Установщик солнечных панелей в Аризоне установил накопительную батарею на завершенной установке. Питающий кабель батарейного банка был аккуратно установлен на стороне постоянного тока; это было достигнуто с помощью автоматического выключателя на 80A/1200VDC (с автоматическим выключателем, изготовленным из серии автоматических выключателей HUB9NEZ от HUYU) для его защиты. Однако на стороне переменного тока требовался автоматический выключатель для защиты выходной стороны инвертора. К счастью, у установщика был дополнительный автоматический выключатель на постоянный ток (такого же размера), который он установил вместо этого. После двух недель работы автоматический выключатель инвертора сработал после того, как кондиционер был под сильной нагрузкой, и на этот раз внутренний дуга не погасла. Контактные поверхности были повреждены, автоматический выключатель был отклонен, и ток короткого замыкания продолжал течь по линии, пока не открылся главный автоматический выключатель. То, что казалось обычным прерыванием избыточного тока, в конечном итоге привело к необычному почти возгоранию из-за того, что автоматический выключатель, предназначенный для постоянного напряжения, был вынужден прерывать переменное напряжение.
Случай, описанный в этом отчете о безопасности на месте от крупной организации в области фотогальваники, является очевидным подтверждением того, почему ученым не следует рассматривать вопрос о том, существует ли совместимость автоматических выключателей переменного тока для автоматических выключателей на постоянный ток. Ответ прост — не используйте автоматический выключатель, рассчитанный только на постоянный ток, в цепи переменного тока или наоборот, независимо от того, имеет ли он двойную маркировку (от производителя) и обозначен как таковой.
Уникальная функциональность физических механизмов, которые гасит электрическую дугу, вызванную каждым типом цепи, настолько принципиально различна, что использование их взаимозаменяемо фактически подрывает цель устройства (автоматического выключателя), которое обеспечивает электрическую защиту, для которой оно было разработано.
Проблема гашения дуги: физика прерывания переменного и постоянного тока
Понимание того, что вызвало срабатывание автоматического выключателя на постоянный ток в цепи переменного тока, требует знакомства с электрической дугой. Когда контакты электрической цепи открываются (разъединяются) при протекании тока, разъединенные контакты создают дугу, которая сама по себе является электрически проводящим путем. По мере того как электрическая дуга продолжается, она становится ионизированным плазмой, состоящей из множества различных элементов, и больше не состоит из чистого газа. Весь ток, протекающий через открытые контакты цепи, создает дугу (аналогично дуговой сварочной машине) до тех пор, пока автоматический выключатель не сработает; этот процесс происходит в цепях переменного тока высокого напряжения. Способ гашения дуги зависит от того, является ли ток переменным или постоянным.
В электрической цепи переменного тока (AC) ток проходит через ноль 100 или 120 раз в секунду (2 раза за цикл или 50 или 60 Герц). Каждый раз, когда ток проходит через ноль, он кратковременно (т.е. мгновенно) коллапсирует энергию дуги. Чтобы погасить дугу и эффективно разорвать её на части так, чтобы ни одна из частей не имела температуры (т.е. температуры ионизации) выше той, при которой дуга снова воспламенится после прохождения через ноль, в миниатюрном автоматическом выключателе AC используется дуговая камера (т.е. стек металлических пластин) для разрыва и охлаждения каждого из этих сегментов. Следовательно, вся конструкция этих устройств зависит от гарантированного гашения дуги каждые 8,3 миллисекунды, когда ток проходит через ноль.
В постоянном токе (DC) никогда не будет пересечения нуля, и электрический ток постоянен. После возникновения дуги она будет продолжать существовать до тех пор, пока контакты не будут разъединены достаточно далеко, напряжение дуги не станет больше, чем напряжение плазмы дуги остынет достаточно, чтобы источник напряжения больше не мог поддерживать дугу активной. Это означает, что MCB, используемый для DC, должен иметь гораздо более сильное магнитное поле выброса от постоянного магнита или последовательно соединенной катушки выброса, чтобы дуга могла быть принудительно направлена по более длинному пути и закручивалась гораздо больше в камере дуги большего размера. Зазор контакта шире в DC. Материал пластины дуговой камеры и её форма отличаются от таковых в AC. Таким образом, когда MCB используется в DC, он функционирует как устройство принудительного гашения, а не как устройство гашения, использующее функцию пересечения нуля.
Институт инженерии и технологий (IET) предоставил подробное объяснение безопасного использования защитных цепей постоянного тока в своем техническом брифинге. Существуют разные способы тестирования и сертификации миниатюрных автоматических выключателей AC и DC, поскольку они работают по-разному из-за особенностей работы прерывания дуги. Например, автоматические выключатели с рейтингом AC никогда не могли надежно прервать непрерывную дугу постоянного тока, в то время как автоматические выключатели с рейтингом DC никогда не могли надежно прервать дугу переменного тока из-за природы изменяющейся полярности переменного тока.
Что происходит, когда используется неправильный автоматический выключатель
Опыт установщика из Аризоны обычен. Когда установка автоматического выключателя главной цепи постоянного тока (DC MCB) происходит в цепи переменного тока (AC), есть два способа, как это может потерпеть неудачу.
