Lichtbogenerkennung- Normüberblick und technische Anforderungen
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LichtbogenerkennungNormüberblick und technische Anforderungen Severin Philipp, Robin Grab Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE PV-Brandsicherheit Workshop Köln, 26.01.2012 www.ise.fraunhofer.de © Fraunhofer ISE Inhalt Grundlagen Grundlagen Welche Kenngrößen hat ein Störlichtbogen? © Fraunhofer ISE Anforderungen Anforderungen Welche Verfahren zur Detektion gibt es und welchen Anforderungen unterliegen sie? Normen Normen Welche Normen und Standards gelten oder sind in Bearbeitung? © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen Normen Eigenschaften eines Lichtbogens Elektrisches Potential • Lichtbogen -> Stromleitung über eine Gasstrecke Kathodenfallraum • Spannungsfall des Lichtbogens + + + + + Bogensäule + -+ - -+-+ +-++ -++- ++ - + +-+ - ++ - Anodenfallraum +-+ + -+ - -+ +-- Übergangszonen - + UAF • Mindestspannung US UKF • Mindestspannung Kupfer ~ 12 V [angelehnt an Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen, E. Vinaricky] © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen Normen UB Eigenschaften eines Lichtbogens Temperatur EM-Feld Druck Schall Licht (Strahlung) Spannungsabfall / Stromfluss © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen Normen Eigenschaften eines Lichtbogens Strom und Spannungsverlauf 2,5 60 Strom [A] 1,5 1,0 Spannung [V] 2,0 40 20 0,5 0 Strom Spannung 0,0 0,0 0,1 0,2 Zeit [s] © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen Normen Eigenschaften eines Lichtbogens Temperatur, Druck, Schall • Lichtbogenzündung- > schneller Temperaturanstieg • schnelle Temperaturerhöhung führt zu einer Druckerhöhung • Druckerhöhung führt zu einer Schallentstehung (Bsp. Donner) • Plasmatemperaturen Vergleich: • Schaltlichtbogen (8…20) *103 K ~ • Kohlebogenlampe (4…6) * 103 K ~ © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen [Quelle: Dissertation Xiang Zhang, RWTH Aachen] Normen Eigenschaften eines Lichtbogens Licht © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen Normen Allgemeine Anforderungen • Erkennung von Störlichtbögen • Unterscheidung von Schaltlichtbögen • Einwirkung anderer Anlagenkomponenten ausschließen • Störsignale dürfen nicht zur Fehlauslösung führen © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen Normen Arten von Lichtbögen Wechselrichter PV-Generator L1 N © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen Normen Arten von Lichtbögen Wechselrichter PV-Generator L1 N © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen Normen Arten von Lichtbögen Wechselrichter PV-Generator L1 N © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen Normen Detektierungsverfahren Patente Branchen: PV, Automobilbau, Luftfahrt, Raumfahrt, … Aufteilen des Stroms (DE 101 55 796 B4) Optische Detektion (DE 10 2004 051 734 A1) Auswertung von Ultraschallschwingungen (WO 2010/072717 A1) Detektion charakteristischer Radiowellen (WO 95/25374) Veränderung im Widerstand eines Stromkreises (DE 10 2004 056 436 A1) Vergleich des EM-Feldes mit Chaos (US005185687A) Detektion von Stromeinbrüchen (US006683766B1) Detektion des Spannungsrauschens (DE 692 31 066 T 2) Stromüberwachung und DFT (EP 2 040 348 A2) © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen Normen Detektierungsverfahren Strom-/ Spannungsspektrum • Sich ändernde Plasmaeigenschaften verursachen verschiedene Frequenzen • Rosa Rauschen (1/f Rauschen) • Effekt kann in der Spannung oder im Strom nachgewiesen werden • In PV Anlagen eignet sich i.d.R. eine Strommessung besser zur Erkennung von seriellen Lichtbögen • Spannungsmessung ist wird oft zur Detektierung von parallelen Lichtbögen verwendet © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen [Quelle: David A. Dini, Underwriters Laboratories] Normen Detektierungsverfahren Verteilung Stromspektrum © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen Normen Detektierungsverfahren Verteilung Stromspektrum © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen Normen Detektierungsverfahren Verteilung Stromspektrum © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen L1 N Normen Detektierungsverfahren Verteilung Stromspektrum © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen L1 N Normen