Wie ein Solarinstallateur DC-Stromkreisfehler mit DC-MCBs um 62 % reduziert

Ein Solar-EPC- und O&M-Auftragnehmer, der 60 MW gewerbliche Dach- und kleine Freilandanlagen in Arizona und Nevada betreibt, ersetzte in 210 Combiner-Gehäusen den sicherungsbasierten DC-Strangschutz durch Soutya DC-Miniatur-Leistungsschalter. Die störungsbedingten Ausfallzeiten sanken um 62 % und die Nachrüstung amortisierte sich in weniger als sieben Monaten.

Kundenhintergrund: Wer hat das DC-Schutz-Upgrade übernommen?

Der Kunde ist ein Solartechnik-, Beschaffungs- und Bauunternehmen mit einer eigenen Betriebs- und Wartungsabteilung. Die Mitarbeiterzahl beträgt 120. Die Flotte umfasst 60 MW in 340 kommerziellen Dachsystemen und sechs Freilandanlagen in Arizona, Nevada und Süd-Utah. Zu den Vermögenseigentümern zählen Einzelhandelsketten, Kühlhausbetreiber und zwei Stadtwerke.

Die Flottengröße wuchs in 18 Monaten um 40 %, während der Personalbestand in Betrieb und Wartung gleich blieb. Bei Serviceverträgen gilt für produktionsbeeinträchtigende Fehler ein Reaktionsfenster von 48 Stunden, bei verpassten Fenstern sind Strafen vorgesehen.

Welche Probleme verursachte der bestehende DC-Schutz?

Jeder Anschlusskasten schützte 12 bis 16 Strings mit 15-A- und 20-A-Gleichstromsicherungen. Diese Vereinbarung führte zu drei wiederkehrenden Problemen.

• Die Diagnose dauerte länger als die Reparatur.Eine durchgebrannte Sicherung sagt nichts darüber aus, welche Saite sie verursacht hat. Die Teams isolierten den gesamten Combiner und testeten dann die einzelnen Stränge einzeln mit einer Strommesszange. Die durchschnittliche Zeit zur Isolierung eines fehlerhaften Strangs betrug 74 Minuten, und bei jedem Anruf waren zwei Techniker erforderlich.
• Ersatzteile vervielfacht.Auf den Lastwagen waren zwölf Sicherungs-SKUs mitgefahren, um Spannungswerte, Amperewerte und Haltertypen abzudecken, wobei die jährlichen Ausgaben 26.400 US-Dollar betrugen.
• Die Ausfallzeiten haben sich angehäuft.String-Ausfälle führten in einem Jahr zu einem Stromausfall von 1.480 MWh in der gesamten Flotte, was bei Vertragstarifen einen Wert von rund 77.000 US-Dollar hat, und führten zu 620 außerplanmäßigen Lkw-Einsätzen zu je 310 US-Dollar.

Hagel im Großraum Phoenix führte in einem Frühjahr zu 90 Sicherungsausfällen in einer Woche. Die Besatzungen arbeiteten das ganze Wochenende über, und zwei Anlageneigentümer meldeten Servicegutschriften für das Reaktionsfenster an.

Warum sollten Sie sich für DC-Miniatur-Leistungsschalter von Soutya entscheiden?

Das Ingenieurteam verglich vier Pfade. Die Überwachung auf String-Ebene mit den vorhandenen Sicherungen verursachte Kapitalkosten von über 900 US-Dollar pro Kombinierer. Das Anzeigen von Sicherungshaltern löste die Diagnose, behielt jedoch den Sicherungsbestand und die Ausfallzeit bei. Die DC-Leistungsschalter mit Formgehäuse überstiegen die Tiefe der vorhandenen Gehäuse, was neue Kästen und neue Betonplatten an den Freilandstandorten erforderte.

Der Miniatur-Leistungsschalter Soutya DC passte in vier Punkten zum Gehäuse und zum Arbeitsablauf:

• Rücksetzbarer Betrieb mit sichtbarer Auslöseanzeige, sodass ein Techniker den fehlerhaften Strang sofort erkennen kann.
• Eine zweipolige DIN-Schienen-Grundfläche, die ohne Gehäuseänderungen in die vorhandene 35-mm-Schiene passt.
• Eine DC-spezifische Lichtbogenkammer mit Splitterplatten. Gleichstrom hat keinen natürlichen Stromnullpunkt, daher hängt die Lichtbogenlöschung von der Kammergeometrie und der Auslösegeschwindigkeit ab und nicht vom Nulldurchgang.
• Ein Amperebereich von 6 A bis 63 A, der die gesamte Flotte mit drei statt zwölf SKUs abdeckt.

Die Nennwerte wurden anhand von IEC 60947-2 und der Combiner-Liste überprüft, einschließlich Gleichspannungsnennwert, Ausschaltvermögen und Polaritätskennzeichnung.

Wie wurde der DC-MCB-Rollout umgesetzt?

Das Projekt lief 14 Wochen lang in zwei Bundesstaaten.

