การแก้ไขปัญหาการปล่อยประจุบางส่วนในขั้วต่อแผงโซลาร์เซลล์: ผู้ทำลายฉนวนของอาร์เรย์พลังงานแสงอาทิตย์ระดับสาธารณูปโภคอย่างเงียบเชียบ

คำถาม: วิศวกรด้านพลังงานแสงอาทิตย์จะวิเคราะห์และป้องกัน 'การปล่อยประจุบางส่วน' ในขั้วต่อพลังงานแสงอาทิตย์ได้อย่างไร ซึ่งเป็นที่รู้จักกันว่าเป็น 'ผู้ทำลายเงียบ' ของฉนวนในโครงการโซลาร์ฟาร์มขนาดใหญ่?

เมื่อโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบบใช้งานในระดับระบบสาธารณูปโภค (Utility-scale photovoltaic: PV) ปรับขนาดขึ้นสู่สถาปัตยกรรมกระแสตรง (DC) ที่แรงดัน 1500 โวลต์ ระบบฉนวนไฟฟ้าจึงถูกนำไปใช้งานภายใต้ความเครียดจากสนามไฟฟ้าในระดับที่ไม่เคยมีมาก่อน ภายใต้สภาวะแรงดันสูงเช่นนี้ ข้อบกพร่องทางกายภาพเล็กน้อยซึ่งไม่ก่อให้เกิดอันตรายในระบบที่ใช้แรงดัน 1000 โวลต์ในอดีต อาจก่อให้เกิดปรากฏการณ์ไฟฟ้าที่ทำลายล้างได้ ซึ่งเรียกว่า การปล่อยประจุบางส่วน (Partial Discharge: PD) วิศวกรมักเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า 'ผู้ร้ายเงียบ' เนื่องจากการปล่อยประจุบางส่วนคือการล้มเหลวของระบบไฟฟ้าในบริเวณจำกัด ซึ่งไม่ได้ทำให้เกิดการลัดวงจรอย่างสมบูรณ์ระหว่างตัวนำสองเส้น โดยปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นภายในช่องว่าง รอยแตก หรือบริเวณขอบผิวของวัสดุฉนวนภายในขั้วต่อพลังงานแสงอาทิตย์ หากไม่ได้รับการตรวจสอบและแก้ไขอย่างทันท่วงที การปล่อยประจุบางส่วนจะค่อยๆ กัดกร่อนโครงสร้างโมเลกุลของเปลือกหุ้มพอลิเมอร์อย่างเงียบๆ จนสุดท้ายนำไปสู่การล้มเหลวของฉนวนอย่างรุนแรง ความผิดปกติระหว่างเฟสกับพื้นดิน (Phase-to-ground faults) และเพลิงไหม้สายโซลาร์เซลล์อย่างรุนแรงบทความทางเทคนิคนี้จะกล่าวถึงกลไกของการปล่อยประจุบางส่วนในขั้วต่อพลังงานแสงอาทิตย์ วิธีการวิเคราะห์และแก้ไขปัญหาดังกล่าวในภาคสนาม รวมทั้งแนวทางการออกแบบขั้วต่อของ SUNNOM ที่สามารถป้องกันไม่ให้เกิดปรากฏการณ์นี้

หลักฟิสิกส์ของการปล่อยประจุบางส่วน: เหตุใดจึงเกิดขึ้นในขั้วต่อแรงดัน 1500 โวลต์

เพื่อการวิเคราะห์และแก้ไขปัญหาการปล่อยประจุบางส่วนได้อย่างมีประสิทธิภาพ วิศวกรจำเป็นต้องเข้าใจหลักการทางฟิสิกส์พื้นฐานที่เป็นสาเหตุของปรากฏการณ์นี้ก่อน ในชิ้นส่วนไฟฟ้าแรงสูงใดๆ สนามไฟฟ้าจะกระจายตัวอยู่ทั้งบนตัวนำและวัสดุฉนวนที่ล้อมรอบตัวนำเหล่านั้น การปล่อยประจุบางส่วนจะเกิดขึ้นเมื่อความเข้มของสนามไฟฟ้าในบริเวณท้องถิ่นหนึ่งๆ สูงกว่าค่าความต้านทานแรงดันทะลุของวัสดุฉนวนในบริเวณเล็กๆ นั้น

