Suppressione dell'arco nei relè in corrente continua per sistemi di accumulo di energia

Introduzione alla commutazione in corrente continua ad alta tensione nelle energie rinnovabili

La transizione globale verso le energie rinnovabili ha determinato una crescita senza precedenti degli impianti solari su larga scala, dei parchi eolici e dei sistemi di accumulo di energia a batteria (BESS). Questi moderni sistemi di alimentazione si basano in larga misura su architetture in corrente continua (CC) ad alta tensione per massimizzare l'efficienza di trasmissione e integrarsi perfettamente con la tecnologia delle batterie. Tuttavia, la gestione dell'elettricità in CC ad alta tensione presenta significative sfide ingegneristiche che differiscono sostanzialmente dai tradizionali sistemi in corrente alternata (CA). Per i responsabili degli acquisti B2B e i project manager di progetti elettrici, la selezione dei componenti di sicurezza e controllo per applicazioni in CC richiede una competenza tecnica specifica. Tra questi componenti, i relè in CC ad alta tensione (spesso chiamati contattori CC) sono fondamentali per l'isolamento del sistema, la precarica e la disconnessione di emergenza. Durante la commutazione di circuiti in CC ad alta tensione, la generazione di un arco elettrico è un fenomeno fisico inevitabile. Senza meccanismi di soppressione dell'arco altamente efficaci, questi relè possono subire danni catastrofici, rappresentando un grave rischio per la sicurezza dell'intero impianto di accumulo di energia. Comprendere l'importanza cruciale della soppressione dell'arco è fondamentale per reperire componenti di commutazione affidabili e durevoli per i progetti di energia rinnovabile.

D: Perché la 'soppressione dell'arco' è necessaria per i relè CC nei sistemi di accumulo di energia rinnovabile?

Risposta:

La soppressione dell'arco elettrico è assolutamente necessaria per i relè in corrente continua negli impianti di accumulo di energia rinnovabile, poiché la corrente continua non presenta il punto di attraversamento dello zero naturale tipico della corrente alternata. Quando i contatti in corrente alternata si aprono, la corrente si azzera due volte per ciclo, estinguendo naturalmente qualsiasi arco elettrico. Al contrario, la corrente continua mantiene un livello di tensione e corrente continuo e ininterrotto, il che provoca la formazione di un arco elettrico molto stabile e intenso tra i contatti quando questi si separano. Senza una rapida ed efficace soppressione dell'arco, questo arco persistente, che può raggiungere temperature superiori a diverse migliaia di gradi Celsius, fonderà i contatti, li salderà, degraderà l'isolamento circostante e potenzialmente causerà esplosioni o incendi di origine elettrica all'interno del quadro elettrico.

La fisica dell'arco elettrico in corrente continua rispetto all'arco elettrico in corrente alternata.

Per comprendere appieno l'importanza della soppressione dell'arco elettrico, è necessario esaminare il comportamento fisico degli archi elettrici nei circuiti in corrente alternata e continua.

In un sistema CA, la tensione e la corrente cambiano direzione periodicamente (in genere cinquanta o sessanta volte al secondo). Ciò significa che ogni dieci millisecondi (per un sistema a cinquanta hertz), la tensione istantanea scende a zero. Quando i contatti di un CA relay quando si apre un circuito, si forma un arco elettrico, ma non appena la forma d'onda CA raggiunge il successivo punto di attraversamento dello zero, l'arco perde la sua tensione di pilotaggio e si estingue naturalmente. Questo rende la gestione dell'arco CA relativamente semplice e consente di realizzare relè CA fisicamente più piccoli e semplici.

In un sistema a corrente continua (CC), la tensione è piatta e costante. Non ci sono punti di attraversamento dello zero. Quando i contatti di un relè a corrente continua iniziano a separarsi, lo spazio d'aria tra di essi è minuscolo. Poiché la tensione è elevata (spesso compresa tra quattrocento volt e oltre millecinquecento volt nei moderni sistemi di accumulo a batteria), l'intensità del campo elettrico attraverso questo piccolo spazio è immensa. Questo campo ionizza le molecole d'aria, trasformando l'aria in un canale di plasma altamente conduttivo: un arco elettrico.
Una volta formatosi, l'arco in corrente continua persisterà finché la sorgente di tensione riuscirà a superare la resistenza del canale al plasma. L'arco agisce come un conduttore elettrico altamente efficiente, continuando a trasportare la corrente del circuito anche se i contatti sono fisicamente separati. Per estinguere questo arco, il relè deve allungare, raffreddare o spegnere fisicamente il canale al plasma in tempi estremamente rapidi.

Conseguenze degli archi elettrici non soppressi nei sistemi di accumulo a batteria

Quando un relè in corrente continua non dispone di un'adeguata soppressione dell'arco elettrico, le conseguenze della separazione dei contatti sotto carico sono gravi e immediate:

• Erosione e degrado dei contatti: l'intenso calore dell'arco non soppresso fonde il metallo sulla superficie dei contatti. Ciò provoca un rapido trasferimento di materiale, vaiolatura e ossidazione. Dopo poche decine di operazioni, la resistenza di contatto aumenta drasticamente, causando il surriscaldamento del relè durante il normale funzionamento.
  
