บริษัท EPC โซลาร์ลดความผิดพลาดฝั่ง DC 45% ด้วย MCB SWM100 ได้อย่างไร

ภูมิหลังลูกค้า

ผู้รับเหมา EPC ด้านพลังงานแสงอาทิตย์ระดับภูมิภาคที่ตั้งอยู่ในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ บริหารจัดการระบบโฟโตโวลตาอิก (PV) บนหลังคาเชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรมจำนวน 17 แห่ง ขนาดตั้งแต่ 500 kW ถึง 2.4 MW บริษัทยังให้บริการด้านการดำเนินงานและซ่อมบำรุง (O&M) สำหรับโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ที่เป็นของบุคคลภายนอกอีกสี่แห่ง ด้วยโมดูล PV มากกว่า 38,000 โมดูลที่อยู่ในความดูแล ทีมวิศวกรรมของบริษัทมุ่งเน้นเรื่องความพร้อมใช้งานของอินเวอร์เตอร์มานาน แต่เริ่มพบความเสียหายจำนวนเพิ่มขึ้นทางฝั่ง DC — ภายในกล่องรวมสตริงและอุปกรณ์ป้องกันระดับสตริง

สัญญาบริการของบริษัทมีข้อกำหนดรับประกันเวลาการทำงานที่เข้มงวด ทุกครั้งที่ระบบฝั่ง DC หยุดทำงานโดยไม่ได้วางแผน จะกระตุ้นข้อกำหนดค่าปรับและทำให้การเจรจาต่อสัญญามีความเสี่ยง ภายในต้นปี 2024 ความผิดพร่องที่เกี่ยวกับ DC คิดเป็น 60% ของการเรียกช่างเข้าพื้นที่ทั้งหมด ผู้อำนวยการฝ่ายปฏิบัติการ ซึ่งมีประสบการณ์ 12 ปีในด้านการบริหารสินทรัพย์ PV อธิบายสถานการณ์นี้ว่าเป็น “การรั่วไหลของความน่าเชื่อถือแบบเงียบๆ” ที่กัดกร่อนทั้งกำไรและความไว้วางใจของลูกค้าอย่างต่อเนื่อง

ความท้าทายและจุดที่เป็นปัญหา

โรงไฟฟ้าส่วนใหญ่ที่ได้รับผลกระทบถูกทดสอบเดินระบบระหว่างปี 2018 ถึง 2021 โดยใช้เบรกเกอร์ขนาดเล็กพิกัด AC สำหรับป้องกันสตริง DC ซึ่งเป็นทางลัดที่พบเห็นได้ทั่วไปในตลาดพลังงานแสงอาทิตย์ที่เติบโตของภูมิภาค ภายใต้โหลดปกติ เบรกเกอร์เหล่านี้ทำงานได้อย่างเพียงพอ แต่ในช่วงที่มีแสงน้อยหรือถูกเงาบังบางส่วน ระดับแรงดันของสตริงอาจสูงเกิน 600 V และเบรกเกอร์ก็ตัดวงจรโดยไม่มีความผิดพร่องจริง ทุกครั้งที่เกิดความผิดพร่องจากอาร์ก DC จริง เบรกเกอร์จะตัดวงจรได้ช้า และในสองกรณีหน้าสัมผัสเชื่อมติดกัน ทำให้มีกระแสผิดพร่องต่อเนื่องเป็นเวลานานซึ่งสร้างความเสียหายให้กับกล่องรวมสตริงและสายไฟที่อยู่ข้างเคียง

หลังจากเหตุการณ์เหล่านั้น บริษัท EPC ได้เปลี่ยนไปใช้ MCB ฝั่ง DC ราคาถูกที่นำเข้าจากผู้จัดจำหน่ายในภูมิภาค วิธีนี้แก้ปัญหาหน้าสัมผัสเชื่อมติดได้ แต่กลับนำปัญหาชุดใหม่ตามมา นั่นคือการตัดวงจรผิดพลาดที่เกิดจากความไวต่อความร้อนภายใต้อุณหภูมิสภาพแวดล้อมสูง (เกิน 40 °C) และอัตราความเสียหายสูงระหว่างการทดสอบความต้านทานฉนวน ภายในหกเดือน ทีมงานเปลี่ยนเบรกเกอร์ที่เสียหาย 23 ตัวทั่วทั้งระบบ อะไหล่และค่าแรงเดินทางเพิ่มต้นทุนการดำเนินงาน 14,000 ดอลลาร์ ขณะที่พลังงานที่ผลิตไม่ได้จากการหยุดทำงานเป็นเวลานานทำให้ผลกระทบทางการเงินโดยรวมสูงเกิน 32,000 ดอลลาร์

