Потискане на електрическата дъга в постоянен ток релета за системи за съхранение на енергия

Въведение в превключването на високо напрежение в областта на възобновяемите енергийни източници

Глобалният преход към възобновяема енергия е предизвикал безпрецедентен ръст на соларни инсталации в мащаба на електрическите мрежи, ветроелектрически паркове и системи за съхранение на електроенергия с батерии (BESS). Тези модерни енергийни системи разчитат значително на високоволтови директни токови (DC) архитектури, за да максимизират ефективността на преноса и да се интегрират безпроблемно с химията на батериите. В същото време управлението на високоволтовия директен ток поражда значителни инженерни предизвикателства, които принципно се различават от традиционните системи с променлив ток (AC). За директорите по набавки за бизнес-бизнес (B2B) и мениджърите на електротехнически проекти изборът на компоненти за безопасност и управление за приложения с директен ток изисква специализиран технически фокус. Сред тези компоненти високоволтовите DC реле (често наричани DC контактори) са от жизнено значение за изолация на системата, предварително зареждане и аварийно изключване. При превключване на високоволтови DC вериги образуването на електрическа дъга е неизбежен физически феномен. Без изключително ефективни механизми за потискане на дъгата тези реле могат да пострадат катастрофално, което представлява сериозен риск за безопасността на цялата инсталация за съхранение на енергия. Разбирането на критичната необходимост от потискане на дъгата е ключово за избора на надеждни и издръжливи комутационни компоненти за проекти в областта на възобновяемата енергия.

Въпрос: Защо е необходимо „потискане на дъгата“ за постояннотокови релета в системите за съхранение на енергия от възобновяеми източници?

Отговор:

Потискането на дъгата е абсолютно необходимо за постояннотоковите релета в системите за съхранение на енергия от възобновяеми източници, тъй като постояннотокът няма естествена нулева пресечна точка, каквато има променливият ток. Когато контактите на променливия ток се отворят, токът пада до нула два пъти за цикъл, което естествено угасява всяка електрическа дъга. В противоположност на това постояннотоковият ток поддържа непрекъснато и непроменливо напрежение и ток, което води до образуване на силна и устойчива електрическа дъга между контактните повърхности при тяхното разделяне. Без бързо и ефективно потискане на дъгата тази продължителна дъга, чиято температура може да надвишава няколко хиляди градуса по Целзий, ще стопи контактите, ще ги завари в затворено положение, ще деградира заобикалящата изолация и потенциално ще предизвика катастрофални физически експлозии или електрически пожари вътре в контролното табло.

Физиката на дъговото разрушаване при постоянноток и променливоток

За да се оцени напълно значимостта на потискането на дъгата, е необходимо да се проучи физическото поведение на електрическите дъги в променливотокови и постояннотокови вериги.

В променливотокова система напрежението и токът периодично променят посоката си (обикновено петдесет или шестдесет пъти в секунда). Това означава, че всяка десет милисекунди (за система с честота 50 Hz) мигновеното напрежение спада до нула. Когато контактите на променливотоков реле прекъсвател се отварят, възниква дъга, но веднага щом променливотоковата вълна достигне следващата си точка на пресичане с нулата, дъгата губи задвижващото я напрежение и естествено угасва. Това прави управлението на променливотоковите дъги относително просто и позволява променливотоковите реле да бъдат по-малки по размер и по-прости по конструкция.

В една постоянна токова (DC) система напрежението е постоянно и непрекъснато. Няма точки на пресичане с нулата. Когато контактите на релето за постоянен ток започнат да се разделят, въздушният процеп между тях е изключително малък. Тъй като напрежението е високо (често варира от четиристотин до над хиляда и петстотин волта в съвременните батерийни системи за съхранение), електрическото поле в този миниатюрен процеп е изключително силно. Това поле йонизира молекулите на въздуха, превръщайки го в изключително проводим плазмен канал – електрическа дъга.
Веднъж образувана, дъгата за постоянен ток ще продължи да съществува, докато източникът на напрежение може да преодолее съпротивлението на плазмения канал. Дъгата действа като изключително ефективен електрически проводник и продължава да пренася тока в веригата, въпреки че контактите са физически разделени. За да се угаси тази дъга, релето трябва физически да удължи, охлади или угаси плазмения канал изключително бързо.

Последици от неутамяване на електрическата дъга в батерийните системи за съхранение

Когато постояннотоковият релей няма достатъчно дъга-потискане, последствията от разделянето на контактите под товар са тежки и незабавни:

• Ерозия и деградация на контактите: Интензивната топлина от недостатъчно потиснатата дъга стопява метала на повърхността на контактите. Това води до бързо пренасяне на материал, образуване на дупчици и окисляване. След няколкостотин операции контактното съпротивление рязко нараства, което кара релея да прегрява по време на нормална работа.
  
