Xử lý sự cố phóng điện cục bộ ở đầu nối PV: Kẻ giết thầm lặng đối với lớp cách điện của hệ thống pin mặt trời quy mô lớn

Câu hỏi: Các kỹ sư năng lượng mặt trời có thể xử lý và ngăn ngừa hiện tượng 'phóng điện cục bộ' ở đầu nối PV—được biết đến như kẻ giết thầm lặng đối với lớp cách điện của hệ thống pin mặt trời quy mô lớn—bằng cách nào?

Khi các nhà máy điện quang điện (PV) quy mô lớn ngày càng mở rộng và áp dụng kiến trúc một chiều (DC) 1500 V, các hệ thống cách điện điện được đặt dưới mức ứng suất trường điện chưa từng có. Trong điều kiện điện áp cao này, những khuyết tật vật lý nhỏ—trước đây vô hại trong các hệ thống 1000 V cũ—có thể kích hoạt hiện tượng điện phá hủy được gọi là phóng điện cục bộ (Partial Discharge – PD). Các kỹ sư thường gọi hiện tượng này là ‘kẻ giết người thầm lặng’, vì phóng điện cục bộ là sự đánh thủng điện cục bộ không hoàn toàn nối liền khoảng cách giữa hai cực dẫn điện. Hiện tượng xảy ra bên trong các khe hở, vết nứt hoặc dọc theo ranh giới bề mặt của vật liệu cách điện bên trong các đầu nối năng lượng mặt trời. Nếu không được phát hiện và xử lý kịp thời, phóng điện cục bộ sẽ từ từ và âm thầm làm suy giảm cấu trúc phân tử của vỏ bọc polymer, cuối cùng dẫn đến sự cố cách điện nghiêm trọng, sự cố chạm pha–đất và các vụ cháy dây chuyền PV thảm khốc. Bài viết kỹ thuật này trình bày cơ chế gây ra phóng điện cục bộ trong các đầu nối PV, cách chẩn đoán và xử lý hiện tượng này tại hiện trường, cũng như cách thiết kế đầu nối SUNNOM ngăn ngừa hiệu quả hiện tượng này.

Vật lý của phóng điện cục bộ: Lý do xảy ra ở các đầu nối 1500 V

Để chẩn đoán và khắc phục hiệu quả hiện tượng phóng điện cục bộ, các kỹ sư trước hết phải hiểu rõ những nguyên lý vật lý cơ bản gây ra hiện tượng này. Trong bất kỳ thành phần điện áp cao nào, trường điện được phân bố trên cả các dây dẫn lẫn các vật liệu cách điện bao quanh chúng. Phóng điện cục bộ xảy ra khi cường độ trường điện cục bộ vượt quá giới hạn đánh thủng điện môi của một phần nhỏ vật liệu cách điện:

• Sự chênh lệch hằng số điện môi trong các khoảng trống: Không khí có hằng số điện môi và cường độ đánh thủng thấp hơn nhiều so với các polymer cách điện rắn như polyphenylene oxide (PPO). Nếu tồn tại một túi khí vi mô hoặc khoảng trống bên trong vỏ nhựa đúc của đầu nối, hoặc nếu có một khe hở không khí cực nhỏ tại vị trí giao diện giữa lớp cách điện cáp và gioăng đầu nối, điện trường sẽ tập trung mạnh vào khoảng trống đó. Vì không khí không thể chịu đựng được ứng suất điện áp tập trung này nên xảy ra hiện tượng đánh thủng, gây ra tia lửa nhỏ hoặc phóng điện. Hiện tượng phóng điện này là phóng điện cục bộ vì phần nhựa chất lượng cao bao quanh ngăn cản nó hình thành ngay lập tức một hồ quang ngắn mạch hoàn toàn.
• Các cầu nối độ ẩm và chất gây nhiễm bẩn: Khi các giọt nước hoặc các hạt bụi dẫn điện (ví dụ như muội than hoặc bụi kim loại) xâm nhập vào một cặp đầu nối đã được ghép nối, chúng tạo thành các đường dẫn điện cục bộ dọc theo các bề mặt nhựa bên trong. Điều này làm giảm khoảng cách rò rỉ và khoảng cách cách ly hiệu dụng, làm biến dạng trường điện và khởi phát hiện tượng phóng điện cục bộ trên bề mặt.
• Ứng suất điện áp cao: Việc chuyển đổi từ 1000 V sang 1500 V một chiều làm tăng ứng suất trường điện lên lớp cách điện của đầu nối thêm 50 phần trăm. Điện áp cao hơn này khiến không khí bên trong các lỗ rỗ vi mô dễ bị ion hóa hơn nhiều, từ đó hạ thấp ngưỡng bắt đầu hiện tượng phóng điện cục bộ.

