Tổng quan

Ngày nay, cùng với sự phát triển của công nghệ, hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Phía một chiều của hệ thống có thể được nối đất trực tiếp tại một cực, không nối đất hoặc nối đất ở phía AC. Hệ thống có thể cách ly hoàn toàn hoặc không cách ly giữa phía AC và DC. Các yếu tố thiết kế này ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu lỗi của hệ thống và đáp ứng hệ thống với sự cố chạm đất, làm tăng sự phức tạp trong thiết kế bảo vệ chạm đất.

Bài viết điểm qua hai cấu hình mạng nối đất DC và phương án bảo vệ, định vị lỗi chạm đất DC phổ biến hiện nay trong các nhà máy năng lượng mặt trời trên thế giới:

1. Hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng cấu hình nối đất phía DC

Cấu hình phổ biến trong các hệ thống điện năng lượng mặt trời tại Mỹ và các hệ thống điện năng lượng mặt trời thương mại hiện nay là nối đất phía một chiều và cách ly hoàn toàn với phía xoay chiều. Cấu hình này sử dụng các bộ nghịch lưu, phần lớn được nối đất một cực của phía DC thông qua một cầu chì hoặc một bộ bảo vệ quá dòng. Đầu ra của các bộ nghịch lưu sử dụng máy biến áp cách ly nhằm cách ly toàn bộ phía DC với lưới. Một số bộ nghịch lưu nhỏ có thể sử dụng các máy biến áp tần số cao trong các mạch đóng cắt DC.

Tiêu chuẩn Mỹ UL 1741 chỉ rõ yêu cầu về giá trị tối đa cho các thiết bị bảo vệ quá dòng cho các thiết bị phát hiện và cắt sự cố chạm đất trong các mạch nghịch lưu quang điện. Như ở bảng dưới đây, giá trị cài đặt phụ thuộc vào công suất của bộ nghịch lưu.

         Trước khi xây dựng lên bảng này, tiêu chuẩn không có yêu cầu về ngắt sự cố chạm đất. Những sửa đổi được bổ xung vào trong một vài trường hợp xảy ra lỗi chạm đất một pha trong hệ thống tại điện cực không nối đất dẫn đến phát sinh hồ quang giữa cáp và các thiết bị kim loại. Hồ quang trong một số trường hợp có thể phát sinh hỏa hoạn. Cài đặt các thiết bị bảo vệ quá dòng theo bảng trên thông thường có thể tránh được lỗi như vậy nhưng khó có thể tránh được các lỗi phát sinh do dòng điện rò giữa các phần tử quang điện trong hệ thống với đất. Với các bộ nghịch lưu công suất lớn, giá trị cài đặt dòng chạm đất càng lớn. Với các hệ thống pin năng lượng mặt trời công suất lớn, trong điều kiện làm việc bình thường với đủ bức xạ, vẫn có thể tồn tại dòng rò lớn hơn 1A từ thiết bị đến đất. Do đó, nếu cài đặt giá trị bảo vệ nhỏ có thể dẫn đến sự cố cắt điện ngoài ý muốn.

Hình 1. Chạm đất trên cực nối đất

        Khi xảy ra sự cố chạm đất giữa cực được nối đất và đất sẽ xuất hiện dòng điện dò chạy qua thiết bị bảo vệ quá dòng chạm đất vào đất qua dây nối đất của hệ thống. Thực tế, điện áp rơi trên cực nối đất rất nhỏ, và thông thường, trở kháng của mạch chạm đất lớn hơn so với dây dẫn nên tồn tại dòng chạy qua dây nối đất và chì bảo vệ của bộ bảo vệ chạm đất GFP không cắt. Sự tồn tại của dòng chạm đất không được phát hiện này có thể dẫn đến hiện tượng phát sinh hồ quang và hỏa hoạn khi xảy ra chạm đất ở điện cực còn lại với đất. Đây được gọi là điểm mù trong bảo vệ chạm đất với mạng cấu trúc kiểu này.

Khi xảy ra chạm đất thứ hai tại cực không nối đất, dòng chạm đất sẽ đánh thủng cầu chì của mạch bảo vệ chạm đất. Tuy nhiên dòng chạm đất vẫn tồn tại khép mạch qua vị trí chạm đất của cực được nối đất. Với các hệ thống pin năng lượng mặt trời công suất lớn trên 500kW, dòng ngắn mạch có thể lên tới 1300A, phát sinh hồ quang với nhiệt độ lên đến 2000⁰C dẫn đến nguy cơ phát sinh hỏa hoạn và phá hủy toàn bộ hệ thống.

Hình 2. Lỗi chạm đất tại điện cực không nối đất (chạm đất thứ hai)

         Như vậy với phương án bảo vệ chạm đất DC của cấu hình này là rất đơn gian và rẻ tiền, tuy nhiên tiềm ẩn lớn nguy cơ “mù chạm đất” và sự cố ngắn mạch xẩy ra.

2. Hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng cấu hình không nối đất phía DC

Cấu hình mạng IT cho hệ thống năng lượng mặt trời được sử dụng phổ biến ở châu Âu và các vùng lãnh thổ bên ngoài Mỹ. Với cấu trúc mạng IT, không một cực nào của mạng pin quang điện được nối trực tiếp với hệ thống nối đất. Do đó, điểm mù trong bảo vệ chạm đất gần như khó có thể xảy ra giống như cấu trúc mạng TN. Tuy nhiên, khi xảy ra chạm đất thứ hai ở điện cực đối lập, có thể dẫn đến ngắn mạch và phá hủy toàn bộ hệ thống.

