Электрическая стойкость контакторов постоянного тока в высоковольтных системах накопления энергии

Контактор постоянного тока может нормально работать в течение тысяч механических циклов в испытательной среде, но это число не отражает всей картины.

В системе хранения энергии на основе батарей контактор может потребоваться для замыкания или размыкания цепи постоянного тока при определенных условиях напряжения и тока. Каждое переключение создает электрическую нагрузку на контакты и систему управления дуговым разрядом.

По этой причине при оценке контактора постоянного тока для систем накопления энергии следует уделять отдельное внимание электрической износостойкости.

Механический срок службы и электрический срок службы — это разные вещи.

Механическая износостойкость — это показатель того, сколько раз контактор может физически сработать в заданных условиях.

Электрическая износостойкость связана с переключением реальной электрической нагрузки.

Эти две цифры не следует рассматривать как взаимозаменяемые.

Контактор может обладать большим механическим сроком службы, поскольку его механизм способен многократно срабатывать без значительной электрической нагрузки. Однако при подаче напряжения и тока процесс переключения становится более сложным.

Фактический срок службы электрических контактов зависит от условий, при которых контакты размыкаются и замыкаются.

Поэтому для систем хранения энергии данные об электрической износостойкости более полезны, если их сравнивать с реальной интенсивностью переключения системы.

Коммутируемый ток оказывает прямое воздействие

Ток, протекающий через контактор, влияет как на его нормальную рабочую температуру, так и на нагрузку, возникающую при переключении.

При прерывании тока электрическая энергия в цепи не исчезает сама по себе. Контактор должен контролировать возникающую дугу до тех пор, пока цепь не будет безопасно разорвана.

Более высокий ток, как правило, создает более сложные условия переключения.

Именно поэтому не следует автоматически предполагать, что контактор, рассчитанный на определенный непрерывный ток, будет обладать одинаковой электрической износостойкостью при многократном переключении этого тока.

Необходимо учитывать фактические условия изготовления и разрушения.

Постоянное напряжение делает прерывание более требовательным к ресурсам.

Прерывание постоянного тока отличается от прерывания переменного тока тем, что ток не проходит через ноль в течение каждого цикла.

После размыкания контактов контактор должен контролировать и гасить дугу постоянного тока.

По мере повышения напряжения в системе требования к конструкции контактора, обеспечивающей защиту от дугового разряда, становятся все более жесткими.

Это особенно актуально для высоковольтных платформ хранения энергии.

Поэтому контактор необходимо оценивать в соответствии с условиями напряжения и тока, с которыми он фактически столкнется во время переключения, а не полагаясь только на номинальное значение тока.

Операционный профиль имеет значение.

Не все системы накопления энергии используют свои контакторы одинаково.

В одной системе главный контактор может работать преимущественно во время запуска, остановки и отключения для технического обслуживания.

В другой системе переключение может происходить чаще в зависимости от стратегии управления и архитектуры системы.

Типичные события могут включать в себя:

• Запуск системы
• выключение системы
• Подключение батареи
• Изоляция батареи
• Обслуживание
• Операция, связанная с защитой

При оценке электрической износостойкости следует учитывать количество переключений за весь ожидаемый срок службы.

К контактору, предназначенному для периодического отключения, могут предъявляться совершенно иные требования, чем к контактору, который, как ожидается, будет многократно переключаться в процессе нормальной работы.

Контактное сопротивление и длительный нагрев

Электрическая стойкость определяется не только тем, что происходит при размыкании контактов.

Когда контактор остается замкнутым, ток протекает через контакты и выделяет тепло в соответствии с сопротивлением контактов.

По мере увеличения тока даже небольшое сопротивление может привести к заметному рассеиванию мощности.

Поэтому контактное сопротивление является важным параметром для сильноточных систем хранения энергии.

На конечную температуру контактора также могут влиять температура окружающей среды, тип клеммных соединений, расположение проводников и конструкция корпуса.

Для системы, рассчитанной на непрерывную работу в течение длительных периодов времени, эти факторы следует рассматривать в совокупности, а не рассматривать номинальный ток контактора изолированно.

Износ контактных поверхностей со временем может повлиять на производительность.

Многократные электрические переключения могут постепенно влиять на контактные поверхности.

Степень износа зависит от таких факторов, как:

• Напряжение переключения
• Коммутируемый ток
• Характеристики нагрузки
• Количество операций
• Длительность дуги
• Дизайн контактов

При изменении условий контакта могут изменяться и электрические характеристики.

Поэтому для применений с частыми переключениями тестирование электрической стойкости в типичных условиях эксплуатации имеет важное значение при сравнении различных контакторных решений.

Роль контакторов в защите систем хранения энергии.

Не следует ожидать, что контактор постоянного тока сможет разорвать все токи короткого замыкания в цепи аккумулятора.

