Chạm đất một chiều trong nhà máy điện mặt trời: Những vấn đề cần quan tâm

Giải pháp giám sát, tìm kiếm sự cố chạm đất cho tủ nguồn DC220V
Giám sát điện trở cách điện, tìm kiếm sự cố chạm đất nhà máy điện

Xét thiết bị điện - điều khiển, khi nói tới nhà máy điện năng lượng mặt trời, chúng ta thường nghĩ tới solar cell/panels; solar inverters; tủ DC, trạm biến áp - hòa lưới, sóng hài điện xoay chiều của solar inverter, Scada nhà máy... mà ít khi nghĩ tới một vấn đề cũng rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp tới tính liên tục vận hành cũng như phòng chống cháy do Chạm đất một chiều (DC) gây ra.

Hiện nay, trên thế giới, các thiết kế mạng phân phối DC trong nhà máy năng lượng mặt trời (NLMT) phần lớn sử dụng mạng một chiều cách ly DC-IT (cực dương và cực âm cách ly với đất - không nối đất) do tính ưu việt của mạng DC-IT. Đây cũng là cấu hình phân phối DC220V phổ biến trong các nhà máy điện, trạm biến áp 500/220/110kV.

Ví dụ về mạng DC-IT trong nhà máy năng lượng mặt trời.

Mạng DC-IT có ưu điểm là nếu có chạm đất từ một pha dương (DC+) hay âm (DC-) của mạng DC thì hiệu điện thế giữa hai cực DC+ và DC- vẫn không bị thay đổi. Thêm nữa, do không có cực nào nối đất nên dòng chạm đất nhỏ không làm tác động, hay ảnh hưởng lớn tới hệ thống. Mạng điện vẫn có thể làm việc bình thường. Tuy nhiên, nếu sự cố chạm đất lần thứ nhất xẩy ra, ở một cực khác, khi chạm đất lần thứ nhất đã xẩy ra, thì xuất hiện dòng ngắn mạch hai cực dương - âm, dòng điện này có thể rất lớn, gây hư hỏng thiết bị và hệ thống.

Điều này dẫn đến việc đo lường giám sát điện trở cách ly của mạng DC trong nhà máy điện mặt trời là hết sức quan trọng. Việc giám sát sự cố chạm đất DC xẩy ra và nhanh chóng định vị, phân vùng được sự cố DC ảnh hưởng trực tiếp tới vận hành của nhà máy. (Lưu ý: Việc giám sát chạm đất DC không đối xứng (chạm đất một cực dương, hoặc âm) và đối xứng (chạm đất cân cả cực dương và âm - thiết bị suy giảm cách điện) đều phải được đo lường và phát hiện).

Sự cần thiết của thiết bị giám sát và tìm kiếm sự cố chạm đất một chiều

Mạng phân phối DC trong nhà máy NLMT rất rộng lớn, với mạng DC nối tiếp các nhóm tấm solar panels và song song các nhóm này tới các tủ phân phối DC tạo ra dòng DC với điện áp lớn (0...1500VDC) tới solar inverters.

Việc bảo vệ quá tải, ngắn mạch được thực hiện bởi các cầu chì hoặc Attomat một chiều trong các tủ phân phối DC. Tuy nhiên, giám sát - bảo vệ và định vị sự cố CHẠM ĐẤT lại không được chú ý hay vô tình lãng quên.

Vậy tại sao chúng ta nên đầu tư hệ thống này?

Thứ nhất: Đề đảm bảo tính liên tục cung cấp điện của nhà máy, mạng DC cách ly đất (cực dương và cực âm không nối đất) được sử dụng rộng rãi cho các nhà máy NLMT.

Ví dụ, nếu có chạm đất xẩy ra tại dây dương, hoặc âm thì dòng chạm đất này cũng rất nhỏ do không có đường chạy vệ cực âm, hoặc dương (vì cả hai cực này đều cách ly với đất) -> mạng điện DC của nhà máy vẫn làm việc bình thường kể cả khi có chạm đất (tránh được rủi ro chập cháy khi có chạm đất lần thứ 1 xẩy ra). Tuy nhiên, nó không tránh được rủi ro chập cháy khi có chạm đất thứ 2 xẩy ra tiếp theo ở một cực khác. (Ví dụ đang có chạm đất dây dương, có thêm chạm đất tiếp theo là dây âm) thì sẽ xuất hiện dòng chạy từ dây dương sang dây âm (ngắn mạch).

