể ngắt tải DC đã công bố và có nằm trong đường dẫn ngắt của thiết bị bảo vệ hồ quang (AFPE) không?
Giám sát chạm đất/cách điện	Rò rỉ hoặc suy giảm cách điện	Những lỗi nào vẫn không được phát hiện trong hệ thống mảng quang điện không nối đất hoặc nối đất chức năng?
AFD/AFPE (Thiết bị phát hiện hồ quang/Thiết bị bảo vệ hồ quang quang điện)	Đặc tính hồ quang nối tiếp và phản hồi ngắt đã được kiểm nghiệm	Những phần nào của mạch điện, số lượng chuỗi, phạm vi vận hành và các kịch bản lỗi nào được bao gồm?

Một thiết bị AFPE có thể điều khiển bộ biến tần, công tắc tơ, thiết bị đóng cắt trạng thái rắn, hoặc Thiết bị cách ly DC được xếp hạng cho hệ thống quang điện (PV) để ngắt đường dẫn dòng điện nối tiếp. Thiết bị thực thi phải là một phần của kiến trúc đã được đánh giá. Việc thêm phụ kiện cuộn cắt (shunt-trip) vào một bộ ngắt mạch DC không liên quan tự nó không thiết lập được hiệu suất theo tiêu chuẩn IEC 63027 hoặc UL 1699B.

Cách các đầu nối và điểm đấu nối PV tạo ra hồ quang nối tiếp

Các đầu nối PV thường là điểm đáng lo ngại vì chúng kết hợp bề mặt tiếp xúc nhỏ với chu kỳ nhiệt độ ngoài trời, độ ẩm, sự dịch chuyển cáp và tuổi thọ sử dụng lâu dài.

Kết nối chéo các thương hiệu đầu nối

Các sản phẩm được mô tả là "tương thích MC4" không nhất thiết được coi là một cặp đầu nối đạt chuẩn. Hình học tiếp điểm, lớp mạ, lực lò xo, độ nén gioăng, dung sai, kích thước ốc siết cáp và dụng cụ lắp đặt có thể khác nhau. Chỉ sử dụng các tổ hợp đầu nối được cho phép bởi tài liệu của mô-đun, đầu nối và dự án.

Bấm cos không đúng cách

Sử dụng sai khuôn bấm, dụng cụ bị mòn, chiều dài tuốt vỏ cáp không chính xác, kích thước cáp không được hỗ trợ hoặc dây dẫn không được cắm hết vào trong có thể tạo ra mối nối có điện trở cao. Chỉ kiểm tra lực kéo không chứng minh được điện trở thấp, trong khi chỉ kiểm tra điện không chứng minh được độ bền cơ học. Hãy tuân thủ quy trình lắp ráp và kiểm tra hoàn chỉnh của nhà sản xuất đầu nối.

Đầu cực lỏng và cáp bị hư hỏng

Các đầu cực tại tủ gom, cầu chì, công tắc DC và đầu vào biến tần có thể phát sinh kết nối yếu nếu việc chuẩn bị dây dẫn, lực siết hoặc giảm tải cơ học không đúng. Sự mài mòn cáp dưới các mô-đun có thể gây ra cả sự gián đoạn nối tiếp và lỗi cách điện.

Do đó, việc phòng ngừa hồ quang điện tốt bắt đầu trước cả các thiết bị điện tử:

sử dụng các tổ hợp đầu nối đã được tài liệu hóa;
sử dụng các dụng cụ bấm đầu cốt đã được hiệu chuẩn và chỉ định;
tuân thủ các giá trị mô-men xoắn siết đầu cực từ linh kiện thực tế;
cố định cáp tránh xa các cạnh sắc và khu vực đọng nước;
duy trì bán kính uốn cong và bộ giảm ứng suất;
ghi lại chi tiết lắp đặt chuỗi và đầu nối;
kiểm tra các thay đổi và đầu nối thay thế với quy trình nghiêm ngặt như lắp đặt ban đầu.

