Come un installatore fotovoltaico commerciale riduce i tempi di inattività dovuti a guasto d'arco elettrico dell'85% con un quadro combinato DC AFCI

Sfondo del cliente

Una società regionale di EPC solare commerciale, con sede in Arizona, è specializzata in sistemi fotovoltaici montati su tetto e terra per magazzini e centri di distribuzione. L'azienda installa circa 25 MW all'anno, con progetti tipici che vanno da 500 kW a 3 MW. I loro clienti sono operatori logistici e fornitori di celle frigorifere che necessitano di risorse solari affidabili con interruzioni di corrente minime.

Sfide con quadri di combinazione standard e AFCI a livello di inverter

Per anni, l'installatore ha utilizzato quadri elettrici CC standard dotati solo di fusibili e di un sezionatore CC. La protezione dai guasti da arco elettrico è stata gestita a livello di inverter, ma ciò ha causato due problemi ricorrenti. In primo luogo, il rilevamento a livello di inverter non è riuscito a isolare quale stringa o quadro combinato presentasse un guasto, costringendo gli operatori a controllare ogni connettore sul tetto. In secondo luogo, gli inverter hanno generato falsi allarmi durante la commutazione della rete e l'avvio dell'inverter, spegnendo l'intero array.

L'incidente più grave ha coinvolto un connettore allentato all'interno di una scatola combinatrice che ha creato un guasto ad arco in serie. L'arco è rimasto acceso per settimane prima che un'ispezione termica lo rilevasse. Quell'evento causò un incendio e fece scattare una richiesta di risarcimento a sei cifre. Il team EPC sapeva di aver bisogno di una protezione contro i guasti da arco elettrico più vicina alla fonte, ma il retrofit dei moduli AFCI esterni sui quadri elettrici esistenti era costoso e complicato. Ciascun modulo richiedeva cablaggio, involucri e coordinamento separati con l'inverter.

Perché il combinatore DC AFCI 12-in-1-Out Soutya?

L'azienda ha valutato tre opzioni: continuare solo con l'AFCI a livello di inverter, aggiungere moduli AFCI esterni o passare a un combiner box DC AFCI integrato. I moduli esterni soddisfacevano i requisiti UL 1699B ma comportavano un costo aggiuntivo di oltre 2.000 dollari per combinatore e un allungamento dell'installazione di diverse ore per unità. La scatola Soutya integrata combinava 12 ingressi di stringa, rilevamento dei guasti da arco per stringa, protezione da sovracorrente e un dispositivo di protezione da sovratensione in un unico involucro. Era certificato UL 1699B e progettato per gestire tensioni di sistema da 600 V CC e 1200 V CC, che corrispondevano alle specifiche di progetto standard dell'azienda.

La decisione è caduta sull'economia dell'installazione e sull'affidabilità del sistema. Con la scatola Soutya, la troupe doveva solo montare l'unità, collegare i cavi e impostare i parametri di soglia AFCI. Non erano necessari moduli esterni o contenitori aggiuntivi. Il design integrato ha inoltre ridotto il numero di punti terminali, diminuendo il rischio di futuri guasti da arco elettrico. Il test sul campo su un progetto su tetto da 1,2 MW ha convinto il team di ingegneri che il prodotto avrebbe funzionato in condizioni reali.

Processo di implementazione

Il progetto pilota prevedeva un impianto sul tetto da 1,2 MW su un centro di distribuzione refrigerato. L'installazione è avvenuta nell'arco di due settimane, con 24 quadri elettrici Soutya DC AFCI distribuiti sul tetto. Ciascuna scatola combinava 12 stringhe, con un'alimentazione in uscita all'inverter centrale.

• Preparazione e montaggio del sito: Le scatole combinatrici sono state montate su supporti montanti preinstallati vicino alle pareti esterne. Il cablaggio CC dagli array è stato inserito nei pressacavi e terminato sui terminali di ingresso.
• Configurazione dell'AFCI: L'installatore imposta la soglia di rilevamento dell'arco elettrico di ciascun canale utilizzando gli interruttori DIP integrati e un voltmetro. La funzione di autotest ha verificato il circuito di rilevamento dell'arco su tutti i 12 ingressi senza attivare un arresto intempestivo.
• Coordinamento con l'inverter: L'uscita di ciascuna scatola combinatrice era collegata al bus CC dell'inverter. Il segnale di sgancio AFCI è stato collegato all'ingresso di arresto remoto dell'inverter, garantendo lo spegnimento dell'inverter entro 0,5 secondi dal guasto, più del doppio rispetto al requisito di 2 secondi previsto dalla norma UL 1699B.
• Messa in servizio: Dopo l'eccitazione, l'equipaggio ha eseguito una serie di simulazioni manuali di guasti da arco utilizzando un generatore di arco calibrato. Tutte le 24 scatole hanno rilevato gli archi e hanno trasmesso correttamente il segnale di intervento.