Sự phá hủy thầm lặng: Cách thức phóng điện cục bộ phá hủy lớp cách điện của đầu nối quang điện

Phóng điện cục bộ đặc biệt nguy hiểm vì không thể quan sát hay nghe thấy được trong giai đoạn đầu và giai đoạn giữa. Đây là một quá trình suy giảm chậm và tiến triển dần:

• Xói mòn hóa học: Mỗi lần xảy ra hiện tượng phóng điện cục bộ, nó sẽ sinh ra một lượng vi mô ôzôn, nitơ oxit và nhiệt. Những chất hóa học có tính phản ứng cao này tấn công các chuỗi polymer của vỏ nhựa, làm suy giảm cấu trúc hóa học và giảm độ bền điện môi của vật liệu.
• Tạo đường dẫn carbon: Nhiệt cục bộ từ các phóng điện vi mô làm carbon hóa nhựa. Carbon có tính dẫn điện rất cao. Theo thời gian, những đường dẫn carbon hóa nhỏ này phát triển như các nhánh cây xuyên qua độ dày của vỏ nhựa hoặc dọc theo bề mặt của nó — hiện tượng này được gọi là hiện tượng phân nhánh (treeing) hoặc tạo đường dẫn carbon (carbon tracking).
• Phóng điện hồ quang thảm khốc: Cuối cùng, đường dẫn carbon hóa phát triển đủ dài để nối liền phần cách điện rắn còn lại. Tại thời điểm này, lớp cách điện hoàn toàn mất tác dụng, dẫn đến hiện tượng phóng điện hồ quang một chiều (DC) mạnh đột ngột, sự cố chạm đất pha hoặc ngắn mạch giữa hai đầu cực, làm chảy ngay lập tức đầu nối và có thể gây cháy cỏ khô, kết cấu mái nhà hoặc máng cáp.

Các kỹ thuật chẩn đoán và xử sự sự cố tại hiện trường

Vì phóng điện cục bộ diễn ra một cách im lặng, nên các phương pháp kiểm tra điện truyền thống thường không phát hiện được hiện tượng này cho đến khi quá muộn. Ví dụ, phương pháp đo điện trở cách điện tiêu chuẩn (kiểm tra bằng đồng hồ đo megohm) chỉ đo điện trở tại một thời điểm cụ thể dưới điều kiện ứng suất thấp và có thể cho kết quả hoàn hảo ngay cả khi đầu nối đã bị phóng điện cục bộ nghiêm trọng bên trong. Để phát hiện phóng điện cục bộ trước khi xảy ra sự cố nghiêm trọng, các đội vận hành và bảo trì (O&M) năng lượng mặt trời cần sử dụng các công cụ chẩn đoán tiên tiến:

• Phát hiện âm thanh siêu âm: Mỗi sự kiện phóng điện cục bộ đều tạo ra một sóng âm tần số cao, thường nằm trong dải từ 30 kHz đến 100 kHz. Bằng cách sử dụng các thiết bị dò siêu âm cầm tay hoặc camera chụp ảnh âm thanh, kỹ thuật viên có thể quét toàn bộ mảng đầu nối trong giờ phát điện cao điểm. Các đầu nối có hiện tượng phóng điện cục bộ bên trong sẽ phát ra tiếng lạch cạch đặc trưng ở tần số cao hoặc xuất hiện dưới dạng các điểm nóng âm thanh trên màn hình camera.
• Biến dòng cao tần (HFCT): Các sự kiện phóng điện cục bộ (PD) tạo ra các xung dòng điện nhanh và có tần số cao lan truyền dọc theo cáp quang điện (PV). Bằng cách kẹp cảm biến HFCT quanh cáp chuỗi PV gần hộp kết hợp , kỹ thuật viên có thể giám sát các xung này và phân tích dạng sóng của chúng để xác định chính xác sự hiện diện và mức độ nghiêm trọng của phóng điện cục bộ trong chuỗi.
• Hạn chế của chụp ảnh nhiệt: Nhiệt ảnh hồng ngoại (IR) rất hiệu quả trong việc phát hiện các đầu nối có điện trở tiếp xúc cao. Tuy nhiên, camera hồng ngoại ít hiệu quả hơn trong việc phát hiện phóng điện cục bộ ở giai đoạn đầu vì PD sinh ra rất ít nhiệt ngay từ đầu. Khi đầu nối bắt đầu xuất hiện điểm nóng rõ rệt trên ảnh nhiệt do PD, thì cách điện lúc đó đã bị suy giảm nghiêm trọng và gần như sắp hỏng.