Detektierungsverfahren Verteilung Stromspektrum © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen L1 N Normen Detektierungsverfahren Verteilung Stromspektrum © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen L1 N Normen Detektierungsverfahren Stromspektrum – Zusammenfassung • Lichtbogen verursacht Rosa Rauschen • Je nach Entstehungsort wird das Signal gedämpft (Abschwächung des Signals) • Rauschen des Wechselrichters überlagert sich dem Signal • Taktfrequenz des Wechselrichters überlagert sich dem Signal • Antenneneffekte des PV-Generators oder der Leitungen können das Signal verändern • Systemkomponenten erzeugen ähnliche Signale (Lichtbogenlöschung) • -> Je nach Entstehungsort kann das Signal sehr unterschiedlich aussehen! © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen Normen Detektierungsverfahren Optische Lichtbogenerkennung • Lichtimpuls wird über eine optische Leitung (Ummantelung oder Sensierungsleiter) übertragen • Optisch-elektrischer Wandler empfängt das Signal [Quelle: Fachhochschule Nordhausen] © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen Normen Detektierungsverfahren Verteilung Optische Lichtbogenerkennung © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen Normen Detektierungsverfahren Optische Lichtbogenerkennung ][ Verteilung ][ © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen Normen Detektierungsverfahren Verteilung Optische Lichtbogenerkennung © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen Normen Detektierungsverfahren Optische Lichtbogenerkennung - Zusammenfassung • Lichtimpuls wird über einen optischen Leiter übertragen • Verbindungsstellen müssen auch mit einem optischen System versehen sein • Ummantelung der Leitungen sollte dem Standard der PV-Leitungen entsprechen (verstärkte Isolierung) • Lichtbögen in PV-Modulen können nicht erkannt werden © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen Normen Vermeidung von Lichtbögen • Hauptaugenmerk: Lichtbögen vermeiden bevor sie entstehen! • Qualität allen Komponenten • Systemauslegung / Topologie • Fachgerechte Installationsweise von ausgebildeten Kräften • Regelmäßige Inspektionen © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen Normen Entwicklungen - Produkte Quelle: www.santonswitchgear.com © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen Normen National Electrical Code • Seit Januar 2011 fordert der NEC in Artikel 690.11 eine AFCI (Arc Fault Circuit Interrupter) für PV-Anlagen • Erkennung und Unterbrechung von seriellen Lichtbögen in Leitungen, Verbinder, Modulen oder anderen Komponenten in dem DC-Kreis • Gilt für Systeme mit Systemspannungen über 80 VDC • Bei Erkennung eines Fehlers muss der Wechselrichter / Laderegler oder der betroffene Teil abgeschaltet werden • Ausführung nicht von der Leistung abhängig • Industrielle Freiflächenanlagen sind ausgeschlossen © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen Normen Underwriters Laboratories • Ul 1699B definiert Prüfungen für Lichtbogendetektoren • Enthält Prüfungen für Typ I, Typ II und kombinierte Lichtbogendetekoren • Lichtbögen werden in Klassen eingeteilt und müssen in bestimmten Zeiten abgeschaltet werden. • Prüfung von Typ I AFD erfolgt mit einem „Arc-Generator“ [Quelle: UL1699B] © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen Normen Underwriters Laboratories [Quelle: David A. Dini, Underwriters Laboratories] © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen Normen International Electrotechnical Commission • IEC TC 82 diskutiert derzeit ob Lichtbogendetektoren in Europa gefordert werden sollen • Keine Diskussionen bekannt © Fraunhofer ISE Grundlagen Anforderungen Normen Zusammenfassung und Ausblick Lichtbögen sind nach vielen unterschiedlichen Verfahren zu detektieren Um serielle und parallele Lichtbögen zu detektieren sind oft kombinierte Verfahren notwendig In der Nordamerika sind Lichtbogendetektoren für serielle Lichtbögen vorgeschrieben Europäische Normungsgremien haben noch keinerlei Forderungen für PVAnlagen Hauptaugenmerk sollte in der Vermeidung von Lichtbögen liegen Prüfprozeduren für Lichtbogendetektoren werden am Fraunhofer ISE entwickelt © Fraunhofer ISE Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Severin Philipp www.ise.fraunhofer.de [email protected] © Fraunhofer ISE
