Придушення дуги в постійному струмі для реле в системах зберігання енергії

Вступ до високовольтного постійного струму в системах відновлюваних джерел енергії

Глобальний перехід до відновлюваних джерел енергії спричинив безпрецедентне зростання установок сонячної енергетики масштабу електромереж, вітрових електростанцій та систем акумуляторного зберігання енергії (BESS). Ці сучасні енергосистеми значною мірою ґрунтуються на високовольтних постійного струму (DC) архітектурах, щоб максимізувати ефективність передачі енергії та забезпечити безперебійну інтеграцію з хімією акумуляторів. Однак керування високовольтним струмом постійного струму породжує значні інженерні виклики, які принципово відрізняються від традиційних систем змінного струму (AC). Для директорів з закупівель B2B та менеджерів електротехнічних проектів вибір компонентів для забезпечення безпеки й керування в застосуваннях постійного струму вимагає спеціалізованого технічного підходу. Серед цих компонентів високовольтні реле постійного струму (часто звані контакторами постійного струму) мають вирішальне значення для ізоляції системи, попереднього заряджання та аварійного відключення. Під час комутації високовольтних ланцюгів постійного струму утворення електричної дуги є неминучим фізичним явищем. За відсутності надзвичайно ефективних механізмів гасіння дуги такі реле можуть зазнати катастрофічних пошкоджень, що становить серйозну загрозу безпеці всього об’єкта зберігання енергії. Розуміння критичної необхідності гасіння дуги є ключовим для вибору надійних і довговічних комутаційних компонентів у проектах відновлюваних джерел енергії.

П: Чому «придушення дуги» є обов’язковим для постійного струму в реле у системах зберігання енергії від відновлюваних джерел?

Відповідь:

Придушення дуги є абсолютно необхідним для реле постійного струму в системах зберігання енергії від відновлюваних джерел, оскільки постійний струм не має природної точки нульового перетину, яка присутня в змінному струмі. Коли контакти змінного струму розмикаються, струм двічі за період падає до нуля, що призводить до природного гасіння будь-якої електричної дуги. Натомість постійний струм підтримує неперервний і незривний рівень напруги та струму, що спричиняє утворення надзвичайно стійкої й інтенсивної електричної дуги між контактними поверхнями під час їхнього розведення. Без швидкого й ефективного придушення дуги ця тривала дуга, температура якої може перевищувати кілька тисяч градусів Цельсія, розплавить контакти, зварить їх разом, руйнуватиме навколишню ізоляцію та потенційно призведе до катастрофічних фізичних вибухів або електричних пожеж усередині контрольного шафного обладнання.

Фізика дугового розряду постійного струму порівняно з дуговим розрядом змінного струму

Щоб повністю оцінити важливість придушення електричної дуги, необхідно розглянути фізичну поведінку електричних дуг у змінному та постійному струмі.

У системі змінного струму напруга й струм періодично змінюють напрямок (зазвичай 50 або 60 разів на секунду). Це означає, що кожні 10 мілісекунд (у системі з частотою 50 Гц) миттєве значення напруги падає до нуля. Коли контакти змінного струму реле розмикаються, виникає електрична дуга, але відразу ж, як хвиля змінного струму досягає наступної точки перетину з нулем, дуга втрачає підтримуючу напругу й природним чином гасне. Це робить керування дугою в мережах змінного струму порівняно простим і дозволяє виконувати реле змінного струму фізично меншими та простішими.

У постійному струмі напруга є постійною і незмінною. Нульових перетинів немає. Коли контакти реле постійного струму починають розходитися, повітряний проміжок між ними дуже малий. Оскільки напруга висока (зазвичай від чотирьохсот вольт до понад п’ятнадцяти сотень вольт у сучасних системах акумуляторного зберігання енергії), електричне поле в цьому мініатюрному проміжку має надзвичайну напруженість. Це поле іонізує молекули повітря, перетворюючи його на високопровідний плазмовий канал — електричну дугу.
Після утворення дуга постійного струму буде існувати доти, поки джерело напруги зможе подолати опір плазмового каналу. Дуга виступає як надзвичайно ефективний електричний провідник і продовжує пропускати струм кола, навіть коли контакти фізично розійшлися. Щоб загасити цю дугу, реле має фізично розтягнути, охолодити або загасити плазмовий канал надзвичайно швидко.

Наслідки не пригніченого дугового розряду в системах акумуляторного зберігання енергії

Коли постійного струму реле не має достатнього придушення дуги, наслідки розмикання контактів під навантаженням є серйозними й негайними:

• Ерозія та деградація контактів: інтенсивне тепло недопущеної дуги плавить метал на поверхні контактів. Це призводить до швидкого перенесення матеріалу, утворення ямок та окиснення. Вже за кілька десятків операцій опір контактів різко зростає, що викликає перегрівання реле під час нормальної роботи.
  
