ข้อกำหนดพิเศษสำหรับเบรกเกอร์วงจรโฟโตโวลเทอิกคืออะไร

กรณีศึกษาภาคสนาม: เมื่อตัวตัดวงจรมาตรฐานทำให้ระบบโซลาร์หยุดทำงาน

อาคารเชิงพาณิชย์แห่งหนึ่งในตอนใต้ของสเปนติดตั้งแผงโซลาร์บนหลังคาขนาด 120 กิโลวัตต์ โดยใช้ชิ้นส่วนที่จัดหาจากผู้จำหน่ายอุปกรณ์ไฟฟ้าทั่วไป สามเดือนหลังจากการเริ่มใช้งานระบบ ระบบหยุดทำงานระหว่างคลื่นความร้อน ผู้ติดตั้งตรวจสอบพบว่าอุปกรณ์ป้องกันเกิดความเสียหายจนติดค้างอยู่ในตำแหน่งปิด: ตัวตัดวงจรขนาดเล็กแบบกระแสสลับมาตรฐานถูกติดตั้งผิดพลาดแทนที่จะใช้ เซอร์กิตเบรกเกอร์พลังงานแสงอาทิตย์ ตัวตัดวงจรเฉพาะทาง

เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นกับสายสตริงบนหลังคาที่มีแรงดัน 600 โวลต์

อาร์เรย์นี้ใช้สายเชื่อมต่อแบบอนุกรมสองชุด ซึ่งให้แรงดันไฟฟ้าเปิดวงจรใกล้เคียง 600 โวลต์แบบกระแสตรง (DC) ที่แรงดันนี้ เบรกเกอร์กระแสสลับ (AC) ทั่วไปไม่สามารถตัดวงจรข้อบกพร่องได้อย่างน่าเชื่อถือ เนื่องจากจุดที่กระแสลดลงเป็นศูนย์ (current zero-crossing) ซึ่งช่วยดับอาร์กไฟฟ้าในระบบกระแสสลับนั้นไม่เกิดขึ้นเลย อุปกรณ์ร้อนจัดเกินไป สูญเสียความสามารถในการตัดวงจร และหยุดให้การป้องกันทั้งสายเชื่อมต่อโดยไม่มีสัญญาณเตือนใดๆ วิศวกรภาคสนามของบริษัท Hongxin AIOT ที่ตรวจสอบสถานที่พบว่ากล่องรวมสาย (combiner box) ไม่มีอุปกรณ์แยกวงจรหรือตรวจจับอาร์กไฟฟ้าที่ออกแบบสำหรับแรงดันกระแสตรง (DC-rated) เลย

การหยุดทำงานทำให้ผู้ดำเนินการสูญเสียรายได้จากการผลิตไฟฟ้าประมาณสองสัปดาห์ในช่วงฤดูร้อนที่มีอัตราค่าไฟฟ้าสูงสุด การวิเคราะห์หาสาเหตุข้อบกพร่องต้องเดินทางไปตรวจสอบสถานที่สามครั้ง เนื่องจากเบรกเกอร์กระแสสลับไม่มีบันทึกเหตุการณ์ (event log) และไม่สามารถตรวจสอบสถานะจากระยะไกลได้ ประสบการณ์นี้ทำให้เจ้าของโครงการตัดสินใจกำหนดให้ต้องติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันที่รองรับแรงดันกระแสตรง (DC-rated protection) และระบบติดตามประสิทธิภาพของแต่ละสาย (string monitoring) บนหลังคาทุกแห่งในอนาคต ซึ่งเป็นแนวโน้มที่พบได้บ่อยในกรณีความล้มเหลวของการปรับปรุงระบบ (retrofit failures) หลายกรณี โดยผู้ติดตั้งเดิมมองสายไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์เหมือนกับสายไฟทั่วไปในอาคาร

ความแตกต่างระหว่างปรากฏการณ์อาร์กไฟฟ้าในระบบกระแสตรง (DC arcing) กับข้อบกพร่องในระบบกระแสสลับ (AC faults)

