DC-schakelmateriaal — waarom een AC-schakelaar niet zomaar op een DC-circuit hergebruikt kan worden

De gids over DC-vlamboog en boogonderdrukking behandelt de incidentele energie die vrijkomt bij een aanhoudende DC-boog, en de gids over DC-vlamboogdetectie in PV-strings behandelt het detecteren van een ongewenste serieboog binnen een string. Dit artikel behandelt een meer basale, voorafgaande vraag: waarom het schakelapparaat zelf — een vermogensschakelaar, een lastschakelaar, een scheider — op een DC-circuit een fundamenteel ander intern ontwerp nodig heeft dan op een AC-circuit met dezelfde spanning en stroom, ook wanneer het puur wordt gebruikt om een circuit onder normale, gezonde omstandigheden te maken en te verbreken.

Het kernverschil: de nuldoorgang van de AC-stroom

Een wisselstroom gaat bij 50 Hz tweemaal per periode door nul — eens per 10 ms. Wanneer een contactenpaar scheidt en er een boog ontstaat, dooft die boog zichzelf bij (of vlak bij) elke natuurlijke nuldoorgang, omdat de stroom die nodig is om de ionisatie van het boogpad in stand te houden op dat moment even wegvalt. Een AC-schakelapparaat hoeft alleen te voorkomen dat de boog direct na die nuldoorgang opnieuw ontsteekt — een relatief bescheiden taak, die wordt bereikt met een contactafstand en boogkamer die daarvoor is gedimensioneerd.

Een gelijkstroom kent geen natuurlijke nuldoorgang. Zodra een boog ontstaat tussen scheidende DC-contacten, blijft hij branden — continu gevoed door de bron — zolang de boogspanning onder de bronspanning blijft. Het apparaat moet de boog daarom actief dwingen te doven, in plaats van alleen herontsteking te voorkomen na een nuldoorgang die nooit komt.

Hoe een DC-schakelapparaat de boog afdwingt te doven

Om een DC-boog te onderbreken, moet een schakelapparaat de boog uitrekken, koelen en splitsen tot de eigen spanning ervan (die stijgt naarmate de boog langer wordt en wordt verdeeld in meerdere kortere bogen) de bronspanning overschrijdt — op dat moment kan de boog zichzelf niet langer in stand houden en wordt hij uitgedreven. In de praktijk wordt dit bereikt door een combinatie van:

• Een grotere contactafstand en contactslag dan een gelijkwaardig AC-apparaat, zodat de boog verder wordt uitgerekt voordat doving überhaupt wordt geprobeerd.
• Een speciaal ontworpen boogkamer met meer (en vaak dichter op elkaar geplaatste) splitterplaten dan een AC-boogkamer van vergelijkbaar stroomvermogen, om de ene boog te splitsen in meerdere kortere seriebogen, elk met een eigen boogspanning.
• Vaak een magnetische blaasspoel, die het magnetisch veld van de fout-/laststroom zelf gebruikt om de boog actief de boogkamer in te drijven, in plaats van alleen te vertrouwen op convectie en de natuurlijke verlenging van de boog bij het scheiden van de contacten.

Waarom polen in serie ertoe doen bij hogere DC-spanningen

Omdat de contactafstand en boogkamer van één pool doving slechts tot een bepaalde DC-spanning kunnen afdwingen, worden veel DC-geschikte installatieautomaten en lastscheiders — bijvoorbeeld op een PV DC-stringcircuit met een nullastspanning ruim boven 600 V — toegepast met twee (of meer) polen in serie geschakeld, in één of beide polariteiten. Elke pool in de serieketen levert bij het openen zijn eigen boogspanning, zodat de gecombineerde boogspanning van de serieketen de bronspanning kan overschrijden, ook al zou geen enkele pool dat afzonderlijk kunnen. De DC-spanningsaanduiding op het typeplaatje weerspiegelt al de poolconfiguratie waarin het apparaat is getest (bijvoorbeeld "500 V DC bij 2 polen in serie") — die aanduiding geldt niet automatisch wanneer hetzelfde apparaat later met een ander aantal polen in serie wordt bedraad.

DC-gebruikscategorieën van IEC 60947-3

Voor schakelaars, scheiders en lastscheiders definieert IEC 60947-3 DC-gebruikscategorieën die parallel lopen aan de bekende AC-categorieën:

Een apparaat met DC-20-classificatie (alleen scheiding) mag niet worden gebruikt om een DC-22- of DC-23-belasting onder spanning te maken of verbreken — de nullastclassificatie zegt niets over het vermogen om een boog onder last te onderbreken.

Waarom een AC-apparaat niet zomaar "veilig te hergebruiken" is op DC

Een schakelaar of automaat met alleen een AC-classificatie op het typeplaatje is helemaal niet getest op DC-boogonderbreking. Deze toch toepassen op een DC-circuit — een fout die in de praktijk voorkomt bij het retrofitten van een batterijopslagsysteem of een PV DC-combiner box met wat er toevallig in de kast past — riskeert een aanhoudende boog die het apparaat niet kan doven: de contacten lassen aan elkaar, de behuizing oververhit raakt, of de boog blijft branden tot een bovenliggend apparaat (indien aanwezig) hem alsnog onderbreekt, met een veel hogere incidentele energie dan dezelfde fout op een AC-circuit met vergelijkbare spanning en stroom zou hebben opgeleverd (zie de gids over DC-vlamboog voor dat gevolg in meer detail).

Praktische relevantie

Bij het specificeren of inspecteren van schakelmateriaal voor een DC-installatie — een PV DC-zijde, een batterijopslagsysteem, een DC-microgrid — moet het typeplaatje een expliciete DC-classificatie tonen (spanning, stroom én gebruikscategorie), niet alleen een AC-classificatie, en moet het daadwerkelijk aantal in serie bedrade polen overeenkomen met de poolconfiguratie waarvoor die DC-spanningsaanduiding is getest.

Veelgemaakte fouten

1. Een schakelaar of automaat met alleen een AC-classificatie toepassen op een DC-circuit, ervan uitgaand dat "een contact een contact is" — zonder geteste DC-classificatie is onbekend of het apparaat een aanhoudende DC-boog kan afdwingen te doven, en vaak is dat vermogen simpelweg afwezig.
2. Polen in serie bedraden zonder te controleren of de resulterende configuratie overeenkomt met de door de fabrikant geteste DC-spanningsaanduiding — de DC-spanningswaarde van een apparaat geldt alleen voor de specifieke poolconfiguratie waarin die is geverifieerd.
3. DC-20 (nullast, alleen scheiding) verwarren met een lastschakelclassificatie — een apparaat dat alleen geschikt is om een spanningsloos circuit te scheiden, mag niet worden gebruikt om een DC-22- of DC-23-belasting onder spanning te onderbreken.
4. Aannemen dat een magnetische blaasspoel optionele decoratie is in plaats van een functioneel onderdeel van het boogdovingsmechanisme bij veel DC-geschikte apparaten.

Gerelateerd

• DC-vlamboog en boogonderdrukking
• DC-vlamboogdetectie in PV-strings
• Vermogensschakelaar (MCCB) versus installatieautomaat (MCB)
• PV-brandweerschakelaar