AFCI là thiết bị bảo vệ mạch điện chuyên dụng giúp phát hiện và ngắt mạch khi có hồ quang điện – nguyên nhân tiềm ẩn dẫn tới cháy nổ. Trong hệ thống điện mặt trời, AFCI được tích hợp vào các giải pháp inverter để đảm bảo an toàn tối đa cho dây dẫn DC và thiết bị. Qua bài viết này, DAT Group sẽ cùng bạn khám phá AFCI là gì, cách thức hoạt động, vai trò và ứng dụng trong hệ thống điện mặt trời để đảm bảo an toàn tối ưu

1. Lỗi hồ quang DC (Arc-fault circuit interrupter) là gì? 

Lỗi hồ quang DC là hiện tượng khi dòng điện một chiều bị gián đoạn và nhảy qua khoảng không giữa hai điểm dẫn điện, tạo ra tia lửa và nhiệt lượng cao. Khi đó, nhiệt độ tại vùng hồ quang có thể vượt vài nghìn độ C, làm hư hại cách điện và gây cháy lan. 

Dòng DC giữ ổn định chiều và không đổi, khiến hồ quang có khả năng duy trì lâu hơn so với AC, do đó việc quản lý và phát hiện lỗi này đặt ra thách thức lớn cho hệ thống điện PV.

2. Lỗi hồ quang DC có thể xảy ra trên cáp DC của hệ thống năng lượng mặt trời PV 

Trong hệ thống PV, các tấm pin nối tiếp nhau sinh ra điện áp DC cao, và dây dẫn từ các string đến inverter là nơi dễ xảy ra hồ quang. 

Những điểm yếu như đầu nối MC4, junction box, cáp hỏng hoặc kết nối lỏng có thể sinh ra hồ quang giữa các dây dương – âm, giữa dây và đất. Nếu không được ngắt kịp thời, hồ quang có thể lan sang cách điện, khung giữ, vật liệu xung quanh và gây cháy lan trong hệ thống PV.

3. Nguyên nhân gây ra lỗi hồ quang DC

Để hiểu rõ cách hồ quang xuất hiện và phòng tránh hiệu quả, ta cần phân tích các nguyên nhân từ dây dẫn bị tổn thương và yếu tố môi trường như độ ẩm, rung lắc, bụi bẩn, từ đó thiết kế hệ thống PV an toàn hơn.

3.1. Nguyên nhân từ dây dẫn

Lớp cách điện của dây dẫn có thể bị xuống cấp theo thời gian, nứt vỡ hoặc bị cắn phá làm lộ lõi dẫn điện và tạo vùng hồ quang. Ngoài ra, kết nối không chắc chắn hoặc đầu nối bị mỏng, vật liệu oxi hóa hay tiếp xúc kém sẽ tăng điện trở tại điểm nối, sinh nhiệt cục bộ và làm cho hồ quang dễ hình thành.

3.2. Các yếu tố tác động dẫn đến phóng điện hồ quang DC

Độ ẩm, bụi, rung động, ăn mòn hóa học hoặc va đập vật lý đều có thể làm suy yếu lớp cách điện, khiến hồ quang dễ khởi phát.  Khi đầu nối MC4 bị thấm nước, dòng rò nhỏ có thể phát sinh và hình thành hồ quang giữa cực dương/âm và đất. Trong những điều kiện thời tiết khắc nghiệt, dây dẫn bị rung lắc hoặc vật thể lạ tiếp xúc cũng tạo điều kiện cho hồ quang phát sinh.

4. Phòng chống lỗi phóng hồ quang điện bằng biến tần năng lượng có chức năng AFCI

Biến tần (inverter) năng lượng mặt trời hiện đại thường tích hợp chức năng AFCI để giám sát liên tục dòng điện DC và phát hiện hồ quang ngay khi xuất hiện. Khi dạng sóng dòng điện hoặc điện áp xuất hiện dao động bất thường (mẫu đặc trưng của hồ quang), AFCI trong inverter sẽ gửi tín hiệu ngắt mạch nhanh chóng để cách ly phần sự cố. 

Bằng cách này, hệ thống PV tránh được nguy cơ cháy nổ và giảm thiểu chi phí lắp đặt thiết bị AFCI rời.

5. Bộ ngắt mạch lỗi hồ quang AFCI là gì?

Bộ ngắt mạch AFCI là thiết bị chuyên dụng có khả năng phát hiện tín hiệu bất thường do hồ quang điện và tự động ngắt mạch DC. Thiết bị này thường tích hợp cảm biến dòng, vi mạch, thuật toán xử lý tín hiệu và tiếp điểm ngắt tự động. 

Trong hệ thống PV, bộ AFCI có thể được tích hợp trong inverter hoặc lắp đặt rời trên đường dây DC, tùy theo thiết kế hệ thống và tiêu chuẩn an toàn địa phương.

6. Chức năng chính của AFCI trong việc ngăn ngừa hỏa hoạn do các dây bị lỗi

Chức năng chính của AFCI là phát hiện sớm sự xuất hiện hồ quang – nguyên nhân hàng đầu gây cháy điện – và ngắt mạch ngay lập tức để ngăn ngọn lửa lan rộng. Khi dây dẫn, đầu nối hoặc cách điện gặp sự cố, AFCI nhận biết dao động bất thường của dòng điện và điện áp, cách ly phần mạch lỗi để tránh nhiệt lan tới vật liệu dễ cháy. 

Một số mẫu AFCI còn lưu lại dạng sóng sự cố và thông tin cảnh báo giúp kỹ thuật viên phân tích và xử lý, từ đó ngăn chặn sự cố phát sinh lặp lại sau này.

