Solis Lichtbogenschutz (Arc-Fault Protection)

1. Hintergrund

Verteilte PV-Anlagen sind aufgrund ihrer komplexen und unsicheren Installationsumgebung nur schwer einheitlich zu verwalten und regelmäßig zu warten, wie dies bei Kraftwerken an Land der Fall ist. Die Merkmale dezentraler PV-Anlagen führen zu größeren Schwierigkeiten bei Betrieb und Wartung, so dass mehr Sicherheitsrisiken auftreten können. Die meisten dezentralen PV-Anlagen werden auf den Dächern von Fabriken und Wohngebäuden installiert. Wenn es zu einem Sicherheitsunfall kommt, wird nicht nur der normale Betrieb der PV-Anlagen beeinträchtigt, sondern es können auch unkalkulierbare Verluste für die angeschlossenen Gebäude und das Personal entstehen. Die Brandgefahr von PV-Anlagen wird meist durch Gleichstrom-Lichtbogenfehler verursacht, so dass die Vermeidung von Gleichstrom-Lichtbogenfehlern in PV-Anlagen für alle Beteiligten immer wichtiger wird. Aufgrund der hohen Spannungs- und Stromeigenschaften der Gleichstromseite der PV-Anlage können allgemeine Bedingungen wie die Alterung der Kabelisolierung, Feuchtigkeit oder schlechter Kontakt der Anschlussklemmen, Abnutzung und Korrosion der Kontaktpunkte sowie Lockerung durch äußeren Druck zu Gleichstrom-Lichtbogenfehlern führen. Bei industriellen und kommerziellen Aufdachkraftwerken ist die Wahrscheinlichkeit von Störlichtbögen aufgrund der großen Anzahl von Solarmodulsträngen größer und die Nebenanlagen wie Fabriken sind gefährdet, was zu größeren Unfallfolgen und potenziellen Verlusten führt.

2. Häufige Arten von DC-Lichtbogenfehlern

Je nach dem Ort, an dem der DC-Lichtbogen in der PV-Anlage auftritt, gibt es zwei Arten von Lichtbogenfehlern: Serienlichtbogenfehler und parallele Lichtbogenfehler (Erdungslichtbogenfehler gehören zu den parallelen Lichtbogenfehlern). Die meisten parallelen Störlichtbögen werden durch Kurzschlussströme zwischen Plus- und Minuspol und der Erde aufgrund von Isolationsschäden in den Kabeln verursacht und sind leicht zu erkennen. Serienlichtbogenfehler treten jedoch eher aufgrund virtueller Verbindungen auf, und der Fehlerstrom ist gering, so dass sie nicht leicht zu erkennen sind. Die Lichtbogentemperatur ist hoch genug, um die Isolierschicht des Kabels zu verbrennen und weitere Brandunfälle zu verursachen.

3. Solis Störlichtbogenschutz-Lösung

Was die Industrienormen betrifft, so definiert die UL1699B die Anforderungen an die AFCI-Funktionsprüfung für PV-Anlagen, und der Entwurf der IEC63027 wurde noch nicht formell umgesetzt. Als einer der Wechselrichterhersteller, die vor vielen Jahren in den amerikanischen Markt eingetreten sind, hat Solis eine detaillierte Interpretation der Standardanforderungen der UL1699B, und das AFCI-Schema der Solis-Wechselrichter erfüllt die Anforderungen der UL1699B vollständig. Basierend auf der Version 2018 der UL1699B-Anforderungen verfügt die AFCI-Lösung von Solis über die folgenden Merkmale:

• Lichtbogenerkennungsalgorithmus：Solis verwendet den Software-Algorithmus zur Erkennung von Lichtbogenmerkmalen, um die Echtzeit-Erkennung von Lichtbogenfehlern in Kombination mit der vorhandenen hochpräzisen Strom-Spannungs-Abtastschaltung des Wechselrichters zu realisieren. Im Vergleich zur herkömmlichen Hardware-Erkennungsmethode ist die Zuverlässigkeit höher, und es kommt nicht zu Ausfällen aufgrund von Beschädigungen der AFCI-Hardware-Erkennungskomponenten.
• - Bogenmerkmal-Datenbank: Solis untersuchte und analysierte eine große Anzahl verschiedener Störlichtbögen, Lichtbogengesetze, Lichtbogeneigenschaften, elektrische Parameter und Häufigkeiten von Störlichtbögen und erstellte eine Datenbank mit charakteristischen Werten für Störlichtbögen. Diese Datenbank wurde über viele Jahre hinweg durch kontinuierliche Analysen entwickelt, um die Wirksamkeit der Störlichtbogenerkennung zu erhöhen.
• - Prävention von Fehleinschätzungen：Der Störlichtbogen hat die Eigenschaften eines schnellen Stromanstiegs und einer hochfrequenten Rauschkomponente. Durch die doppelte Erkennung des Störlichtbogenspektrums und der Energie können Fehlalarme bei Störlichtbögen wirksam verhindert werden. Auf der Grundlage von Statistiken auf dem US-Markt lag der Prozentsatz der Fehlalarme bei der DC-Lichtbogenfehlererkennung im Betrieb von mehr als 40.000 PV-Kraftwerken, die mit der Solis AFCI-Lösung ausgestattet waren, bei weit unter 0,1 %.
• - Ortung von Lichtbogenfehlern auf Strangebene： Der Lichtbogenstrom kann genauso hoch sein wie der maximale MPPT-Strom von 26A und der Wechselrichter schaltet sich innerhalb von 0,5 Sekunden ab und gibt einen Alarm aus. Er kann den Lichtbogenfehlerpunkt genau auf einen bestimmten String lokalisieren.

4. Experiment 

Solis simulierte DC-Lichtbogenfehler unter verschiedenen Szenarien im Labor, um die AFCI-Funktion des Wechselrichters zu testen. Die Testwellenform zeigt, dass der Wechselrichter bei einem DC-Lichtbogenfehler im Stromkreis innerhalb von 0,5 Sekunden abschalten und einen Alarm auslösen kann, wodurch ein potenzieller Brand durch den DC-Lichtbogenfehler wirksam verhindert werden kann.

5. Fazit 

DC-Lichtbogenfehler sind die größte Sicherheitsbedrohung für verteilte PV-Systeme auf Dächern. Solis AFCI, die intelligente Lösung zur Erkennung von Störlichtbögen, ermöglicht eine genaue Lokalisierung von Störlichtbögen. Durch Extrahieren und Analysieren der charakteristischen Werte von Lichtbogenfehlerspannung, -strom, -frequenz und Oberschwingungskomponenten können Lichtbogenfehler und Störgeräusche effektiv unterschieden werden, um Fehleinschätzungen von Lichtbogenfehlern zu vermeiden.