Mặt khác, cần thiết phải đầu tư hệ thống bởi chúng ta cần thiết bị giám sát liên tục và cảnh báo chạm đất của mạng DC, khi có sự cố chạm đất lần 1 xẩy ra, cần có cảnh báo và tìm kiếm, phân vùng, loại trừ cách ly và sửa chữa điểm chạm đất này.

Một số tiêu chuẩn quốc tế liên quan:

Thứ hai: Cánh đồng Solar panel của nhà máy là Rộng Lớn và chịu tác động trực tiếp của môi trường: mưa, gió, bão, bụi - ẩm, côn trùng, chim, động vật gặm nhấm... Điều này làm nguy cơ chạm đất mạng DC luôn hiện hữu và việc xác định vị trí chạm đất tại đâu trong nhà máy luôn là bài toán RẤT ĐAU ĐẦU và khó khăn. Mỗi khi phát hiện có chạm đất DC lần thứ nhất xẩy ra, thường thì phải dừng Inverter của phân nhánh đó (công suất Inverter phổ biến từ 1 đến 2MW) để phân vùng, tìm kiếm và khắc phục sự cố chạm đất trên một không gian rộng lớn, thời gian này có thể tới vài ngày.

Vậy nên, giải pháp tìm kiếm và định vị sự cố chạm đất Online cùng với hệ giám sát thông số và trạng thái các tủ phân phối DC số là yêu cầu thiết thực mạng lại hiệu quả kinh tế cao trong quá trình vận hành thực tế tại nhà máy năng lượng mặt trời.

Để thấy rõ hơn về lợi ích của giải pháp tìm kiếm và định vị sự cố chạm đất Online, chúng ta đi vào một ví dụ cụ thể sau:

Trường hợp: một nhà máy năng lượng mặt trời công suất 50MW, có 20 Central Inverter công suất 1500VDC-2.5MW, mỗi Central Inverter này có 10 đầu ra, mỗi đầu ra tới một tủ DC-Box với một đầu vào và 24 đầu ra, mỗi đầu ra này tới một chuỗi các tấm pin năng lượng mặt trời (28-32 solar panels) nối tiếp nhau.

Giả sử khi có một sự cố chạm đất DC tại một Central Inverter, có một số giả thiết sau:

1/ Hệ thống DC chưa có role bảo vệ chạm đất: Hết sức nguy hiểm, hệ thống vẫn làm việc bình thường mà không ai lưu tâm. Sự cố chạm đất lần hai xẩy ra, tai nạn sẽ là không lường trước.

2/ Hệ thống DC có cầu chì bảo vệ chạm đất, khi có chạm đất, dòng chạm đất tác động cầu chì báo hiệu chạm đất.

- Cách bảo vệ chạm đất này có trường hợp xấu xẩy ra là nếu dòng chạm đất không đủ lớn để tác động cầu chì. Ví dụ 3A <5A thì chạm đất không được phát hiện dẫn đến nguy cơ quay về trường hợp 1 ở trên.

- Không phát hiện được chạm đất đối xứng, suy giảm chạm đất đồng đều.

3/ Hệ thống có role bảo vệ chạm đất DC điện tử, có đo lường tín hiệu điện áp DC+ và DC- với đất. Phương pháp này giám sát đo lường giá trị cách điện của toàn mạng DC, phát hiện nhanh chóng, chính xác chạm đất DC cũng như biết chạm đất tại DC+ hay DC-.

Tuy nhiên, khi có chạm đất xẩy ra, việc phân vùng, định vị và khắc phục sự cố chạm đất DC phải thực hiện bằng phương pháp thủ công. Phân vùng bằng cách đóng, ngắt từng Attomat hay cầu chì cho từng lộ ra của tủ Central Inverter tiếp đến là từng lộ ra của tủ DC-Box.

Việc đóng cắt này ảnh hưởng tới công suất đầu ra của Inverter, của nhà máy do có thể phải thực hiện việc dừng hẳn Inverter 2.5MW trước khi thực hiện việc tìm kiếm và xử lý lỗi chạm đất DC. Để khắc phục điểm yếu này, Bộ tìm kiếm sự cố chạm đất cầm tay được sử dụng khi có chạm đất cũng là một biện pháp tốt.