กระแสสลับผ่านศูนย์ 100 หรือ 120 ครั้งต่อวินาที ทำให้เบรกเกอร์มีช่วงเวลาธรรมชาติในการดับอาร์ก แต่กระแสตรงไม่มีช่วงหยุดเช่นนั้น เซอร์กิตเบรกเกอร์พลังงานแสงอาทิตย์ จึงจำเป็นต้องบังคับให้อาร์กเข้าสู่ห้องยาวที่มีการระบายความร้อน และยืดออกจนกระทั่งดับสนิท ความแตกต่างเชิงกลไกนี้คือเหตุผลที่การใช้ชิ้นส่วนสำหรับกระแสสลับแทนชิ้นส่วนสำหรับกระแสตรงนั้นเป็นอันตรายต่อความปลอดภัยอย่างแท้จริง ไม่ใช่เพียงทางลัดเล็กน้อย

การวิเคราะห์ความเสี่ยง: เหตุใดวงจรโฟโตโวลเทอิกจึงต้องได้รับการป้องกันพิเศษ

วงจรโฟโตโวลเทอิกมีลักษณะความเสี่ยงที่ต่างจากสายไฟฟ้าในอาคารแบบทั่วไป การเข้าใจความเสี่ยงเหล่านั้นคือขั้นตอนแรกสู่การระบุข้อกำหนดที่ถูกต้อง

กระแสย้อนกลับและการจ่ายพลังงานย้อนกลับระหว่างสตริง

เมื่อสตริงหนึ่งในกลุ่มที่ต่ออนุกรมกันล้มเหลวหรือถูกบังแสง สตริงที่ยังทำงานปกติอาจส่งกระแสย้อนกลับผ่านเส้นทางที่ล้มเหลวนั้น หากไม่มีอุปกรณ์ตัดวงจรที่ออกแบบสำหรับกระแสตรง เซอร์กิตเบรกเกอร์พลังงานแสงอาทิตย์ หรือไดโอดแยกวงจร กระแสย้อนกลับนี้จะทำให้ตัวนำและขั้วต่อร้อนจัดเกินไป โดยมักไม่มีอาการผิดปกติที่สังเกตเห็นได้ชัดเจน จนกระทั่งฉนวนหุ้มลวดละลาย

อาร์กฟอลต์ที่เบรกเกอร์มาตรฐานตรวจจับไม่พบ

ส่วนโค้งแบบซีรีส์เกิดขึ้นเมื่อตัวเชื่อมหลวมหรือสายไฟแตกร้าวจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำๆ ส่วนโค้งเหล่านี้ดึงกระแสไฟฟ้าต่ำกว่าค่าที่ทำให้เบรกเกอร์ตัดวงจร แต่สร้างความร้อนเพียงพอที่จะก่อให้เกิดเพลิงไหม้ได้ ระบบตรวจจับส่วนโค้งผิดปกติ (AFCI) ที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับกระแสตรง (DC) เท่านั้นที่สามารถระบุลักษณะเฉพาะของส่วนโค้งเหล่านี้ได้ บทความ 690 ของรหัสการติดตั้งระบบไฟฟ้าแห่งชาติ (NEC) กำหนดข้อกำหนดด้านการป้องกันส่วนโค้งผิดปกติในระบบพลังงานแสงอาทิตย์อย่างชัดเจนสำหรับระบบหลายประเภท

ทีมงานภาคสนามมักพบผลที่ตามมาหลังจากฉนวนหุ้มลวดถูกเผาไหม้ดำเสียแล้ว การถ่ายภาพความร้อนระหว่างขั้นตอนการส่งมอบระบบช่วยได้ แต่การป้องกันย่อมเหนือกว่าการตรวจจับ การระบุเบรกเกอร์วงจรพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีระบบ AFCI แบบบูรณาการไว้ภายใน จะย้ายจุดป้องกันไปยังแหล่งกำเนิดของส่วนโค้ง แทนที่จะพึ่งสวิตช์หลักที่อยู่ไกลออกไปในการตรวจจับกระแสไฟฟ้าขนาดเล็กแต่คงที่ ซึ่งไม่เคยสูงพอที่จะทำให้เบรกเกอร์ตัดวงจร

การวิเคราะห์เชิงเทคนิคและมาตรฐานสำหรับเบรกเกอร์วงจรพลังงานแสงอาทิตย์

การระบุอุปกรณ์ที่เหมาะสมหมายถึงการอ่านค่าทางไฟฟ้าควบคู่ไปกับมาตรฐานที่เกี่ยวข้องร่วมกัน