Vận hành hệ thống bảo vệ chống hồ quang điện PV

Công tác vận hành thử nghiệm phải chứng minh được cả chức năng bảo vệ và bối cảnh lắp đặt mà không gây ra hồ quang không kiểm soát.

Ghi lại:

số model của bộ biến tần, AFD, AFI và AFPE;
danh mục hoặc phân loại IEC và tham chiếu chứng chỉ;
chương trình cơ sở (firmware) và các cài đặt bảo vệ đã kích hoạt;
điện áp hở mạch chuỗi tối đa đã hiệu chỉnh;
dải dòng điện vận hành và số lượng chuỗi trên mỗi đầu vào;
sơ đồ ánh xạ cảm biến/kênh;
các tiết diện dây dẫn bảo vệ;
thiết bị ngắt và đường dẫn điều khiển;
cảnh báo, nhật ký sự kiện, truyền thông và cơ chế thiết lập lại;
các dòng đầu nối, dụng cụ bấm cos, hồ sơ lực siết và kết quả kiểm tra.

Chỉ sử dụng phương pháp kiểm tra chức năng hoặc vận hành thử nghiệm được nhà sản xuất phê duyệt. Không tự ý tạo hồ quang DC trực tiếp để kiểm chứng hoạt động. Việc kiểm tra điện trở cách điện và tính liên tục cũng phải tuân theo hướng dẫn của bộ biến tần, bộ tối ưu hóa, thiết bị chống sét lan truyền (SPD) và thiết bị phát hiện hồ quang (AFPE) để đảm bảo điện áp kiểm tra không được đặt vào các linh kiện điện tử không chịu được điện áp đó.

Xử lý sự cố ngắt mạch AFCI trong hệ thống điện mặt trời

Một lần ngắt do lỗi hồ quang nên được coi là lỗi đi dây thực sự cho đến khi quá trình điều tra chứng minh ngược lại. Việc thiết lập lại nhiều lần mà không kiểm tra có thể cấp điện trở lại cho kết nối đã bị hư hỏng.

Bắt đầu bằng bằng chứng, không bắt đầu bằng việc vô hiệu hóa cài đặt

Nhân viên có chuyên môn cần xem xét:

mã sự kiện và dấu thời gian chính xác;
đầu vào MPPT, chuỗi, kênh hoặc cảm biến bị ảnh hưởng;
điện áp và dòng điện DC trước khi vận hành;
điều kiện thời tiết và bức xạ;
các sự kiện đóng cắt biến tần, lưới điện hoặc truyền thông;
công tác bảo trì, thay thế mô-đun hoặc công việc liên quan đến cáp gần đây;
lịch sử của cùng một lỗi khi di chuyển giữa các kênh hoặc vẫn tồn tại trong một chuỗi.

Sau đó thực hiện quy trình cách ly và chẩn đoán của nhà sản xuất thiết bị. Kiểm tra các đầu nối, mối nối ép, đầu cực, đường đi của cáp, sự xâm nhập của nước, các điểm bị mài mòn, các thành phần bộ kết hợp (combiner) và bộ cách ly DC. Việc không nhìn thấy dấu hiệu cháy không chứng minh rằng không có hiện tượng hồ quang chập chờn xảy ra.

Các nguồn gây ra hoạt động không mong muốn

Các thuật toán phát hiện phải phân biệt được nhiễu hồ quang với hoạt động tần số cao bình thường. Các điều kiện khó khăn có thể bao gồm:

phổ chuyển mạch của bộ biến tần (inverter);
các quá trình chuyển đổi vận hành MPPT;
các đường cáp DC dài và sự ghép nối giữa các chuỗi (string) liền kề;
các bộ chuyển đổi DC/DC hoặc thiết bị điện tử công suất cấp mô-đun;
nhiễu điện từ bên ngoài;
các đầu nối không ổn định tạo ra nhiễu gián đoạn thực tế trước khi xuất hiện hư hỏng có thể nhìn thấy được;
phân bổ cảm biến không chính xác hoặc cấu hình chuỗi không được hỗ trợ;
chương trình cơ sở (firmware) lỗi thời hoặc không tương thích.

