Sự cố chạm đất là một trong những sự cố điện nguy hiểm nhất trong hệ thống quang điện. Một mảng PV được cung cấp năng lượng bởi ánh sáng mặt trời hoạt động như một nguồn dòng điện - không giống như mạch điện thông thường, việc mở cầu dao không làm mất điện phía DC. Khi xảy ra sự cố chạm đất, dòng điện sự cố có thể chạy liên tục, gây ra các đám cháy phá hủy các mái nhà, tòa nhà và các mảng quy mô tiện ích. Thiết kế và thử nghiệm chính xác thiết bị ngắt phát hiện lỗi nối đất (GFDI) và thiết bị ngắt mạch sự cố hồ quang (AFCI) không phải là tùy chọn.
Lỗi nối đất PV là gì?
Lỗi nối đất trong hệ thống PV xảy ra khi dây dẫn mang dòng điện (thường là dây dẫn DC) tiếp xúc với vỏ, ống dẫn hoặc cấu trúc kim loại nối đất – tạo ra đường dẫn dòng điện ngoài ý muốn tới trái đất. Sự cố chạm đất xảy ra do:
- Cách điện cáp bị hư hỏng (suy giảm tia cực tím, hư hỏng do loài gặm nhấm, mài mòn cơ học trong ống dẫn)
- Nước xâm nhập vào hộp nối hoặc đường ống dẫn
- Các đầu nối bị lỏng hoặc được làm không đúng cách khiến dây dẫn tiếp xúc với vỏ bọc
- Thiệt hại vật lý đối với các mô-đun - tấm nền bị nứt làm lộ dây dẫn
Sự cố nối đất trên dây dẫn âm của hệ thống PV nối đất âm (thiết kế truyền thống) tạo ra nền tảng thứ hai - được gọi là "lỗi bắt vít." Đặc điểm nguy hiểm của sự cố chạm đất PV là cường độ dòng điện sự cố phụ thuộc vào số lượng chuỗi song song: một mảng lớn có thể duy trì dòng điện sự cố trên 100 ampe vô thời hạn miễn là có ánh sáng mặt trời.
NEC 690.5: Yêu cầu bảo vệ khi chạm đất
Điều 690.5 của Bộ luật Điện lực Quốc gia (Hoa Kỳ) yêu cầu bảo vệ sự cố chạm đất đối với hệ thống PV được lắp đặt trên hoặc gần các tòa nhà. Các yêu cầu khác nhau tùy theo loại hệ thống:
| Loại hệ thống | Yêu cầu NEC 690.5 |
|---|---|
| Hệ thống PV nối đất trên các tòa nhà | Yêu cầu thiết bị GFDI; phải phát hiện dòng điện lỗi ≥1 A |
| Hệ thống PV không nối đất (nổi) | Yêu cầu phát hiện và cách ly lỗi nối đất (cả hai cực) |
| PV gắn trên mặt đất (không phải trên tòa nhà) | Cần có GFDI nếu người không đủ tiêu chuẩn có thể tiếp cận dây dẫn |
| PV tích hợp trong tòa nhà (BIPV) | Yêu cầu GFDI; áp dụng các yêu cầu cách ly lửa bổ sung |
Thiết bị GFDI giám sát sự mất cân bằng dòng điện giữa dây dẫn mang dòng và dây dẫn nối đất của thiết bị. Khi phát hiện lỗi nối đất, thiết bị phải: (1) cho biết tình trạng lỗi; và (2) vô hiệu hóa mảng (mở mạch bị lỗi hoặc giảm điện áp xuống dưới ngưỡng có thể duy trì hồ quang).
Nghịch lý “vấp ngã phiền toái” và nguy cơ cháy nổ
Các hệ thống PV đời đầu (trước năm 2010) sử dụng cầu chì GFDI có dòng điện định mức 1 A. Một phân tích của Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia năm 2012 đã phát hiện ra một dạng lỗi đáng lo ngại: trong một số điều kiện lỗi chạm đất nhất định ở các mảng lớn, cầu chì GFDI có thể nổ mà không làm gián đoạn dòng điện sự cố — và tín hiệu nổ cầu chì được hiểu là "không phát hiện thấy lỗi", khiến hệ thống hoạt động với lỗi nguy cơ hỏa hoạn đang hoạt động. Điều này dẫn đến các bản sửa đổi năm 2014 của NEC yêu cầu các thiết bị GFDI không chỉ phát hiện mà còn tích cực ngăn chặn lỗi.
Bộ biến tần chuỗi hiện đại và bộ biến tần trung tâm tích hợp tính năng phát hiện GFDI trong bộ biến tần; biến tần tắt khi phát hiện lỗi. Điều này đáng tin cậy hơn cầu chì GFDI bên ngoài dành cho hệ thống dân dụng và thương mại nhỏ. Đối với các hệ thống quy mô lớn có nhiều hộp tổ hợp, việc giám sát lỗi nối đất bổ sung ở cấp độ tổ hợp sẽ giúp định vị lỗi nhanh hơn.
NEC 690.11: Yêu cầu về bộ ngắt mạch sự cố hồ quang
Sự cố hồ quang - phóng điện ngoài ý muốn giữa dây dẫn hoặc giữa dây dẫn và mặt đất - tạo ra nhiệt độ vượt quá 5.000°C và là nguyên nhân hàng đầu gây cháy hệ thống PV. NEC 690.11 yêu cầu bảo vệ AFCI cho hệ thống PV có nguồn DC hoặc dây dẫn mạch đầu ra hoạt động ở điện áp 80 V trở lên và bên trong hoặc trên các tòa nhà:
- Thiết bị AFCI phải phát hiện dòng điện thấp tới 500 mA
- Phải ngắt trong vòng 30 chu kỳ kể từ khi bắt đầu hồ quang
- Phải được liệt kê theo UL 1699B (tiêu chuẩn PV AFCI)
- Nhiều bộ biến tần chuỗi hiện đại (dòng Sungrow SG, SMA Sunny Boy) tích hợp AFCI làm tiêu chuẩn; các thiết bị AFCI độc lập cũng có sẵn để trang bị thêm
Kiểm tra bảo vệ lỗi nối đất
Khả năng bảo vệ khỏi sự cố nối đất phải được kiểm tra khi vận hành và định kỳ trong quá trình O&M:
- Thử nghiệm vận hành: với hệ thống ở mức bức xạ thấp (hoặc sử dụng thiết bị che nắng), gây ra lỗi điện trở thấp đã biết bằng cách sử dụng điện trở thử nghiệm giữa dây dẫn và dây dẫn nối đất của thiết bị; xác minh các chuyến đi của thiết bị GFDI và chỉ ra lỗi
- Kiểm tra chức năng hàng năm: kích hoạt chức năng kiểm tra GFDI (được tích hợp trong bộ biến tần hiện đại) và xác minh cảnh báo và tắt máy
- Kiểm tra điện trở cách điện (IR): kiểm tra Megger hàng năm (500 V DC, tối thiểu 1 MΩ giữa dây dẫn và mặt đất) để phát hiện sự xuống cấp cách điện trước khi gây ra lỗi chạm đất
- Hình ảnh nhiệt: Quét hồng ngoại hàng năm các hộp tổ hợp, bộ biến tần và hộp nối - các điểm nóng cho biết các kết nối có điện trở cao có thể tiến triển thành hồ quang