Aparatura łączeniowa DC — dlaczego wyłącznika AC nie można po prostu zastosować w obwodzie DC

Przewodnik o łuku DC i jego tłumieniu opisuje energię incydentu uwalnianą przez podtrzymujący się łuk DC, a przewodnik o detekcji łuku DC w stringach PV opisuje wykrywanie niepożądanego łuku szeregowego wewnątrz stringa. Ten artykuł dotyczy bardziej podstawowego, wcześniejszego pytania: dlaczego samo urządzenie łączeniowe — wyłącznik mocy, rozłącznik obciążeniowy, odłącznik — wymaga zasadniczo innej konstrukcji wewnętrznej w obwodzie DC niż w obwodzie AC o tym samym napięciu i prądzie, nawet gdy służy wyłącznie do załączania i wyłączania obwodu w normalnych, bezawaryjnych warunkach.

Kluczowa różnica: przejście prądu AC przez zero

Prąd przemienny przy 50 Hz przechodzi przez zero dwukrotnie w każdym okresie — raz na 10 ms. Gdy para styków się rozłącza i powstaje łuk, łuk ten gaśnie samoistnie przy (lub bardzo blisko) każdego naturalnego przejścia przez zero, ponieważ prąd potrzebny do podtrzymania jonizacji drogi łuku na chwilę zanika. Urządzenie łączeniowe AC musi jedynie zapobiec ponownemu zapłonowi łuku zaraz po tym przejściu przez zero — zadanie stosunkowo skromne, osiągane przy pomocy przerwy stykowej i komory gaszeniowej zaprojektowanych do tego celu.

Prąd stały nie ma naturalnego przejścia przez zero. Gdy tylko powstanie łuk między rozłączającymi się stykami DC, płonie on dalej — zasilany nieprzerwanie przez źródło — dopóki napięcie łuku pozostaje niższe od napięcia źródła. Urządzenie musi zatem aktywnie wymusić zgaśnięcie łuku, zamiast jedynie zapobiegać ponownemu zapłonowi po przejściu przez zero, które nigdy nie nastąpi.

Jak urządzenie DC wymusza zgaśnięcie łuku

Aby przerwać łuk DC, urządzenie łączeniowe musi go rozciągnąć, schłodzić i podzielić, aż jego własne napięcie (które rośnie w miarę wydłużania się łuku i podziału na kilka krótszych łuków) przekroczy napięcie źródła — w tym momencie łuk nie może się już samopodtrzymać i zostaje wygaszony. W praktyce osiąga się to poprzez połączenie:

• Większej przerwy stykowej i skoku styków niż w równoważnym urządzeniu AC, dzięki czemu łuk zostaje bardziej rozciągnięty, zanim w ogóle podjęta zostanie próba wygaszenia.
• Specjalnie zaprojektowanej komory gaszeniowej z większą liczbą (często gęściej rozmieszczonych) płyt dzielących niż w komorze gaszeniowej AC o porównywalnym prądzie znamionowym, aby podzielić jeden łuk na kilka krótszych łuków szeregowych, z których każdy dodaje własne napięcie łuku.
• Często cewki dmuchowej (magnetycznej), która wykorzystuje pole magnetyczne wytwarzane przez sam prąd zwarciowy/obciążenia, aby aktywnie wpędzić łuk do komory gaszeniowej, zamiast polegać wyłącznie na konwekcji i naturalnym wydłużaniu się łuku podczas rozłączania styków.

Dlaczego bieguny w szeregu mają znaczenie przy wyższych napięciach DC

Ponieważ przerwa stykowa i komora gaszeniowa jednego bieguna mogą wymusić zgaśnięcie łuku tylko do pewnego napięcia DC, wiele wyłączników i rozłączników przeznaczonych do DC — na przykład w obwodzie stringa PV DC o napięciu obwodu otwartego znacznie powyżej 600 V — stosuje się z dwoma (lub więcej) biegunami połączonymi szeregowo, w jednej lub obu polaryzacjach. Każdy biegun w łańcuchu szeregowym wnosi własne napięcie łuku podczas otwierania, dzięki czemu łączne napięcie łuku szeregowego łańcucha może przekroczyć napięcie źródła, mimo że żaden pojedynczy biegun nie mógłby tego dokonać samodzielnie. Znamionowe napięcie DC na tabliczce znamionowej urządzenia już odzwierciedla konfigurację biegunów, w której zostało przebadane (na przykład „500 V DC przy 2 biegunach w szeregu") — ta wartość nie obowiązuje automatycznie, jeśli to samo urządzenie zostanie później okablowane z inną liczbą biegunów w szeregu.