Hành động khắc phục không phải là tự động giảm độ nhạy hoặc vô hiệu hóa AFCI. Trước tiên hãy loại bỏ các khiếm khuyết vật lý, xác minh cấu hình mảng được hỗ trợ và chỉ áp dụng chương trình cơ sở cũng như cài đặt đã được nhà sản xuất phê duyệt.

Danh mục kiểm tra mua sắm AFCI và AFPE cho điện mặt trời

Câu hỏi của người mua	Bằng chứng cần yêu cầu
Yêu cầu thị trường nào đang được đáp ứng?	Áp dụng điều khoản và danh mục NEC, bằng chứng phân loại/thử nghiệm theo tiêu chuẩn IEC 63027, hoặc yêu cầu lắp đặt tại địa phương được chỉ định
Sản phẩm là AFD hay AFPE hoàn chỉnh?	Sơ đồ khối chức năng xác định bộ dò, bộ ngắt, đường truyền thông tin và nguồn phụ
Phần mạch điện nào được bảo vệ?	Sơ đồ phạm vi bao phủ từ các mô-đun thông qua bộ kết hợp (combiner) và đầu vào bộ biến tần (inverter)
Các giới hạn điện là gì?	Điện áp PV tối đa, dải Voc, dải Vmpp, Isc, Impp, cực tính và hệ số suy giảm theo môi trường
Hỗ trợ bao nhiêu chuỗi (strings) và đầu vào?	Số lượng chuỗi tối đa trên mỗi đầu vào, số lượng đầu vào trên mỗi cảm biến và số lượng kênh độc lập
Hồ quang được ngắt như thế nào?	Loại AFI, định mức ngắt DC, đường dẫn lệnh và trạng thái khi xảy ra lỗi
Loại sự cố nào được kiểm tra?	Phạm vi kiểm tra hồ quang nối tiếp cộng với bất kỳ chức năng hồ quang song song hoặc chạm đất nào được đánh giá riêng biệt
Việc kết nối lại được kiểm soát như thế nào?	Các quy tắc thủ công/tự động, cơ chế khóa, yêu cầu kiểm tra và lưu trữ sự kiện
Phần sụn (firmware) có ảnh hưởng đến sự tuân thủ không?	Phiên bản firmware được chứng nhận, chính sách kiểm soát thay đổi, quy trình cập nhật và các hạn chế cài đặt
Các sự cố gây phiền toái được xử lý như thế nào?	Các thử nghiệm EMC, cấu trúc liên kết được hỗ trợ, nhật ký chẩn đoán, quy trình dịch vụ và hỗ trợ kỹ thuật
Những chứng nhận nào có hiệu lực?	Số chứng nhận, cơ quan cấp, kiểu máy chính xác, địa điểm sản xuất (nếu có) và trạng thái hiện tại
Hệ thống sẽ được đưa vào vận hành như thế nào?	Quy trình thử nghiệm được phê duyệt, hồ sơ, cảnh báo, truyền thông và hướng dẫn bảo trì

Tránh các thông số kỹ thuật chỉ ghi "biến tần phải bao gồm AFCI". Cụm từ đó không xác định được tiêu chuẩn, vùng bảo vệ, số lượng chuỗi được giám sát, chức năng ngắt hoặc bằng chứng nghiệm thu.

Các lỗi đặc tả phổ biến

Coi NEC 690.11 và IEC 63027 là các tài liệu tương đương

Một bên là quy định về mã lắp đặt; bên còn lại là tiêu chuẩn về hiệu suất và thử nghiệm sản phẩm. Một dự án có thể tham chiếu cả hai, nhưng chúng giải quyết các vấn đề khác nhau.

