Совместимость DC MCB и AC цепей

Установщик солнечных панелей, расположенный в Аризоне, связался с нашим техническим отделом поддержки по поводу проблемы с его установкой, которая остановила выполнение всего проекта. Небольшая система накопления энергии на батареях была готова к вводу в эксплуатацию, и установщик требовал автоматический выключатель на 63 ампера для защиты переменного тока на выходе инвертора. У установщика был автоматический выключатель постоянного тока на полке, который был рассчитан на 63 ампера, сконфигурирован для работы с необходимым количеством полюсов и рассчитан на работу при правильном напряжении; он также правильно подходил для установки на DIN-рейку. Установщик установил выключатель, включил его, и система работала правильно в течение примерно 3 недель, пока в день, когда выключатель сработал при максимальной нагрузке. Установщик сбросил выключатель после его срабатывания, и он сработал снова, контакты автоматического выключателя сплавились в закрытом положении. После дальнейшего расследования было обнаружено, что установщик случайно установил однофазный автоматический выключатель (DC) в цепь переменного тока. Конструкция внутренних дугогасителей в автоматическом выключателе, спецификации которого были написаны для постоянного тока, создала неприемлемые условия для отключения переменного тока под нагрузкой приемлемым образом (т.е. безопасно).

Поскольку системы постоянного тока – солнечные фотоэлектрические, системы накопления энергии на батареях и автономные системы становятся все более распространенными, и автоматические выключатели, рассчитанные на постоянный ток, начинают появляться, эта история часто повторяется, потому что некоторые электрики и техники, которые работали только с электричеством переменного тока в какой-то момент своей карьеры, предполагают, что все выключатели одинаковы. Это не так. Совместимость автоматического выключателя постоянного тока с цепью переменного тока – это вопрос, на который неправильный ответ может привести к пожару, а не просто к случайному срабатыванию.

Основное различие между отключением дуги переменного и постоянного тока

Прежде чем вы сможете определить, будет ли автоматический выключатель постоянного тока правильно функционировать в цепи переменного тока, вам нужно понять, как автоматический выключатель должен гасить дугу, которая возникает, когда контакты цепи открываются под нагрузкой (в то время как ток течет через цепь). Электрическая дуга, создаваемая разделением контактов, будет продолжать проводить электричество, пока ионизированный воздух остается проводящим (тепловая энергия, создаваемая дугой, вызывает ионизацию воздуха между двумя контактами). Когда выключатель открывается (или “срабатывает”), важно, чтобы выключатель погасил дугу до того, как поток тока через электрическую цепь станет разрушительным; выключатель достигает этого, гасив дугу в зависимости от того, используете ли вы переменный ток (AC) или постоянный ток (DC).

Из-за переменного тока периодического волнового цикла, который проходит от отрицательного к положительному через нулевое напряжение 2 раза за цикл или 100/120 раз в секунду (50/60 Гц), на каждом нулевом пересечении есть возможность для рассеивания энергии дуги. Дуга-ловушка (серия металлических пластин) использует эту естественную паузу или прерывание в продолжении дуги, разбивая дугу на более мелкие сегменты, охлаждая ее и предотвращая повторное зажигание — по сути, используя переменный ток с его пространством дуги и геометрией пластин, которые оптимизируют потенциал дуги для самозатухания на следующих нулевых пересечениях (не более чем 8,3 мс).

В цепи постоянного тока ток постоянен, и нет нулевого пересечения. Как только дуга была зажжена, она будет гореть до тех пор, пока есть достаточно напряжения для ее поддержания. Чтобы размыкатель постоянного тока погасил эту дугу, размыкатель должен приложить силу, чтобы вытянуть дугу дальше от контактных поверхностей, более эффективно охладить ее и увеличить напряжение дуги до тех пор, пока напряжение источника больше не сможет ее поддерживать. Некоторые способы, которыми размыкатели постоянного тока достигают этого, включают использование более мощных магнитных катушек, более широких зазоров между контактами и дугозащит с различными материалами и формами пластин. Некоторые конструкции также используют постоянные магниты, которые толкают дугу в более длинную спиральную дугу, которая не имеет эквивалента в стандартном размыкателе переменного тока.

