BESS — strona DC: zabezpieczenie nadprądowe i dobór przekroju kabla w magazynach energii

Artykuł o domowych bateriach i magazynach energii omawia wymagania instalacyjne i rejestracyjne systemu magazynowania energii (BESS) w ujęciu ogólnym, a artykuł o ucieczce cieplnej omawia związane z tym ryzyko pożarowe. Ten artykuł omawia trzeci, poprzedzający aspekt: rozwiązania elektrotechniczne po stronie DC samego BESS — połączenie między modułami akumulatorowymi a falownikiem — gdzie zarówno zabezpieczenie nadprądowe, jak i dobór przekroju kabla wymagają zasadniczo innych rozważań niż standardowa instalacja prądu przemiennego.

Dlaczego łuk DC jest zasadniczo trudniejszy do ugaszenia

W przypadku uszkodzenia w obwodzie prądu przemiennego prąd naturalnie przechodzi przez zero 50 razy na sekundę — każde przejście przez zero daje moment, w którym powstały łuk gaśnie samoistnie, a wyłącznik lub bezpiecznik może zakończyć wyłączenie przy stosunkowo niewielkiej energii. Przy prądzie stałym to naturalne przejście przez zero jest całkowicie nieobecne: raz powstały łuk DC pali się dalej, dopóki sam aparat aktywnie nie wprowadzi do obwodu wystarczającej rezystancji, by wymusić spadek prądu do zera. To sprawia, że wyłączenie zwarcia DC jest zasadniczo bardziej energochłonne niż przy prądzie przemiennym, i jest przyczyną tego, dlaczego zwykły bezpiecznik czy wyłącznik AC nie nadaje się automatycznie do zastosowań DC, nawet przy porównywalnym natężeniu prądu.

Bezpieczniki i wyłączniki DC: osobna klasyfikacja

Zarówno bezpieczniki, jak i wyłączniki stosowane po stronie DC BESS, muszą być wyraźnie przebadane i sklasyfikowane do wyłączania prądu stałego przy faktycznym napięciu systemu — a nie tylko przy natężeniu prądu. Odpowiednie normy wyrobowe obejmują IEC 60269 (niskonapięciowe bezpieczniki z odrębnymi klasyfikacjami dla prądu stałego) oraz IEC 60947-2 lub IEC 60898-2 dla wyłączników przystosowanych do prądu stałego. Ważna różnica względem AC: zdolność wyłączania bezpiecznika czy wyłącznika DC zależy od napięcia nieliniowo względem natężenia prądu — komponent zatwierdzony dla 60 V DC nie nadaje się automatycznie do tego samego prądu przy 600 V DC, nawet jeśli fizyczna przerwa łukowa w aparacie jest identyczna.

Bezpieczniki na stringach: zabezpieczenie przed prądem krążącym między równoległymi stringami

W BESS z kilkoma równolegle podłączonymi stringami akumulatorowymi wewnętrzna usterka lub różnica w stanie naładowania między stringami może spowodować, że jeden string będzie zasilał prądem inny — prąd krążący, który nie przepływa przez główne połączenie do falownika i dlatego nie jest wykrywany przez jeden główny bezpiecznik. Aby to ograniczyć, zazwyczaj stosuje się osobny bezpiecznik na każdy string (czasem na każdy moduł), na zasadzie podobnej do bezpiecznika stringa w instalacji PV, ale dobranego pod charakterystyczny prąd rozładowania konkretnej chemii akumulatora.

Dobór przekroju kabla: szczytowy prąd zarówno ładowania, jak i rozładowania

W przeciwieństwie do stringa PV, gdzie prąd jest z natury ograniczony od góry przez nasłonecznienie i charakterystykę panelu, kabel DC między modułem akumulatorowym a falownikiem może przenosić znaczny, aktywnie sterowany przez falownik prąd zarówno podczas ładowania, jak i rozładowania. Przekrój kabla musi więc być dobrany na podstawie wyższego z dwóch szczytowych prądów (a nie wartości średniej), z zwykłymi współczynnikami korekcyjnymi na temperaturę otoczenia i grupowanie kilku kabli (zob. artykuł o współczynniku grupowania). Ponadto spadek napięcia na kablu DC ma znaczenie dla sprawności systemu: zbyt długi lub zbyt cienki kabel DC między akumulatorem a falownikiem zauważalnie obniża efektywną sprawność ładowania/ rozładowania, oprócz zwykłych względów bezpieczeństwa.

Kontrola izolacji i konfiguracja uziemienia

Szyna DC BESS, podobnie jak string PV, zazwyczaj wykonywana jest bez uziemienia funkcjonalnego (nieuziemiony, system DC podobny do IT), z ciągłym monitorowaniem izolacji (IMD), który sygnalizuje pierwszą usterkę izolacji bez natychmiastowego wyłączenia — zob. artykuł o wykrywaniu pierwszej usterki w systemie IT po zasadę podstawową. Zapobiega to natychmiastowemu wyłączeniu całego systemu przy pojedynczym zwarciu doziemnym w baterii akumulatorów, ale wymaga, by samo urządzenie kontroli izolacji było sprawne i okresowo sprawdzane.

Uwaga: dokładna topologia (uziemiony czy nieuziemiony system DC, uziemienie punktu środkowego) jest określana przez specyfikację producenta falownika i akumulatora oraz obowiązującą normę wyrobową (w szczególności IEC 62619 dla samych ogniw akumulatorowych); ten artykuł omawia zasadę, a nie gotowe rozwiązanie dla każdego producenta sprzętu.

Praktyczne znaczenie

Podczas oceny instalacji BESS ważne jest sprawdzenie, czy zastosowane bezpieczniki i wyłączniki DC są wyraźnie sklasyfikowane dla faktycznego napięcia systemu DC (a nie tylko natężenia prądu), czy przekrój kabla DC dobrano na podstawie wyższego szczytowego prądu ładowania lub rozładowania, oraz czy urządzenie kontroli izolacji, jeśli występuje, jest sprawne i nie zostało zmostkowane ani wyłączone z eksploatacji.

Częste błędy

1. Zastosowanie zwykłego bezpiecznika lub wyłącznika AC po stronie DC bez sprawdzenia, czy zdolność wyłączania jest wyraźnie przebadana dla faktycznego napięcia systemu DC — brak naturalnego przejścia przez zero stwarza realne ryzyko trwałego łuku przy usterce.
2. Dobór przekroju kabla na podstawie średniej wartości mocy zamiast wyższego szczytowego prądu ładowania lub rozładowania — może to prowadzić do przeciążenia podczas krótkotrwałych, ale znacznych szczytów ładowania lub rozładowania.
3. Brak osobnych bezpieczników na stringach w BESS z kilkoma równoległymi stringami — wewnętrzna usterka w jednym stringu może wtedy generować niewykryty prąd krążący z innego stringa.
4. Brak okresowej kontroli urządzenia monitorowania izolacji (IMD) nieuziemionego systemu DC — niesprawny IMD przestaje ostrzegać o faktycznej pierwszej usterce w baterii akumulatorów.

Powiązane materiały

• Domowe baterie i systemy magazynowania energii — wymagania instalacyjne
• Litowo-jonowe BESS — ucieczka cieplna i bezpieczeństwo pożarowe
• System IT — wykrywanie pierwszej usterki (IMD)
• Współczynnik grupowania (Cg) — grupowanie kabli i obciążalność prądowa