Giả định rằng việc phát hiện luôn bao gồm cả việc ngắt mạch

IEC 63027 cho phép các thiết bị chỉ có chức năng phát hiện nằm trong phạm vi của nó. Cần xác nhận xem hệ thống được cung cấp là AFD hay AFPE hoàn chỉnh.

Chỉ tính các đầu vào DC của bộ biến tần (inverter)

Số lượng đầu vào vật lý không chứng minh được số lượng cảm biến hồ quang độc lập hoặc các chuỗi (string) được giám sát. Cần lấy bảng phân loại và sơ đồ kênh.

Sử dụng bộ ngắt mạch DC tiêu chuẩn làm “AFCI năng lượng mặt trời”

Bộ ngắt mạch DC chỉ có thể thực hiện lệnh ngắt nếu nó phù hợp với chức năng đó và được tích hợp vào một hệ thống đã được đánh giá. Phần tử quá dòng thông thường của nó không tự động phát hiện hồ quang nối tiếp.

Vô hiệu hóa bảo vệ sau khi thiết bị nhảy liên tục

Đầu nối bị lỏng hoặc lỗi cáp không liên tục có thể tạo ra tín hiệu giống như hồ quang trước khi hư hỏng do nhiệt trở nên rõ ràng. Hãy kiểm tra mạch điện và cấu hình hỗ trợ trước khi thay đổi cài đặt bảo vệ.

Nhầm lẫn giữa lỗi hồ quang (arc fault) và hồ quang điện (arc flash)

Bảo vệ lỗi hồ quang PV nhằm phát hiện các hồ quang không mong muốn kéo dài có thể gây cháy. Phân tích hồ quang điện giải quyết vấn đề năng lượng nhiệt sự cố và mức độ tiếp xúc của công nhân trong các sự cố năng lượng cao. Chúng liên quan đến vật lý hồ quang nhưng không phải là cùng một nghiên cứu hoặc chức năng bảo vệ.

Câu hỏi thường gặp

Tiêu chuẩn IEC 63027 có yêu cầu AFCI trên mọi hệ thống lắp đặt năng lượng mặt trời không?

Không. IEC 63027 là tiêu chuẩn về thử nghiệm và hiệu suất sản phẩm. Các yêu cầu lắp đặt đến từ các quy định quốc gia, quy chuẩn địa phương, thông số kỹ thuật dự án, đơn vị bảo hiểm hoặc cơ quan có thẩm quyền (AHJ).

Thiết bị AFDD theo tiêu chuẩn IEC 62606 có phù hợp cho chuỗi DC của hệ thống PV không?

Không chỉ dựa trên tiêu chuẩn IEC 62606. Tiêu chuẩn đó giải quyết các ứng dụng AFDD xoay chiều (AC) trong phạm vi của nó. Thiết bị DC cho hệ thống PV đòi hỏi phải đánh giá phù hợp về điện áp, mạch nguồn, khả năng phát hiện, khả năng ngắt và môi trường, chẳng hạn như các bằng chứng liên quan theo tiêu chuẩn IEC 63027.

Tiêu chuẩn NEC 690.11 có áp dụng cho mọi hệ thống điện mặt trời lắp đặt trên mặt đất không?

Không nhất thiết. Khả năng áp dụng phụ thuộc vào phiên bản NEC được thông qua, điện áp mạch, mối liên hệ với các tòa nhà, phương pháp đi dây, bất kỳ ngoại lệ nào trong Điều 690 hoặc 691, các sửa đổi tại địa phương và cách giải thích của cơ quan có thẩm quyền (AHJ). Hãy xem xét dự án cụ thể thay vì chỉ dựa vào nhãn "lắp đặt trên mặt đất"."

Bộ ngắt mạch hồ quang (AFCI) tích hợp trong biến tần có thể bảo vệ các chuỗi kết nối thông qua hộp đấu nối (combiner box) không?

