מימוש תקני הבטיחות לזיהוי קשת חשמלית בתעשיה הסולרית

ברט נובק, טקסס אינסטרומנטס

בניגוד ליישומים חשמליים רגילים, רוב המערכות הפוטו וולטאיות (PV) הסולריות לא יכולות להכיל קשתות חשמליות. על אף שהפיתוח של טופולוגיות חלופיות, אשר בהן נעשה שימוש בטכנולוגיות של מהפכי מיקרו (micro inverter), נעשה עם מתח ישר של פחות מ-80 וולט ויציאה ישירה של מתח חילופין, הרוב המכריע של מערכות פוטו וולטאיות סולריות שקיים כיום משתמש במעגלי מתח ישר במתח גבוה המחוברים בטור, מאחר שהם מספקים עלות מצוינת לוואט. במערכות אלו משתמשים בטופולוגיה מרכזית (central topology) או בטופולוגית שרשרת (string topology) שבה לוחות פוטו וולטאיים רבים מחוברים בטור אל מהפך מתח ישר למתח חילופין (איור 1), אשר נושא 200 עד 600 וולט במערכת ביתית של לוחות סולריים. מתחים גבוהים אלו מציבים פוטנציאל לבעיות בטיחות חמורות, לרבות הלם חשמלי ושריפה. אם יש חיווט תקול או מחברים עם תקלה, עלולה להיווצר קשת חשמלית על פני קווי מתח ישר גבוה.
מצב כזה עלול להוביל לחשמול של המתקן ולגרום הלם חשמלי לכל מי שייגע בו, או לגרום לשריפה שתביא לנזק נרחב לציוד הסולרי ולרכוש. לכן נדרש גילוי של קשת חשמלית בין המהפך לבין שרשרת הלוחות הסולריים.
ככל שהשימוש בטכנולוגית האנרגיה הסולרית – הן עבור מתקנים ביתיים ומסחריים בהיקף קטן והן בתחנות כוח בהיקף גדול “בחוות סולריות” – מתפשט והולך, נוצר צורך לפתח אמצעי בטיחות שיענו על הסכנות הפוטנציאליות של יצירת קשת חשמלית במתח ישר גבוה. צורך זה הוביל את תעשיית האנרגיה הסולרית בארה”ב לפתח את התקן UL 1699B להגנה מפני תקלת קשת חשמלית במעגלים פוטו וולטאיים, על מנת להגדיל את הבטיחות האישית ולהגן על ציוד.

הדרישות העיקריות של תקן UL 1699B
תקן UL 1699B מעמיד כתנאי את הדרישות העומדות בפני חברות הפועלות בטכנולוגיה הסולרית שיכללו גילוי של קשת חשמלית במערכות פוטו וולטאיות למתח גבוה, שיש בהם מתח של 80 וולט או יותר, עד 1000 וולט, בקווי המתח הישר. השלמת הפיתוח המלא של תקן UL 1699B צפויה הייתה להיות עד סוף שנת 2012. צפוי שתקן דומה ימומש לאחר מכן באירופה. העמידה בתקן זה תעמיד ללא ספק אתגר בפני המתכננים של מהפכים, ממירים ובקרי טעינה למערכות סולריות ומפסקים ראשיים עצמאיים להגנה מפני תקלת קשת חשמלית במערכות מתח ישר.

הדרישות העיקריות של התקן למערכות גילוי קשת חשמלית כוללות:
התקן התרעה (כלומר צופר אזעקה, פנס מהבהב) כדי לאותת כאשר מצב של קשת חשמלית גורם לכיבוי המערכת. ייתכן שעל מנת לאפשר גילוי מרחוק, כמו למשל להודיע לחברת שירות על כך שאירוע של קשת חשמלית גרם לכיבוי המערכת, יהיה צורך בחיבור תקשורת קווי או אלחוטי.
מעגל בדיקה עצמית (שמופעל באופן ישיר באמצעות מתג או דרך שליטה מרחוק), שיש לו יכולת לבצע הדמיה של אירוע הופעת קשת חשמלית ולכבות את המערכת, אם הבדיקה נכשלת. הדרישה לביצוע בדיקה עצמית אוטומטית, על מנת לוודא שיחידת גילוי הקשת החשמלית פועלת כשורה, נמצאת בבחינה כדי להבטיח שהבדיקה מתבצעת באופן שגרתי.
אתחול ידני לאחר השמטה (trip) של המערכת. דרישה זו מעמידה בעיה בפני אנשי פיתוח שחייבים לאזן בין התוצאות האפשריות של אי גילוי קשת חשמלית (לדוגמה התחשמלות, שריפה והרס של הציוד) לבין העלות של גילוי שגוי של קשת חשמלית והצורך בכיבוי המערכת (שמשמעותו איבוד אספקת חשמל ועלויות גבוהות של ביקור טכנאי) במיוחד אם המערכת מותקנת באתר מרוחק.

