[Điện mặt trời tiêu chuẩn IEC ] Bảo vệ an toàn điện cho hệ thống điện mặt trời – Phần 1

 Tấm pin năng lượng mặt trời có hai đặc trưng cơ bản đó là chúng tạo ra năng lượng điện một chiều (DC) và luôn phát ra điện khi bề mặt tiếp xúc với ánh sáng. Cường độ dòng điện ngắn mạch của tấm pin là quá thấp ( đa phần chỉ nhỉn hơn một chút so với dòng điện hoạt động định mức của chúng ) để khiến các thiết bị bảo vệ nhận ra. Những phương pháp bảo vệ mà chúng ta thường sử dụng thông thường lại ít khi được áp dụng cho các tấm pin. Do các tấm pin sẽ được lắp đặt ở ngoài trời và trên mái nhà nên sẽ cần có những điểm lưu ý quan trọng để chống hiểm họa về hỏa hoạn.

Bảo vệ chống giật điện

Nguồn ảnh : womenyoushouldknow.net

Tiêu chuẩn IEC 60364-7-712 quy định rằng các hệ thống giàn pin mặt trời với điện áp Uoc Max ( điện áp hở mạch tối đa của giàn pin ) nếu lớn hơn 120VDC thì sẽ cần trang bị dây dẫn có hai lớp cách điện, với mục đích bảo vệ chống giật.

Các thiết bị đóng cắt như cầu chì hoặc CB ở phía DC không thể bảo vệ chống giật do chúng sẽ không thể ngắt được việc phát điện DC trên các tấm pin.

Các thiết bị bảo vệ quá dòng thật sự chỉ bảo vệ các cell của tấm pin khỏi dòng trả ngược và bảo vệ dây dẫn không bị quá tải.

Hiểm họa về hỏa hoạn : Bảo vệ khỏi hiệu ứng nhiệt.

Thông thường sẽ có 3 trường hợp có thể dẫn đến nhiệt độ tăng cao bất thường và gây hỏa hoạn trên giàn pin năng lượng mặt trời : Hư hỏng cách điện, dòng trả ngược của các string khác về tấm pin và khi dây dẫn hoặc thiết bị bị quá tải.

1.Phát hiện sự cố hư hỏng cách điện của dây dẫn

Việc sử dụng dây dẫn hai lớp cách điện là phương pháp tránh điện giật tuy nhiên chúng chưa hoàn toàn loại trừ được điều này. (giả sử các trường hợp cách điện bị hư hỏng, dây dẫn bị trầy lớp cách điện… ). Hư hỏng cách điện DC sẽ có khả năng gây ra hồ quang rất khó dập tắt so với hồ quang của điện AC.

Nguồn ảnh : solarprofessional.com

Các dây dẫn DC cần được đảm bảo được cách ly so với đất.

a. Khi không có cách ly về điện giữa bên AC và DC ( Inverter Transformerless )

• Không được phép nối đất một cực của giàn pin
• Thiết bị bảo vệ bên phía AC được sử dụng để phát hiện sự cố hư hỏng cách điện

b. Khi có sự cách ly về điện giữa bên AC và DC ( Inverter Transformer )

• Thiết bị bảo vệ quá dòng ( phát hiện sự cố hư hỏng cách điện ) sẽ được dùng để ngắt dây trung tính khi có sự cố xảy ra.. Nếu công nghệ tấm pin yêu cầu nối đất một cực của giàn pin ( Tấm pin Thin Film sử dụng Amorphous Silicon )
• Thiết bị giám sát cách điện của giàn pin sẽ được sử dụng nếu công nghệ tấm pin yêu cầu nối đất một cực của giàn pin.
• Thiết bị giám sát cách điện của giàn pin vẫn sẽ được sử dụng nếu công nghệ tấm pin không yêu cầu nối đất một cực của giàn pin.

Khi sự cố hư hỏng cách điện xuất hiện. Inverter sẽ ngưng hoạt động và ngắt kết nối phía AC. Nhưng sự cố vẫn còn tiếp diễn bên phía DC và điện áp giữa hai cực DC là điện áp hở mạch của giàn pin khi mà tấm pin vẫn còn được chiếu sáng.

Trường hợp này không được phép để kéo dài và cần được phát hiện ngay để xử lý sự cố. Nếu không khi cực còn lại của giàn pin khi bị hư hỏng cách điện sẽ tạo thành dòng điện vòng đi đến cực bị hư cách điện trước đó. Dòng điện chạy sẽ theo phần khung giàn và dây PE của giàn pin. Điều này sẽ làm cho các thiết bị bảo vệ hoạt động sai lệch và rất nguy hiểm cho người bảo trì cũng như vận hành hệ thống.

2.Bảo vệ tấm pin khỏi dòng trả ngược

Hình 1. Dòng trả ngược về điểm xảy ra sự cố hư hỏng cách điện ( màu xanh lá cây )

Ngắn mạch bên trong tấm pin, hư hỏng dây dẫn và các sự cố tương tự có thể dẫn đến dòng trả ngược từ các string về tấm pin. Điều này xảy ra do sự chênh lệch điện áp hở mạch giữa các string khi chúng mắc song song với nhau. Dòng điện sẽ chạy từ các string về điểm xảy ra sự cố thay vì đi về inverter và tạo ra điện năng AC. Dòng điện trả ngược có thể dẫn đến hiểm họa tăng đột ngột nhiệt độ và gây cháy các tấm pin. Khả năng chịu đựng của các tấm pin sẽ cần được test dựa trên tiêu chuẩn IEC 61730-2 và nhà sản xuất sẽ cần cung cấp giá trị dòng điện trả ngược tối đa (IRM) mà tấm pin có thể chịu đựng được.

Dòng điện trả ngược về điểm sự cố =  Tổng dòng điện của các string còn lại.

Chúng ta cần bảo vệ quá dòng cho string nếu như số lượng string tạo ra dòng trả ngược đủ lớn khiến tấm pin bị hư hỏng :

1.35 IRM < (Ns -1) ISC MAX

Với :

• IRM là giá trị dòng trả ngược tối đa của cell được định nghĩa theo tiêu chuẩn IEC- 61730
• Ns là tổng số string