Kategorie użytkowania DC według IEC 60947-3

Dla łączników, odłączników i rozłączników IEC 60947-3 definiuje kategorie użytkowania DC odpowiadające znanym kategoriom AC:

Urządzenie o klasyfikacji DC-20 (wyłącznie odłączanie) nie może być użyte do załączania lub wyłączania obciążenia DC-22 lub DC-23 pod napięciem — klasyfikacja bezprądowa nic nie mówi o zdolności do przerywania łuku pod obciążeniem.

Dlaczego urządzenia AC nie można po prostu „bezpiecznie ponownie użyć" w DC

Wyłącznik lub łącznik z jedynie klasyfikacją AC na tabliczce znamionowej w ogóle nie został przebadany pod kątem przerywania łuku DC. Zastosowanie go mimo to w obwodzie DC — błąd zdarzający się w praktyce przy modernizacji systemu magazynowania energii w bateriach lub skrzynki łączeniowej PV DC z użyciem tego, co akurat pasuje do obudowy — grozi podtrzymującym się łukiem, którego urządzenie nie jest w stanie zgasić: styki zgrzewają się ze sobą, obudowa przegrzewa się, albo łuk płonie dalej, dopóki urządzenie nadrzędne (jeśli istnieje) go w końcu nie przerwie, z dużo wyższą energią incydentu niż ta sama usterka wywołałaby w obwodzie AC o podobnym napięciu i prądzie (zob. przewodnik o łuku DC po więcej szczegółów o tym skutku).

Znaczenie praktyczne

Przy specyfikowaniu lub kontroli aparatury łączeniowej dla instalacji DC — strony DC PV, systemu magazynowania energii w bateriach, mikrosieci DC — tabliczka znamionowa musi wykazywać wyraźną klasyfikację DC (napięcie, prąd i kategorię użytkowania), a nie tylko klasyfikację AC, a rzeczywista liczba biegunów połączonych szeregowo musi odpowiadać konfiguracji biegunów, dla której przebadano tę wartość napięcia DC.

Częste błędy

1. Stosowanie wyłącznika lub łącznika z jedynie klasyfikacją AC w obwodzie DC, zakładając, że „styk to styk" — bez przebadanej klasyfikacji DC nie wiadomo, czy urządzenie jest w stanie wymusić zgaśnięcie podtrzymującego się łuku DC, i często tej zdolności po prostu brakuje.
2. Łączenie biegunów szeregowo bez sprawdzenia, czy wynikowa konfiguracja odpowiada przebadanemu przez producenta znamionowemu napięciu DC — wartość napięcia DC urządzenia obowiązuje wyłącznie dla konkretnej konfiguracji biegunów, w której została zweryfikowana.
3. Mylenie kategorii DC-20 (bezprądowej, wyłącznie odłączanie) z klasyfikacją łączenia pod obciążeniem — urządzenie nadające się wyłącznie do odłączania beznapięciowego obwodu nie może być użyte do przerywania obciążenia DC-22 lub DC-23 pod napięciem.
4. Zakładanie, że cewka dmuchowa jest opcjonalnym elementem dekoracyjnym, a nie funkcjonalną częścią mechanizmu gaszenia łuku w wielu urządzeniach przeznaczonych do DC.

Powiązane

• Łuk DC i jego tłumienie
• Detekcja łuku DC w stringach PV
• Wyłącznik mocy (MCCB) a wyłącznik instalacyjny (MCB)
• Wyłącznik przeciwpożarowy PV