Trong mạng IT, bảo vệ chạm đất được thực hiện trên cơ sở đo liên tục điện trở cách điện các cực so với đất. Trong điều kiện làm việc bình thường, điện trở cách điện hệ thống có thể lên đến vài trăm hoặc  vài nghìn kΩ. (Với hệ thống năng lượng mặt trời không sử dụng máy biến áp cách ly phía nghịch lưu, chuẩn DIN VDE V 0126-1-1:2006 – 01 quy định rõ, giá trị điện trở cách điện tối thiểu phải đạt mức ≥ 1kΩ/V (min.500kΩ) trước khi hệ thống được đóng vào lưới điện). Lỗi chạm đất được phát hiện khi điện trở hệ thống giảm xuống dưới mức cài đặt cho phép.

Cấu hình hiện rất phổ biến trên thế giới do nhiều ưu việt mạng lại về tính liên tục và an toàn khi có sự cố chạm đất xẩy ra. Tại Việt Nam, theo tìm hiểu của chúng tôi, cấu hình này cũng được sử dụng phổ biến.

Một trong những yêu cầu cơ bản của hệ thống mạng IT là phải đảm bảo hệ thống vẫn có thể làm việc bình thường khi xảy ra chạm đất đầu tiên mà không bỏ qua các yêu cầu an toàn cần thiết, đồng thời phải nhanh chóng cô lập được vị trí chạm đất. Để đảm bảo yêu cầu này, các mạng IT theo chuẩn IEC 60364-4-41:2005-12 và IEC 60364-7-712:2002 được sử dụng. Yêu cầu an toàn cho việc giám sát liên tục cách điện hệ thống được thực hiện bởi bộ A-Isometer Iso-PV của Bender. Thiết bị này giám sát liên tục điện trở cách điện hệ thống quang điện và đưa ra các cảnh báo sớm về thông tin cách điện của hệ thống để ngăn chặn trước khả năng gây gián đoạn hệ thống do sự cố suy giảm cách điện.

Hình 3. Nguyên lý bảo vệ chạm đất của hệ thống pin năng lượng mặt trời không nối đất.

        Trên hình 3 ta thấy điện trở cách điện của hệ thống được giám sát liên tục theo thời gian thực. Khi xảy ra chạm đất thứ nhất trên bất kỳ cực nào, hệ thống đều ghi nhận và đưa ra cảnh báo. Việc tìm kiếm sự cố chạm đất được thực hiện bởi bộ tìm kiếm sự cố chạm đất cầm tay EDS3090PG như sơ đồ nguyên lý dưới đây.

Hình 4. Sơ đồ nguyên lý hệ thống tìm kiếm sự cố chạm đất cầm tay sử dụng bộ EDS3090PG.

        Về bản chất, bộ EDS3090PG gồm một thiết bị phát xung tìm kiếm sự cố chạm đất PGH471 và bộ định vị sự cố chạm đất cầm tay EDS195P. Khi có sự cố chạm đất, người dùng có thể kết nối trực tiếp bộ PGH471 vào mạch DC của hệ thống để phát xung tìm kiếm sự cố, đồng thời sử dụng bộ EDS195P để định vị chính xác vị trí xảy ra sự cố. Việc này cho phép tìm kiếm sự cố chạm đất nhanh, chính xác mà không phải cắt điện, đảm bảo hệ thống vận hành liên tục.

Với các hệ thống pin năng lượng mặt trời công suất lớn, người dùng có thể sử dụng kết hợp định bộ định vị sự cố chạm đất tự động EDS460-DG và bộ định vị vị trí cầm tay để giảm thời gian tìm kiếm sự cố chạm đất, nâng cao hiệu quả tìm kiếm.

Hình 5. Sơ đồ nguyên lý hệ thống giám sát và tìm kiếm sự cố chạm đất cầm tay/tự động của Bender.

Các ưu điểm của hệ thống IT

• Không gây gián đoạn cung cấp điện khi xảy ra sự cố chạm đất đầu tiên.
• Tiêu chuẩn bảo vệ chống cháy cao.
• Phát hiện sớm và đưa ra biểu đồ diễn biến quá trình suy giảm cách điện hệ thống.
• Tăng cường bảo vệ an toàn cho người.
• Chỉ có dòng DC tại các module quang điện, không có các xung dòng AC.
• Hệ thống quang điện được giữ ở trạng thái sẵn sàng cao.
• Cho phép định vị, dò tìm vị trí chạm đất trong quá trình vận hành.
• Chi phí cho thời gian và con người giảm đáng kể.
• Định vị chính xác vị trí lỗi cách điện tại các module quang điện.

Về cơ bản, với hệ thống IT, chi phí đầu tư ban đầu cho thiết bị bảo vệ chạm đất cao. Tuy nhiên, hệ thống IT có ưu thế cơ bản là không xuất hiện điểm mù trong bảo vệ chạm đất như hệ thống TN. Điện trở cách điện của hệ thống được đo lường, giám sát liên tục theo thời gian thực. Sự cố chạm đất có thể dễ dàng được định vị chính xác, nhanh chóng, giảm thiểu thời gian tìm kiếm và nguy cơ dừng hệ thống ngoài ý muốn trong quá trình vận hành.

Tài liệu tham khảo

1. Renewable energy – Reliable and efficient use of the power of nature – Bender.
2. Inverter ground fault detection “Blind spot” and mitigation methods – Greg ball, Bill Brooks, Jay Johnson, Jack Flicker.
3. The ground fault protection Blind spot: A safety concert for larger photovoltaic systems in the US – A solar ABCs white paper.