• Сваряване на контактите: Ако дъгата продължи да съществува, докато контактите се връщат в затворено положение, или ако локалната температура е достатъчно висока, стопените повърхности на контактите могат да се слеят при затваряне. Веднъж щом се образува сварен контакт, релеят вече не може да се отвори, което прави невъзможно изпълнението на основната му функция като устройство за изолация или безопасно прекъсване. Това е критичен режим на отказ в системите за съхранение на енергия в батерии, където способността за изолиране на повредена батерийна верига е от първостепенно значение.
  
• Късо съединение между фази или между фаза и земя: Йонизираният газ, образуван от продължителна дъга, е високопроводим. Ако този проводим газ излезе от камерата за съдържане на релето, той може да създаде мост към съседни компоненти или към металния корпус, предизвиквайки катастрофално късо съединение.
  
• Опасност от пожар и експлозия: Непрекъснатото дъгово разрушаване може да нагрее пластмасовата обвивка на релето над точката ѝ на възпламеняване, което води до локални пожари, способни да се разпространят към модулите на литиево-йонни батерии, които са изключително чувствителни към термичен разпад.
  

Съвременни технологии за потискане на дъги в промишлени постоянен ток реле

За борба с тези опасности производителите на високоволтови постоянен ток реле прилагат няколко изключително сложни технологии за потискане на дъги:

• Магнитни издувни намотки: Тази технология използва мощни постоянни магнити или електромагнитни намотки, поставени до контактите. Когато се образува дъга, магнитното поле оказва Лоренцова сила върху заредените частици в плазмата, физически избутвайки и извивайки дъгата далеч от повърхностите на контактите. Това удължава дъгата, увеличава нейното електрическо съпротивление и я насочва към дъгогасителни камери.
  
• Дъгогасителни камери и разделящи екрани: Дъгогасителните камери представляват серия от успоредни керамични или метални плочи. Докато магнитното издуван насочва дъгата към камерата, тя се разделя на множество по-малки дъги. Това увеличава общото напрежение, необходимо за поддържането на дъгата, и бързо охлажда плазмата, което води до нейното угасване.
  
• Герметична запечатване и пълнене с газ: Много високомощни постоянен ток релета са герметично запечатани в керамичен или стъклен корпус и напълнени със специална газова смес, като например високочист водород или азот под налягане. Водородът притежава изключително висока топлопроводност, което му позволява да охлажда и деионизира плазмата на електрическата дъга значително по-бързо от въздуха, изгасявайки я почти мигновено.
  
• Контактни конструкции с двойно прекъсване: Вместо един подвижен контактен мост, релетата с двойно прекъсване отварят веригата едновременно в два отделни точки. Това ефективно удвоява разстоянието на дъгата и разпределя падането на напрежение между две дъги, което прави изгасяването им значително по-лесно.
  

Доставка на високопроизводителни постоянен ток релета: Предимството DAQCN

За мениджърите по набавки в B2B сектора изборът на постояннотокови релета с доказана и надеждна арк-подавяне е задължителен. В DAQCN сме разработили специализирана линия високоволтови постояннотокови контактори и релета, проектирани специално за изискванията на системите за съхранение на енергия от възобновяеми източници и инфраструктурата за зареждане на електрически превозни средства.

Постояннотоковите релета на DAQCN използват комбинация от тежки постоянномагнитни система за издуване на дъга и здрави керамични дъгогасители. Премиум моделите ни са херметично запечатани и напълнени с газ под високо налягане, за да осигурят изключително бързо гасене на дъгата дори при аварийно изключване под пълна товарна мощност.

Чрез избора на продукти от DAQCN проектните мениджъри могат да гарантират, че техните системи за съхранение на енергия в батерии са защитени от релета, проектирани да издържат уникалните напрежения, свързани с постояннотока, като по този начин максимизират безопасността и осигуряват съответствие с международни стандарти като UL 60947-4-1 и IEC 60947-4-1.

Заключение и препоръки за набавка

При проектирането и набавянето на системи за съхранение на енергия от възобновяеми източници никога не жертвахте безопасното превключване на постояннотокови (DC) вериги. Физическата реалност на постояннотоковата електрическа енергия прави подтискането на дъгата жизненоважно условие за предотвратяване на заваряване на контактите, повреждане на оборудването и електрически пожари. При оценката на доставчиците ръководителите по набавки трябва да проверят дали посочените постояннотокови релета са оснащени с интегрирана магнитна дъгогасителна система, здрави дъгогасителни камери или херметична газова уплътнителна система. Сътрудничеството с експертен производител като DAQCN гарантира, че вашите инсталации са оборудвани с най-съвременни технологични решения за постояннотоково превключване, което осигурява безопасността, надеждността и дълготрайността на инвестициите ви в енергия от възобновяеми източници.