Можно ли использовать DC MCB в цепи переменного тока?

Простой ответ — “Нет, стандартные DC MCB (миниатюрные автоматические выключатели) не подходят для использования в цепях переменного тока (AC), если производитель явно не оценил и не сертифицировал продукт для работы как с AC, так и с DC. Из-за физических свойств системы гашения дуги постоянного тока, размыкатель постоянного тока предназначен для размыкания DC; однако тот же физический компонент может препятствовать работе размыкателя при попытке размыкания AC. Например, магнитное поле, окружающее размыкатель постоянного тока (используемое для растяжения дуги постоянного тока), может негативно сказаться на системе охлаждения дугозащиты размыкателя постоянного тока (используемой для охлаждения дуги переменного тока) и, следовательно, либо замедлить общее время отключения, либо привести к сбою в отключении цепи.

При использовании DC MCB в приложениях, отличных от тех, для которых они были разработаны (например, в цепях переменного тока), важно проверить, чтобы полярность цепи соответствовала полярности MCB. Если MCB установлен с неправильной полярностью, это может привести к неправильной работе устройства и серьезным повреждениям из-за электрической неисправности. Например, установка DC MCB в цепь переменного тока с обратной полярностью приведет к тому, что магнитные поля, создаваемые MCB, будут толкать дугу в неправильном направлении во время обратного полупериода, что может привести к повреждению MCB или любого оборудования, подключенного к MCB.

Некоторые производители выпускают автоматические выключатели, которые сертифицированы для работы как с переменным, так и с постоянным током, или “неполяризованные” автоматические выключатели постоянного тока, которые менее чувствительны к направлению тока, но они специально разработаны и протестированы для двойного использования. Наша линия продуктов HUYU DC автоматический выключатель , включая HUB9NEZ‑80, предназначена для чистых приложений постоянного тока — солнечные панели, аккумуляторные батареи, коробки соединителей постоянного тока — и имеет сертификаты TUV и UL, специально для обслуживания постоянного тока. Для цепей переменного тока мы поставляем стандартные автоматические выключатели переменного тока и MCCB, которые разработаны и сертифицированы в соответствии с применимыми стандартами переменного тока. Использование правильного выключателя для типа тока не является рекомендацией; это основа безопасной защиты цепи. Для более глубокого понимания сертификационной структуры, регулирующей выбор выключателей, наша статья на том, что такое автоматические выключатели UL 489 объясняет стандарты испытаний, которым должны соответствовать как автоматические выключатели переменного, так и постоянного тока.

AC MCB против DC MCB: Сравнение бок о бок

Различия между АС МКБ и DC автоматический выключатель не являются косметическими. Они отражают принципиально разные философии проектирования, обусловленные различными требованиями к гашению дуги:

Эти различия имеют значение на практике. Автоматический выключатель переменного тока, установленный на цепь аккумулятора постоянного тока, может не сработать для устранения неисправности, потому что дуга никогда не гаснет. Автоматический выключатель постоянного тока, установленный на нагрузку переменного тока, может устранить первые несколько неисправностей, но быстро деградирует, поскольку обратные полупериоды действуют против его конструкции гашения дуги. Ни одна из ситуаций не является приемлемой для устройства безопасности.

Что происходит, когда используется неправильный автоматический выключатель

Последствия использования автоматического выключателя постоянного тока в цепи переменного тока можно продемонстрировать на примере солнечного установщика из Аризоны. В этом случае магнитное поле выброса может заставить дугу двигаться в неправильном направлении во время обратного полупериода из-за неправильной установки выключателя в цепь переменного тока. На каждой неисправности до этого момента выключатель мог работать правильно и устранять неисправность; однако, из-за деградации контактов, вызванной первоначальной неисправностью, выключатель, вероятно, не сработает при следующей неисправности и потенциально вызовет катастрофический ущерб.

