Устранение частичных разрядов в фотогальванических соединителях: «тихий убийца» изоляции крупномасштабных солнечных электростанций

В: Каким образом инженеры-солнечники могут устранять и предотвращать «частичные разряды» в фотогальванических соединителях, которые считаются «тихим убийцей» изоляции солнечных электростанций промышленного масштаба?

По мере масштабирования фотоэлектрических (ФЭ) электростанций промышленного масштаба до архитектуры постоянного тока 1500 В системы электрической изоляции подвергаются беспрецедентному уровню напряжённости электрического поля. В условиях высокого напряжения незначительные физические несовершенства, которые были безвредны в более ранних системах на 1000 В, могут спровоцировать разрушительное электрическое явление, известное как частичный разряд (PD). Инженеры часто называют частичный разряд «тихим убийцей»: это локальный электрический пробой, который не полностью замыкает пространство между двумя проводниками. Он возникает в полостях, трещинах или на поверхностных границах изоляционного материала внутри солнечных соединителей. При отсутствии контроля частичный разряд постепенно и незаметно разрушает молекулярную структуру полимерных корпусов, что в конечном итоге приводит к катастрофическому пробою изоляции, замыканиям фазы на землю и разрушительным пожарам в ФЭ-цепях. В данной технической статье рассматриваются механизмы возникновения частичного разряда в ФЭ-соединителях, методы его диагностики на объекте и инженерные решения компании SUNNOM, предотвращающие его появление.

Физика частичных разрядов: почему они возникают в разъёмах на 1500 В

Для эффективной диагностики частичных разрядов инженерам необходимо сначала понять фундаментальные физические принципы, лежащие в их основе. В любом высоковольтном электрическом компоненте электрическое поле распределяется как по проводникам, так и по изолирующим материалам, окружающим их. Частичный разряд возникает, когда локальная напряжённость электрического поля превышает пробивную прочность диэлектрика на небольшом участке изолирующей среды:

• Разница в диэлектрических проницаемостях в полостях: у воздуха значительно более низкая диэлектрическая проницаемость и прочность на пробой по сравнению с твердыми изолирующими полимерами, такими как полифениленоксид (PPO). Если внутри формованного пластикового корпуса разъема имеется микроскопический воздушный карман или полость, или если на границе контакта между изоляцией кабеля и уплотнением разъема образуется крошечный воздушный зазор, электрическое поле будет сильно концентрироваться именно в этой полости. Поскольку воздух не способен выдержать такое локализованное напряжение, происходит его пробой, вызывающий маленькую искру или электрический разряд. Такой разряд является частичным, поскольку окружающий высококачественный пластик препятствует немедленному формированию полного дугового короткого замыкания.
• Мосты влаги и загрязнений: когда капли воды или проводящие частицы пыли (например, сажа или металлическая пыль) проникают в соединённую пару разъёмов, они образуют локальные проводящие пути по внутренним пластиковым поверхностям. Это уменьшает эффективные расстояния по поверхности и в воздухе, искажает электрическое поле и инициирует поверхностные частичные разряды.
• Напряжение высокого напряжения: переход от 1000 В до 1500 В постоянного тока увеличивает электрическое поле, действующее на изоляцию разъёма, на 50 процентов. Это повышенное напряжение значительно повышает вероятность ионизации воздуха внутри микроскопических полостей, снижая порог, при котором начинаются частичные разряды.

Тихое разрушение: как частичные разряды разрушают изоляцию фотоэлектрических разъёмов

Частичные разряды особенно опасны, поскольку на ранних и средних стадиях их невозможно увидеть или услышать. Это медленный, постепенный процесс деградации:

• Химическая эрозия: каждый раз при возникновении частичного разряда образуются микроскопические количества озона, оксидов азота и тепла. Эти высокоактивные химические вещества атакуют полимерные цепи пластикового корпуса, разрушая его химическую структуру и снижая диэлектрическую прочность.
• Образование углеродных следов: локальное тепло микроразрядов вызывает карбонизацию пластика. Углерод обладает высокой электропроводностью. Со временем эти мелкие карбонизированные пути растут, как ветви дерева, через толщу пластикового корпуса или по его поверхности — это явление известно как «деревовидное распространение» или «образование углеродных следов».
• Катастрофический пробой: в конечном итоге карбонизированный путь становится достаточно длинным, чтобы замкнуть оставшуюся твёрдую изоляцию. В этот момент изоляция полностью теряет свои свойства, что приводит к внезапной мощной постоянного тока дуге, замыканию фазы на землю или короткому замыканию между выводами, в результате чего разъём мгновенно расплавляется и может воспламенить сухую траву, конструкции кровли или кабельные лотки.