כיצד אפשר לגלות קשת חשמלית?
זו איננה בעיה חסרת חשיבות, ולגילוי של קשת חשמלית יש צורך באלגוריתמים מורכבים וביצוע בו זמני של הערכה של מסננים מרובים, על מנת להבטיח את מניעתם של גילויים שגויים. במטרה לעצור אירועים הרסניים של קשת חשמלית (שריפה והתחשמלות), יש לנתק את המעגל החשמלי מייד לאחר הופעת הקשת החשמלית, עובדה המחייבת את ביצוע האלגוריתמים במהירות, ככל האפשר.
אירועים של קשת חשמלית גורמים לרעש ספקטרלי בחתימת החשמל הנומינלית של מהפך השרשרות על פני רוחב פס תדרים מסוים (40-100 קילו הרץ) בהשוואה למצב שבו אין קשת חשמלית במערכת (איור 2). הרעש הספקטרלי נקבע מתוך האות הספרתי המומר מהמתח הישר. דרך פשוטה לגילוי קשת חשמלית היא לקבוע עבור המערכת ערך בסיס התחלתי להספק נומינלי ולאחר מכן, לבצע מדידה כאשר רמת הרעש הספקטרלי עולה על ערך זה באופן פתאומי. עם זאת החיסרון העיקרי של גישה זו, הוא שאין אפשרות לגלות קשת חשמלית במהלך ההפעלה לפני שנקבע ערך הבסיס ההתחלתי האמור. מאחר שזו דרישה של תקן UL 1699B, יש לכלול אלגוריתם גילוי שפועל ללא מדידה של ערך הבסיס ההתחלתי נומינלי.
נוסף על כך, המהפכים למתח חילופין שנהוג להשתמש בהם בטופולוגית שרשרת של מהפכים, מפיקים תבנית רעש דומה ביותר לתבנית שנוצרת במהלך אירוע של קשת חשמלית (איור 3). לכן קשה להבדיל בין תנאי פעולה רגילים לבין אירוע של קשת חשמלית.

מעגל פשוט לגילוי קשת חשמלית
מעגל פשוט לגילוי קשת חשמלית עבור מהפך במערכת סולרית מכיל שלושה חלקים עיקריים (איור 4):
1. מעגל חזית אנלוגי (לדוגמה SM73307/73308): שנאי זרם שמודד זרם בשרשרת הלוחות, פועל כמסנן מעביר פס ומוסיף הגבר לאות.
2. לאחר מכן, ממיר מאנלוגי לספרתי (ADC) מהיר בעל רזולוציה גבוהה (למשל SM73201) דוגם את האות וממיר את המתח לאות ספרתי. לכך נדרשים רזולוציה ומהירות שמספיקים כדי לגלות אירועי קשת חשמלית. תקן UL 1699B קובע שאחרי אירוע של קשת חשמלית אמור להיפתח מתג והמערכת אמורה לכבות בתוך 2 שניות. אפשר לספק רזולוציה ומהירות מספיקים באמצעות ממיר ADC של 16 סיביות שמבצע דגימה בקצב של 250 קילו דגימות.
3. לאחר מכן, מעבד DSP (לדוגמה בקר המיקרו Piccolo F2803x) מעבד את האות הספרתי המגיע מממיר ADC. כאן נדרשת יכולת פעולה בזמן אמת, מאחר שנדרשים אלגוריתמים מורכבים לעיבוד האות הספרתי במישור התדר. אפשר להגיע לעיבוד אות מהיר ויעיל באמצעות ארכיטקטורה של 32 סיביות. על מנת לקבוע אם הופיע אירוע של קשת חשמלית מתבצע גילוי של שינויים במשרעת (אמפליטודה) (בשיא שלה) בצורה של רעש בתדירות גבוהה על קווי המתח הישר באמצעות מסננים מרובים מבוססי טנספורם פורייה מהיר (FFT).
אם מתרחש אירוע של קשת חשמלית, ממסרים בממשק החזית נפתחים על ידי יציאות אנלוגיות שמופעלות על ידי מעגל אפנון רוחב אות (PWM) והתוצאה היא ניתוק השרשרות של הלוחות הפוטו וולטאיים וכיבוי המהפך. באותה העת מופעל התקן ההתרעה אשר מספק התרעה חזותית או קולית שנתגלה אירוע של קשת חשמלית ושהמערכת כובתה. היציאות הספרתיות מספקות ממשק תקשורת אשר יוצר תקשורת עם בקר מרוחק וכן גם בדיקה עצמית מרחוק.

