لماذا تفشل قواطع التيار المستمر القياسية في أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS): أهمية قدرة الفصل العالية (Icu)

مقدمة

لقد أدى الانتشار السريع لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) إلى خلق تحدٍ خطير للسلامة يكتشفه العديد من المهندسين بعد فوات الأوان: قواطع التيار المستمر القياسية المصممة لتطبيقات الطاقة الشمسية الكهروضوئية تفشل بشكل كارثي عند حماية أنظمة تخزين البطاريات. هذا الفشل ليس مسألة سوء تصنيع أو مشاكل في الجودة - بل هو عدم تطابق جوهري بين مواصفات تصميم القاطع وخصائص تيار الأعطال الشديدة الكامنة في بنوك بطاريات الليثيوم أيون.

السبب الجذري بسيط ولكنه غالبًا ما يُساء فهمه. تنتج أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية تيارات قصيرة الدائرة تقتصر عادةً على حوالي 1.25 ضعف تيار التشغيل المقنن (Isc ≈ 1.25 × Ioc). تتعامل قواطع التيار المستمر القياسية المصنفة بـ 6 كيلو أمبير أو 10 كيلو أمبير مع مستويات الأعطال هذه بسهولة. في المقابل، يمكن لمنشآت BESS التي تتميز بخلايا بطارية ذات مقاومة داخلية منخفضة أن توفر تيارات أعطال تتراوح من 10 إلى 50 ضعف التيار المقنن في غضون أجزاء من الألف من الثانية من وقوع حدث ماس كهربائي. عندما يحاول قاطع مصنف بـ 10 كيلو أمبير مقاطعة عطل بطارية بقوة 30 كيلو أمبير، تكون النتيجة متوقعة: فشل إطفاء القوس الكهربائي، وتدمير الهيكل، واحتمال نشوب حريق.

تتناول هذه المقالة سبب كون تصنيفات قدرة القطع العالية - وتحديداً 20 كيلو أمبير و 30 كيلو أمبير و 50 كيلو أمبير Icu (قدرة القطع القصوى) - ليست مواصفات اختيارية ولكنها متطلبات سلامة إلزامية لحماية BESS. سنقوم بتحليل الاختلافات التقنية بين خصائص أعطال الطاقة الشمسية الكهروضوئية والبطاريات، وشرح التمييز الحاسم بين تصنيفات Icu و Ics، وتقديم إرشادات هندسية لاختيار أجهزة الحماية المصنفة بشكل مناسب.

الفرق الأساسي بين الدوائر القصيرة الكهروضوئية و BESS

الطاقة الشمسية الكهروضوئية: خصائص العطل المحدودة التيار

تتصرف الوحدات الكهروضوئية كمصادر محدودة التيار أثناء ظروف العطل بسبب الفيزياء الكامنة فيها. عندما تواجه سلسلة PV ماسًا كهربائيًا، يتم تقييد أقصى تيار عطل متاح بتصنيف تيار الدائرة القصيرة للوحة (Isc)، والذي يتجاوز عادةً تيار نقطة الطاقة القصوى (Imp) بنسبة 15-25٪ فقط. يتم تحديد هذه العلاقة من خلال منحنى I-V للوحدة وتبقى ثابتة نسبيًا بغض النظر عن عدد السلاسل المتوازية، على افتراض تنفيذ صهر السلسلة المناسب.

على سبيل المثال، لوحة أحادية البلورية بقدرة 400 واط مصنفة عند Imp = 10A سيكون لها عادةً Isc = 11-12A. حتى في مزرعة شمسية واسعة النطاق بها صناديق تجميع متعددة، نادرًا ما يتجاوز تيار العطل المحتمل في أي موقع قاطع معين 6 كيلو أمبير، وغالبًا ما يظل أقل من 3 كيلو أمبير. هذا هو السبب في أن MCB المتوافقة مع IEC 60947-2 والمصنفة عند 6 كيلو أمبير أو 10 كيلو أمبير قد أثبتت أنها كافية لعقود من التركيبات الشمسية. تيار العطل في نظام PV قابل للتنبؤ والحساب ويبقى ضمن قدرة القطع لحماية الدائرة القياسية السكنية والتجارية.

