نقش سیستم‌های ارت و حفاظت در ایمنی نیروگاه خورشیدی

در طراحی هر نیروگاه خورشیدی، سیستم‌های ارت و حفاظت یکی از ارکان اصلی طراحی پروژه محسوب ‌می‌شود. این سامانه‌ها وظیفه دارند تا در برابر خطراتی، چون صاعقه، نشت جریان و افزایش ناگهانی ولتاژ، از تجهیزات و نیرو‌های انسانی محافظت کنند. طراحی دقیق و استاندارد این سیستم‌ها نه تنها عمر مفید تجهیزات را افزایش می‌دهد، بلکه نقش تعیین‌کننده‌ای در ایمنی پرسنل فنی و پایداری عملکرد بلند مدت نیروگاه ایفا می‌کند.

سیستم ارت چیست و چرا در نیروگاه‌های خورشیدی حیاتی است؟

سیستم ارت یا زمین‌کردن، وظیفه دارد مسیر امنی برای تخلیه جریان‌های ناخواسته مانند اتصال کوتاه، اضافه ولتاژ یا صاعقه فراهم کند. در نیروگاه‌های خورشیدی، تجهیزات فلزی متعددی در معرض ولتاژ هستند و هرگونه نقص در سیستم عایقی می‌تواند منجر به بروز شوک الکتریکی یا آتش‌سوزی شود.

با طراحی اصولی شبکه ارت شامل الکترود زمین، کابل ارت، شینه مسی و چاه ارت با مقاومت مناسب (کمتر از ۲ اهم طبق مقررات ساتبا)، می‌توان ایمنی پرسنل و عملکرد پایدار سیستم را تضمین کرد. در جدول زیر، اجزای اصلی سیستم ارت در نیروگاه خورشیدی و نقش هرکدام آمده است:

تجهیزات حفاظتی چه نقشی در ایمنی نیروگاه خورشیدی دارند؟

فراتر از سیستم ارت، تجهیزات حفاظتی همچون فیوز، کلید محافظ جان (RCD)، رله نشتی زمین، کلید‌های اتوماتیک (MCCB/MCB) و سیستم‌های مانیتورینگ جریان نشتی، وظیفه شناسایی خطا و قطع فوری مدار را در مواجهه با اضافه بار یا اتصال زمین بر عهده دارند.

بخش DC در نیروگاه خورشیدی، به دلیل ولتاژ بالا و نبود نقطه صفر مرجع، نیازمند حفاظت ویژه‌تری است که معمولاً با استفاده از فیوز‌های DC، رله‌های حفاظت جریان معکوس و دستگاه‌های نظارت بر نشتی زمین اجرا می‌شود. تجهیزات حفاظتی مناسب، مانع از آسیب به تجهیزات گران‌قیمت مانند اینورتر‌ها و تابلو‌های برق می‌شوند.

در انتخاب تجهیزات حفاظتی، رعایت استاندارد‌های فنی بسیار حیاتی است. به عنوان نمونه، استفاده از محافظ‌های ولتاژ گذرا (SPD) باید مطابق با استاندارد بین‌المللی IEC 61643 انجام شود که الزامات طراحی و عملکرد این تجهیزات را مشخص می‌کند. همچنین برای اطمینان از ایمنی پرسنل، اجرای دستورالعمل‌های مرتبط با استاندارد NFPA 70E که به الزامات ایمنی کارکنان در محیط‌های دارای تجهیزات برقی می‌پردازد، می‌تواند خطرات ناشی از شوک الکتریکی یا جرقه‌های الکتریکی را به میزان زیادی کاهش دهد.

چالش‌های طراحی و اجرای صحیح در پروژه‌های واقعی

در نگاه نخست، طراحی سیستم ارت در نقشه‌های مهندسی ساده به نظر می‌رسد؛ اما اجرای آن در پروژه‌های واقعی، به‌ویژه در مقیاس نیروگاه‌های خورشیدی، با پیچیدگی‌های قابل‌توجهی همراه است. این چالش‌ها اگر به درستی مدیریت نشوند، می‌تواند به کاهش شدید ایمنی، افزایش خرابی تجهیزات و بروز وقفه‌های پرهزینه منجر شود. از جمله مهم‌ترین این چالش‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• شرایط ژئوتکنیکی نامناسب خاک: در بسیاری از نقاط ایران، به ویژه مناطق مرکزی، کویری و خشک، خاک دارای مقاومت الکتریکی بالاست که کاهش آن به مقادیر قابل قبول نیازمند طراحی دقیق‌تر و اجرای چند چاه ارت با الکترود‌های عمقی و استفاده از مواد کاهنده مقاومت است. این موضوع نه تنها هزینه‌ها را افزایش می‌دهد، بلکه بدون انجام مطالعات اولیه ژئوتکنیک می‌تواند منجر به اجرای ناقص و ناکارآمد سیستم ارت شود.

