تعتبر الأعطال الأرضية من أخطر الأعطال الكهربائية في الأنظمة الكهروضوئية. تعمل المجموعة الكهروضوئية التي يتم تنشيطها بواسطة ضوء الشمس كمصدر للتيار - على عكس الدائرة الكهربائية التقليدية، فإن فتح القاطع لا يؤدي إلى إلغاء تنشيط جانب التيار المستمر. عند حدوث خطأ أرضي، يمكن أن يتدفق تيار الصدع بشكل مستمر، مما يؤدي إلى إشعال الحرائق التي دمرت الأسطح والمباني ومصفوفات المرافق. إن التصميم الصحيح والاختبار لمعدات انقطاع اكتشاف الأخطاء الأرضية (GFDI) وانقطاع دائرة خطأ القوس (AFCI) ليس اختياريًا.
ما هو خطأ الأرض الكهروضوئية؟
يحدث خطأ أرضي في النظام الكهروضوئي عندما يتلامس موصل يحمل تيارًا (عادةً موصل سلسلة تيار مستمر) مع الغلاف المعدني المؤرض أو القناة أو الهيكل - مما يؤدي إلى إنشاء مسار تيار غير مقصود إلى الأرض. تحدث الأعطال الأرضية بسبب:
- عزل الكابل التالف (تدهور الأشعة فوق البنفسجية، تلف القوارض، التآكل الميكانيكي في القناة)
- دخول الماء إلى صناديق الوصلات أو مجاري القنوات
- نهايات فضفاضة أو غير صحيحة تسمح بالاتصال بين الموصل والحاوية
- الأضرار المادية التي لحقت بالوحدات - الألواح الخلفية المتشققة التي تكشف الموصلات
يؤدي وجود خطأ أرضي على الموصل السلبي للنظام الكهروضوئي السلبي المؤرض (التصميم التقليدي) إلى إنشاء الارض الثانية - المعروف باسم "خطأ انسحب". السمة الخطيرة للأعطال الأرضية الكهروضوئية هي أن حجم تيار الصدع يعتمد على عدد السلاسل المتوازية: يمكن لمجموعة كبيرة أن تتحمل أكثر من 100 أمبير من تيار الصدع إلى أجل غير مسمى طالما كان ضوء الشمس موجودًا.
NEC 690.5: متطلبات الحماية من الأخطاء الأرضية
تتطلب المادة 690.5 من قانون الكهرباء الوطني (الولايات المتحدة) حماية من الأعطال الأرضية للأنظمة الكهروضوئية المثبتة على المباني أو بالقرب منها. تختلف المتطلبات حسب نوع النظام:
| نوع النظام | متطلبات نيك 690.5 |
|---|---|
| الأنظمة الكهروضوئية المؤرضة على المباني | مطلوب جهاز GFDI؛ يجب اكتشاف الخطأ الحالي ≥1 أ |
| الأنظمة الكهروضوئية غير الأرضية (العائمة). | مطلوب اكتشاف الخطأ الأرضي وعزله (كلا القطبين) |
| كهروضوئية مثبتة على الأرض (ليست على المبنى) | مطلوب GFDI إذا كانت الموصلات متاحة للأشخاص غير المؤهلين |
| الطاقة الكهروضوئية المدمجة في البناء (BIPV) | مطلوب GFDI؛ تنطبق متطلبات عزل الحريق الإضافية |
يقوم جهاز GFDI بمراقبة عدم التوازن الحالي بين الموصلات الحاملة للتيار وموصل تأريض المعدات. عند اكتشاف خطأ أرضي، يجب على الجهاز: (1) الإشارة إلى حالة الخطأ؛ و (2) تعطيل المصفوفة (افتح الدائرة المعيبة أو قم بتقليل الجهد إلى ما دون العتبة التي من شأنها أن تحافظ على الانحناء).
مفارقة "التعثر المزعج" ومخاطر الحريق
استخدمت الأنظمة الكهروضوئية المبكرة (قبل عام 2010) صمامات GFDI مصنفة عند 1 أمبير. وجد تحليل مختبرات سانديا الوطنية لعام 2012 وضع فشل مزعج: في ظل ظروف خطأ أرضي معينة في المصفوفات الكبيرة، يمكن أن ينفجر منصهر GFDI دون مقاطعة تيار العطل - وتم تفسير إشارة المصهر المنفوخة على أنها "لم يتم اكتشاف أي خطأ"، مما يترك النظام يعمل مع خطأ نشط لخطر الحريق. أدى ذلك إلى مراجعات NEC لعام 2014 التي تتطلب ألا تقوم أجهزة GFDI باكتشاف الخطأ فحسب، بل بمقاطعته بشكل إيجابي.
تعمل محولات السلسلة الحديثة والمحولات المركزية على دمج اكتشاف GFDI داخل العاكس؛ يتم إيقاف تشغيل العاكس عند اكتشاف الخطأ. وهذا أكثر موثوقية من صمامات GFDI الخارجية للأنظمة السكنية والتجارية الصغيرة. بالنسبة للأنظمة كبيرة الحجم ذات صناديق التجميع المتعددة، توفر مراقبة الأخطاء الأرضية الإضافية على مستوى المجمع موقعًا أسرع للخطأ.
NEC 690.11: متطلبات قاطع دائرة خطأ القوس
تولد أخطاء القوس — الانحناء غير المقصود بين الموصلات أو بين الموصل والأرض — درجات حرارة تتجاوز 5000 درجة مئوية وهي السبب الرئيسي لحرائق الأنظمة الكهروضوئية. يتطلب NEC 690.11 حماية AFCI للأنظمة الكهروضوئية ذات مصدر التيار المستمر أو موصلات دائرة الإخراج التي تعمل عند 80 فولت أو أكثر وداخل المباني أو عليها:
- يجب أن يكتشف جهاز AFCI انحناءًا كهربائيًا منخفضًا يصل إلى 500 مللي أمبير
- يجب أن يتم المقاطعة خلال 30 دورة من بدء القوس
- يجب أن تكون مدرجة في UL 1699B (معيار PV AFCI)
- العديد من محولات السلسلة الحديثة (سلسلة Sungrow SG، SMA Sunny Boy) تدمج AFCI كمعيار قياسي؛ تتوفر أيضًا أجهزة AFCI المستقلة لإجراء التعديلات التحديثية
اختبار الحماية من الأخطاء الأرضية
يجب اختبار الحماية من الأخطاء الأرضية عند التشغيل وبشكل دوري أثناء التشغيل والصيانة:
- اختبار التكليف: مع نظام ذو إشعاع منخفض (أو باستخدام جهاز تظليل)، قم بإدخال خطأ معروف منخفض المقاومة باستخدام مقاوم اختبار بين موصل السلسلة وموصل تأريض المعدات؛ تحقق من رحلات جهاز GFDI ويشير إلى الخطأ
- الاختبار الوظيفي السنوي: قم بتشغيل وظيفة اختبار GFDI (المدمجة في المحولات الحديثة) والتحقق من الإنذار وإيقاف التشغيل
- اختبار مقاومة العزل (IR): اختبار Megger السنوي (500 فولت تيار مستمر، الحد الأدنى 1 ميجا أوم بين الموصلات والأرض) للكشف عن تدهور العزل قبل أن يتسبب في حدوث خطأ أرضي
- التصوير الحراري: مسح سنوي بالأشعة تحت الحمراء لصناديق التجميع والعاكسات وصناديق التوصيل - تشير النقاط الساخنة إلى توصيلات عالية المقاومة يمكن أن تتطور إلى أقواس