• Saldatura dei contatti: se l'arco persiste mentre i contatti si richiudono, o se il calore locale è sufficientemente elevato, le superfici di contatto fuse possono fondersi insieme quando vengono chiuse. Una volta che un contatto si salda, il relè non può più aprirsi, vanificando la sua funzione di dispositivo di isolamento o di disconnessione di sicurezza. Questa è una modalità di guasto critica nei sistemi di accumulo a batteria, dove la capacità di isolare una stringa di batterie guasta è fondamentale.
  
• Cortocircuiti fase-fase o fase-terra: il gas ionizzato generato da un arco di lunga durata è altamente conduttivo. Se questo gas conduttivo fuoriesce dalla camera di contenimento del relè, può creare un ponte con i componenti adiacenti o con l'involucro metallico, generando un cortocircuito devastante.
  
• Rischi di incendio ed esplosione: l'arco elettrico continuo può riscaldare l'involucro di plastica del relè oltre il suo punto di infiammabilità, provocando incendi localizzati che possono propagarsi ai moduli della batteria agli ioni di litio, i quali sono altamente sensibili all'instabilità termica.
  

Tecnologie moderne di soppressione dell'arco elettrico nei relè CC industriali

Per contrastare questi pericoli, i produttori di relè a corrente continua ad alta tensione impiegano diverse tecnologie di soppressione dell'arco elettrico altamente sofisticate:

• Bobine di soffiaggio magnetico: questa tecnologia utilizza potenti magneti permanenti o bobine elettromagnetiche posizionate in prossimità dei contatti. Quando si forma un arco, il campo magnetico esercita una forza di Lorentz sulle particelle cariche presenti nel plasma, spingendo e piegando fisicamente l'arco lontano dalle superfici di contatto. Ciò allunga l'arco, aumentandone la resistenza elettrica e forzandolo all'interno dei condotti di scarico.
  
• Condotti di scarico e divisori d'arco: I condotti di scarico d'arco sono costituiti da una serie di piastre parallele in ceramica o metallo. Quando il flusso magnetico spinge l'arco all'interno del condotto, questo viene suddiviso in più archi più piccoli. Ciò aumenta la tensione totale necessaria per mantenere l'arco e raffredda rapidamente il plasma, provocandone l'estinzione.
  
• Sigillatura ermetica e riempimento con gas: molti relè CC ad alta potenza sono sigillati ermeticamente in un involucro di ceramica o vetro e riempiti con una miscela di gas speciale, come idrogeno o azoto ad alta purezza sotto pressione. L'idrogeno ha una conduttività termica estremamente elevata, che gli consente di raffreddare e deionizzare il plasma dell'arco molto più rapidamente dell'aria, estinguendo l'arco quasi istantaneamente.
  
• Design a doppio contatto: anziché un singolo ponte di contatti mobili, i relè a doppio contatto aprono il circuito simultaneamente in due punti distinti. Questo raddoppia di fatto l'intercapedine d'arco e suddivide la caduta di tensione su due archi, rendendoli molto più facili da estinguere.
  

Approvvigionamento di relè CC ad alte prestazioni: il vantaggio DAQCN

Per i responsabili degli acquisti B2B, l'approvvigionamento di relè CC con comprovata e affidabile soppressione dell'arco elettrico è imprescindibile. Noi di DAQCN abbiamo sviluppato una linea specializzata di contattori e relè CC ad alta tensione, progettati specificamente per le esigenze dei sistemi di accumulo di energia rinnovabile e delle infrastrutture di ricarica per veicoli elettrici.

I relè DAQCN CC utilizzano una combinazione di sistemi di spegnimento a magneti permanenti per impieghi gravosi e robusti condotti di spegnimento dell'arco in ceramica. I nostri modelli di alta gamma sono sigillati ermeticamente e riempiti con gas ad alta pressione per garantire uno spegnimento dell'arco estremamente rapido, anche in scenari di disconnessione di emergenza a pieno carico.

Scegliendo DAQCN, i responsabili di progetto possono garantire che i loro sistemi di accumulo a batteria siano protetti da relè progettati per gestire le sollecitazioni specifiche della corrente continua, massimizzando la sicurezza e assicurando la conformità agli standard internazionali come UL 60947-4-1 e IEC 60947-4-1.

Conclusioni e consigli per l'approvvigionamento

Nella progettazione e nell'approvvigionamento di sistemi per l'accumulo di energia rinnovabile, non bisogna mai scendere a compromessi sulla sicurezza della commutazione in corrente continua. La natura stessa dell'elettricità in corrente continua rende la soppressione dell'arco elettrico un elemento vitale per prevenire saldature a contatto, danni alle apparecchiature e incendi di origine elettrica. Durante la valutazione dei fornitori, i responsabili degli acquisti devono verificare che i relè in corrente continua specificati siano dotati di sistema di soppressione magnetica integrato, robusti condotti di scarico dell'arco o tenuta ermetica a gas. Collaborare con un produttore esperto come DAQCN garantisce che i vostri impianti siano equipaggiati con una tecnologia di commutazione in corrente continua all'avanguardia, assicurando la sicurezza, l'affidabilità e la durata del vostro investimento in energia rinnovabile.