4/ Hệ thống có role bảo vệ chạm đất DC tích hợp hệ thống định vị tìm kiếm sự cố chạm đất Online, thiết bị tìm kiếm cố định và/hoặc cầm tay, có đo lường tín hiệu điện áp DC+ và DC- với đất. Đây là phương pháp tối ưu và toàn diện mang tới nhiều ưu điểm:

Một là: MoNhanh chóng và chính xác phát hiện sự cố chạm đất, bảo vệ tốt hệ thống và đảm bảo tính liên tục cung cấp điện mạng lại hiệu quả kinh tế cho hoạt động của nhà máy. Tiếp kiệm nhân sự.

Hai là: Lưu trữ số liệu, kết nối truyền thông, phát hiện sớm và phán đoán lỗi, cũng như lên kế hoạch bảo trì hệ thống.

Đó là với trường hợp sự cố trên một Inverter, thực tế là luôn có chạm đất xẩy ra trên nhiều Inverter khác nhau cùng một thời điểm. Vậy nên giá trị mang lại của hệ thống giám sát và tìm kiếm sự cố chạm đất DC Online là rất hiệu quả.

Giới thiệu giải thiết bị Giám sát và tìm kiếm sự cố chạm đất DC cho nhà máy năng lượng mặt trời của hãng  BENDER-CHLB Đức:

Theo bảng trên, BENDER tổng quan đưa ra bốn giải pháp/thiết bị giám sát và tìm kiếm sự cố chạm đất cho các cấp độ nhà máy năng lượng mặt trời khác nhau.

1/ Với Inverter có công suất nhỏ hơn 100kW sử dụng dòng sản phẩm IsoPV425.

2/ Với Inverter có công suất tới 1MW sử dụng dòng sản phẩm IsoPV.

3/ Với Inverter có công suất lớn hơn 1MW sử dụng dòng sản phẩm IsoPV1685P.

4/ Với giải pháp tìm kiếm sự có chạm đất bằng tay, sử dụng bộ kit EDS3090PG.

Dưới đây là sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống kết hợp: giám sát và tìm kiếm sự cố Online (cố định) - tự động và bằng tay.

Đây là cấu hình hiện đại và cao cấp nhất về Giám sát, cảnh báo và tìm kiếm sự cố chạm đất Online của hãng BENDER đưa ra. Hệ thống bao gồm:

1/ Bộ giám sát và tìm kiếm sự cố chạm đất IsoPV1685 lắp đặt tại tủ DC tổng, đầu vào của các Inverters.

2/ Hệ thống định vị sự cố chạm đất lắp cố định tại các tủ phân phối DC: EDS460+W20.

3/ Bộ tìm kiếm sự cố chạm đất bằng tay EDS195P sử dụng để tìm kiếm bằng tay các chạm đất trên cánh đồng Solar panel.

4/ Tùy chọn: Bộ cảnh báo từ xa MK2430, hoặc Bộ kết nối webserver COM465IP kết nối với hệ thống cảnh báo giám sát từ xa SCADA.

Ưu điểm của giải pháp:

Một là: Nhanh chóng và chính xác phát hiện lỗi và xác định vị trí chạm đất Online không cần cắt điện.

Hai là: Phát hiện cả lỗi chạm đất đối xứng và không đỗi xứng.

Ba là: Lưu trữ và logging dữ liệu chạm đất hệ thống theo thời gian, thời tiết.

Bài viết mang tính tổng quan về sản phẩm và giải pháp, nếu bạn quan tâm xin liên hệ trực tiếp với chúng tôi để nhận được thông tin chi tiết hơn. 

KS. BÙI SỸ GIANG - GIÁM ĐỐC MES-ENGINEERING VIỆT NAM

Tài liệu tham khảo:

1/ https://www.bender.de/fileadmin/content/Products/b/e/RenewableEnergy/8/

2/ https://www.benderinc.com/solutions/renewable-energy/solar

3/ https://www.sma.de/fileadmin/Partner/Solaracademy/Downloads/EN/PV-Power%20Plants%201-Inverter_EN-123610_web.pdf