ค่าแรงดันกระแสตรง (DC Rating) ปัจจัย 1.56 และตรรกะของระบบ AFCI

การเตรียมที่เหมาะสม เซอร์กิตเบรกเกอร์พลังงานแสงอาทิตย์ มีค่าแรงดันกระแสตรง (DC) สูงกว่าแรงดันสูงสุดที่อาจเกิดขึ้นในสายโซ่ ไม่ใช่ค่าแรงดันระบุตามปกติ โดยการออกแบบส่วนใหญ่จะใช้ปัจจัยความปลอดภัยเท่ากับ 1.56 ต่อแรงดันวงจรเปิด เพื่อรองรับการเพิ่มขึ้นของแรงดันเมื่ออุณหภูมิต่ำ หน่วยงานสมัยใหม่ฝังระบบตรวจจับการลัดวงจรแบบอาร์ค (AFCI) ซึ่งวิเคราะห์รูปคลื่นกระแสไฟฟ้า ตรวจจับสัญญาณผิดปกติที่บ่งชี้ถึงการเกิดอาร์ค และตัดวงจรภายในไม่กี่มิลลิวินาที หน่วยงานฮงซิน เอไอโอที (Hongxin AIOT) ระบุค่าความสามารถในการตัดกระแสตรง (DC breaking capacity) ที่กำหนดไว้และเวลาตอบสนองของระบบ AFCI อย่างชัดเจน เพื่อให้วิศวกรออกแบบสามารถตรวจสอบระยะสำรองได้อย่างแม่นยำ

IEC 62109, IEC 60947-2, NEC 690, UL 1741

มีมาตรฐานอ้างอิงหลักสี่ฉบับที่มีบทบาทสำคัญต่อการกำหนดข้อกำหนด ได้แก่ IEC 62109 ซึ่งครอบคลุมด้านความปลอดภัยของอุปกรณ์แปลงพลังงานสำหรับระบบเซลล์แสงอาทิตย์, IEC 60947-2 ซึ่งกำหนดสมรรถนะของเบรกเกอร์สำหรับอุปกรณ์สวิตช์เกียร์แรงดันต่ำ รวมถึงเวอร์ชันที่ใช้กับกระแสตรง, ในภูมิภาคอเมริกาเหนือ UL 1741 ระบุข้อกำหนดสำหรับอินเวอร์เตอร์และอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง ขณะที่ NEC มาตรา 690 วางกฎเกณฑ์สำหรับการติดตั้ง เซอร์กิตเบรกเกอร์พลังงานแสงอาทิตย์ ผลิตภัณฑ์ที่มีวัตถุประสงค์เพื่อการส่งออกควรแสดงหลักฐานการรับรองที่เกี่ยวข้องอย่างชัดเจน แทนที่จะใช้เครื่องหมาย AC ทั่วไป

การระบุเครื่องหมายและติดตามแหล่งที่มาสำคัญไม่แพ้การทดสอบเอง การมีเอกสารที่น่าเชื่อถือแสดงรุ่นที่แน่นอน ความสามารถในการตัดกระแสตรง (DC breaking capacity) และหน่วยงานที่ออกใบรับรองอย่างชัดเจน ฮงซิน เอไอโอที จัดทำบันทึกแยกตามแต่ละล็อตสินค้า เพื่อให้สามารถตรวจสอบเบรกเกอร์วงจรไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ (PV circuit breaker) ที่ติดตั้งในประเทศใดประเทศหนึ่งได้จากแฟ้มข้อมูลเดียวกันนี้แม้ผ่านไปหลายปีแล้ว ไม่ว่าจะเพื่อการประเมินโดยบริษัทประกันภัยหรือการขายต่อ

การเลือก ตรวจสอบ และบำรุงรักษาอย่างเหมาะสม

ชิ้นส่วนที่ถูกต้องจะช่วยปกป้องระบบได้จริงก็ต่อเมื่อมีการเลือก ติดตั้ง และบำรุงรักษาด้วยวินัยอย่างเคร่งครัด

วิธีเลือกเบรกเกอร์วงจรไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ที่เหมาะสม