Методы диагностики и устранения неисправностей на месте

Поскольку частичные разряды протекают бесшумно, традиционные методы электрических испытаний зачастую не позволяют обнаружить их до наступления критического состояния. Например, стандартное измерение сопротивления изоляции (тестирование мегомметром) позволяет оценить сопротивление лишь в конкретный момент времени при низком напряжении и может показать идеальные результаты даже при наличии у соединителя серьёзных внутренних частичных разрядов. Чтобы выявить частичные разряды до возникновения катастрофического пробоя, бригады по эксплуатации и техническому обслуживанию солнечных электростанций должны использовать передовые диагностические инструменты:

• Ультразвуковая акустическая диагностика: каждый частичный разряд сопровождается высокочастотной акустической волной, обычно в диапазоне от 30 кГц до 100 кГц. С помощью портативных ультразвуковых детекторов или акустических термографических камер техники могут сканировать массивы соединителей в часы максимальной генерации электроэнергии. Соединители с внутренними частичными разрядами будут издавать характерный высокочастотный треск или отображаться в виде акустических «горячих точек» на экране камеры.
• Трансформаторы тока высокой частоты (HFCT): события частичного разряда (PD) генерируют быстрые импульсы тока высокой частоты, распространяющиеся по кабелям фотоэлектрической (PV) системы. Установив датчик HFCT на кабели PV-строки вблизи коробка комбайнера , техники могут отслеживать эти импульсы и анализировать их осциллограммы для точного определения наличия и степени выраженности частичного разряда в строке.
• Ограничения тепловизионного контроля: инфракрасная (IR) термография чрезвычайно эффективна при выявлении соединителей с высоким переходным сопротивлением. Однако ИК-камеры менее эффективны при обнаружении начальной стадии частичного разряда, поскольку на ранних этапах PD выделяет крайне незначительное количество тепла. К тому моменту, когда соединитель демонстрирует видимое тепловое пятно вследствие PD, изоляция уже серьёзно повреждена и находится на грани выхода из строя.

Как инженерные решения SUNNOM для соединителей устраняют риски частичного разряда

В компании Wenzhou Shangnuo (SUNNOM) мы понимаем, что предотвращение частичных разрядов требует тщательного контроля производства, использования высококачественных материалов и соблюдения точных механических допусков. Мы устраняем коренные причины частичных разрядов с помощью следующих проектных и производственных протоколов:

• Высокоточное инжекционное литьё без пустот: микроскопические пустоты внутри пластиковых корпусов являются основным источником внутренних частичных разрядов. SUNNOM использует передовые автоматизированные машины для инжекционного литья с мониторингом давления и температуры в реальном времени. Это обеспечивает полное заполнение формы и исключает образование внутренних пустот или неоднородностей плотности в отлитом полимере.
• Премиальный ППО/ПК с высокой электрической прочностью: разъемы SUNNOM изготавливаются исключительно из чистого полифениленоксида/поликарбонатного оксида. Этот высокопроизводительный материал обладает исключительно высокой электрической прочностью (обычно более 30 кВ/мм) и превосходными показателями сравнительного индекса трекинга (CTI), что делает его высокоустойчивым к образованию углеродных дорожек и химической эрозии.
• Оптимальная конструкция путей утечки и воздушных зазоров: наши инженеры проектируют разъемы SUNNOM с достаточными внутренними воздушными зазорами (расстояние по воздуху) и путями утечки (расстояние вдоль поверхности пластика). Такое конструктивное разделение обеспечивает локальные напряженности электрического поля значительно ниже порога ионизации воздуха даже при постоянной нагрузке 1500 В.
• Избыточные двойные уплотнительные прокладки: для предотвращения проникновения проводящей влаги и пыли разъемы SUNNOM оснащены двойным уплотнительным кольцом из высокоэластичного силикона. Такое надежное уплотнение обеспечивает сухую и чистую атмосферу внутри корпуса разъема, устраняя пути поверхностного разряда.

Стратегии профилактики на объекте для строительных бригад EPC

Для обеспечения отсутствия частичных разрядов в крупномасштабных фотоэлектрических массивах в течение всего 25-летнего срока службы подрядчикам EPC следует соблюдать следующие рекомендации:

• Исключить смешанное соединение: разъемы разных производителей имеют незначительные различия во внутренней геометрии и допусках. Смешанное соединение создает физические зазоры и воздушные карманы, которые чрезвычайно склонны к возникновению частичных разрядов.
• Чистота при сборке: инструктируйте полевых техников тщательно очищать и высушивать компоненты разъемов перед их соединением. Любая грязь, пот или жир, оставшиеся на внутренних пластиковых поверхностях, могут вызвать образование углеродных дорожек.
• Полная проверка фиксации: убедитесь, что все разъёмы полностью соединены до щелчка фиксирующих защёлок. Неполное соединение оставляет большой воздушный зазор внутри разъёма, что создаёт высокий риск частичных разрядов при напряжении 1500 В.

Выбирая премиальные разъёмы SUNNOM без пустот и внедряя проактивное диагностическое тестирование, разработчики солнечных электростанций могут эффективно нейтрализовать скрытую угрозу частичных разрядов, обеспечивая безопасную и высокопроизводительную эксплуатацию своих высоковольтных фотоэлектрических массивов в течение десятилетий.