BESS: قدرة تيار العطل غير المحدودة

تعمل أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات وفقًا لمبادئ كهروكيميائية مختلفة تمامًا. يُظهر الليثيوم أيون وفوسفات حديد الليثيوم (LFP) والكيمياء الحديثة الأخرى للبطاريات مقاومات داخلية تقاس بالمللي أوم (mΩ) - عادةً 2-10mΩ لكل خلية اعتمادًا على الكيمياء وحالة الشحن ودرجة الحرارة. عندما يتم تكوين خلايا متعددة بترتيبات متوازية متسلسلة لتحقيق أهداف جهد النظام وسعته، تصبح المقاومة الداخلية الكلية لبنك البطارية منخفضة للغاية.

ضع في اعتبارك مثالًا عمليًا: بنك بطارية ليثيوم 48 فولت 200 أمبير في الساعة يتكون من 16 خلية في سلسلة (16S) مع مقاومة داخلية لكل خلية تبلغ 5mΩ ينتج مقاومة إجمالية للبنك تبلغ حوالي 80mΩ (0.080Ω). في ظل عطل ماس كهربائي مثبت بمسامير، يملي قانون أوم تيار العطل المحتمل: Isc = V / R = 48V ÷ 0.080Ω = 600A. ومع ذلك، فإن هذا الحساب يقلل بشكل كبير من الواقع لسببين حاسمين.

أولاً، يفترض الحساب فقط المقاومة الداخلية لحزمة البطارية. في سيناريوهات الأعطال الفعلية، قد تبلغ مقاومة القضبان النحاسية والمحطات الطرفية وتوصيلات الأسلاك داخل مسار العطل 5-20mΩ فقط كمقاومة إضافية. ثانيًا، والأهم من ذلك، أن تركيبات BESS الحديثة غالبًا ما تستخدم رفوف بطاريات متوازية لتحقيق سعة أعلى. مع أربعة رفوف متوازية 48 فولت 200 أمبير في الساعة، تنخفض المقاومة الداخلية الفعالة إلى 20mΩ، مما ينتج تيار عطل محتمل يبلغ 2400 أمبير - ولكن هذا لا يزال يقلل من المشكلة.

العامل الحاسم الذي غالبًا ما يتجاهله المهندسون هو تيار الذروة غير المتماثل خلال النصف الأول من دورة بدء تشغيل عطل التيار المستمر. نظرًا لعدم وجود تقاطع صفري طبيعي للتيار في أنظمة التيار المستمر والحث الموجود في توصيلات البطارية البينية، يمكن أن يصل تيار العطل الذروي اللحظي إلى 2.0 إلى 2.5 ضعف قيمة الحالة المستقرة المحسوبة. بالنسبة لمثال الحالة المستقرة البالغ 2400 أمبير، قد يرتفع تيار العطل الذروي إلى 5000-6000 أمبير. في تركيبات BESS على نطاق المرافق مع مئات من وحدات البطاريات المتوازية، تتجاوز تيارات العطل المحتملة بشكل روتيني 30 كيلو أمبير، وفي بعض الحالات الموثقة وصلت إلى 50 كيلو أمبير أو أعلى.

لفهم بنية نظام BESS ومسارات تيار العطل بالتفصيل، راجع دليلنا الشامل لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات.