เลือกอุปกรณ์ให้สอดคล้องกับแรงดันกระแสตรงสูงสุดของสายสตริง (string's maximum DC voltage) และกระแสลัดวงจรของอาร์เรย์ (array's short-circuit current) จากนั้นเพิ่มค่าเผื่อ 1.56 เข้าไป ยืนยันว่ามีค่าการตัดกระแสตรงที่แท้จริง (true DC breaking rating) และสำหรับหลังคาขนาดใหญ่ ควรเลือกรุ่นที่มีระบบตรวจจับการลัดวงจรแบบอาร์ค (AFCI) ในตัว ควรซื้อจากผู้จัดจำหน่ายที่เผยแพร่รายงานผลการทดสอบอย่างเปิดเผย ฮงซิน เอไอโอที จัดเตรียมเอกสารรับรองตามมาตรฐาน IEC และ UL พร้อมกับแต่ละรุ่น เพื่อให้ทีมจัดซื้อสามารถผ่านพิธีการศุลกากรและการตรวจสอบได้อย่างราบรื่นโดยไม่ต้องปรับแก้เพิ่มเติม

การตรวจสอบที่ช่วยให้อาร์เรย์ทำงานได้อย่างปลอดภัย

ตรวจสอบกล่องรวม (combiner boxes) ทุกหกเดือนเพื่อหาสัญญาณความร้อนผิดปกติ การเปลี่ยนสี หรือการขันสกรูที่ขั้วต่อหลวม เซอร์กิตเบรกเกอร์พลังงานแสงอาทิตย์ ยังคงคลิกอย่างแน่นหนาไปยังตำแหน่งปิด (off position) ให้เปลี่ยนหน่วยใดๆ ที่ตัดวงจร (tripped) ภายใต้ภาวะผิดพลาดมากกว่าสองครั้ง เนื่องจากจุดสัมผัสภายในจะเสื่อมสภาพหลังแต่ละเหตุการณ์

จัดทำบันทึกหน้าเดียวสำหรับแต่ละอาร์เรย์ โดยระบุทุกครั้งที่ตัดวงจร อุณหภูมิและสภาพอากาศในขณะนั้น รวมทั้งค่ากระแสไฟฟ้าที่วัดได้ แนวโน้มของความถี่ในการตัดวงจรชี้ให้เห็นถึงตัวเชื่อมที่กำลังเสื่อมสภาพก่อนที่จะเกิดความล้มเหลวอย่างรุนแรงเสียอีก ตัวตัดวงจรพลังงานแสงอาทิตย์ (pv circuit breaker) ที่ตัดซ้ำๆ ภายใต้โหลดเดียวกัน จำเป็นต้องวิเคราะห์สาเหตุหลัก (root-cause analysis) ไม่ใช่เพียงแค่รีเซ็ตแล้วหวังว่าจะดีขึ้น

คำถามที่พบบ่อย

คำถาม: ตัวตัดวงจร AC แบบทั่วไปสามารถใช้ป้องกันสายโซลาร์เซลล์ (solar string) ได้หรือไม่

เบรกเกอร์แบบเอซีขนาดเล็กทั่วไปไม่สามารถตัดวงจรข้อผิดพลาดแบบดีซีได้อย่างน่าเชื่อถือ เนื่องจากกระแสตรงไม่มีจุดที่แรงดันลดลงเป็นศูนย์ตามธรรมชาติ ซึ่งช่วยดับอาร์กในกรณีของกระแสสลับ ที่แรงดัน 600 โวลต์แบบดีซี ขั้วต่ออาจหลอมติดกันจนทำให้ระบบป้องกันใช้งานไม่ได้ จึงจำเป็นต้องใช้เบรกเกอร์เฉพาะสำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีค่าการตัดวงจรแบบดีซีและห้องดับอาร์ก

คำถาม: เบรกเกอร์สำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์ควรรองรับแรงดันเท่าใด

อุปกรณ์ต้องมีค่าแรงดันสูงสุดที่มากกว่าแรงดันเปิดวงจรสูงสุดที่เป็นไปได้ของสายไฟฟ้า ไม่ใช่ค่าแรงดันระบุบนแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบนามนาฬิกา วิศวกรส่วนใหญ่จะนำค่าแรงดันเปิดวงจรที่วัดได้ในอุณหภูมิต่ำมาคูณด้วยปัจจัยความปลอดภัย 1.56 แล้วเลือกเบรกเกอร์ที่มีค่าแรงดันสูงกว่าผลลัพธ์นั้น ระยะสำรองนี้ช่วยป้องกันไม่ให้เบรกเกอร์ทำงานหนักเกินไปในช่วงเช้าฤดูหนาว ซึ่งแรงดันจะสูงสุด