Использование AC MCB в DC цепи означает, что нет нулевого перехода, чтобы дуга могла погаснуть естественным образом. Дуга-ловушка предназначена для дуги, которая коллапсирует дважды за цикл, что означает, что она не может достаточно охладить непрерывную DC дугу, которая будет сохраняться, а также перегревает контакты, что приводит к тому, что либо автомат не прерывает ток вообще, либо воспламеняется. Последствия этого не являются только теоретическими; они задокументированы не только в отчетах о тестировании продуктов, но и в расследованиях реальных отказов. Для более широкого понимания того, как автоматические выключатели взаимодействуют с другими защитными устройствами в системе, наше сравнение автоматический выключатель против защитника от перенапряжений объясняет стратегию многослойной защиты, которая необходима для каждой установки.

Автоматы с двойной маркировкой: Исключение из правила

Некоторые небольшие автоматические выключатели могут быть оценены для работы как с переменным током (AC), так и с постоянным током (DC). Они не просто ваши обычные миниатюрные автоматические выключатели переменного тока с наклейкой, на которой указано, что они были протестированы и оценены для работы с системой постоянного тока. Миниатюрные автоматические выключатели, предназначенные для двойной маркировки, прошли отдельные испытания, специфичные для применения AC или DC (т.е. были протестированы в обоих направлениях) и затем сертифицированы соответствующим испытательным агентством (например, UL) для того, чтобы функционировать согласно назначению в обоих типах условий цепи. На табличке миниатюрного автоматического выключателя с двойной маркировкой будет указана двойная оценка выключателя (например, 250 вольт AC / 60 вольт DC для каждого полюса) в дополнение к указанию того, что автомат был протестирован в соответствии с применимыми стандартами для каждого применения.

Если вы работаете над проектом, который использует как переменный ток (AC), так и постоянный ток (DC) — например, солнечная система с инвертором AC и аккумуляторной батареей — вы можете использовать автоматические выключатели с двойной маркировкой, чтобы упростить задачу. Просто убедитесь, что напряжение и характеристики прерывания автоматического выключателя с двойной маркировкой соответствуют обоим применениям. Автоматические выключатели с двойной маркировкой следует рассматривать как исключение, а не как правило. Не предполагайте, что автоматические выключатели, оцененные для DC или AC, допустимы для использования в другом направлении без конкретного одобрения производителя и сертификационных знаков, которые четко указывают на соответствующее использование для обоих типов тока.

Правильный выбор автоматического выключателя для смешанных установок AC/DC

Стандартное решение для солнечной энергии с накоплением будет состоять как из цепей постоянного тока (DC), так и из цепей переменного тока (AC). Цепи DC могут состоять из фотогальванического (PV) массива, батареи и DC-комбайнера; в то время как цепи AC могут включать выход инвертора (от инвертора к нагрузке AC), панель резервной нагрузки и соединение с сетью. Каждый тип цепи требует автоматического выключателя, который соответствует типу тока, напряжению и способности к отключению для данной цепи. Цепи DC используют автоматические выключатели, сертифицированные по стандарту UL 489B или IEC 60947-2 Annex P; в то время как цепи AC используют автоматические выключатели, сертифицированные по стандарту UL 489 или IEC 60898. Автоматические выключатели не взаимозаменяемы.

При выборе автоматического выключателя DC для солнечного или батарейного применения проверьте номинальное напряжение DC, которое будет указано либо как индивидуальные номиналы для каждого полюса, либо как максимальные системные напряжения для нескольких полюсов, соединенных последовательно. Далее проверьте номинал способности к отключению (kAIC) (также известный как способность к отключению короткого замыкания) по сравнению с величиной токов короткого замыкания на выходе батарейного банка. Наконец, если автоматический выключатель чувствителен к полярности, убедитесь, что он правильно помечен для полярности. Для стороны AC установки следуйте стандартным правилам расчета размеров, основанным на расчете нагрузки. Наше руководство по какому размеру автоматического выключателя вам нужно проходит через расчет как для общих, так и для моторных нагрузок.

