Комутаційні апарати постійного струму — чому вимикач змінного струму не можна просто застосувати в колі постійного струму

Гід про дугу постійного струму та її гасіння описує енергію інциденту, що вивільняється самопідтримуваною дугою постійного струму, а гід про детекцію дуги постійного струму в PV-стрінгах описує виявлення небажаної послідовної дуги всередині стрінга. Ця стаття присвячена більш фундаментальному, попередньому питанню: чому сам комутаційний пристрій — силовий автоматичний вимикач, вимикач навантаження, роз'єднувач — потребує принципово іншої внутрішньої конструкції в колі постійного струму, ніж у колі змінного струму того самого напруги й струму, навіть коли він використовується виключно для увімкнення та вимкнення кола за нормальних, безаварійних умов.

Ключова відмінність: перехід струму змінного струму через нуль

Змінний струм за частоти 50 Гц проходить через нуль двічі за кожен період — раз на 10 мс. Коли пара контактів розмикається і виникає дуга, ця дуга гасне самостійно за (або дуже близько до) кожного природного переходу через нуль, оскільки струм, необхідний для підтримання іонізації шляху дуги, на мить зникає. Комутаційному апарату змінного струму потрібно лише запобігти повторному запаленню дуги одразу після цього переходу через нуль — завдання порівняно скромне, яке вирішується за допомогою розхилу контактів і дугогасної камери, спроектованих саме для цього.

Постійний струм не має природного переходу через нуль. Щойно між контактами постійного струму, що розмикаються, виникає дуга, вона продовжує горіти — безперервно живлена джерелом — доки напруга дуги залишається нижчою за напругу джерела. Апарат має тому активно примусити дугу до згасання, замість того щоб просто запобігати повторному запаленню після переходу через нуль, якого ніколи не станеться.

Як апарат постійного струму примушує дугу до згасання

Щоб розірвати дугу постійного струму, комутаційний апарат має розтягнути її, охолодити та розділити, доки її власна напруга (яка зростає в міру подовження дуги та поділу на кілька коротших дуг) не перевищить напругу джерела — у цей момент дуга вже не може самопідтримуватися і гасне. На практиці це досягається поєднанням:

• Більшого розхилу та ходу контактів, ніж у еквівалентного апарата змінного струму, завдяки чому дуга виявляється більш розтягнутою ще до того, як робиться спроба її погасити.
• Спеціально спроектованої дугогасної камери з більшою кількістю (часто щільніше розташованих) розділювальних пластин, ніж у дугогасній камері змінного струму порівнянного номінального струму, щоб розділити одну дугу на кілька коротших послідовних дуг, кожна з яких додає власну напругу дуги.
• Часто дугогасної (магнітної) котушки, яка використовує магнітне поле, створюване самим струмом короткого замикання/навантаження, щоб активно заганяти дугу в дугогасну камеру, замість того щоб покладатися виключно на конвекцію та природне подовження дуги під час розмикання контактів.

Чому послідовне з'єднання полюсів важливе за вищих напруг постійного струму

Оскільки розхил контактів і дугогасна камера одного полюса можуть примусово погасити дугу лише до певної напруги постійного струму, багато вимикачів і роз'єднувачів, призначених для постійного струму — наприклад, у колі PV-стрінга постійного струму з напругою холостого ходу значно вищою за 600 В — застосовуються з двома (або більше) полюсами, з'єднаними послідовно, в одній або обох полярностях. Кожен полюс у послідовному ланцюжку вносить власну напругу дуги під час розмикання, завдяки чому сумарна напруга дуги послідовного ланцюжка може перевищити напругу джерела, хоча жоден окремий полюс не зміг би зробити це самостійно. Номінальна напруга постійного струму на заводській табличці апарата вже відображає конфігурацію полюсів, у якій він був випробуваний (наприклад, «500 В постійного струму за 2 полюсів послідовно») — це значення автоматично не зберігається, якщо той самий апарат згодом підключено з іншою кількістю послідовних полюсів.

Категорії застосування постійного струму згідно з IEC 60947-3

Для вимикачів навантаження, роз'єднувачів і перемикачів IEC 60947-3 визначає категорії застосування постійного струму, що відповідають знайомим категоріям змінного струму:

Апарат із класифікацією DC-20 (лише роз'єднання) не можна використовувати для вмикання чи вимикання навантаження DC-22 або DC-23 під напругою — знеструмлена класифікація нічого не каже про здатність гасити дугу під навантаженням.

Чому апарати змінного струму не можна просто «безпечно повторно використати» на постійному струмі

Вимикач або перемикач лише з класифікацією змінного струму на заводській табличці взагалі не був випробуваний на здатність гасіння дуги постійного струму. Застосування його попри це в колі постійного струму — помилка, що трапляється на практиці під час модернізації системи накопичення енергії в батареях або з'єднувальної коробки PV постійного струму з використанням того, що просто підходить за розміром до корпусу — загрожує самопідтримуваною дугою, яку апарат не здатен погасити: контакти зварюються між собою, корпус перегрівається, або дуга продовжує горіти, доки вищерозташований апарат (якщо він є) її врешті-решт не відключить, з набагато вищою енергією інциденту, ніж та сама несправність спричинила б у колі змінного струму зі схожою напругою та струмом (див. гід про дугу постійного струму для докладнішої інформації про цей ефект).

Практичне значення

Під час специфікації або перевірки комутаційної апаратури для установок постійного струму — сторони постійного струму PV, системи накопичення енергії в батареях, мікромережі постійного струму — заводська табличка повинна показувати явну класифікацію постійного струму (напругу, струм і категорію застосування), а не лише класифікацію змінного струму, а фактична кількість послідовно з'єднаних полюсів повинна відповідати конфігурації полюсів, для якої було випробувано це значення напруги постійного струму.

Типові помилки

1. Застосування вимикача або перемикача лише з класифікацією змінного струму в колі постійного струму, виходячи з припущення, що «контакт є контакт» — без випробуваної класифікації постійного струму невідомо, чи здатен апарат примусово погасити самопідтримувану дугу постійного струму, і часто цієї здатності просто бракує.
2. Послідовне з'єднання полюсів без перевірки того, чи відповідає результуюча конфігурація випробуваній виробником номінальній напрузі постійного струму — значення напруги постійного струму апарата діє лише для конкретної конфігурації полюсів, у якій воно було підтверджено.
3. Плутання категорії DC-20 (знеструмленої, лише роз'єднання) з класифікацією комутації під навантаженням — апарат, придатний лише для знеструмленого роз'єднання кола, не можна використовувати для вимкнення навантаження DC-22 або DC-23 під напругою.
4. Припущення, що дугогасна котушка — це необов'язковий декоративний елемент, а не функціональна частина механізму гасіння дуги в багатьох апаратах, призначених для постійного струму.

Пов'язані матеріали

• Дуга постійного струму та її гасіння
• Детекція дуги постійного струму в PV-стрінгах
• Силовий автоматичний вимикач (MCCB) порівняно з модульним автоматом (MCB)
• Протипожежний вимикач PV