ปัญหาทางเทคนิคหลักชัดเจนว่า เบรกเกอร์ DC มาตรฐานไม่มีความสามารถในการดับอาร์กหรือคุณสมบัติการลดพิกัดตามอุณหภูมิที่จำเป็นสำหรับการทำงานกลางแจ้งอย่างต่อเนื่องในสภาพอากาศเขตร้อน บริษัทต้องการอุปกรณ์ที่สามารถรับมือกับพลวัตของอาร์ก DC และการสับเปลี่ยนหลายครั้งซ้ำๆ ได้โดยไม่เสื่อมสภาพ

ทำไมต้อง SWM100 MCB?

ทีมวิศวกรรมประเมินทางเลือกสามแนวทางในช่วงต้นปี 2024 ได้แก่ การอัปเกรดไปใช้เบรกเกอร์ DC อุตสาหกรรมพิกัดสูงขึ้นจากแบรนด์ยุโรป การเพิ่มการป้องกันสตริงด้วยฟิวส์ หรือการนำ MCB รุ่น SWM100 ของ SINGI มาใช้ โซลูชันจากยุโรปให้สมรรถนะที่แข็งแกร่ง แต่มีต้นทุนต่อหน่วยสูงกว่า 2.5 เท่า และมีระยะเวลารอของ 14 สัปดาห์ ซึ่งช้าเกินไปสำหรับช่วงเวลาซ่อมบำรุงที่กำลังจะมาถึงของบริษัท

MCB รุ่น SWM100 ของ SINGI โดดเด่นด้วยเหตุผลสามประการ ประการแรก มันถูกออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับงานกระแสตรงสูงสุด 100 A ต่อขั้ว และมีพิกัดระดับแรงดันระบบสูงสุด 1000 V DC ซึ่งสอดคล้องกับการกำหนดค่าสตริงทั่วทั้งระบบของบริษัท ประการที่สอง การออกแบบดับอาร์กของมันใช้ชุดแผ่นแยกอาร์ก (splitter plate) และสนามเป่าแม่เหล็กที่ปรับให้เหมาะสม ซึ่งเป็นการกำหนดค่าที่ผ่านการตรวจสอบในการศึกษาจำลองอาร์กสำหรับ MCB ฝั่ง DC รายละเอียดทางวิศวกรรมนี้ทำให้ทีมมั่นใจในความสามารถในการตัดความผิดพร่อง ซึ่งเป็นสิ่งที่เบรกเกอร์ราคาถูกก่อนหน้านี้ขาดไป ประการที่สาม MCB รุ่น SWM100 ผ่านมาตรฐานทั้ง IEC 60947-2 และ IEC 60898-2 ครอบคลุมทั้งการจ่ายพลังงานอุตสาหกรรมและการติดตั้งระบบ PV

การทดสอบภาคสนามก็มีส่วนทำให้ตัดสินใจได้เช่นกัน บริษัท EPC ติดตั้งเครื่อง SWM100 จำนวนแปดเครื่องในโรงไฟฟ้าบนหลังคาขนาด 1.2 MW ที่ทราบกันดีว่ามีการสัมผัสความร้อนสูง หลังการเฝ้าติดตามอย่างต่อเนื่องเป็นเวลาแปดสัปดาห์ เบรกเกอร์ไม่แสดงการตัดวงจรผิดพลาดเลย และค่าความต้านทานหน้าสัมผัสคงที่อยู่ที่น้อยกว่า 150 µΩ ซึ่งดีขึ้นอย่างชัดเจนเมื่อเทียบกับค่าปกติ 280 µΩ ของผลิตภัณฑ์ในภูมิภาคหลังจากสี่สัปดาห์

กระบวนการนำไปใช้และการประยุกต์ใช้

การเปิดตัวเริ่มขึ้นในเดือนมีนาคม 2024 และใช้เวลา 11 สัปดาห์ โครงการมีสี่ขั้นตอนสำคัญ:

• การตรวจสอบหน้างานและการทำแผนผังสตริง: สำหรับแต่ละโรงงาน ทีมงานวัดแรงดันวงจรเปิด กระแสไฟฟ้าลัดวงจร ความยาวสายไฟ และโปรไฟล์อุณหภูมิแวดล้อมที่กล่องรวมสาย ข้อมูลนี้ใช้ในการเลือกรูปแบบขั้วและเส้นโค้งการตัดวงจรของ SWM100 ให้ถูกต้อง
• ตารางการเปลี่ยนอุปกรณ์แบบควบคุม: การเปลี่ยนอุปกรณ์ถูกกำหนดเวลาให้ตรงกับการซ่อมบำรุงอินเวอร์เตอร์ตามแผน เพื่อหลีกเลี่ยงการหยุดทำงานเพิ่มเติม โดยเฉลี่ยกล่องรวมสายแต่ละกล่องใช้เวลา 45 นาทีในการเปลี่ยน รวมการตรวจสอบแรงบิดและการตรวจสอบความต้านทานฉนวน
• การตรวจสอบการลดพิกัดทางความร้อน: หกเครื่องติดตั้งเทอร์โมคัปเปิลชั่วคราวเพื่อเปรียบเทียบอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นภายในที่โหลดพิกัดกับเส้นโค้งการลดพิกัดในเอกสารข้อมูล อุณหภูมิที่วัดได้ต่ำกว่าขีดจำกัดสูงสุดที่ระบุไว้สำหรับสภาพแวดล้อม 45 °C อยู่ 9 °C
• การฝึกอบรมผู้ปฏิบัติงาน: ทีม O&M ในพื้นที่ได้รับการอบรมครึ่งวันเกี่ยวกับพฤติกรรมความผิดพร่องจากอาร์กไฟฟ้ากระแสตรงและการเลือกเบรกเกอร์ที่เหมาะสม โดยเน้นว่าเหตุใดเบรกเกอร์ไฟฟ้ากระแสสลับจึงล้มเหลวในวงจรไฟฟ้ากระแสตรง และวิธีอ่านสถานะการตัดวงจรของ SWM100 โดยไม่สัมผัสชิ้นส่วนที่มีไฟ

ความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดคือการปรับเปลี่ยนกล่องรวมสตริงรุ่นเก่าที่ใช้ระยะห่างราง DIN ที่ไม่ได้มาตรฐาน ในสองกล่อง การจัดวางบัสบาร์ที่มีอยู่ไม่อนุญาตให้ติดตั้ง SWM100 โดยไม่ต้องเจาะใหม่ ทีมงานแก้ปัญหานี้โดยใช้แผ่นอะแดปเตอร์สำเร็จรูปที่จัดหาโดยฝ่ายสนับสนุนทางเทคนิคของ SINGI ซึ่งเพิ่มระยะเวลารอหนึ่งวันแต่หลีกเลี่ยงการตัดบัสบาร์ที่มีไฟฟ้า

ผลลัพธ์การใช้งานและผลลัพธ์ที่วัดเป็นตัวเลข

เก้าเดือนหลังการติดตั้ง MCB SWM100 ครั้งแรก ผลลัพธ์สามารถวัดได้ทั่วทั้งกลุ่มติดตั้ง:

• เหตุการณ์ผิดพลาดฝั่ง DC ลดลง 45% — จากค่าเฉลี่ย 14.2 เหตุการณ์ต่อไตรมาส เหลือ 7.8 เหตุการณ์
• ค่าเดินทางเพื่อบำรุงรักษาและค่าอะไหล่ลดลง 32%ประหยัดได้ราว 21,000 ดอลลาร์ในช่วงแปดเดือนแรกหลังการอัปเกรด
• เวลาเฉลี่ยในการตัดแก้ไขความผิดพลาดดีขึ้นจาก 270 ms เป็นน้อยกว่า 60 msโดยอ้างอิงจากการบันทึกรูปคลื่นจากสองโรงงานที่มีความผิดพร่องของสตริงเกิดขึ้นระหว่างการประเมิน
• ความพร้อมใช้งานของระบบโดยรวมเพิ่มขึ้นจาก 98.6% เป็น 99.4%ซึ่งทำให้บริษัท EPC เป็นไปตามข้อรับประกันเวลาทำงานได้เป็นไตรมาสที่สี่ติดต่อกัน และขจัดค่าปรับที่อาจเกิดขึ้นได้ถึง $8,400

ประโยชน์รองคือการวิเคราะห์สาเหตุรากที่ง่ายขึ้น ด้วยการตัดวงจรโดยไม่จำเป็นที่น้อยลงและประสิทธิภาพด้านความร้อนที่เสถียร ทีมซ่อมบำรุงสามารถระบุได้อย่างมั่นใจว่าการแจ้งเตือนเกิดจากปัญหาจริงในระดับสตริง (เช่น PID ขั้วต่อเสียหาย หรือน้ำเข้า) แทนที่จะตั้งข้อสงสัยกับอุปกรณ์ป้องกันเอง