בדיקת היכולות של גילוי קשת חשמלית
יש צורך בציוד שיכול ליצור קשת חשמלית בתנאי מעבדה מבוקרים, על מנת לבדוק את האמינות של גילוי הקשת החשמלית בעץ פיתוח מערכת לגילוי הקשת. למעגל של מחולל קשתות חשמליות נדרש ספק כוח למתח ישר שיכול לבצע הדמיה של שרשרת הלוחות הסולריים ומתג סכין (knife switch) שמחולל קשת חשמלית על מנת לאפשר לאיש הפיתוח לבדוק את מערכת גילוי הקשת החשמלית (איור 5). על מנת לשפר את היכולת של מערכת גילוי הקשת החשמלית לגלות את הקשת, יש צורך לכוונן את אלגוריתם הגילוי. כדי להבטיח את הדיוק, יש צורך גם לקחת בחשבון גורמים סביבתיים (כמו למשל טמפרטורה ולחות).
מאחר שעל מנת להפיק את הקשת החשמלית המשמשת לבדיקה יש צורך ליצור מתחים מסוכנים (למרות שהזרם יכול להיות נמוך), יש למקם אמצעי בטיחות במקום קרוב כדי שתימנע פציעה של המשתמש ויימנע נזק של היישום הנמצא בפיתוח. אמצעי הבטיחות כוללים שימוש בנגד עומס שיכול לעמוד בהספק גבוה מ-200 וואט ומתג סכין עם ידית ארוכה שעטוף בפוליקרבונאט.

עמידה בתקן UL1699B
מאחר שהרוב המכריע של מתקני האנרגיה הסולרית הקיימים מעבירים קווי מתח ישר של יותר מ-80 וולט, על מנת לעמוד בתקן UL 1699B כאשר הוא יופעל, הם יידרשו לבצע שינויים בעזרת יחידת גילוי קשת חשמלית עצמאית פשוטה למדי (תת מערכת לגילוי קשת חשמלית ומפסק ראשי למעגל) שתוצב בין המהפך לבין שרשרת הלוחות. בניגוד לכך, במתקנים חדשים אפשר יהיה לשלב בצורה כדאית מבחינת העלות את גילוי הקשת החשמלית ואת הפונקציונליות של מהפך השרשרת באותו המעבד. בקרי המיקרו לביצועים גבוהים F2803x ו-F2806x של טקסס אינסטרומנטס מתאימים היטב ליישומים של מערכות סולריות במתח גבוה:
רמת אינטגרציה גבוהה עם קבוצת התקנים היקפיים בעלי תכונות מלאות מקטינה למינימום את כמות הרכיבים החיצוניים הנדרשים לצורך גילוי קשת חשמלית ולמעגל הניתוק.
פלטפורמת בקר המיקרו C2000 של טקסס אינסטרומנטס מציעה איזון אופטימלי של ביצועים, התקנים היקפיים וזיכרון.
הבקרים מאפשרים יעילות מרבית של המערכת על ידי כך שהם מספקים יכולת שמספיקה לביצוע משימות נוספות.

הגדלת הכדאיות עד למקסימום
יחידה אחת של גילוי קשת חשמלית שמשתמשת במעבד בעל ביצועים גבוהים יכולה לנתח שרשרות רבות בו זמנית. כך מתאפשר להקטין למינימום את מספר הרכיבים ולהפחית את עלויות המערכת תוך הקטנה של מספר נקודות הכשל האפשריות (איור 6).
אפשר להפוך את המערכות לכדאיות יותר מבחינת העלות על ידי שילוב של גילוי קשת חשמלית עם משימות עיבוד נוספות של היישום הסולרי במעבד יחיד בעל ליבה כפולה או בעל ריבוי ליבות. שילוב כזה מקטין את המורכבות של המערכת ומספק יכולת עיבוד נוספת שמאפשרת יעילות ואמינות גבוהות יותר. פלטפורמת בקר המיקרו C2000 Piccolo של טקסס אינסטרומנטס, למשל, מאפשרת מעקב אחר נקודת ההספק המרבי (MPPT) בכך שהיא מספקת ליבה נוספת (מאיץ Control Law Accelerator – CLA) אשר פועל באופן עצמאי מליבת מעבד DSP המשמשת לגילוי הקשת החשמלית, מאחר שיש לליבה זו גישה להתקנים ההיקפיים, ממיר ADC ובקר PWM, של בקר המיקרו C2000 Piccolo. האפשרות לבצע מעקב MPPT (אשר מגדיל למקסימום את הנצילות של הלוח הפוטו וולטאי) ולגלות קשתות חשמליות במעבד יחיד מוסיפה ערך רב משמעות ליישומים של מערכות סולריות.