Chỉ trong cấu hình đã được đánh giá của nó. Cần xác nhận số lượng chuỗi song song tối đa, phân bổ cảm biến, chiều dài và vùng dây dẫn được bảo vệ, cách bố trí hộp đấu nối và đường dẫn ngắt mạch. Việc kết hợp nhiều chuỗi hơn giới hạn đã thử nghiệm có thể làm thay đổi cả cường độ tín hiệu hồ quang và đường dẫn dòng sự cố.

Cầu chì điện mặt trời hoặc MCB DC có thay thế được AFCI năng lượng mặt trời không?

Không. Các thiết bị đó bảo vệ chống lại các điều kiện quá dòng cụ thể. Hồ quang nối tiếp có thể vẫn nằm dưới ngưỡng hoạt động của chúng, vì vậy vẫn có thể cần thiết bị phát hiện hồ quang chuyên dụng.

Sự khác biệt giữa AFCI năng lượng mặt trời và AFPE là gì?

AFCI năng lượng mặt trời là thuật ngữ phổ biến ở Bắc Mỹ dùng cho thiết bị ngắt mạch sự cố hồ quang điện mặt trời. AFPE là thuật ngữ theo tiêu chuẩn IEC dùng cho thiết bị kết hợp chức năng phát hiện và ngắt sự cố hồ quang. Luôn xác minh tiêu chuẩn và chức năng áp dụng thay vì coi các từ viết tắt này có thể thay thế cho nhau trên toàn cầu.

Các hệ thống bộ biến đổi điện siêu nhỏ (microinverter) có cần bảo vệ theo tiêu chuẩn NEC 690.11 không?

Nhiều cấu trúc bộ biến đổi điện siêu nhỏ giữ cho các mạch DC của mô-đun riêng lẻ nằm dưới ngưỡng điện áp của NEC, nhưng câu trả lời phụ thuộc vào điện áp mạch thực tế và quy chuẩn được áp dụng. Hãy xác nhận cấu trúc thiết bị và các yêu cầu của cơ quan có thẩm quyền (AHJ).

Có thể đặt lại (reset) thiết bị AFCI từ xa không?

Chỉ khi sản phẩm, tiêu chuẩn/danh mục áp dụng, quy tắc lắp đặt và quy trình vận hành cho phép. Việc đặt lại từ xa không được bỏ qua bước kiểm tra bắt buộc hoặc cấp điện lặp lại cho kết nối nghi ngờ bị hư hỏng. Hãy kiểm tra phương thức tái kết nối được công bố và lịch sử sự kiện.

Quy tắc kỹ thuật cuối cùng

Bảo vệ chống hồ quang điện DC cho hệ thống quang điện (PV) phải được quy định là một chức năng hệ thống, không phải là một tính năng ba chữ cái trên tờ rơi quảng cáo của bộ biến đổi điện.

Đối với các dự án theo tiêu chuẩn NEC, cần xác nhận phiên bản NEC 690.11 được áp dụng, giới hạn mạch 80 V, bất kỳ ngoại lệ hợp lệ nào, danh mục thiết bị, lộ trình dây dẫn và sự chấp thuận của cơ quan có thẩm quyền (AHJ). Đối với các dự án theo tiêu chuẩn IEC, cần xác nhận thiết bị là AFD hay AFPE, phân loại theo IEC 63027, dải điện áp/dòng điện, các chuỗi và kênh được giám sát, vùng bảo vệ, phương thức ngắt, chương trình cơ sở (firmware) và cơ chế kết nối lại.

Sau đó, phối hợp chức năng đó với cầu chì PV, bộ ngắt mạch DC, thiết bị chống sét lan truyền (SPD), bộ cách ly, bảo vệ chạm đất, đầu nối, đi dây cáp và hồ sơ vận hành thử nghiệm. Cầu chì, MCB DC, SPD hoặc bộ cách ly vẫn có giá trị, nhưng không thiết bị nào được coi là thiết bị bảo vệ hồ quang nối tiếp PV chuyên dụng trừ khi toàn bộ hệ thống đã được đánh giá cho chức năng đó.