אופטימיזציה של ניהול כבלים כדי להבטיח בטיחות ויעילות במערכות PV בסדר-גודל של תשתית רשת החשמל

מערכות פוטו-וולטאיות (PV) בסדר-גודל של תשתית רשת החשמל מייצרות בדרך כלל מספר מגה-וואט (MW) של חשמל ולהן תרומה חשובה לאנרגיה ירוקה ולקיימות. כל מגה-וואט דורש כ-2,900 פאנלים סולאריים הפרוסים על פני כמה דונמים של קרקע, מהפכים ובקרים ובנוסף ציוד חיבור לרשת החשמל. חיבור כל האלמנטים הללו למערכת PV יכול לדרוש קילומטרים של כבלי כוח וניטור, ועשרות אלפי רכיבי ניהול כבלים. אם אלו לא מיושמים כראוי, רכיבי כבלים וניהול כבלים יכולים להפוך פשוטו כמשמעו לחוליה החלשה המפחיתה את הנצילות, מגבילה את הזמינות, מגדילה את סכנות הבטיחות ומגדילה את עלויות ההתקנה והתפעול.

תכנון התקנות בטוחות ויעילות לניהול כבלים הוא מורכב. הוא כולל תופסני כבלים להגנה מפני קצר של כבלי הכוח, היעדר בודקי מתח להגנה על הצוות המטפל בהתקנה, אזיקוני כבלים מהדקי קצה עבור חיבורי איתות וניטור אמינים, ומחברי נעל כבל בדחיסה עבור הספקת-כוח והארקה. בנוסף, רכיבים אלה חייבים לעמוד בתקנים בינלאומיים שונים כמו תופסני כבלים החייבים לעמוד בתקן IEC 61914:2015 ‏ כדי להבטיח שהם יכולים לעמוד בפני תקלת הארקה, היעדר בודקי מתח החייבים לפעול כנדרש על ידי האגודה הלאומית להגנה מפני אש (NFPA) ותקני בטיחות UL‏ ו-CSA ודרישות כלליות עבור רכיבים סולאריים לעמידה בתנאי חוץ כפי שהוגדרו ב-IEC 61215‏ עבור התקנות PV.

מאמר זה מעניק הצצה לאלמנטים של התקנות PV בסדר-גודל של תשתית רשת החשמל תוך התמקדות ספציפית במספר הגדול של רכיבי ניהול כבלים הנדרשים, פירוט של כמה תקני בטיחות בינלאומיים קשורים וסקירת הדרישות לפעולה בסביבות קשות עם התקנה יעילה וחסכונית. במהלך הדיון מודגשים מוצרים למופת של Panduit‏.

החשיבות הגוברת של BOS‏

בהתקנות PV, מאזן המערכת (BOS) כולל כל דבר מלבד פאנלי PV, כגון כוננים, כבלים, ניהול כבלים, ממירים והתקני מערכת אחרים, בתוספת עבודה ותוכנה. ככל שטכנולוגיית פאנלי PV השתפרה, מחירי הפאנלים ירדו מהר יותר מהמחירים של רכיבי BOS. על פי ניתוח של הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה מתחדשת (IRENA‏), %‏62 מהפחתת העלויות בהתקנות PV נבעו מירידת המחירים של פאנלי וממירי PV‏^1‏.

העלויות היורדות עבור פאנלי וממירי PV הבליטו את רכיבי BOS. לפי IRENA‏, BOS‏ הוא אחוז הולך וגדל מעלות התקנות PV, שעלה מ-58% ב-2007 ל-80% ב-2017 (איור 1). באותו הזמן, הגדלת אפיק הפילוג ל-_DC‏kV‏ 1‏ ומעלה הגדילה את החשיבות של רכיבי BOS ביחס לנצילות ובטיחות המערכת. בעתיד, רכיבי BOS יהיו חשובים יותר ויותר כדי להניע הפחתת עלויות ושיפורים תפעוליים, כולל הגדלת הבטיחות והנצילות במערכות PV בסדר-גודל של תשתית רשת החשמל.