1. Flottenaudit (Woche 1–3).Die Teams zeichneten an jedem Combiner die Anzahl der Strings, die Leerlaufspannung, den Betriebsstrom, die Gehäuseabmessungen und die interne Umgebungstemperatur auf.
2. Spezifikation und Prüfstandsvalidierung (Wochen 4–6).Zwanzig Einheiten wurden auf einem 1,2-MW-Array mit Wärmebildern während der Spitzenbestrahlungsstärke sowie einer Auslöseprüfung bei den DC-Grenzwerten des Wechselrichters getestet.
3. Pilotprojekt an drei Standorten (Woche 7–9).Die Außendienstmitarbeiter haben den Reset-Vorgang zeitlich festgelegt und jedes Auslöseereignis protokolliert.
4. Flotteneinführung in zwei Wellen (Woche 10–13).Die Arbeiten liefen innerhalb der geplanten Wartungsfenster, sodass durch die Nachrüstung kein Strom verloren ging.
5. Dokumentation und Ersatzteile (Woche 14).Einliniendiagramme, Drehmomentangaben und Beschriftungen wurden aktualisiert und jeder Lkw erhielt ein standardisiertes Ersatzteilset.

Der schwierige Moment.An klaren Tagen lösten zwei Combiner im Pilotprojekt zwischen 13:00 und 15:00 Uhr aus. Der gemessene Strangstrom betrug 8,6 A gegenüber einem 10-A-Leistungsschalter in einem Gehäuse mit einer Innentemperatur von 68 °C. Durch die thermische Leistungsreduzierung innerhalb der Box wurde die effektive Kapazität unter die String-Leistung gedrückt. Die Lösung bestand darin, diese Positionen auf 16 A-Leistungsschalter zu erweitern und einen 20-mm-Lüftungsspalt in der Gehäusetür einzubauen. Danach liefen die Standorte acht Wochen lang ohne störende Ausfälle.

Was hat die Umstellung auf DC-MCBs zahlenmäßig gebracht?

• Außerplanmäßige Lkw-Einsätze: 620 bis 260 pro Jahr, eine Reduzierung um 58 %, wodurch 111.600 US-Dollar an Arbeits- und Fahrzeugkosten eingespart werden.
• Entgangene Stromerzeugung durch Strangausfälle: 1.480 MWh auf 562 MWh pro Jahr, ein Rückgang um 62 %, wodurch etwa 47.800 US-Dollar an vertraglich vereinbarten Einnahmen zurückerlangt werden.
• Durchschnittliche Zeit zum Isolieren eines fehlerhaften Strangs: 74 Minuten bis 22 Minuten, 70 % weniger.
• Jährliche Ausgaben für Schutzkomponenten: 26.400 bis 17.400 US-Dollar, ein Rückgang um 34 %.
• Ermittelte Gesamteinsparungen: 187.000 US-Dollar pro Jahr bei Nachrüstungskosten von fast 96.000 US-Dollar, eine Amortisation in weniger als sieben Monaten.

Auch das Sicherheitsprofil der Besatzung änderte sich. Der Austausch von Sicherungen unter Last entfällt aus dem Standardverfahren, und die DC-bewertete Arbeitsanweisung für einen Stringfehler besteht nun aus einer Sperrung, einer Sichtprüfung und einem Reset.

Was sagt der Kunde zum Projekt?

„Ein Stringfehler bedeutete früher zwei Techniker, einen Sicherungssatz und den größten Teil eines Nachmittags“, sagte der Leiter von O&M. „Jetzt öffnet ein Techniker das Gehäuse, liest den ausgelösten Leistungsschalter, repariert den String und setzt ihn zurück. Die Einsätze nachmittags gingen innerhalb des ersten Monats um die Hälfte zurück.“

Der Leiter der Technik fügte hinzu: „Das Audit war der entscheidende Teil. Die Dimensionierung der Leistungsschalter auf die Umgebungstemperatur des Gehäuses statt auf den auf dem Typenschild angegebenen Stringstrom hat lästige Auslösungen verhindert.“

Was können andere EPCs und Anlageneigentümer von diesem Projekt lernen?

• Größe für die Box, nicht für das Datenblatt.Die Innenumgebungstemperatur eines Dachgehäuses kann 25 °C über der Außentemperatur liegen und einen Leistungsschalter weit unter die auf dem Typenschild angegebene Nennleistung herabsetzen.
• Pilot am heißesten Standort mit der höchsten Einstrahlung.Ein einziger Versuch bei kühlem Wetter verbirgt das thermische Verhalten, das im Juli zu störenden Fahrten führt.
• Betrachten Sie die Diagnosezeit als die größte Einsparung.Ersatzteile lieferten ein Drittel der Einsparungen; Eine schnellere Fehlerortung erledigte den Rest.
• Spiegelung.Das Team würde vor der Hagelsaison mit der Prüfung beginnen und mit dem Gehäuselieferanten einen vormontierten Nachrüstsatz aushandeln, eine Änderung im Wert von 12 US-Dollar pro Gehäuse für die Installationsarbeit.

Referenzen

• IEC 60947-2:2019, Niederspannungsschaltgeräte und -steuergeräte – Teil 2: Leistungsschalter.webstore.iec.ch/publication/62482
• UL 1699B:2018, Gleichstrom-Lichtbogenstromkreisschutz für Photovoltaik (PV).shopulstandards.com/ProductDetail.aspx?productId=UL1699B
• Simulationsstudie zum Lichtbogenbewegungsprozess von DC-Miniatur-Leistungsschaltern.doi.org/10.1063/5.0174184

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Spezifikationen und Amperewerte für den Soutya DC-Miniatur-Leistungsschalter finden Sie auf derDC-Miniatur-LeistungsschalterProduktseite.