เสียงจากลูกค้า

“MCB รุ่น SWM100 เป็นเบรกเกอร์ DC ตัวแรกที่เราติดตั้งแล้วลืมมันไปเลย ช่างเทคนิคของเราไม่ต้องพกเบรกเกอร์สำรองไปทุกครั้งที่ออกให้บริการอีกต่อไป และพฤติกรรมทางความร้อนก็คงที่แม้ในตอนเที่ยงใต้แสงแดดจัด” ผู้อำนวยการฝ่ายปฏิบัติการกล่าว “ตอนแรกเราไม่แน่ใจกับแบรนด์ใหม่ แต่สมรรถนะการดับอาร์กและเอกสารรับรองมาตรฐาน IEC ทำให้การเปลี่ยนผ่านง่ายขึ้น ระยะเวลาคืนทุนจากต้นทุนต่อหน่วยที่สูงขึ้นใช้เวลาไม่ถึงห้าเดือน”

บทเรียนและข้อคิด

บทเรียนสามข้อจากโครงการนี้ใช้ได้กับองค์กรใดก็ตามที่ดำเนินงานระบบจ่ายไฟกระแสตรง:

• ห้ามใช้เบรกเกอร์พิกัด AC สำหรับวงจร DC กลไกทางกายภาพในการตัดอาร์กนั้นแตกต่างกัน ดังที่งานวิจัยด้านพลศาสตร์ของอาร์กแสดงให้เห็น อาร์กไฟฟ้ากระแสตรงมีกระแสที่คงอยู่ต่อเนื่องซึ่งต้องอาศัยการแบ่งอาร์กเชิงรุกและการเป่าแม่เหล็ก ซึ่งมีเพียง MCB ไฟฟ้ากระแสตรงที่ออกแบบมาโดยเฉพาะเท่านั้นที่ให้ได้
• เลือกเบรกเกอร์จากอุณหภูมิใช้งานจริง ไม่ใช่พิกัดในแคตตาล็อก เบรกเกอร์ไฟฟ้ากระแสตรงราคาถูกจำนวนมากขาดข้อมูลการลดพิกัดด้านความร้อนที่เพียงพอ ทำให้เกิดการตัดวงจรโดยไม่จำเป็นในสภาพอากาศอบอุ่น ควรขอเส้นโค้งการทดสอบหรือทดลองนำร่องขนาดเล็กก่อนติดตั้งทั่วทั้งกลุ่มเสมอ
• จัดทำตารางการเปลี่ยนเบรกเกอร์ในหน้าต่างการบำรุงรักษาที่วางแผนไว้ การติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันเพิ่มเติมระหว่างการดำเนินงานที่มีไฟอยู่ก่อให้เกิดความเสี่ยงที่ไม่จำเป็น การตัดสินใจของทีมในการรวมการอัปเกรด SWM100 เข้ากับการซ่อมบำรุงอินเวอร์เตอร์ช่วยลดเวลาหยุดทำงานจากการสวิตช์ลง 60% เมื่อเทียบกับโปรแกรมเปลี่ยนอุปกรณ์แบบแยกส่วน

หากต้องทำโครงการนี้ใหม่ ทีมวิศวกรรมจะยืนกรานให้ทบทวนการวัดค่าความต้านทานหน้าสัมผัสของเบรกเกอร์ที่ 500 ครั้งการทำงานเป็นส่วนหนึ่งของการนำร่อง ข้อมูลนี้ซึ่งปัจจุบันมีจากชุดแรกของเครื่อง SWM100 ให้ค่าพื้นฐานที่มีประโยชน์สำหรับการคาดการณ์พฤติกรรมเมื่อสิ้นอายุการใช้งานและการวางแผนเปลี่ยนทดแทนเชิงรุก

เอกสารอ้างอิง

• IEC 60947-2. สวิตช์เกียร์และเกียร์ควบคุมแรงดันต่ำ – ส่วนที่ 2: เครื่องตัดวงจร [S]. 2019. https://webstore.iec.ch/publication/62482
• IEC 60898-2. อุปกรณ์ไฟฟ้า – เครื่องตัดวงจรสำหรับป้องกันกระแสเกินในที่พักอาศัยและงานติดตั้งที่คล้ายกัน – ส่วนที่ 2: เครื่องตัดวงจรสำหรับการทำงานด้วยไฟฟ้ากระแสตรง [S]. 2019. https://webstore.iec.ch/publication/62493
• การศึกษาแบบจำลองกระบวนการเคลื่อนที่ของอาร์กในเบรกเกอร์ขนาดเล็ก DC https://doi.org/10.1063/5.0174184