איור 1‏: אחוז עלות ההתקנה המיוחס לפאנלי PV‏ ירד תוך הגדלת החשיבות של BOS‏ במערכות PV‏. (מקור התמונה: Panduit‏)

ניהול כבלים הוא היבט קריטי של BOS במערכות PV‏ בסדר-גודל של רשת החשמל. יש לו השפעות משמעותיות על בטיחות, עלות ונצילות. תופסני כבלים הם דוגמה טובה ליתרונות של ניהול כבלים אופטימלי. הם מספקים הגנה מפני קצר עבור כבלי כוח. ללא הגנה מתאימה, הזרמים הגבוהים במהלך קצר חשמלי עלולים לחמם את המוליכים, ולהוביל לאפשרות של שריפות או התפוצצויות. זרמי קצר חשמלי מובילים גם למאמצים אלקטרו-מכניים גדולים על כבלי פילוג הכוח.

לטובת בטיחות מקסימלית, תופסני כבלים חייבים לעמוד בדרישות של IEC 61914:2015. המאמצים האלקטרו-מכניים המקסימליים במהלך אירוע קצר הם לאחר כ-5 מילי-שניות (ms‏). זה הרבה לפני 60 עד 100 מילי-שניות הנדרשות להתקני הגנת מעגלים כמו מפסקי זרם להגיב. תקן IEC 61914:2015 מגדיר משך בדיקת קצר חשמלי של 100 מילי-שניות עבור תופסני כבלים, הנקראים לפעמים מהדקי כבלים. חברת Panduit משתמשת בתוכנת סימולציה בעת תכנון תופסני הכבלים שלה ולאחר מכן בודקת אותם בתקלת קצר חשמלי חי כדי לאשר תאימות ל-IEC 61914:2015 (איור 2).

איור 2: סימולציית תוכנת ANSYS של הכוחות האלקטרו-מגנטיים על כבלים בשלבים הראשונים של קצר חשמלי. (מקור התמונה: Panduit‏)

ה-IEC 61914:2015 עוסק יותר מאשר הגנה מפני קצר חשמלי; הוא כולל הוראות עבור:

• דירוג טמפרטורה
• חסינות מפני התפשטות להבה
• חסינות לקורוזיה
• בדיקת עומס אקסיאלי
• בדיקת עומס רוחבי
• עמידות למכות
• חסינות UV

תופסני הכבלים Trefoil‏ של Panduit מיוצרים מפלב"ם 316L, הנקרא גם פלב"ם בדירוג ספנות, עם דגמים המתאימים לכבלים בקטרים של 20 עד 69 מילימטרים (מ"מ). לדוגמה, דגם CCSSTR6269-X יכול לטפל בקוטרי כבלים של 62 עד 69 מ"מ. ניתן להתקין תופסני כבלים אלו לאחר פריסת הכבל באמצעות תושבת הרכבה של Panduit או לפני פריסת הכבל על ידי התקנת התופסן ישירות על מגש הכבלים דרך חור קיבוע באמצעות בורג M8 (איור 3).

איור 3: כפי שהוצג לעיל, ניתן להתקין את תופסני הכבלים Trefoil של Panduit באמצעות תושבת הרכבה. (מקור התמונה: Panduit‏)

המורכבות של הכוחות האלקטרו-מכניים במהלך קצר חשמלי ודרישות הביצועים המחמירות של IEC 61914:2015 הופכים את זיהוי מהדק הכבל הנדרש לתרגיל מתמטי מכביד. חברת Panduit מציעה את אפליקציית Cable Cleat kAlculator הממליצה על פתרונות קצר חשמלי בתקן IEC 61914:2015 מתוך למעלה מ-60 מוצרי תופסני כבלים של Panduit כדי להאיץ את תהליך הבחירה. השימוש באפליקציית kAlculator‏ מצמצם את בחירת מהדק הכבלים לתהליך פשוט בן שלושה שלבים:

1. בחירת פריסת הכבל.
2. הזנת קוטר הכבל.
3. הזנת שיא זרם קצר.

האפליקציה מספקת המלצות על רכיבים ומרווחים.

הספקת-כוח והארקה

בנוסף למהדקי כבלים עבור כבלי כוח והארקה, התקנות PV בסדר-גודל של תשתית רשת החשמל דורשות חיבוריות כוח והארקה. מחברי נעל כבל בדחיסה מנחושת יכולים לספק חיבוריות יעילה, ו-Panduit מציעה את נעלי הכבל בדחיסה מנחושת היחידים העומדים בדרישות מערכות בניית ציוד רשת (NEBS‏) Level 3‏ כפי שנבדקו על ידי Telcordia Technologies‏. עמידה ב- NEBS Level 3 מבטיחה למשתמשים שמחברי דחיסה Pan-Lug‏ יכולים לספק ביצועים אמינים ביישומים כמו PV בסדר-גודל של תשתית רשת החשמל הדורשים הפרעות שירות מינימליות למשך חיי הציוד.