• ความไม่สอดคล้องกันของค่าคงที่ไดอิเล็กทริกในช่องว่าง: อากาศมีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกและแรงดันไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการลัดวงจรต่ำกว่าพอลิเมอร์ฉนวนแข็ง เช่น พอลิฟีนีนออกไซด์ (PPO) อย่างมาก หากมีช่องว่างอากาศขนาดจุลภาคอยู่ภายในปลอกพลาสติกที่ขึ้นรูปสำหรับขั้วต่อ หรือหากมีช่องว่างอากาศขนาดเล็กมากบริเวณรอยต่อระหว่างฉนวนของสายเคเบิลกับซีลของขั้วต่อ สนามไฟฟ้าจะรวมตัวเข้มข้นอย่างมากภายในช่องว่างนั้น เนื่องจากอากาศไม่สามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าที่เข้มข้นนี้ได้ จึงเกิดการลัดวงจรขึ้น ส่งผลให้เกิดประกายไฟหรือการปล่อยประจุไฟฟ้าขนาดเล็ก การปล่อยประจุนี้จัดเป็นแบบบางส่วน เพราะพลาสติกคุณภาพสูงที่ล้อมรอบไว้ป้องกันไม่ให้เกิดอาร์กแบบลัดวงจรเต็มรูปแบบทันที
• สะพานความชื้นและสิ่งปนเปื้อน: เมื่อหยดน้ำหรืออนุภาคฝุ่นที่นำไฟฟ้า (เช่น คาร์บอนแบล็ก หรือฝุ่นโลหะ) เข้าไปในคู่ตัวเชื่อมที่ต่อกันแล้ว จะก่อให้เกิดเส้นทางการนำไฟฟ้าแบบเฉพาะจุดตามผิวพลาสติกด้านใน ส่งผลให้ระยะทางการรั่วไหล (creepage) และระยะทางการแยกตัว (clearance) ที่มีประสิทธิภาพลดลง ทำให้สนามไฟฟ้าบิดเบือน และเริ่มเกิดการปล discharge บนผิว
• แรงดันไฟฟ้าสูง: การเปลี่ยนแปลงจากแรงดันกระแสตรง 1000 โวลต์ เป็น 1500 โวลต์ เพิ่มความเครียดของสนามไฟฟ้าต่อฉนวนของตัวเชื่อมขึ้นร้อยละ 50 แรงดันที่สูงขึ้นนี้ทำให้อากาศภายในช่องว่างจุลภาคเกิดการไอออนไนเซชันได้ง่ายขึ้นอย่างมาก จึงลดค่าแรงดันที่จำเป็นในการเริ่มต้นการปล discharge แบบบางส่วน

การทำลายอย่างเงียบงัน: การปล discharge แบบบางส่วนทำลายฉนวนของตัวเชื่อมระบบพลังงานแสงอาทิตย์อย่างไร

การปล discharge แบบบางส่วนอันตรายเป็นพิเศษ เพราะไม่สามารถมองเห็นหรือได้ยินได้ในระยะแรกและระยะกลางของการเกิด ซึ่งเป็นกระบวนการเสื่อมสภาพแบบค่อยเป็นค่อยไป