Giải pháp kỹ thuật đầu nối SUNNOM loại bỏ hoàn toàn rủi ro phóng điện cục bộ

Tại Wenzhou Shangnuo (SUNNOM), chúng tôi nhận thức rằng việc ngăn ngừa phóng điện cục bộ đòi hỏi kiểm soát sản xuất cẩn trọng, vật liệu cao cấp và dung sai cơ học chính xác. Chúng tôi loại bỏ các nguyên nhân gốc gây ra phóng điện cục bộ thông qua các quy trình thiết kế và sản xuất sau đây:

• Ép phun độ chính xác cao không tạo khoảng trống: Các khoảng trống vi mô bên trong vỏ nhựa là nguyên nhân chủ yếu gây ra phóng điện cục bộ bên trong. SUNNOM sử dụng các máy ép phun tự động hiện đại nhất, tích hợp hệ thống giám sát áp suất và nhiệt độ theo thời gian thực. Điều này đảm bảo việc điền đầy hoàn toàn buồng khuôn, loại bỏ hoàn toàn các khoảng trống hoặc sự biến đổi mật độ bên trong polymer đã được ép phun.
• Vật liệu PPO/PC cao cấp có độ bền điện môi cao: Các đầu nối SUNNOM được sản xuất độc quyền từ hỗn hợp Polyphenylene/Polycarbonate Oxide nguyên chất. Vật liệu hiệu suất cao này sở hữu độ bền điện môi đặc biệt cao (thường lớn hơn 30 kV/mm) và chỉ số theo dõi so sánh (CTI) vượt trội, giúp chống lại hiện tượng tạo vệt carbon và xói mòn hóa học một cách hiệu quả.
• Thiết kế khoảng cách cách điện dọc và ngang tối ưu: Kỹ sư của chúng tôi thiết kế các đầu nối SUNNOM với khoảng cách cách điện ngang (khoảng cách qua không khí) và khoảng cách cách điện dọc (khoảng cách dọc theo bề mặt nhựa) rộng rãi bên trong. Việc phân tách cấu trúc này giúp duy trì cường độ trường điện cục bộ ở mức thấp hơn nhiều so với ngưỡng ion hóa của không khí, ngay cả khi chịu tải liên tục 1500 V.
• Đệm kín kép dự phòng: Để ngăn chặn sự xâm nhập của độ ẩm dẫn điện và bụi, đầu nối SUNNOM được trang bị đệm kín dạng hai vòng làm từ silicone có độ đàn hồi cao. Lớp kín chắc chắn này giúp duy trì không khí khô ráo và sạch bên trong vỏ đầu nối, loại bỏ các đường dẫn phóng điện bề mặt.

Các chiến lược phòng ngừa tại hiện trường dành cho đội thi công EPC

Để đảm bảo các dàn pin quy mô lớn không xuất hiện phóng điện cục bộ trong suốt tuổi thọ 25 năm, các nhà thầu EPC cần tuân thủ các hướng dẫn sau:

• Ngừng việc ghép nối chéo: Các đầu nối của các nhà sản xuất khác nhau có hình học nội bộ và dung sai hơi khác nhau. Việc ghép nối chéo tạo ra các khe hở vật lý và túi khí, rất dễ gây ra hiện tượng phóng điện cục bộ.
• Vệ sinh trong quá trình lắp ráp: Hướng dẫn kỹ thuật viên tại hiện trường giữ các bộ phận đầu nối luôn sạch sẽ và khô ráo trước khi ghép nối. Bất kỳ bụi bẩn, mồ hôi hay dầu mỡ nào còn sót lại trên các bề mặt nhựa bên trong đều có thể khởi phát hiện tượng tạo vệt carbon.
• Xác minh khóa hoàn chỉnh: Đảm bảo tất cả các đầu nối được đẩy sát vào nhau cho đến khi các chốt khóa bật vào vị trí với tiếng kêu rõ ràng. Việc ghép nối không đầy đủ sẽ để lại khoảng hở không khí lớn bên trong đầu nối, gây nguy cơ phóng điện cục bộ (PD) nghiêm trọng khi chịu điện áp 1500 V.

Bằng cách lựa chọn các đầu nối cao cấp SUNNOM không có khoảng trống và thực hiện kiểm tra chẩn đoán chủ động, các nhà phát triển năng lượng mặt trời có thể vô hiệu hóa hiệu quả mối đe dọa âm thầm từ hiện tượng phóng điện cục bộ, đảm bảo an toàn cho các hệ thống quang điện (PV) vận hành ở điện áp cao trong hàng chục năm liền với sản lượng điện cao và ổn định.