I detta inlägg skall vi ta upp en säkerhetsfunktion som heter ljusbågsdetektering. Den blir vanligare på marknaden och fler, både beställare och installatörer, har fått upp ögonen för funktionaliteten. Det ställs mer krav kring ökad säkerhet, speciellt med hänsyn till brandsäkerhet.

Figur 1. En ljusbåge mellan två DC-kablar.

Vad är då ljusbågsdetektering? Det är en funktion som används för att detektera ljusbågar i solcellsinstallationer. Vad är då en ljusbåge? Det är en ”blixt” (överslag eller kontinuerlig urladdning) genom luft, där den elektriska spänningen joniserat luften vilket gjort den ledande. Ljusbågsdetektering benämns ofta i engelsk litteratur som AFC (Arc Fault Current) eller AFCI (Arc Fault Current Interrupter).

På grund av solcellernas beskaffenhet att de inte går att stänga av och alltid har en spänning över sig när de är utsatta för solljus, är säkerhetsfrågan central både vid installation och drift. Om en ljusbåge sker stänger en solpanel inte av automatiskt. Det är problematiskt både vid installation, då man som installatör alltid måste vara på sin vakt och alltid behandla strängkablarna som spänningssatta. Det samma gäller vid eventuell brand då brandkåren alltid kommer se solcellsanläggningen som spänningsförande.

Om man jämför med växelspänning så går den från positiv till negativ, vanligtvis 50 gånger per sekund (50Hz). Tack vare att växelspänning naturligt passerar genom noll. Det gör att det finns en naturlig släck-mekanism då ingen energi överförs när spänningen är 0, vilket naturligt släcker en ljusbåge.

Figur 2. Växelspänning är både positiv och negativ.

Med likström är situationen annorlunda, här är spänningen konstant och alltid över noll, utan några naturliga passager genom noll. En ljusbåge kan då endast släckas med hjälp av en extern anordning/apparat.   

Figur 3. Likspänning är endast positiv (eller negativ)

Det finns olika sorters ljusbågar som kan uppstå i en solcellsinstallation. Den vanligaste orsaken är ljusbågar är dålig eller felaktig installation. Faktum är att många av felen sker på DC där felaktigt installerade kontakter samt att ej kompatibla kontakter använts (se gärna Teknikbloggens inlägg 1 som tar upp MC4 kontakter).

  • Seriell ljusbåge: Orsakas av dåliga MC4-kontakter, glapp eller kabelbrott. Vanlig orsak till brand i solcellssystem.
  • Parallell ljusbåge: Orsakas om isoleringen i både plus och minus brutits ner. Då båda ledarna ligger nära varandra är denna risk högre. Exempelvis om man skulle klippa av både plus och minuskabeln med gräsklipparen.
  • Ljusbåge mot jord: Sker mellan plus och minus till jord. I flytande system (som ej är jordade, dvs i Sverige) krävs två jordfel innan en ljusbåge kan orsakas. Sker endast ett jordfel kan det detekteras av en jordfelsbrytare eller en isolationsövervakare.

Figur 4. Olika typer av ljusbågar.

Det är också värt att understryka att ljusbågsdetektering endast är möjlig för seriella ljusbågar. För parallella ljusbågar är installationen och kabelförläggningen vital (vilket bloggen ständigt påpekar exempelvis i inlägg 4 & 8). Korrekt installation är alltid högst på dagordningen och inga tekniska åtgärder i världen ersätter det!

Vad innebär AFCI för anläggningsägaren?

För en anläggningsägare är säkerhet och driftsäkerhet grundbultar i vad som krävs av sin investering i en solcellsanläggning. För installatörer som dagligen arbetar med solenergi gäller det att ständigt vara uppdaterad på nya funktioner och tekniker samt hur de integreras i sitt erbjudande till marknaden. Ljusbågsdetektering är en sådan funktion som det inte pratas om så mycket ute på säljmötena, trots att den kan vara skillnaden mellan en fullfjädrad brand eller ett servicearbete.

Steg för steg AFCI. Se video för från Huawei (LÄNK)

  1. Växelriktaren övervakar solpanelssträngarna och läser av parametrar med mycket hög noggrannhet.
  2. Vid ett fel identifierar ljusbågsdetekteringsalgoritmen (AFCI) en ljusbåge på några hundra millisekunder.
  3. Växelriktaren stänger av strömmen i slingan enormt snabbt så fort ljusbågen är identifierad. Det släcker ljusbågen, innan någon brand brutit ut.
  4. Växelriktaren larmar via en app samt visar i vilken del av solpanelssträngen där felet identifierats
  5. Felet åtgärdas och anläggningen kan snabbt vara igång och producera solel igen

Ljusbågsdetektering är en trygghet för anläggningsägaren, oavsett om det handlar om en lantbruksinstallation, en BRF, en industrifastighet eller en villa! Tekniken är nu så bra och mogen, att den borde efterfrågas av fler och att den ställs som krav i förfrågningsunderlag och vid upphandlingar.