• การกัดกร่อนทางเคมี: ทุกครั้งที่เกิดเหตุการณ์การปล่อยประจุบางส่วน จะสร้างโอโซน ไนโตรเจนออกไซด์ และความร้อนในปริมาณเล็กน้อยระดับจุลภาค สารเคมีเหล่านี้มีปฏิกิริยาสูงมาก จึงทำลายสายพอลิเมอร์ของเปลือกพลาสติก ส่งผลให้โครงสร้างทางเคมีเสื่อมสภาพและลดค่าความต้านทานฉนวนลง
• การเกิดรอยคาร์บอน: ความร้อนเฉพาะจุดจากกระแสไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาในระดับจุลภาคทำให้พลาสติกกลายเป็นคาร์บอน ซึ่งมีความสามารถในการนำไฟฟ้าได้ดีมาก ตามระยะเวลา รอยคาร์บอนขนาดเล็กเหล่านี้จะค่อยๆ ขยายตัวคล้ายกิ่งไม้ผ่านความหนาของเปลือกพลาสติกหรือบนพื้นผิวของมัน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การเกิดกิ่งไม้ (treeing) หรือ การเกิดรอยคาร์บอน (carbon tracking)
• การลัดวงจรแบบรุนแรง: ในที่สุด รอยคาร์บอนที่เกิดขึ้นจะยาวพอที่จะเชื่อมช่องว่างของฉนวนแข็งที่เหลืออยู่ เมื่อถึงจุดนี้ ฉนวนจะล้มเหลวโดยสิ้นเชิง ส่งผลให้เกิดอาร์คกระแสตรงกำลังสูงอย่างฉับพลัน เกิดข้อบกพร่องระหว่างเฟสกับพื้นดิน หรือเกิดลัดวงจรระหว่างขั้วต่อถึงขั้วต่อ ซึ่งจะละลายขั้วต่อทันที และอาจจุดติดหญ้าแห้ง โครงสร้างหลังคา หรือรางเดินสายไฟได้

เทคนิคการวินิจฉัยและแก้ไขปัญหาเบื้องต้นในสถานที่

เนื่องจากการปล่อยประจุบางส่วนไม่ก่อให้เกิดเสียง วิธีการทดสอบทางไฟฟ้าแบบดั้งเดิมจึงมักไม่สามารถตรวจจับได้จนกว่าจะสายเกินไป ตัวอย่างเช่น การทดสอบความต้านทานฉนวนมาตรฐาน (การใช้มิลลิโอห์มมิเตอร์) จะวัดเฉพาะค่าความต้านทานในช่วงเวลาหนึ่งภายใต้แรงดันต่ำ ซึ่งอาจแสดงผลเป็นปกติสมบูรณ์แม้ว่าขั้วต่อจะมีการปล่อยประจุบางส่วนรุนแรงภายในก็ตาม เพื่อระบุการปล่อยประจุบางส่วนก่อนที่จะเกิดความล้มเหลวอย่างรุนแรง ทีมปฏิบัติการและบำรุงรักษาพลังงานแสงอาทิตย์ควรใช้เครื่องมือวินิจฉัยขั้นสูง:

• การตรวจจับคลื่นเสียงความถี่สูง: เหตุการณ์การปล่อยประจุบางส่วนแต่ละครั้งจะสร้างคลื่นเสียงความถี่สูง โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 30 กิโลเฮิร์ตซ์ ถึง 100 กิโลเฮิร์ตซ์ ด้วยเครื่องตรวจจับคลื่นเสียงความถี่สูงแบบพกพา หรือกล้องถ่ายภาพเสียง ช่างเทคนิคสามารถสแกนขั้วต่อทั้งหมดได้ในช่วงเวลาที่ระบบผลิตพลังงานสูงสุด ขั้วต่อที่มีการปล่อยประจุบางส่วนภายในจะส่งเสียงแตกกระแทกที่มีความถี่สูงอย่างชัดเจน หรือปรากฏเป็นจุดร้อนทางเสียงบนหน้าจอของกล้อง
• หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าความถี่สูง (HFCT): เหตุการณ์การปล่อยประจุบางส่วน (PD) จะสร้างคลื่นกระแสไฟฟ้าที่มีความเร็วสูงและมีความถี่สูง ซึ่งเดินทางตามสายเคเบิลแผงโซลาร์เซลล์ (PV) โดยการหนีบเซ็นเซอร์ HFCT รอบสายเคเบิลของสายโซลาร์เซลล์ (PV string) ใกล้กับ กล่องเครื่องรวม , ช่างเทคนิคสามารถตรวจสอบสัญญาณเหล่านี้และวิเคราะห์รูปคลื่นเพื่อระบุตำแหน่งและระดับความรุนแรงของการปล่อยประจุบางส่วนในสายโซลาร์เซลล์ได้
• ข้อจำกัดของการถ่ายภาพความร้อน: การถ่ายภาพความร้อนด้วยแสงอินฟราเรด (IR) มีประสิทธิภาพสูงมากในการตรวจหาขั้วต่อที่มีความต้านทานสัมผัสสูง อย่างไรก็ตาม กล้องอินฟราเรดมีประสิทธิภาพต่ำกว่าในการตรวจจับการปล่อยประจุบางส่วนในระยะเริ่มต้น เนื่องจากการปล่อยประจุบางส่วนจะสร้างความร้อนน้อยมากในช่วงแรก ดังนั้น เมื่อขั้วต่อแสดงจุดร้อนที่มองเห็นได้ด้วยกล้องอินฟราเรดเนื่องจากการปล่อยประจุบางส่วน ฉนวนหุ้มจะเสียหายอย่างรุนแรงแล้วและใกล้จะล้มเหลว

วิธีที่วิศวกรรมขั้วต่อ SUNNOM กำจัดความเสี่ยงจากการปล่อยประจุบางส่วน

ที่เวิ่นโจว ซันหนู่อ้อ (SUNNOM) เรามีความเข้าใจดีว่า การป้องกันการปล่อยประจุบางส่วนนั้นจำเป็นต้องควบคุมกระบวนการผลิตอย่างพิถีพิถัน ใช้วัสดุคุณภาพสูง และรักษาความแม่นยำของค่าความคลาดเคลื่อนเชิงกลอย่างเคร่งครัด เราขจัดสาเหตุหลักที่ก่อให้เกิดการปล่อยประจุบางส่วนผ่านมาตรการการออกแบบและการผลิตต่อไปนี้:

• การฉีดขึ้นรูปแบบความแม่นยำสูงที่ไม่มีช่องว่างภายใน: ช่องว่างขนาดจุลภาคภายในเปลือกพลาสติกเป็นแหล่งหลักของการปล่อยประจุบางส่วนภายใน ซันหนู่อ้อใช้เครื่องฉีดขึ้นรูปอัตโนมัติรุ่นล่าสุดที่มาพร้อมระบบตรวจสอบแรงดันและอุณหภูมิแบบเรียลไทม์ ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ว่าโพรงแม่พิมพ์จะถูกเติมอย่างสมบูรณ์ จึงสามารถขจัดช่องว่างภายในหรือความแปรผันของความหนาแน่นในพอลิเมอร์ที่ขึ้นรูปได้อย่างมีประสิทธิภาพ
• พลาสติก PPO/PC ระดับพรีเมียมที่มีความต้านทานแรงดันไฟฟ้าสูง: ขั้วต่อ SUNNOM ผลิตขึ้นจากวัสดุโพลีฟีนิลีน/โพลีคาร์บอเนตออกไซด์ (Polyphenylene/Polycarbonate Oxide) อย่างบริสุทธิ์เท่านั้น วัสดุประสิทธิภาพสูงนี้มีค่าความต้านทานแรงดันไฟฟ้าสูงเป็นพิเศษ (โดยทั่วไปสูงกว่า 30 กิโลโวลต์ต่อมิลลิเมตร) และมีค่าดัชนีการล่องหนของรอยไหม้ (Comparative Tracking Index: CTI) ที่เหนือกว่ามาตรฐาน จึงมีความต้านทานต่อการเกิดรอยคาร์บอนและการกัดกร่อนจากสารเคมีได้ดีเยี่ยม
• การออกแบบระยะห่างระหว่างชิ้นส่วนให้เหมาะสมที่สุด: วิศวกรของเราออกแบบขั้วต่อ SUNNOM ให้มีระยะห่างภายในที่เพียงพอทั้งในแนวอากาศ (clearance) และตามผิวพลาสติก (creepage) โครงสร้างการแยกชิ้นส่วนนี้ช่วยรักษาความเข้มของสนามไฟฟ้าเฉพาะจุดให้อยู่ต่ำกว่าเกณฑ์การแตกตัวของอากาศอย่างมาก แม้ภายใต้โหลดแรงดันไฟฟ้าต่อเนื่องที่ 1500 โวลต์
• ซีลยางสองชั้นแบบสำรอง: เพื่อป้องกันไม่ให้ความชื้นที่นำไฟฟ้าและฝุ่นเข้าสู่ตัวเชื่อมต่อ SUNNOM จึงใช้ซีลยางรูปแหวนคู่ที่ทำจากซิลิโคนที่มีความยืดหยุ่นสูง ซีลที่แน่นหนานี้ช่วยรักษาสภาพอากาศภายในตัวเรือนของตัวเชื่อมต่อให้แห้งและสะอาด จึงตัดเส้นทางการปล่อยประจุบนพื้นผิวออกไป

