Устойчивость к ультрафиолетовому излучению и термическое старение: два механизма деградации, определяющие срок службы фотоэлектрических кабелей

Фотоэлектрический кабель Они подвергаются воздействию солнечного света в течение всего срока эксплуатации — в системах на крыше это может означать накопление прямого излучения, превышающее 10 000 часов в течение 25-летнего расчетного срока службы системы, при этом температура поверхности на крышах, выходящих на юг, регулярно достигает 70–90 ° C в пиковые летние условия. Эти два фактора, ультрафиолетовое излучение и устойчивая повышенная температура, являются основными механизмами деградации, которые отделяют специально изготовленные фотоэлектрические кабели от наружных кабелей общего назначения, и понимание их взаимодействия помогает объяснить, почему выбор материала кабеля не является взаимозаменяемым между категориями продуктов.

УФ-излучение воздействует на полимерные цепи в изоляции и оболочке посредством фотохимического процесса, называемого фотоокислением, который расщепляет молекулярные связи и постепенно делает материал хрупким. Стандартный ПВХ, который по своей природе неустойчив к ультрафиолетовому излучению без добавления стабилизаторов, может начать растрескиваться на поверхности и повышать хрупкость в течение трех-пяти лет воздействия прямых солнечных лучей. Сшитый полиэтилен (XLPE) и, чаще всего в приложениях, связанных с фотоэлектрическими системами, сшитые соединения EVA или XLPO (сшитый полиолефин) гораздо эффективнее противостоят фотоокислению, поскольку их трехмерная полимерная сетчатая структура ограничивает подвижность цепей и обеспечивает внутреннюю устойчивость к молекулярному расщеплению под воздействием ультрафиолета. Процесс сшивания — независимо от того, достигается ли он с помощью пероксидной химии или облучения электронным лучом — также повышает номинальную рабочую температуру материала с предела 70 ° C для стандартного термопластичного полиэтилена до 90 ° C или 120 ° C для вариантов из сшитого полиэтилена, используемых в фотоэлектрических приложениях.

Термическое старение при устойчивых температурах взаимодействует с деградацией под воздействием УФ-излучения нелинейным образом: повышенная температура ускоряет реакции окисления, инициированные УФ-излучением, а это означает, что кабель при 85°C разлагается значительно быстрее, чем можно было бы предположить по сумме эффектов индивидуальной температуры и УФ-излучения. IEC 62930, международный стандарт для фотоэлектрических кабелей, решает эту проблему, требуя расширенного испытания на термическое старение при 120°C в течение 3000 часов в дополнение к испытанию на воздействие УФ-излучения — комбинированную квалификацию, которая не включена в стандарты кабелей общего назначения. Кабели, имеющие маркировку CE в соответствии с IEC 62930, прошли оба испытания с определенным сохранением удлинения при разрыве и прочности на разрыв, предоставляя объективное свидетельство долговечности соединений, которую не могут обеспечить одни только таблицы данных. Компания Anhui Zhishang Cable Technology Co., Ltd. соответствует требованиям фотоэлектрический кабель Соответствует требованиям IEC 62930, гарантируя, что характеристики соединения подтверждаются посредством испытаний, а не выводятся из спецификаций сырья.

Номинальное напряжение постоянного тока и разница между напряжением системы, напряжением холостого хода и номиналом кабеля

Одним из наиболее серьезных недоразумений при выборе кабеля фотоэлектрической системы является соотношение между номинальным напряжением постоянного тока системы, ее максимальным напряжением холостого хода в холодных условиях и номинальным напряжением самого кабеля. Эти три значения различны, и выбор кабеля, рассчитанного только на номинальное напряжение системы — без учета максимума разомкнутой цепи и скорректированного по температуре — создает состояние скрытого напряжения изоляции, которое может не привести к немедленному выходу из строя, но ускорит старение диэлектрика и может привести к пробою изоляции на годы вперед в течение срока службы системы.