מערכת הגילוי של קשתות חשמליות במערכות פוטו וולטאיות SM73201-Arc-Eval של טקסס אינסטרומנטס
איור 7 מציג את מערכת הגילוי של קשתות חשמליות במערכות פוטו וולטאיות SM73201-Arc-Eval של טקסס אינסטרומנטס אשר מכילה את בקר המיקרו C2000 Piccolo. מערכת הגילוי של קשתות חשמליות במערכות פוטו וולטאיות SM73201-Arc-Eval מספקת כמה תכונות חשובות אשר מאפשרות לאנשי פיתוח ליצוא מערכות גילוי אמינות לקשתות חשמליות שיש להן יכולת לזהות במדויק קשתות חשמליות מבלי להפיק גילויים חיוביים שגויים (false positive) בלתי רצויים (טבלה 1).

טופולוגיה חדשה של מהפך זעיר: אין צורך בגילוי קשת חשמלית
כפי שצוין קודם, קיימת טופולוגיה חלופית של מהפך זעיר אשר מיועדת למתקנים ביתיים (איור 8). לכל לוח פוטו וולטאי יש מהפך זעיר של עצמו ומאחר שהמתח הישר נמוך מ-80 וולט עבור כל אחד מהמהפכים הזעירים, הוא אינו נכלל במסגרת תקן UL 1699B והוא יכול לפעול בבטחה ללא גילוי קשת חשמלית. היתרון החשוב של טופולוגיה מבוססת מהפך זעיר לעומת טופולוגיה מבוססת שרשרת הם גמישות גדולה יותר, קלות ההתקנה ויכולת השדרוג.
עם זאת, למהפכים זעירים יש חסרונות בתחום העלות, כלומר, עלות ההתקנה שלהם והעלות לכל וואט המופק מהם גבוהות יותר מאשר אלו של טופולוגיות מבוססות שרשרת. כתוצאה מכך, עד שהעלות של המהפכים הזעירים תרד באופן משמעותי, הפיתוח של רוב המתקנים של מערכות סולריות (99 אחוזים מהם) ימשיך להיות בגישת השרשרת. מעבר לכך, העלות הנוספת של תאימות לתקן UL 1699B והצורך לכלול יחידת גילוי קשתות חשמליות הן מזעריות בהשוואה לעלות המערכת הכוללת. מאחר שהשימוש במהפכי שרשרת במתקנים של מערכות סולריות ימשיך במשך זמן ארוך באופן משמעותי בעתיד, יהיה על אנשי הפיתוח לקחת בחשבון את הדרישות של תקן UL 1699B בעת תכנון ציוד סולרי.

יישומים נרחבים יותר של גילוי קשתות חשמליות
אפשר להשתמש בגילוי של קשתות חשמליות בטווח של תחומים אחרים שבהם הסכנה הבטיחותית קשורה למתחים ישרים גבוהים, כמו למשל במכוניות חשמליות והייברידיות. בכלי רכב אלו נעשה שימוש במארז מצברים של 400 עד 500 וולט ובמידה משמעותית של מתח ישר גבוה. במכונית חשמלית, קווי המתח הגבוה הישר שבין המצברים הראשיים ודרגות המהפכים מהווים גורם פוטנציאלי לאסונות של שרפת מכוניות (איור 9). על ידי הכללה של מערכת לגילוי קשת חשמלית אפשר לנטר את קוו המתח הגבוה הישר ולהבטיח את הבטיחות של כלי רכב אלו שהפופולריות שלהם גוברת והולכת.
בתחומי תעשייה רבים מכירים בכך שיש צורך לשפר את הבטיחות של יישומים במתח גבוה. עם הפיתוח של תקן UL 1699B, תעשיית המערכות הסולריות מובילה את הדרך בהצגת הדרישות הכרוכות בגילוי של קשתות חשמליות. עם הפיכת שגרת הגילוי של קשתות חשמליות לעיקרון מבוסס במתקנים סולריים, אין ספק שגם תחומי תעשייה אחרים יאמצו אותה.