• Зварювання контактів: якщо дуга триває під час замикання контактів або локальна температура достатньо висока, розплавлені поверхні контактів можуть зливатися під час замикання. Як тільки контакти зварюються, реле більше не може розімкнутися, що робить його непридатним як пристрій ізоляції чи аварійного відключення. Це критичний режим відмови в системах зберігання енергії в акумуляторах, де здатність ізолювати несправну акумуляторну ланцюг є надзвичайно важливою.
  
• Короткі замикання «фаза–фаза» або «фаза–земля»: Йонізований газ, що утворюється внаслідок тривалої електричної дуги, має високу провідність. Якщо цей провідний газ виходить за межі герметичної камери реле, він може утворити міст до сусідніх компонентів або металевого корпусу, спричиняючи катастрофічне коротке замикання.
  
• Небезпека пожежі та вибуху: Постійне дугове розрядження може нагріти пластиковий корпус реле понад його температуру самозаймання, що призводить до локальних пожеж, які можуть поширитися на модулі літій-іонних акумуляторів, які надзвичайно чутливі до термічного розбіжного процесу.
  

Сучасні технології гасіння дуги в промислових постійного струму реле

Щоб запобігти цим небезпекам, виробники високовольтних реле постійного струму застосовують кілька дуже складних технологій гасіння дуги:

• Магнітні дугогасні котушки: Ця технологія використовує потужні постійні магніти або електромагнітні котушки, розташовані поруч із контактами. Коли виникає дуга, магнітне поле створює силу Лоренца на заряджені частинки в плазмі, фізично відштовхуючи та згинаючи дугу від поверхонь контактів. Це розтягує дугу, збільшуючи її електричний опір, і спрямовує її в дугогасні камері.
  
• Дугогасні камери та розподільні пластина: Дугогасні камери — це серія паралельних керамічних або металевих пластин. Коли магнітна сила відштовхування спрямовує дугу в камеру, дуга розбивається на кілька менших дуг. Це збільшує загальну напругу, необхідну для підтримання дуги, і швидко охолоджує плазму, що призводить до її гасіння.
  
• Герметичне ущільнення та наповнення газом: Багато високопотужних постійного струму реле герметично упаковані в керамічну або скляну оболонку й наповнені спеціальною газовою сумішшю, наприклад, високочистим воднем або азотом під тиском. Водень має надзвичайно високу теплопровідність, що дозволяє йому швидше охолоджувати й деіонізувати плазму дуги, ніж повітря, і майже миттєво гасити електричну дугу.
  
• Контактні системи з подвійним розривом: Замість одного рухомого контактного мостика реле з подвійним розривом одночасно розмикають ланцюг у двох окремих точках. Це ефективно подвоює довжину дугового проміжку й розподіляє падіння напруги між двома дугами, що значно полегшує їх гасіння.
  

Забезпечення високопродуктивних реле постійного струму: Перевага DAQCN

Для менеджерів закупівель B2B постачання постійного струму реле з перевіреною та надійною системою гасіння дуги є обов’язковим. У DAQCN ми розробили спеціальну лінійку високовольтних постійного струму контакторів і реле, які спеціально призначені для вимог до систем зберігання енергії від відновлюваних джерел та інфраструктури заряджання електромобілів.

DAQCN постійного струму реле використовують комбінацію важких постійних магнітних систем віддування дуги та міцних керамічних дугогасних камер. Наші преміальні моделі герметично запечатані й наповнені газом під високим тиском, щоб забезпечити надзвичайно швидке гасіння дуги навіть у сценаріях аварійного відключення під повним навантаженням.

Обираючи DAQCN, керівники проектів можуть бути впевненими, що їхні системи зберігання енергії в акумуляторах захищені реле, розробленими для витримування унікальних навантажень постійного струму, що максимізує безпеку й забезпечує відповідність міжнародним стандартам, зокрема UL 60947-4-1 та IEC 60947-4-1.

Висновки та поради щодо закупівель

Під час проектування та закупівлі систем для зберігання енергії, отриманої від відновлюваних джерел, ніколи не жертвуйте безпекою перемикання постійного струму. Фізична природа постійного струму робить гасіння електричної дуги критично важливим для запобігання зварюванню контактів, пошкодженню обладнання та електричних пожеж. Оцінюючи постачальників, директори з закупівель повинні переконатися, що вказані реле постійного струму мають інтегроване магнітне гасіння дуги, міцні дугогасні камери або герметичне газове ущільнення. Співпраця з експертним виробником, таким як DAQCN, забезпечує, що ваші установки оснащені передовими технологіями перемикання постійного струму, гарантуючи безпеку, надійність та тривалий термін служби ваших інвестицій у відновлювані джерела енергії.