Tryggheten det innebär att ha ljusbågsdetektering är inte bara att sova godare på natten. Vid ett eventuellt fel kan (exempelvis Huaweis nya växelriktarserie med precision visa var ljusbågen skett och direkt skicka ett larm till anläggningsägaren och installatören).

Figur 5. Ljusbåge detekterad bakom en solcellspanel.

Vilka växelriktare/tillverkare har AFCI?

Hur fungerar det?

För alla er ”tekniknördar” som följer bloggen så kommer här ett extra avsnitt till er, där Teknikbloggen förklarar (någorlunda förenklat) hur ljusbågsdetektering fungerar i praktiken

Fourieranalys

Fourieranalys är en matematisk teori hur funktioner kan representeras eller approximeras som summor eller integraler. Det fourieranalysen ger oss som verktyg är att vi kan gå ifrån att ha en komplex signal (exempelvis DC-spänningen i en solcellsanläggning) och att man sedan kan separera den i sina beståndsdelar, där det är flera signaler sammanlagrat man ser. Dessa signaler ligger på varandra och det hela kan se väldigt komplext ut. Men med fourieranalys kan man separera signalen till dess beståndsdelar (”delsignaler”)

Låt oss ta ett juice-exempel. Om vi analyserar ett glas tropisk juice kan vi se att juicen är rödorange till färgen men inte mycket mer. Men om använder fourieranalys kan vi se att den består av apelsin, jordgubbar och kivi. Vi får en koppling mellan ”totalen” och ”beståndsdelarna”.

Det som är nyckeln i fourieranalysen är att vi utnyttjar att vi får reda på delsignalernas frekvenser. Dessa frekvenser är då väldigt karakteristiska om en ljusbåge sker. Då skickas andra frekvenser ut i kabeln som annars inte är där, dessa kan vi då med viss signalbehandling, tolka.

Figur 6. Forieranalys där summan av signalerna 100Hz, 200Hz och 300Hz visas som en komplex vågform.

Artificiell Intelligens (AI)

Inom artificiell intelligens finns ett fält som kallas maskininlärning (en: machine learning). Det är en metod som ger datorer/program möjligheten att lära sig saker från exempel. Det är en metod som också förbättras från erfarenhet (mer data). I praktiken bygger det på att man ger sin AI mängder av olika exempel på ett problem. Exempelvis om man skall klassificera om det är en hund eller en katt på en bild, ger man algoritmen mängder med exempel på katter och hundar och låter den klassificera bilderna. Då lär sig AI:n vad som skiljer en hund från en katt i allt ifrån konturer, färgkombinationer eller andra signifikanta skillnader.

Man tränar då upp algoritmen att klassificera, exempelvis i ljusbågsdetekteringsfallet är alternativen: ljusbåge eller inte ljusbåge baserat på data från fourieranalysen. Ju mer data man har samt att man hela tiden ger AI:n möjlighet att uppdatera sig blir den ständigt bättre. AI:n lär sig mönster och kombinationer och lär sig dra slutsatser från sin data. Miljontals kombinationer av mönster testat samtidigt som de många olika exemplen gör att algoritmen kan dra generella slutsatser, även för data den aldrig tidigare sett!

 Med hjälp av exempelvis tekniker inom neurala nätverk och djupinlärning har man lyckat uppnå väldigt goda resultat. Algoritmen arbetar i bakgrunden av växelriktaren och ljusbågsdetekteringen görs kontinuerligt och lokalt i växelriktaren på några hundra millisekunder (mycket snabbare än gällande standard). Det gör att ljusbågar identifieras snabbt och korrekt, utan att varna vare sig för ofta eller för sällan. AFCI är en teknik som väver in spjutspetsteknik från IT-området in i världen för förnybar energi!

Figur 7. Ett neuralt nätverk som påminner om en mänsklig hjärnas uppbyggnad.

Slutsatser

Ljusbågsdetektering är en värdefull funktion som inte kostar skjortan. Fler borde visa ett intresse för den förhöjda säkerheten ljubågsdetekteringen medför och både slutkunder, installatörer och kravställare bör efter detta blogginlägg överväga funktionaliteten i högre grad!