В типичной высоковольтной системе хранения энергии контактор и предохранитель выполняют разные функции.

Контактор обеспечивает управляемое переключение и разъединение, а правильно подобранный предохранитель постоянного тока может прерывать токи короткого замыкания, превышающие расчетную коммутационную способность контактора.

Это различие важно при рассмотрении электрической стойкости.

Если контактор неоднократно подвергается воздействию неисправностей, выходящих за рамки его предполагаемого назначения, его контакты могут испытывать излишнее электрическое напряжение.

Таким образом, система защиты должна быть скоординирована таким образом, чтобы каждый компонент функционировал в соответствии со своим предназначением.

Управление системой управления зданием (BMS) и частота переключения

Система управления зданием (BMS) или системный контроллер определяет, когда подается команда на срабатывание контактора.

Это означает, что ресурс контактора частично связан со стратегией управления аккумуляторной системой.

Частое и ненужное переключение может увеличить количество электрических срабатываний в течение срока службы контактора.

С другой стороны, стратегия управления, при которой контактор остается замкнутым во время нормальной работы и включается только тогда, когда требуется изоляция, может привести к совершенно иному рабочему циклу.

Поэтому контактор следует оценивать вместе с ожидаемой логикой управления, а не независимо от системы управления зданием (BMS).

Предварительная зарядка по-прежнему имеет значение.

Схемы предварительной зарядки обычно используются для ограничения пускового тока при подключении шины постоянного тока системы накопления энергии к нижестоящим емкостным нагрузкам.

Последовательность предварительной зарядки может влиять на электрические условия, в которых находится главный контактор.

Правильно выверенная последовательность действий может снизить стресс, связанный с подключением основной цепи постоянного тока.

Это не означает, что предварительная зарядка полностью устраняет коммутационное напряжение. Фактическое напряжение, ток, временные параметры и состояние цепи все еще требуют оценки.

По этой причине электрические характеристики контактора следует рассматривать в совокупности с комплексной стратегией предварительного заряда и управления основной цепью.

Условия установки могут влиять на долговечность.

На электрические характеристики контактора также влияет среда его установки.

Контактор, установленный внутри компактного высоковольтного корпуса, может подвергаться воздействию более высоких температур окружающей среды, чем то же устройство, работающее в более открытом пространстве.

На тепловыделение также могут влиять тип клеммных соединений и расположение проводников.

Эти условия важны, поскольку длительное воздействие термического напряжения может повлиять на долговременную работоспособность электрических компонентов.

Поэтому подрядчика следует оценивать в условиях, которые в разумных пределах соответствуют окончательной конфигурации системы хранения энергии.

Как оценить устойчивость к воздействию электричества

При оценке высоковольтной системы хранения энергии (BESS) полезно задать несколько вопросов:

1. Каково максимальное рабочее напряжение?
2. Что такое нормальный непрерывный ток?
3. Какой ток будет присутствовать во время переключения?
4. Как часто будет работать контактор?
5. Каковы ожидаемые условия для создания и разрушения?
6. Какова заявленная электрическая стойкость для данных условий?
7. Каково контактное сопротивление?
8. Как температура влияет на непрерывную работу?
9. Как осуществляется координация контактора с предохранителем постоянного тока?
10. Приводит ли стратегия управления к ненужным операциям переключения?

Ответы дают гораздо более ясную картину, чем отдельная механическая фигурка живого существа.

Выбор фактического рабочего цикла

Не существует единой спецификации контактора, подходящей для всех систем накопления энергии.

Контактор, используемый в бытовых аккумуляторных системах, может иметь иной профиль переключения по сравнению с контактором, установленным в мощных коммерческих или промышленных системах хранения энергии.

Необходимо учитывать напряжение, ток, частоту переключения, режим предварительного заряда, координацию неисправностей и тепловые условия.

Таким образом, наиболее подходящим контактором не обязательно является тот, который имеет самый высокий номинальный ток или самый длительный механический срок службы.

Это та батарея, электрические характеристики которой соответствуют фактическому рабочему циклу аккумуляторной системы.

Устойчивость к воздействию окружающей среды обеспечивает долговременную надежность систем хранения энергии.

Поскольку от систем хранения энергии (BESS) ожидается надежная работа в течение длительных периодов времени, коммутирующие компоненты внутри высоковольтной цепи необходимо оценивать не только по их основным электрическим параметрам.

Для контакторов постоянного тока электрическая износостойкость объединяет несколько аспектов применения: коммутируемое напряжение, ток, рабочую частоту, контактное сопротивление, тепловые условия и согласование с системой защиты.

Рассмотрение этих факторов в совокупности дает инженерам более реалистичную основу для оценки надежности контакторов.

Для высоковольтных систем хранения энергии на основе батарей понимание фактической электрической нагрузки контактора постоянного тока является важным шагом для обеспечения надежного переключения и изоляции на протяжении всего срока службы системы.