Часто задаваемые вопросы

Можем ли мы использовать автоматический выключатель DC в цепях AC?

Не используйте стандартный автоматический выключатель DC с цепью AC или другими системами AC. Такие автоматические выключатели имеют механизм гашения дуги, разработанный для работы с напряжением DC и, следовательно, не могут безопасно отключать напряжение AC. Магнитная защита, используемая вместе с полем выброса и конструкцией, чувствительной к полярности, может привести к тому, что автоматический выключатель не сможет устранить неисправность AC. Единственный случай, когда вы должны использовать автоматический выключатель DC в цепи AC, это если производитель явно оценил и сертифицировал автоматический выключатель для работы как с AC, так и с DC.

Можно ли использовать MCB для DC?

Автоматический выключатель переменного тока (MCB) может безопасно обрабатывать нагрузки AC. Однако, если автоматический выключатель не был протестирован, сертифицирован или оценен для использования с DC, он не имеет возможности безопасно отключать DC. Причина, по которой происходит пересечение нуля тока в системах AC, заключается в синусоидальной форме волны, используемой в системах AC. Поскольку в DC нет пересечения нуля тока, автоматический выключатель не может погасить дугу с помощью конструкций для дуг, предназначенных для AC, и, следовательно, не может отключить ток в приложении DC. Из-за этой проблемы автоматический выключатель должен быть специально разработан, протестирован и помечен для применения DC с указанным напряжением DC и способностью к отключению.

В чем разница между автоматическим выключателем AC и автоматическим выключателем DC?

Гашение дуги является одной из ключевых отличий между обоими типами миниатюрных автоматических выключателей (MCB). Автоматический выключатель переменного тока (AC) достигает гашения дуги, используя естественный ноль тока во время каждого полупериода. Автоматический выключатель постоянного тока (DC) должен принудительно гасить дугу с помощью гораздо более сильного магнитного поля выброса, более широкого зазора контактов и внутреннего дизайна дугового ловителя, позволяющего охлаждение дуги после ее гашения. Автоматические выключатели, предназначенные для использования с DC, как правило, будут чувствительны к полярности, в то время как автоматические выключатели AC не имеют этого требования. Также существуют различия в номинальных напряжениях, стандартах испытаний и характеристиках срабатывания между обоими типами автоматических выключателей.

Являются ли автоматические выключатели DC и AC одинаковыми?

Автоматические выключатели постоянного тока (DC) и переменного тока (AC) отличаются друг от друга. Каждый тип имеет свой уникальный способ прерывания дуги; они также разработаны для соответствия различным стандартам испытаний и рассчитаны на безопасную работу при различных уровнях напряжения и прерывающей способности. Выключатель, разработанный исключительно для прерывания постоянного тока (DC), не сможет безопасно прервать переменный ток (AC), поэтому выключатель, предназначенный исключительно для использования с AC, не ограничит опасности, если попытаться использовать его для прерывания тока, состоящего из DC; исключением являются случаи, когда производитель указал и протестировал такое оборудование как подходящее для обоих применений.

Вопрос совместимости DC MCB и AC цепей это ситуация, где инженерные основы дают ясный ответ: выключатель должен соответствовать типу тока. Автоматический выключатель DC разработан для того, чтобы заставить дугу погаснуть при постоянном токе. Автоматический выключатель AC построен так, чтобы естественное прохождение нуля тока выполняло большую часть работы. Использование одного в цепи другого нарушает защиту, которую выключатель предназначен обеспечивать. В электрической установке — будь то распределительный щит жилого дома, солнечная комбинирующая коробка или промышленный шкаф управления — этикетка на выключателе указывает, где он должен использоваться. Рейтинг DC означает только цепи постоянного тока. Рейтинг AC означает только цепи переменного тока. Редкий выключатель с двойным рейтингом имеет обе маркировки и обе сертификации. Соблюдение этой маркировки — самый простой и эффективный способ гарантировать, что при возникновении неисправности выключатель выполнит именно то, для чего он предназначен: безопасно разомкнёт цепь, устранит неисправность и защитит все последующие элементы.