В фотоэлектрической цепочке из кристаллического кремния напряжение холостого хода (Voc) каждого модуля увеличивается по мере снижения температуры элемента. Модуль с номинальным напряжением Voc 48 В при стандартных условиях испытаний (25°C) может производить до 56–58 В при -10°C, в зависимости от его температурного коэффициента напряжения (обычно от -0,3% до -0,4% на °C для кристаллического кремния). Для цепочки из 20 таких модулей это значение Voc при холодной температуре достигает 1100–1160 В — потенциально выше номинального напряжения кабеля в 1000 В, предназначенного просто для «покрытия номинального напряжения системы 1000 В». IEC 60364-7-712 и большинство национальных правил установки фотоэлектрических систем требуют, чтобы номинальное напряжение кабеля охватывало максимальное напряжение цепочки Voc при самой низкой ожидаемой температуре окружающей среды в месте установки, что для установки на высоте или в северном климате может потребоваться кабель с номинальным напряжением 1500 В даже для систем, рассчитанных на вход инвертора 1000 В.

Переход от 1000 В к 1500 В системным архитектурам в коммунальных и коммерческих фотоэлектрических системах на крышах еще больше обострил это требование. При постоянном напряжении 1500 В изоляционное напряжение диэлектрических материалов кабеля не просто на 50 % выше, чем при напряжении 1 000 В — вероятность пробоя диэлектрика является сильно нелинейной функцией напряженности поля, а разрыв между номинальным напряжением и фактическим выдерживаемым напряжением значительно сужается при более высоких рабочих потенциалах. Кабели, рассчитанные на постоянное напряжение 1500 В согласно IEC 62930, должны пройти гораздо более требовательное испытание напряжением (6000 В переменного тока или эквивалент постоянного тока), чем кабели на напряжение 1000 В, что отражает реальные различия в толщине изоляционной стенки и качестве компаунда, требуемом при более высоком уровне напряжения.

Снижение допустимой нагрузки по току в связках и проложенных в кабелепроводах фотоэлектрических кабелях

Значения токовой нагрузки, опубликованные в технических характеристиках кабелей, основаны на использовании одного кабеля в открытом воздухе при стандартной температуре окружающей среды — условиях, которые редко отражают реальную практику установки фотоэлектрических систем. На самом деле кабели фотоэлектрических цепочек обычно объединяются в группы, прокладываются через кабелепровод, прокладываются под кровельными мембранами с ограниченным потоком воздуха или прокладываются в прямом контакте друг с другом вдоль кабельных лотков на отслеживающих конструкциях. Каждое из этих условий снижает способность кабеля рассеивать тепло, повышая температуру проводника выше уровня, предусмотренного опубликованной номинальной токовой нагрузкой. Игнорирование факторов снижения номинальных характеристик приводит к тому, что температура проводника превышает непрерывный номинал изоляции, ускоряя термическое старение и увеличивая сопротивление, что, в свою очередь, еще больше повышает рабочую температуру в цикле самоусиления.

Снижение номинальных характеристик является наиболее важным фактором в типичных фотоэлектрических установках. Когда несколько кабелей, по которым протекает ток, находятся в тепловом контакте или в непосредственной близости, тепловая мощность каждого кабеля повышает температуру окружающей среды, испытываемую его соседями. В стандарте IEC 60364-5-52 предусмотрены поправочные коэффициенты группировки: два кабеля, находящихся в контакте, сохраняют примерно 80 % своей индивидуальной токовой нагрузки, четыре кабеля, сгруппированные вместе, сохраняют около 65 %, а шесть или более кабелей могут сохранять только 57 % или меньше в зависимости от геометрии. Для струнного кабеля с номиналом 25 А на открытом воздухе, который связан с пятью другими струнами с тем же уровнем тока, пониженная токовая нагрузка на каждый кабель может упасть до 14–15 А — ниже тока короткого замыкания струны в день с высокой освещенностью. В этой ситуации необходимо либо выбрать провод большего сечения, либо расположить кабели в конфигурациях, обеспечивающих адекватное термическое разделение.

Снижение номинальных характеристик при температуре окружающей среды добавляет второй корректирующий слой. Фотоэлектрические кабели на крышах в жарком климате регулярно подвергаются воздействию температуры окружающей среды 50–60°C в пространстве между поверхностью крыши и кабелем по сравнению с эталонной температурой 30°C, используемой в стандартных таблицах токовой нагрузки. Для фотокабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена и номинальной температурой проводника 90°C допуск на повышение температуры между окружающей средой и пределом проводника в этих условиях составляет всего 30–40°C по сравнению с 60°C в базовом случае, что снижает токовую нагрузку примерно до 70 % от табличного значения до применения какой-либо поправки на связывание. Zhishang Cable предоставляет рекомендации по токовой нагрузке для конкретного приложения, которые одновременно учитывают как группировку, так и температуру окружающей среды, что позволяет разработчикам систем выбирать соответствующие сечения проводников для фактических условий установки, а не полагаться на опубликованные значения на открытом воздухе, которые завышают полезную токовую мощность.