جدول المقارنة: خصائص العطل الكهروضوئية مقابل BESS

المعلمة	نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية	نظام تخزين الطاقة بالبطاريات
مقاومة المصدر	عالية (محدودة التيار بواسطة فيزياء الخلية)	منخفضة للغاية (2-10mΩ لكل خلية)
نسبة Isc/Irated النموذجية	1.15 - 1.25×	10 - 50×
وقت ارتفاع تيار العطل	10-50 مللي ثانية (يهيمن عليها تفريغ المكثف)	<1 مللي ثانية (تفريغ كهروكيميائي مباشر)
تيار العطل المحتمل (سكني)	0.5 - 3 كيلو أمبير	5 - 20 كيلو أمبير
تيار العطل المحتمل (تجاري)	2 - 6 كيلو أمبير	20 - 35 كيلو أمبير
تيار العطل المحتمل (على نطاق المرافق)	5 - 10 كيلو أمبير	30 - 50 كيلو أمبير +
عامل التيار غير المتماثل الذروي	1.3 - 1.5×	2.0 - 2.5×
تصنيف القاطع القياسي (كاف)	6 كيلو أمبير - 10 كيلو أمبير	20 كيلو أمبير - 50 كيلو أمبير
صعوبة إطفاء القوس الكهربائي	معتدلة (تحديد التيار الطبيعي)	شديدة (توصيل الطاقة المستمر)

يفسر هذا الاختلاف الأساسي سبب فشل قاطع الدائرة الذي يحمي بنجاح مجموعة شمسية بقدرة 10 كيلو وات بعنف عند تركيبه في نظام بطارية بقدرة 10 كيلو وات في الساعة بتصنيف طاقة مماثل. خصائص تيار العطل غير قابلة للمقارنة - فهي موجودة في أوامر مختلفة تمامًا من حيث الحجم.

فهم Icu و Ics: لماذا كلاهما مهم في BESS

تحديد قدرة القطع القصوى (Icu)

تمثل قدرة القطع القصوى المقدرة للدائرة القصيرة، والمحددة بـ Icu في IEC 60947-2 و Icn في IEC 60898-1 لقواطع الدائرة المصغرة، أقصى تيار عطل محتمل يمكن لقاطع الدائرة مقاطعته بنجاح في ظل ظروف الاختبار المعملي دون تدمير كارثي للجهاز. يخضع إجراء الاختبار المحدد في البند 8.3.5 من IEC 60947-2 القاطع لتسلسل محدد: O (عملية الفتح) - 3 دقائق - CO (عملية الإغلاق والفتح). إذا قاطع القاطع تيار الاختبار بنجاح دون انفجار أو حريق أو لحام التلامس، فإنه يفي بتصنيف Icu الخاص به.

الأهم من ذلك، أن اجتياز اختبار Icu لا يضمن بقاء القاطع يعمل بعد ذلك. يسمح معيار IEC صراحةً بإتلاف المكونات الداخلية للقاطع وتآكل التلامسات وتدهور قنوات القوس الكهربائي، بشرط إزالة العطل بأمان. بعد مقاطعة عطل على مستوى Icu، يجب فحص القاطع واستبداله غالبًا. في تطبيقات BESS، حيث قد تواجه أجهزة الحماية أحداث أعطال متعددة على مدار عمر النظام البالغ 20 عامًا، فإن الاعتماد فقط على تصنيفات Icu يخلق عبئًا خطيرًا للصيانة وفجوة محتملة في السلامة.

تحديد قدرة القطع الخدمية (Ics)

تمثل قدرة القطع الخدمية المقدرة للدائرة القصيرة (Ics) مستوى تيار العطل الذي يمكن لقاطع الدائرة عنده إجراء عمليات مقاطعة متعددة والبقاء قابلاً للخدمة بالكامل - قادرًا على التشغيل المستمر بتياره المقنن دون تدهور. يحدد البند 8.3.6 من IEC 60947-2 تسلسل اختبار Ics: O - 3 دقائق - CO - 3 دقائق - CO. بعد ثلاث مقاطعات ناجحة للأعطال عند مستوى تيار Ics، يجب أن يجتاز القاطع اختبارات الارتفاع الحراري وخصائص التعثر والتحمل الميكانيكي للتحقق من أنه يظل ضمن المواصفات.