L'unico passaggio difficile è stato l'integrazione del segnale di intervento AFCI con un modello di inverter più vecchio a cui mancava un ingresso di spegnimento dedicato. Il team ha risolto questo problema collegando il relè di sgancio al controller del sezionatore CC dell'inverter, una modifica che ha richiesto 30 minuti per inverter. Si è trattato di una modifica tecnica una tantum e non ha influito sul resto dell'installazione.

Risultati quantificabili

Dopo un anno intero di funzionamento, il sistema pilota ha prodotto miglioramenti misurabili rispetto ai precedenti progetti di scatole combinatrici dell'azienda.

• I tempi di inattività legati all'arco elettrico sono diminuiti dell'85%– da una media di 12 ore per trimestre a meno di 2 ore. L'eliminazione dei falsi interventi dovuti solo all'avvio dell'inverter ha consentito di risparmiare 8 ore di inattività al trimestre.
• Sono stati rilevati e isolati due guasti da arco reali– uno causato da un connettore MC4 corroso e uno da una vite del terminale allentata. Entrambi gli eventi sono stati rilevati prima che si verificasse il danno termico, evitando circa 50.000 dollari in potenziali costi di riparazione e responsabilità.
• Il tasso di falsi viaggi è sceso da 5 a 1 all’anno. L'unico falso intervento si è verificato durante un evento insolito relativo alla tensione della rete pubblica e il ripristino ha richiesto 10 minuti.
• Il tempo di installazione per scatola combinatrice è diminuito del 40%– da 4 ore a 2,5 ore – perché l’equipaggio non ha più dovuto installare dispositivi AFCI e scatole di giunzione separati.

Il cliente ha approvato l'implementazione dello stesso design della scatola combinatrice nei tre progetti successivi, per un totale di 4 MW di capacità.

Testimonianza del cliente

"La scatola combinatrice Soutya AFCI ha rimosso un livello di complessità dai nostri progetti. Ha rilevato un arco voltaico mai rilevato dall'inverter e la messa in servizio è stata semplice. Abbiamo standardizzato questa scatola per tutte le nostre installazioni commerciali." — Ingegnere elettrico senior

Lezioni e raccomandazioni

• La protezione contro i guasti da arco elettrico appartiene al livello del combinatore, non dell'inverter.Le scatole combinatrici rappresentano il punto di giunzione a rischio più elevato per i guasti da arco in serie a causa delle numerose terminazioni in un involucro di piccole dimensioni. L'implementazione del rilevamento fornisce una risposta più rapida e una migliore risoluzione dei problemi.
• L'AFCI integrato riduce il costo totale del sistema.Anche se la scatola Soutya costa il 30% in più rispetto a una scatola combinatrice standard, l'eliminazione dei moduli AFCI esterni e la riduzione della manodopera di installazione comportano un risparmio netto di circa 1.000 dollari per scatola. Per un progetto da 1 MW con 20 box, si tratta di un risparmio di $ 20.000.
• La messa in servizio e l'autotest sono fondamentali.Verificare il comportamento dell'AFCI prima di alimentare l'array. Inoltre, coordinare la logica di intervento con l'inverter per garantire che lo spegnimento sia sufficiente a soddisfare i requisiti UL 1699B e NEC 690.12.
• Se il progetto venisse rivisitato, il team aggiungerebbe il monitoraggio remoto dello stato dell’AFCI.Ciò consentirebbe una localizzazione del guasto ancora più rapida ed eviterebbe ai tecnici di salire inutilmente sul tetto.

Riferimenti

• UL 1699B:2018 Protezione del circuito contro i guasti da arco elettrico CC fotovoltaico (PV).
• IEC 62548:2016 Gruppi fotovoltaici (PV) — Requisiti di progettazione
• NEC 690.12 Spegnimento rapido degli impianti fotovoltaici sugli edifici (NFPA 70)