На передней половине циклаВ устройствах для гашения дуги постоянного тока функциональность, связанная с механическим поведением механизмов гашения дуги постоянного тока, должна в целом работать как ожидается. Когда механический выброс в желоб активируется, дуга выталкивается магнитным механизмом выброса в положение (т.е. начинается охлаждение). Напротив, когда происходит следующий полупериод питания, переменный электрический ток (AC) меняет направление и заставляет постоянный магнит (или катушку выброса) толкать дугу в неправильном направлении (т.е. обратно к механическому устройству (устройству гашения дуги), к концу автоматического выключателя и в часть желоба дуги, которая не была создана для удержания дуги). Дуга может прожечь пластиковый корпус устройства, сварить контакты вместе или выйти за пределы защиты устройства. Первые несколько операций автоматического выключателя (срабатываний) могут привести к успешной работе выключателя, но сбой может произойти после некоторого времени работы из-за накопленного повреждения контактов.
DC AC MCB будет выходить из строя более предсказуемо, поскольку желоб дуги ждет, когда произойдет нулевое пересечение, которое никогда не произойдет. Из-за этого дуга будет продолжаться, вызывая выход контактов из строя из-за перегрева. Автоматический выключатель либо не сможет прервать цикл, либо загорится. Поскольку нет магнитного выброса для работы с постоянным током, дуга просто остается в зазоре контакта, пока один из контактов не расплавится. Таким образом, оба случая не выполнили основную функцию безопасности устройства.
Автоматические выключатели с двойным рейтингом: Исключение, подтверждающее правило
Существуют автоматические выключатели, которые можно использовать как для AC, так и для DC приложений. У них не просто есть AC MCB, которые показывают напряжение DC как после мысли; они также специально созданы для работы с обоими типами дуг: (1) с нулевыми пересечениями, способствующими гашению дуги (AC) и (2) без какой-либо внешней помощи (DC). Производитель должен предоставить сертификаты типовых испытаний как для AC, так и для DC. Производитель также должен указать, что это сертифицированный автоматический выключатель с двойным рейтингом; например, “230Vac макс. 400Vac макс., 60VDC макс/полюс.”
Когда вам нужен один корпус для AC и DC цепей одновременно на установке (например, в солнечном гибридном инверторном кабинете или телекоммуникационном силовом шкафу), логичным вариантом является использование этих комбинированных автоматических выключателей; однако, согласно обширному руководству по применению от EC&M, существует лишь ограниченное количество устройств с комбинированным рейтингом, и почти все мини-автоматические выключатели имеют рейтинг и тестирование только для одного из двух типов тока; поэтому, если у вас есть устройство с рейтингом AC и вы пытаетесь использовать его там, где требуется устройство с рейтингом DC, вы не можете использовать это устройство с рейтингом AC, если производитель не дал вам письменное разрешение на это.
Выбор правильного автоматического выключателя для вашего применения
Решение между DC автоматический выключатель и АС МКБ полностью зависит от типа тока цепи. Таблица ниже суммирует ландшафт применения:
| Тип цепи | Требуемый автоматический выключатель | Типичный продукт |
|---|---|---|
| AC распределительные цепи (освещение, розетки, приборы) | АС МКБ | ХУЮ HUM18‑63 AC МКП (1P–4P, 10kA, B/C/D кривые) |
| AC моторные цепи | AC MCB или MCCB с соответствующей кривой срабатывания | ХУЮ HYM1 МКЗ |
| Защита строк массива DC PV | DC MCB, часто чувствительный к полярности | ХУЮ HUM18PV‑63 DC MCB (до 1000V DC) |
| Банк батарей DC и вход инвертора DC | DC MCB или DC MCCB, предпочтительно без полярности | ХУЮ HUB9NEZ‑80 DC автоматический выключатель (16A–80A, до 1200V DC, UL/TUV) |
| Смешанные AC/DC корпуса | Двухрейтинговый автоматический выключатель или отдельные AC и DC автоматические выключатели, четко разделенные | Проверьте двойной рейтинг и маркировку производителя |
Для дополнительной информации о соответствии рейтингов автоматических выключателей вашей цепи, наша статья на какому размеру автоматического выключателя вам нужно охватывает методы расчета NEC и IEC для нагрузок как AC, так и DC.
Могут ли AC и DC использовать один и тот же провод?
Другой вопрос с аналогичной важностью — это возможность AC и DC проводников занимать один и тот же корпус (трубопровод/канал/корпус). Журнал Electrical Construction and Maintenance (EC&M) предоставляет некоторые рекомендации в своих обновленных практических руководствах по установке о том, как NEC (Национальный электрический кодекс) позволяет это в ограниченных обстоятельствах; однако, почти всегда безопаснее держать их физически разделенными. Все проводники в одном канале должны быть рассчитаны на максимальное напряжение, которое в настоящее время присутствует (AC или DC). Следовательно, проводники DC должны быть рассчитаны на пиковое AC напряжение, а проводники AC должны быть рассчитаны на максимальное DC напряжение.