7. Nguyên lý hoạt động của bộ ngắt mạch lỗi hồ quang AFCI

Để hiểu nguyên lý hoạt động của AFCI, cần nắm các dạng vòng cung DC mà thiết bị phát hiện và xử lý, giúp ngắt mạch kịp thời, bảo vệ hệ thống điện an toàn và hiệu quả.

7.1. Các loại vòng cung DC

Có hai dạng vòng cung (hồ quang) chính trong mạch DC mà AFCI cần nhận biết:

• Vòng cung song song (Parallel Arc): xảy ra khi lớp cách điện giữa hai dây dẫn (cực dương và cực âm) bị hư hỏng, dẫn đến hồ quang giữa hai dây. Trong trường hợp này, dòng hồ quang chảy song song với tải chính, gây dao động điện áp và dòng điện. Dạng parallel arc thường nguy hiểm vì nó có thể phát triển mạnh nhanh nếu không được ngắt kịp thời.
• Vòng cung chạm đất (Ground Arc): xuất phát khi dây dẫn bị rò hoặc cách điện tiếp xúc với đất (vỏ tường, khung kim loại, mái nhà). Khi cách điện bị hỏng, dây dẫn DC (cực dương hoặc âm) có thể sinh ra hồ quang với đất, dẫn đến dòng rò và dao động bất thường mà AFCI có thể phát hiện và cách ly mạch lỗi.

Cả hai dạng này đều tạo ra nhiễu tần số cao và biến động bất thường trong thời gian ngắn, và AFCI phải phân biệt giữa dao động hồ quang và dao động do biến đổi ánh sáng, thay đổi tải, nhiễu chuyển mạch để tránh ngắt nhầm.

7.2. Cách phát hiện và xử lý lỗi hồ quang qua phân tích dạng sóng điện áp và dòng điện

AFCI thường áp dụng các phương pháp phân tích tín hiệu trong miền thời gian và miền tần số để phát hiện hồ quang: trong miền thời gian, thiết bị theo dõi biến đổi đột ngột của dòng điện (sự rớt/ngắt dòng) hoặc dao động bất thường trong khoảng thời gian ngắn. 

Trong miền tần số, nó dùng thuật toán Fourier (FFT) hoặc wavelet để tách thành phần dao động tần số cao khác với dao động thông thường. Khi một mẫu dao động khớp với hồ quang được phát hiện, AFCI sẽ gửi lệnh ngắt mạch ngay lập tức, cắt nguồn DC và cách ly đoạn mạch bị lỗi.

Để phân biệt với dao động bình thường — như thay đổi công suất PV do ánh sáng chuyển biến hoặc nhiễu chuyển mạch — AFCI áp dụng ngưỡng cảnh báo và thuật toán lọc nhiễu, đồng thời có thể lưu lại dạng sóng sự cố để kỹ thuật viên phân tích sau này. 

Nhờ vậy, thiết bị bảo vệ không ngắt nhầm trong điều kiện biến động bình thường nhưng vẫn đáp ứng nhanh khi có hồ quang thực sự.

8. Thử nghiệm thực tế của AFCI trên hệ thống PV

Trong các thử nghiệm do tổ chức tiêu chuẩn UL 1699B quy định, AFCI đã chứng minh khả năng phát hiện hồ quang DC ở mức công suất thấp (khoảng 300 W trở lên) và phản ứng ngắt trong thời gian ngắn (≤ 2 giây) khi dòng điện vượt ngưỡng. Khi tích hợp AFCI vào inverter thương hiệu như SMA, thiết bị có thể ngắt nguồn DC và hiển thị mã lỗi để cảnh báo người dùng. 

Các thử nghiệm cũng cho thấy vị trí lắp đặt AFCI và thiết kế hệ thống dây đảm bảo an toàn điện PV – nếu thiết bị quá xa điểm phát sinh hồ quang hoặc đường dây quá dài, khả năng phát hiện có thể giảm.

9. Chức năng AFCI trong inverter điện mặt trời

Nhiều inverter hiện đại (SMA, Sungrow,…) tích hợp sẵn chức năng AFCI để giảm chi phí và gia tăng an toàn. Khi phát hiện hồ quang DC, inverter sẽ ngắt dòng, dừng xuất điện và gửi mã lỗi, thông báo về giao diện người dùng hoặc nền tảng giám sát từ xa. 

Inverter SMA tuân theo chuẩn UL 1699B; nếu phát hiện 5 sự kiện hồ quang trong 24 giờ thì inverter sẽ ngưng cấp điện hoàn toàn, cần khởi động thủ công. AFCI tích hợp giúp người dùng không phải lắp thiết bị bảo vệ rời, đồng thời cải thiện độ ổn định và tự động hóa hệ thống PV.

Để bảo vệ hệ thống điện mặt trời của bạn khỏi nguy cơ cháy nổ do hồ quang DC, hãy lựa chọn và tích hợp AFCI chất lượng trong inverter ngay từ bước thiết kế. DAT Group sẽ tư vấn chi tiết và hướng dẫn bạn lựa chọn giải pháp an toàn, tối ưu hiệu suất và độ bền cho hệ thống PV của bạn. Bạn có thể nhận hỗ trợ trực tiếp qua trang web chính thức của chúng tôi: https://datsolar.com/.

Nguồn tham khảo:

[1] What is AFCI and why does it matter to your solar PV system?_Tech Pro_Hoymiles. (n.d.). 

[2] DC Arc Faults: The Hidden Threat Behind Solar Energy Growth-Fonrich. (n.d.).

[3] DC Arc Faults: The Hidden Threat Behind Solar Energy Growth-Fonrich. (n.d.).