يتم التعبير عن Ics كنسبة مئوية من Icu: 25٪ أو 50٪ أو 75٪ أو 100٪. بالنسبة إلى MCB السكنية والتجارية الخفيفة (IEC 60898-1، الفئة B)، يجب أن يكون Ics على الأقل 50٪ أو 75٪ أو 100٪ من Icn. بالنسبة إلى MCCB الصناعية وأجهزة حماية BESS المتخصصة (IEC 60947-2)، يتراوح Ics من 25٪ إلى 100٪ من Icu اعتمادًا على تصميم الشركة المصنعة والتطبيق المقصود.

الأهمية الخاصة بـ BESS لـ Ics العالية

في أنظمة تخزين البطاريات، يكون تصنيف Ics أكثر أهمية من Icu لسببين تشغيليين. أولاً، تشهد تركيبات BESS دورات إجهاد متكررة بما في ذلك تيارات الاندفاع أثناء الشحن، وعابر التفريغ أثناء عمليات تقليل الذروة، وأحداث الأعطال المحتملة الناتجة عن الهروب الحراري أو انهيار العزل أو أخطاء الصيانة. قد ينجح قاطع مصنف بـ 50 كيلو أمبير Icu ولكن فقط 25 كيلو أمبير Ics (نسبة 50٪) في إزالة عطل بقوة 35 كيلو أمبير مرة واحدة ولكنه يتطلب استبدالًا فوريًا، مما يؤدي إلى توقف النظام وزيادة تكاليف دورة الحياة.

ثانيًا، عواقب فشل القاطع في بيئات BESS أكثر حدة بكثير مما هي عليه في تطبيقات PV. تخزن أنظمة البطاريات كميات هائلة من الطاقة التي يمكن إطلاقها على الفور. يخلق القاطع الفاشل حادث قوس كهربائي مع طاقة عطل متاحة قد تتجاوز 100 كالوري/سم²، وهو ما يتجاوز بكثير التصنيف الوقائي لمعدات الوقاية الشخصية القياسية المقاومة للقوس الكهربائي. يمكن أن تصل درجة حرارة القوس الكهربائي إلى 35000 درجة فهرنهايت (19400 درجة مئوية)، وهي كافية لتبخير القضبان النحاسية وإشعال المواد المحيطة. في تركيبات BESS الخارجية المعبأة في حاويات، يمكن أن ينتشر فشل قاطع واحد إلى الرفوف المجاورة من خلال الإشعاع الحراري وبلازما النحاس المحمولة جوًا.

ميزة VIOX Engineering: تتميز قواطع التيار المستمر المصنفة بـ VIOX BESS بـ Ics = 100٪ Icu عبر خطوط إنتاجنا 20 كيلو أمبير و 30 كيلو أمبير و 50 كيلو أمبير. هذا يعني أن قاطع VIOX 30 كيلو أمبير يحافظ على إمكانية الخدمة الكاملة بعد مقاطعة أعطال بقوة 30 كيلو أمبير - لا تدهور، ولا استبدال إلزامي، ولا زيادة في المخاطر أثناء أحداث الأعطال اللاحقة. تقضي فلسفة التصميم هذه على مشكلة “البطل ذو الطلقة الواحدة” الشائعة في MCB الصناعية القياسية حيث تخفي تصنيفات Icu العالية أداء Ics غير الكافي.

للحصول على تحليل فني مفصل لتصنيفات قواطع الدائرة وتأثيراتها في حماية الأعطال، راجع دليلنا لفهم تصنيفات Icu و Ics و Icw و Icm.