На практике это обычно приводит к тому, что проектировщики используют отдельные трубопроводы для AC и DC цепей или имеют шкаф с отделениями, которые четко разделены друг от друга. Обычно перегородка отделяет AC отделение от DC отделения внутри шкафа солнечного инвертора. Это указывается тем, что проводники DC изолированы красным/черным проводом, а проводники AC изолированы коричневым/синим (гармонизированным) цветами или черным/белым (Северная Америка). Смешивание этих типов проводников без соответствующего разделения создает большие трудности в изоляции уровней напряжения и также создает более высокий потенциал для неправильной идентификации правильного проводника(ов) во время обслуживания.
Часто задаваемые вопросы
Можно ли использовать DC MCB для AC?
Никакой MCB не может быть использован в AC, если производитель не указал, что проводка цепи подходит для использования как в AC, так и в DC и, следовательно, имеет двойной рейтинг и маркировку. Если MCB не был изготовлен с определенным механизмом для гашения дуги в AC, то этот механизм может не сработать в обратном полупериоде AC, что приведет к свариванию контактов или прогоранию корпуса MCB.
Можно ли использовать MCB для DC?
Стандартный AC MCB никогда не должен быть подключен к цепи DC, если он не имеет специального рейтинга и сертификации для использования с цепями DC. AC MCB полагается на нулевое пересечение в форме волны AC для обеспечения прерывания в случае перегрузки. DC ток не проявляет этой характеристики, и, следовательно, автоматический выключатель не сможет прервать токи короткого замыкания DC в цепи, что создает потенциальную опасность возгорания.
Работают ли автоматические выключатели AC с DC?
Автоматические выключатели переменного тока не предназначены для эффективной работы с цепями постоянного тока. В цепях постоянного тока нет момента, когда ток пересекает ноль, что означает, что способ, которым автоматический выключатель переменного тока гасит дугу, не сможет охладить и погасить устойчивую дугу постоянного тока. Поэтому выключатель может неправильно прервать ток, перегреться и сгореть или даже вызвать пожар.
Можно ли подключить переменный ток к автоматическому выключателю постоянного тока?
Использовать цепь переменного тока на автоматическом выключателе постоянного тока небезопасно. Магнитное поле гашения дуги, используемое для помощи в прерывании токов постоянного тока, вызовет неправильное разряд дуги во время обратного полупериода волны напряжения переменного тока и приведет к нарушению, которое мы называем неисправностью. Поэтому на цепи переменного тока должен использоваться выключатель, рассчитанный на переменный ток.
В чем разница между автоматическим выключателем AC и автоматическим выключателем DC?
Главное отличие в работе автоматических выключателей переменного и постоянного тока заключается в способе гашения дуги. Автоматические выключатели переменного тока используют канал для гашения дуги, полагаясь на прохождение тока через ноль. Автоматические выключатели постоянного тока используют более сильное магнитное поле гашения дуги, а также более широкие размыкающие контакты и более глубокий канал, чтобы позволить дуге погаснуть без прохождения через нулевую точку. Автоматические выключатели постоянного тока также обычно более чувствительны к полярности, чем автоматические выключатели переменного тока. С другой стороны, на практике обычно существуют два независимых канала или физические барьеры между цепями переменного и постоянного тока, чтобы исключить возможность неисправности между цепями переменного и постоянного тока и облегчить идентификацию цепей по их напряжению и другим параметрам.
Ссылки
- IET Wiring Matters — Безопасное применение защитных устройств постоянного тока — Institution of Engineering and Technology, технические рекомендации по выбору и установке автоматических выключателей постоянного тока.
- EC&M — Автоматические выключатели переменного и постоянного тока: в чем разница? — Electrical Construction & Maintenance, практическое руководство по технологии и применению выключателей.
- EC&M — Смешивание проводников переменного и постоянного тока: нормы и лучшие практики — Electrical Construction & Maintenance, руководство по установке с учетом требований NEC для систем с смешанным током.
- Международного фонда электрической безопасности (ESFI) — Ресурсы по электробезопасности дома и на рабочем месте, включая рекомендации по защите фотоэлектрических систем.
Вопрос совместимости DC MCB и AC цепей имеет единственно правильный ответ: выключатель должен соответствовать типу тока. Выключатель постоянного тока в цепи переменного тока или выключатель переменного тока в цепи постоянного тока — это защитное устройство, которое эксплуатируется вне своей проверенной и сертифицированной области применения. Последствия варьируются от ложных срабатываний до катастрофических отказов. В электрической установке маркировка на выключателе — “AC”, “DC” или редкая “AC/DC” — является самой важной информацией на устройстве. Соблюдение этой маркировки гарантирует, что при возникновении неисправности выключатель сработает, погасит дугу и обеспечит безопасность всей цепи ниже по потоку. В HUYU мы поставляем автоматические выключатели переменного тока, постоянного тока и с двойной сертификацией, каждый из которых четко маркирован и протестирован в соответствии с соответствующим стандартом, потому что никто не должен гадать, будет ли выключатель работать, когда его попросят защитить цепь.
