Коммутационные аппараты постоянного тока — почему выключатель переменного тока нельзя просто применить в цепи постоянного тока

Гид о дуге постоянного тока и её гашении описывает энергию инцидента, выделяемую самоподдерживающейся дугой постоянного тока, а гид о детекции дуги постоянного тока в PV-стрингах описывает обнаружение нежелательной последовательной дуги внутри стринга. Эта статья посвящена более фундаментальному, предшествующему вопросу: почему само коммутационное устройство — силовой автоматический выключатель, выключатель нагрузки, разъединитель — требует принципиально иной внутренней конструкции в цепи постоянного тока, чем в цепи переменного тока того же напряжения и тока, даже когда оно используется исключительно для включения и отключения цепи в нормальных, безаварийных условиях.

Ключевое различие: переход тока переменного тока через ноль

Переменный ток при частоте 50 Гц проходит через ноль дважды за каждый период — раз в 10 мс. Когда пара контактов размыкается и возникает дуга, эта дуга гаснет самостоятельно при (или очень близко к) каждом естественном переходе через ноль, поскольку ток, необходимый для поддержания ионизации пути дуги, на мгновение исчезает. Коммутационному аппарату переменного тока нужно лишь предотвратить повторное зажигание дуги сразу после этого перехода через ноль — задача сравнительно скромная, решаемая с помощью раствора контактов и дугогасительной камеры, спроектированных для этой цели.

Постоянный ток не имеет естественного перехода через ноль. Как только между размыкающимися контактами постоянного тока возникает дуга, она продолжает гореть — непрерывно питаемая источником — пока напряжение дуги остаётся ниже напряжения источника. Аппарат должен поэтому активно принудить дугу к погасанию, вместо того чтобы просто предотвращать повторное зажигание после перехода через ноль, которого никогда не произойдёт.

Как аппарат постоянного тока принуждает дугу к погасанию

Чтобы разорвать дугу постоянного тока, коммутационный аппарат должен растянуть её, охладить и разделить, пока её собственное напряжение (которое растёт по мере удлинения дуги и деления на несколько более коротких дуг) не превысит напряжение источника — в этот момент дуга уже не может самоподдерживаться и гаснет. На практике это достигается сочетанием:

• Большего раствора и хода контактов, чем у эквивалентного аппарата переменного тока, благодаря чему дуга оказывается более растянутой ещё до того, как предпринимается попытка её погасить.
• Специально спроектированной дугогасительной камеры с большим числом (часто более плотно расположенных) разделительных пластин, чем в дугогасительной камере переменного тока сравнимого номинального тока, чтобы разделить одну дугу на несколько более коротких последовательных дуг, каждая из которых добавляет собственное напряжение дуги.
• Часто дугогасящей (магнитной) катушки, которая использует магнитное поле, создаваемое самим током короткого замыкания/нагрузки, чтобы активно вгонять дугу в дугогасительную камеру, вместо того чтобы полагаться исключительно на конвекцию и естественное удлинение дуги при размыкании контактов.

Почему последовательное соединение полюсов важно при более высоких напряжениях постоянного тока

Поскольку раствор контактов и дугогасительная камера одного полюса могут принудительно погасить дугу только до определённого напряжения постоянного тока, многие выключатели и разъединители, предназначенные для постоянного тока — например, в цепи PV-стринга постоянного тока с напряжением холостого хода значительно выше 600 В — применяются с двумя (или более) полюсами, соединёнными последовательно, в одной или обеих полярностях. Каждый полюс в последовательной цепочке вносит собственное напряжение дуги при размыкании, благодаря чему суммарное напряжение дуги последовательной цепочки может превысить напряжение источника, хотя ни один отдельный полюс не смог бы сделать это самостоятельно. Номинальное напряжение постоянного тока на заводской табличке аппарата уже отражает конфигурацию полюсов, в которой он был испытан (например, «500 В постоянного тока при 2 полюсах последовательно») — это значение автоматически не сохраняется, если тот же аппарат впоследствии подключён с другим числом последовательных полюсов.

Категории применения постоянного тока согласно IEC 60947-3

Для выключателей нагрузки, разъединителей и переключателей IEC 60947-3 определяет категории применения постоянного тока, соответствующие знакомым категориям переменного тока:

Аппарат с классификацией DC-20 (только разъединение) нельзя использовать для включения или отключения нагрузки DC-22 или DC-23 под напряжением — обесточенная классификация ничего не говорит о способности гасить дугу под нагрузкой.

Почему аппараты переменного тока нельзя просто «безопасно повторно использовать» на постоянном токе

Выключатель или переключатель только с классификацией переменного тока на заводской табличке вообще не был испытан на способность гашения дуги постоянного тока. Применение его тем не менее в цепи постоянного тока — ошибка, встречающаяся на практике при модернизации системы накопления энергии в батареях или соединительной коробки PV постоянного тока с использованием того, что просто подходит по размеру к корпусу — грозит самоподдерживающейся дугой, которую аппарат не способен погасить: контакты свариваются между собой, корпус перегревается, либо дуга продолжает гореть, пока вышестоящий аппарат (если он есть) её в конце концов не отключит, с гораздо более высокой энергией инцидента, чем та же неисправность вызвала бы в цепи переменного тока со сходным напряжением и током (см. гид о дуге постоянного тока для более подробной информации об этом эффекте).

Практическое значение

При спецификации или проверке коммутационной аппаратуры для установок постоянного тока — стороны постоянного тока PV, системы накопления энергии в батареях, микросети постоянного тока — заводская табличка должна показывать явную классификацию постоянного тока (напряжение, ток и категорию применения), а не только классификацию переменного тока, а фактическое число последовательно соединённых полюсов должно соответствовать конфигурации полюсов, для которой было испытано это значение напряжения постоянного тока.

Частые ошибки

1. Применение выключателя или переключателя только с классификацией переменного тока в цепи постоянного тока, исходя из предположения, что «контакт есть контакт» — без испытанной классификации постоянного тока неизвестно, способен ли аппарат принудительно погасить самоподдерживающуюся дугу постоянного тока, и часто этой способности просто не хватает.
2. Последовательное соединение полюсов без проверки того, соответствует ли результирующая конфигурация испытанному производителем номинальному напряжению постоянного тока — значение напряжения постоянного тока аппарата действует только для конкретной конфигурации полюсов, в которой оно было подтверждено.
3. Путаница категории DC-20 (обесточенной, только разъединение) с классификацией коммутации под нагрузкой — аппарат, пригодный только для обесточенного разъединения цепи, нельзя использовать для отключения нагрузки DC-22 или DC-23 под напряжением.
4. Предположение, что дугогасящая катушка — это необязательный декоративный элемент, а не функциональная часть механизма гашения дуги во многих аппаратах, предназначенных для постоянного тока.

Связанные материалы

• Дуга постоянного тока и её гашение
• Детекция дуги постоянного тока в PV-стрингах
• Силовой автоматический выключатель (MCCB) в сравнении с модульным автоматом (MCB)
• Противопожарный выключатель PV