• غفلت از تست‌ها و مانیتورینگ دوره‌ای: در برخی پروژه‌ها، سیستم ارت پس از راه‌اندازی اولیه رها می‌شود و مقاومت آن در فواصل زمانی مشخص، تست نمی‌گردد. این غفلت، به ویژه در شرایطی که خوردگی الکترود‌ها یا تغییرات رطوبتی خاک رخ می‌دهد، ممکن است باعث از بین رفتن اثربخشی سیستم ارت شود. پایش پیوسته و تست‌های منظم با دستگاه ارت تستر کلمپی یا افت پتانسیل، باید به عنوان بخشی از نگهداری پیشگیرانه سیستم ارت لحاظ شود.

• ناسازگاری بین تجهیزات حفاظتی و سیستم اصلی: یکی دیگر از مشکلات رایج، عدم تطابق مشخصات فنی تجهیزات حفاظتی مانند (SPD) دستگاه‌های حفاظت در برابر ولتاژ‌های گذرا با ویژگی‌های اینورتر، تابلو برق و پنل خورشیدی است. به‌کارگیری تجهیزات غیراستاندارد یا انتخاب نادرست سطح حفاظت، موجب کاهش کارایی سیستم و عدم قطع به موقع جریان‌های خطا می‌شود. انتخاب و نصب صحیح این تجهیزات نیازمند دانش فنی، بررسی هماهنگی حفاظتی و بهره‌گیری از استاندارد‌های بین‌المللی IEC 60364 و IEEE 80 است.

• نبود نقشه‌های اجرایی دقیق و عدم آموزش پرسنل: در برخی پروژه‌ها، نبود نقشه‌های اجرایی قابل فهم برای مجریان میدانی یا عدم آموزش تیم نصب، باعث انحراف از طرح مهندسی و اجرای ناقص می‌شود. استفاده از مجریان آموزش‌دیده و تدوین دستورالعمل‌های نصب و تست، از عوامل کلیدی در تضمین اثربخشی نهایی سیستم ارت و حفاظت است.

در جدول زیر تجهیزات حفاظتی پرکاربرد در نیروگاه خورشیدی و نقش آنها آمده است:

ظرفیت تولید داخل در بخش ارت و حفاظت نیروگاه‌های خورشیدی

در حوزه تولید تجهیزات ارت و حفاظت، شرکت‌های داخلی توانسته‌اند بخش بزرگی از نیاز صنعت خورشیدی کشور را تأمین کنند. تولید سیم‌های ارت با هادی مسی، پایه‌های الکترود ارت، صفحه‌های گالوانیزه، جعبه‌های اتصال زمین و همچنین تجهیزات حفاظت ولتاژ و جریان نشتی، با کیفیت قابل قبول در بازار داخل موجود است.

برخی تجهیزات حفاظتی مانند فیوز‌های DC، کلید‌های ترکیبی و رله‌های هوشمند نیز به صورت بومی طراحی و ساخته شده‌اند. این پیشرفت به‌ ویژه در پروژه‌های کوچک و متوسط خورشیدی، تأثیر محسوسی در کاهش هزینه‌ها داشته است.

جمع‌بندی

امنیت، پایداری و بهره‌وری نیروگاه‌های خورشیدی مستقیماً تحت تأثیر طراحی اصولی و اجرای دقیق سیستم‌های ارت و حفاظت قرار دارد. این زیرساخت‌های حیاتی، نه‌ تنها در محافظت از تجهیزات در برابر جریان‌های نشتی، صاعقه و اختلالات الکتریکی نقش دارند، بلکه در تأمین ایمنی کارکنان و کاهش خسارات احتمالی نیز اثر گذار است. طراحی مهندسی‌شده و نگهداری مستمر این سیستم‌ها، ضامن عملکرد پایدار، اقتصادی و بدون ریسک پروژه در بلندمدت است.