Совместимость разъемов и скрытый риск несовпадающих комбинаций фотоэлектрического кабеля и разъема

MC4 и аналогичные многоконтактные разъемы постоянного тока стали де-факто стандартным окончанием для фотоэлектрических кабелей, но предположение о том, что любой MC4-совместимый кабель и любой разъем MC4 от разных производителей можно свободно комбинировать, технически неверно, а в некоторых юрисдикциях является нарушением правил. Стандарты фотоэлектрических разъемов, включая IEC 62852 и требования IEC 62548 на системном уровне, определяют, что разъемы должны быть сертифицированы для использования с определенными диапазонами внешних диаметров кабелей и поперечными сечениями проводников, и что смешивание разъемов от разных производителей аннулирует квалификацию типовых испытаний обоих, даже если кажется, что механическое соединение установлено правильно.

Риск несовпадающих комбинаций заключается в первую очередь не в немедленном выходе из строя — смешанный разъем с механическим креплением может нормально функционировать в течение месяцев или лет. Риск заключается в ползучести контактного сопротивления: температурные циклы во время ежедневных изменений освещенности вызывают дифференциальное расширение и сжатие изоляции кабеля, проводника кабеля и контактного тела разъема, каждый из которых имеет различный коэффициент теплового расширения. В подобранной и правильно подобранной комбинации эти различия учитываются в конструкции контактов. В несовпадающей комбинации геометрия контакта может допускать микродвижения, которые постепенно увеличивают контактное сопротивление на обжатом интерфейсе, генерируя локализованное тепло, которое в конечном итоге приводит к обуглероживанию изоляции и созданию резистивного повреждения или дуги. В системах постоянного тока без перехода через нуль, который естественным образом гасит дуги переменного тока, резистивные повреждения могут поддерживать образование дуги при удивительно низких токах повреждения, что делает качество и совместимость разъемов реальным риском возгорания, а не просто проблемой нормативных требований.

Допуск на внешний диаметр кабеля также имеет большее значение для фотоэлектрических разъемов, чем для большинства других типов разъемов, поскольку уплотнение кабеля и разгрузка от натяжения зависят от плотного прилегания между корпусом разъема и оболочкой кабеля. Кабель с внешним диаметром, находящимся на нижнем конце диапазона допуска, может сидеть в разъеме, но при этом уплотнение кабеля остается недостаточно сжатым, что позволяет влаге проникать в контактную камеру — прямой путь к ухудшению сопротивления изоляции и коррозии разъема при наружной установке. Кабели, изготовленные с жесткими допусками по внешнему диаметру, с толщиной стенки оболочки, контролируемой в пределах верхнего предела диапазона спецификаций, неизменно обеспечивают лучшую целостность уплотнения во всем диапазоне размеров разъемов, совместимых с MC4. Это размерная характеристика качества, которая невидима в момент покупки, но со временем становится очевидной в статистике надежности на местах и ​​является одной из деталей конструкции, которую компания Anhui Zhishang Cable Technology Co., Ltd. контролирует как стандартный производственный параметр, а не как дополнительную спецификацию премиум-класса.

Ключевые проверки перед объединением фотоэлектрического кабеля и разъема от разных поставщиков

• Проверьте совместимость внешнего диаметра: Убедитесь, что фактический внешний диаметр кабеля (не номинальный) находится в пределах допустимого диапазона, указанного производителем разъема для этого размера разъема.
• Проверьте диапазон обжатия сечения: Каждый контакт разъема рассчитан на определенный диапазон поперечного сечения проводника; убедитесь, что проводник кабеля соответствует допустимому диапазону обжимного цилиндра без изменений.
• Подтвердите заявление о совместимости IEC 62852: Некоторые производители разъемов публикуют протестированные совместимые линейки кабелей; используйте это в качестве основного эталона, а не предполагайте, что физическое соответствие соответствует квалифицированной совместимости.
• Используйте правильный обжимной инструмент: Даже подобранные комбинации кабеля и разъема не сработают, если обжать их инструментом, не предназначенным для этого разъема; Требования к контактному сопротивлению и механическому удержанию в соответствии со стандартом IEC 62852 выполняются только при использовании утвержденных наборов инструментов и матриц.