המתכננים של התקנות PV בסדר-גודל של תשתית רשת החשמל יכולים להשתמש במחברי קנה סטנדרטיים עם שני חורים ומוליך גמיש של Panduit, שניתן להשתמש בהם עם מוליכי נחושת שזורים גמישים ואקסטרה-גמישים המספקים חיבוריות כוח והארקה יעילה ואמינה. לדוגמה, דגם LCDX1/0-14B-X מדורג לשימוש עם כבלים בגודל American Wire Gauge‏ (AWG‏) 1‏# ויש לו שני חורי יתדות של 0.25 אינץ' במרווח של 0.75 אינץ' (איור 4). המאפיינים המשותפים לכל מחברי הדחיסה Pan-Lug כוללים:

• הרשאת UL‏ והרשאת CSA‏ של kV‏ 35‏ עם דירוג טמפרטורה של C‏°‏90‏+.
• קצוות קנה משופעים פנימיים מפשטים את תחיבת המוליך.
• חלון בדיקה כדי להבטיח תחיבה מלאה.
• גוף נחושת טהורה 99.9% עם ציפוי בדיל למניעת קורוזיה.

איור 4‏: נעלי כבל בדחיסה כדוגמת זה יכולים לשמש עבור חיבוריות כוח והארקה במערכות PV‏ בסדר-גודל של תשתית רשת החשמל. (מקור התמונה: Panduit‏)

מהדקים ואזיקונים

בנוסף לכבלי כוח, התקנות PV בסדר-גודל של תשתית רשת החשמל יכולות לכלול קילומטרים של חיווט עבור פונקציות בקרה וניטור. אם הם אינם מוגדרים ומותקנים כראוי, תופסני הכבלים והאזיקונים המשמשים לניהול הכבלים עלולים להקטין את אמינות המערכת ולהגדיל את עלויות ההתקנה והתפעול. מהדקי כבלים לשימוש כללי אינם מתוכננים עבור חשיפה ארוכת טווח לאור השמש ולתנאי מזג אוויר בחוץ. אם משתמשים בהם בהתקנות PV, מהדקי פלסטיק לשימוש כללי שאינם חסיני אולטרה-סגול (UV) עלולים להפוך לשבירים ולדרוש החלפה באופן סדיר. כמו כן, חשיפה למלח עלולה לגרום לקורוזיה במהדקי מתכת ולפגוע בקצוות המגולוונים של לוחות PV. בשני המקרים, עלויות התחזוקה עלולות לעלות באופן משמעותי, והאמינות עלולה להיפגע.

במקום להשתמש במהדקים ואזיקונים לשימוש כללי, מתכנני מערכות PV יכולים להשתמש באזיקוני כבלים עם מהדק קצה כמו דגם CMSA12-2S-C300‏ של Panduit העשוי ניילון 6.6 חסין מזג-אוויר מיוצב-בחום ומהדקי מתכת עם ציפוי אבץ הנבדקים לתקני IEC 61215 עבור התקנות PV בחוץ (איור 5). מאפיינים נוספים כוללים:

• דירוג דליקות UL94V-2‏.
• מדורג לפעולה רצופה מ-60°C- עד 115°C+.
• עומדים בדרישות הגנה מפני אש EN45545-2 בהתאם לקריטריונים של סיווגים R22:HL3‏ ו-R23:HL3‏.
• תוחלת חיים תחת UV של 7 עד 9 שנים.

איור 5: אזיקון כבלים עם מהדק קצה זה עשוי ניילון 6.6 חסין מזג-אוויר ומהדק פלדה מצופה אבץ כדי להבטיח אמינות גבוהה בתנאי חוץ קשים. (מקור התמונה: Panduit‏)

אזיקוני כבלים עם מהדק קצה אלו מאפשרים הרכבת צמות חיווט ללא הדבקה או קידוח. הן מורכבות-מראש עם אזיקון כבלים ומהדק הניתן להרכבה על קצות פאנלים בעובי של 0.7 מילימטר (מ"מ) עד 3 מ"מ, בתלות בדגם. מהדק המתכת מעניק אחיזה בטוחה וניתן להתקין אותו ביד ללא צורך בכלים.

