BESS — сторона постоянного тока: защита от сверхтоков и выбор сечения кабеля для систем накопления энергии

Статья о домашних аккумуляторах и системах накопления энергии рассматривает требования к установке и регистрации системы накопления энергии (BESS) в общем виде, а статья о тепловом разгоне рассматривает связанный с этим риск пожарной безопасности. Эта статья рассматривает третий, предшествующий аспект: электротехнические решения на стороне постоянного тока самой BESS — соединение между аккумуляторными модулями и инвертором, — где как защита от сверхтоков, так и выбор сечения кабеля требуют принципиально иных соображений, чем обычная установка переменного тока.

Почему дугу постоянного тока принципиально сложнее погасить

При повреждении в цепи переменного тока ток естественным образом проходит через ноль 50 раз в секунду — каждый переход через ноль даёт момент, в который возникшая дуга гаснет сама собой, и выключатель или предохранитель может завершить отключение с относительно небольшой энергией. При постоянном токе этот естественный переход через ноль полностью отсутствует: однажды возникшая дуга постоянного тока продолжает гореть до тех пор, пока сам аппарат активно не введёт в цепь достаточное сопротивление, чтобы принудительно довести ток до нуля. Это делает отключение неисправности постоянного тока принципиально более энергозатратным, чем при переменном токе, и является причиной того, почему обычный предохранитель или выключатель переменного тока не подходит автоматически для применений постоянного тока, даже при сопоставимой силе тока.

Предохранители и выключатели постоянного тока: отдельная классификация

Как предохранители, так и выключатели, применяемые на стороне постоянного тока BESS, должны быть явно испытаны и классифицированы для отключения постоянного тока при фактическом напряжении системы — а не только для силы тока. Соответствующие стандарты на изделия включают IEC 60269 (низковольтные предохранители со специальными классификациями для постоянного тока) и IEC 60947-2 либо IEC 60898-2 для пригодных для постоянного тока выключателей/ автоматических выключателей. Важное отличие от переменного тока: отключающая способность предохранителя или выключателя постоянного тока зависит от напряжения нелинейно относительно силы тока — компонент, одобренный для 60 В постоянного тока, автоматически не пригоден для того же тока при 600 В постоянного тока, даже если физический дуговой промежуток в аппарате идентичен.

Предохранители по строкам (стрингам): защита от циркулирующего тока между параллельными стрингами

В BESS с несколькими параллельно подключёнными аккумуляторными стрингами внутренняя неисправность или разница в степени заряда между стрингами могут привести к тому, что один стринг будет подавать ток в другой — циркулирующий ток, который не проходит через основное подключение к инвертору и поэтому не обнаруживается одним главным предохранителем. Чтобы это ограничить, обычно применяется отдельный предохранитель на каждый стринг (иногда на каждый модуль), по принципу аналогичный предохранителю стринга в PV-установке, но подобранный под характерный ток разряда конкретной химии аккумулятора.

Выбор сечения кабеля: пиковый ток как заряда, так и разряда

В отличие от PV-стринга, где ток по своей природе ограничен сверху освещённостью и характеристикой панели, кабель постоянного тока между аккумуляторным модулем и инвертором может нести значительный, активно управляемый инвертором ток как при заряде, так и при разряде. Сечение кабеля поэтому должно выбираться по более высокому из двух пиковых токов (а не по среднему значению), с обычными поправочными коэффициентами на температуру окружающей среды и группировку нескольких кабелей (см. статью о коэффициенте группировки). Кроме того, падение напряжения на кабеле постоянного тока имеет значение для КПД системы: слишком длинный или заниженный по сечению кабель постоянного тока между аккумулятором и инвертором заметно снижает эффективный КПД заряда/разряда, помимо обычных соображений безопасности.

Контроль изоляции и конфигурация заземления

Шина постоянного тока BESS, как и PV-стринг, обычно выполняется без функционального заземления (незаземлённая, IT-подобная система постоянного тока), с непрерывным контролем изоляции (IMD), который сигнализирует о первой неисправности изоляции без немедленного отключения — см. статью о выявлении первой неисправности в системе IT для базового принципа. Это предотвращает немедленное отключение всей системы при единственном замыкании на землю в аккумуляторной батарее, но требует, чтобы само устройство контроля изоляции было исправно и периодически проверялось.

Внимание: точная топология (заземлённая или незаземлённая система постоянного тока, заземление средней точки) определяется спецификацией производителя инвертора и аккумулятора и применимым стандартом на изделие (в том числе IEC 62619 для самих аккумуляторных элементов); эта статья рассматривает принцип, а не готовое решение для каждого производителя оборудования.

Практическая значимость

При оценке установки BESS важно проверить, что применённые предохранители и выключатели постоянного тока явно классифицированы для фактического напряжения системы постоянного тока (а не только для силы тока), что сечение кабеля постоянного тока подобрано по более высокому пиковому току заряда или разряда, и что устройство контроля изоляции, если оно есть, исправно и не зашунтировано и не выведено из эксплуатации.

Частые ошибки

1. Применение обычного предохранителя или выключателя переменного тока на стороне постоянного тока без проверки, испытана ли отключающая способность явно для фактического напряжения системы постоянного тока — отсутствие естественного перехода через ноль создаёт реальный риск устойчивой дуги при неисправности.
2. Выбор сечения кабеля по среднему значению мощности вместо более высокого пикового тока заряда или разряда — это может привести к перегрузке во время кратковременных, но значительных пиков заряда или разряда.
3. Отсутствие отдельных предохранителей по стрингам в BESS с несколькими параллельными стрингами — внутренняя неисправность в одном стринге может тогда получать необнаруженный циркулирующий ток из другого стринга.
4. Отсутствие периодической проверки устройства контроля изоляции (IMD) незаземлённой системы постоянного тока — неисправное IMD больше не предупреждает о фактической первой неисправности в аккумуляторной батарее.

Связанные материалы

• Домашние аккумуляторы и системы накопления энергии — требования к установке
• Литий-ионные BESS — тепловой разгон и пожарная безопасность
• Система IT — выявление первой неисправности (IMD)
• Коэффициент группировки (Cg) — группировка кабелей и токовая нагрузочная способность