คำถาม: การป้องกันอาร์ก-ฟอลต์เป็นสิ่งบังคับสำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์หรือไม่

ในหลายการติดตั้งในอเมริกาเหนือ มาตรฐาน NEC ข้อ 690 กำหนดให้มีระบบป้องกันวงจรไฟฟ้าลัดวงจรแบบอาร์คสำหรับแผงเซลล์แสงอาทิตย์บนวงจรกระแสตรงบางประเภท แม้ในกรณีที่ไม่ได้บังคับใช้โดยกฎหมาย ลอจิกของระบบ AFCI ก็สามารถตรวจจับสัญญาณกระแสไฟฟ้าที่ผิดปกติซึ่งเกิดจากขั้วต่อหลวมก่อนที่จะก่อให้เกิดประกายไฟได้ การระบุให้ใช้เบรกเกอร์วงจรพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีระบบ AFCI แบบบูรณาการไว้ภายในช่วยลดความเสี่ยงจากเพลิงไหม้บนหลังคาขนาดใหญ่หรือหลังคาที่เข้าถึงได้ยาก

คำถาม: ควรตรวจสอบเบรกเกอร์ในกล่องรวมวงจรบ่อยแค่ไหน

การตรวจสอบด้วยตาเปล่าและด้วยเทอร์มอลแคมราทุกหกเดือนสามารถตรวจพบปัญหาส่วนใหญ่ได้ตั้งแต่ระยะเริ่มต้น ให้สังเกตหาสัญญาณเช่น ตู้ที่มีอุณหภูมิสูงผิดปกติ ขั้วต่อที่เปลี่ยนสี หรือเบรกเกอร์ที่รู้สึกหลวมเมื่ออยู่ในตำแหน่งปิด ทุกเบรกเกอร์วงจรพลังงานแสงอาทิตย์ที่เคยตัดกระแสไฟฟ้าจากเหตุขัดข้องมากกว่าสองครั้งควรเปลี่ยนใหม่ เนื่องจากคอนแทคภายในจะสูญเสียความสามารถในการตัดกระแสไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพหลังจากเกิดปรากฏการณ์อาร์คซ้ำ ๆ

คำถาม: มาตรฐานใดที่รับรองว่าเบรกเกอร์วงจรพลังงานแสงอาทิตย์สอดคล้องตามข้อกำหนด

IEC 60947-2 ครอบคลุมสมรรถนะของเบรกเกอร์แรงดันต่ำ รวมถึงแบบกระแสตรง (DC) ขณะที่ IEC 62109 จัดการด้านความปลอดภัยของระบบพลังงานแสงอาทิตย์ ในสหรัฐอเมริกา มาตรฐาน UL 1741 และบทความ 690 ของ NEC มีผลบังคับใช้ ผู้จัดจำหน่ายควรให้ใบรับรองการทดสอบที่อ้างอิงมาตรฐานเหล่านี้ แทนการใช้เครื่องหมายรับรองไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ทั่วไป

คำถาม: ทำไมจึงควรเลือกผู้จัดจำหน่ายที่เผยแพร่เอกสารฉบับเต็ม

หน่วยงานศุลกากร บริษัทประกันภัย และผู้ตรวจสอบระบบไฟฟ้า ต่างเรียกร้องใบรับรองที่สามารถติดตามแหล่งที่มาได้มากขึ้นเรื่อย ๆ ผู้จัดจำหน่ายเช่น Hongxin AIOT ซึ่งเผยแพร่รายงานการทดสอบตามมาตรฐาน IEC และ UL พร้อมเบรกเกอร์วงจรพลังงานแสงอาทิตย์แต่ละตัว ช่วยให้ช่างติดตั้งผ่านการตรวจสอบโดยไม่ต้องแก้ไขงานซ้ำ และมอบบันทึกการบำรุงรักษาที่สามารถพิสูจน์ได้แก่เจ้าของโครงการปลายทาง