הם מתוכננים עבור התקנה מהירה. בהשוואה לאזיקון רוכסן מסורתי היכול לקחת כ-21 שניות להתקנה, ניתן להתקין מהדקי קצה אלו תוך 11 שניות, ובכך לחסוך 10 שניות לכל מהדק. זה מצטבר. בהתקנת PV טיפוסית בסדר-גודל של תשתית רשת החשמל, עם 2,900 פאנלי PV לכל MW ושלושה מהדקים לכל פאנל, החיסכון בעבודה יכול להגיע עד 24.17 שעות, או 47% (50.75 שעות להתקנת אזיקוני רוכסן קונבנציונליים לעומת 26.58 שעות להתקנת מהדקי קצה כבל סולרי של Panduit‏) (איור 6).

איור 6: שימוש במהדקי כבלים סולאריים יכול לקצר את זמן ההתקנה ב-47%. (מקור התמונה: Panduit‏)

תחזוקת מערכת PV‏ בסדר-גודל של רשת החשמל

בעת ביצוע תחזוקה של מתקני PV בסדר-גודל של רשת החשמל, במיוחד התחזוקה של כבלי פילוג הכוח, נדרשת על פי תקנות הבטיחות בדיקת וידוא מתח כדי לוודא היעדר מתחים מסוכנים. לדוגמה, תקנת האגודה הלאומית להגנה מפני אש (NFPA‏) NFPA-70E‏ מחייבת וידוא היעדר מתחים גבוהים בתוך ארונות הציוד לפני שצוות התחזוקה יוכל לבצע עבודה כלשהי בתוך הארון. בדיקת היעדר מתח (AVT) באמצעות מכשירי בדיקה נישאים-ביד היא מסובכת, עמוסה באי-דיוקים אפשריים וגוזלת זמן. ה-VeriSafe AVT‏ של Panduit מספק פתרון אוטומטי הבודק מתחים מסוכנים בתוך ארונות ציוד לפני פתיחת הדלת. שימוש בפתרון בדיקה אוטומטי מניב מספר יתרונות, כולל:

• האמינות משפרת את הבטיחות ומפחיתה סיכונים.
• הפשטות מגבירה את הפרודוקטיביות ומבטיחה עמידה בתקנות הבטיחות.
• הגמישות משפרת את המימוש.

ה-VeriSafe AVT, כמו דגם VS-AVT-C02-L03‏, מורכב ממספר אלמנטים, כולל מודול בידוד המותקן בתוך המארז ומחבר מוליכי חיישן יתירים לאזורי מתח גבוה, כמו גם קווי נקודת אפס (Neutral‏) והארקה. מודול הבידוד מתחבר בצורה מאובטחת למודול מחוון מוזן-סוללות הנראה לעין כאשר דלת המארז סגורה והכבלים מחברים את שני המודולים (איור 7).

איור 7: מערכת AVT מורכבת מכבל מערכת (משמאל), מודול מחוון (במרכז), ומודול בידוד עם מוליכי חיישן (מימין).  (מקור התמונה: Panduit‏)

כאשר מתחילים בדיקה באמצעות מערכת VeriSafe AVT, כפתור הבדיקה במודול המחוון נלחץ, והמערכת מבצעת בדיקה-עצמית. נורות LED אדום ונקודות עצירת בדיקה נותנות חיווי על תקלות בבדיקה-העצמית. אם הבדיקה-העצמית עברה, מודול הבידוד בודק תקלות מתחים והארקה. בשלב האחרון הוא ה-AVT מבצע בדיקה-עצמית שנייה. רק אם הבדיקה-העצמית השנייה תעבור ולא קיים מתח, ה-AVT ייתן חיווי לאנשי הצוות שהארון בטוח וניתן לפתוח אותו ולעבוד על המערכת.

סיכום

רכיבי BOS אחראים לאחוז הולך וגדל מהעלות של התקנות PV בסדר-גודל של תשתית רשת החשמל. ניהול כבלים הוא היבט חשוב של תכנון BOS, והבחירה של מהדקי כבלים ממוטבים, נעלי כבל למתח והארקה, ואזיקוני כבלים עם מהדק קצה יכולים לשפר משמעותית את הפעולה והבטיחות של התקנות אלו. התוספת של בדיקת היעדר מתח אוטומטית תומכת בפעילויות תחזוקה שוטפות, משפרת את הבטיחות ומקטינה את עלויות התפעול.

מקורות:

1. עלויות ייצור חשמל ממקורות מתחדשים בשנת 2019, הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה מתחדשת