กลยุทธ์การป้องกันในสนามสำหรับทีมก่อสร้าง EPC

เพื่อให้แผงโซลาร์เซลล์ขนาดใหญ่สำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์สามารถปราศจากการปล่อยประจุบางส่วนตลอดอายุการใช้งาน 25 ปี EPC ผู้รับเหมาควรปฏิบัติตามแนวทางเหล่านี้:

• ห้ามต่อกลางผู้ผลิต: ตัวเชื่อมต่อจากผู้ผลิตต่างรายมีรูปทรงภายในและค่าความคลาดเคลื่อนที่แตกต่างกันเล็กน้อย การต่อกลางผู้ผลิตจึงก่อให้เกิดช่องว่างทางกายภาพและช่องอากาศซึ่งมีแนวโน้มสูงมากที่จะเกิดการปล่อยประจุบางส่วน
• ความสะอาดระหว่างการประกอบ: ให้ช่างเทคนิคในสนามทำความสะอาดและทำให้ชิ้นส่วนตัวเชื่อมต่อแห้งก่อนทำการต่อกัน ฝุ่น สิ่งสกปรก เหงื่อ หรือคราบไขมันที่ติดอยู่บนพื้นผิวพลาสติกภายในอาจเป็นสาเหตุเริ่มต้นของการเกิดรอยคาร์บอน
• การตรวจสอบการล็อกอย่างสมบูรณ์: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าขั้วต่อทั้งหมดถูกดันเข้าหากันอย่างเต็มที่จนกระทั่งแท็บล็อกคลิกเข้าที่อย่างชัดเจน หากขั้วต่อไม่เชื่อมต่อกันอย่างสมบูรณ์ จะเกิดช่องว่างอากาศขนาดใหญ่ภายในขั้วต่อ ซึ่งก่อให้เกิดความเสี่ยงสูงต่อการปล่อยประจุบางส่วน (PD) ภายใต้แรงดันไฟฟ้า 1500 โวลต์

ด้วยการเลือกใช้ขั้วต่อคุณภาพพรีเมียมแบบไม่มีฟองอากาศของ SUNNOM และการดำเนินการทดสอบวินิจฉัยเชิงรุก ผู้พัฒนาพลังงานแสงอาทิตย์สามารถลดภัยเงียบที่เกิดจากการปล่อยประจุบางส่วนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้ระบบแผงโซลาร์เซลล์แรงดันสูงมีความปลอดภัยและสามารถผลิตพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงเป็นเวลาหลายทศวรรษ