جدول المقارنة: قواطع BESS القياسية مقابل عالية الأداء

نوع القاطع	تصنيف Icu	تصنيف Ics	نسبة Ics/Icu	العمر التشغيلي بعد العطل	التطبيق الموصى به
قاطع تيار مصغر سكني قياسي (MCB)	6 كيلو أمبير	3 كيلو أمبير	50%	يستبدل بعد عطل 3 كيلو أمبير	أحمال تيار متردد سكنية فقط
قاطع تيار مصغر تجاري قياسي (MCB)	10 كيلو أمبير	5 كيلو أمبير	50%	يستبدل بعد عطل 5 كيلو أمبير	تيار متردد/مستمر تجاري خفيف
قاطع تيار مقولب صناعي (MCCB) (مستوى منخفض)	50 كيلو أمبير	12.5 كيلو أمبير	25%	يستبدل بعد عطل 12.5 كيلو أمبير	توزيع غير حرج
قاطع تيار مقولب صناعي (MCCB) (مستوى متوسط)	50 كيلو أمبير	25 كيلو أمبير	50%	يستبدل بعد عطل 25 كيلو أمبير	مغذيات صناعية قياسية
قاطع تيار مصغر (MCB) مصنف لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) من VIOX	20 كيلو أمبير	20 كيلو أمبير	100%	لا حاجة للاستبدال	نظام تخزين الطاقة السكني (ESS) (5-20 كيلو وات ساعة)
قاطع تيار مقولب (MCCB) مصنف لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) من VIOX	30 كيلو أمبير	30 كيلو أمبير	100%	لا حاجة للاستبدال	نظام تخزين الطاقة التجاري (BESS) (50-500 كيلو وات ساعة)
قاطع تيار مقولب (MCCB) مصنف لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) من VIOX	50 كيلو أمبير	50 كيلو أمبير	100%	لا حاجة للاستبدال	نظام تخزين الطاقة على نطاق المرافق (BESS) (1 ميجاوات ساعة+)

لماذا تفشل قواطع 6 كيلو أمبير/10 كيلو أمبير في تطبيقات نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS)

آلية فشل إطفاء القوس الكهربائي

عندما تنفصل ملامسات قاطع التيار تحت الحمل، يتشكل قوس كهربائي في الفجوة بين الملامسات الثابتة والمتحركة. في أنظمة التيار المتردد، ينطفئ القوس بشكل طبيعي عند عبور التيار الصفر الذي يحدث 100 أو 120 مرة في الثانية (50 هرتز أو 60 هرتز)، مما يمنح حاجز القوس الكهربائي للقاطع وقتًا ليبرد ويزيل تأين مسار القوس. تفتقر أنظمة التيار المستمر إلى هذا العبور الصفري الطبيعي للتيار، مما يتطلب من القاطع إخماد القوس قسرًا من خلال تصميم حاجز القوس، وملفات النفخ المغناطيسي، ومسافة فصل الملامسات السريعة.

يحتوي قاطع التيار المصغر (MCB) المصنف بـ 6 كيلو أمبير أو 10 كيلو أمبير على حاجز قوس كهربائي ذي أبعاد مُحسَّنة للتعامل مع تيارات الأعطال حتى قيمته المقدرة. عند التعرض لعطل 20 كيلو أمبير أو 30 كيلو أمبير من بنك بطاريات، تحدث ثلاث آليات فشل في وقت واحد:

1. الحمل الحراري الزائد: تتجاوز طاقة القوس (E = V × I × t) قدرة تبديد الحرارة لحاجز القوس. ترتفع درجة حرارة بلازما القوس فوق 20000 درجة مئوية، مما يؤدي إلى إذابة صفائح تقسيم القوس وجدران الحجرة في غضون أول 10-20 مللي ثانية.
2. التشبع المغناطيسي: يصبح نظام النفخ المغناطيسي للقاطع، المصمم لدفع القوس لأعلى إلى صفائح التقسيم، مشبعًا عندما يتجاوز تيار العطل حدود التصميم بمقدار 2-3 مرات. يركد القوس في منطقة التلامس بدلاً من الانتقال إلى حجرة الإطفاء.
3. لحام الملامسات: عند تيارات الأعطال التي تتجاوز تصنيف القاطع، يمكن أن تصل القوى الكهرومغناطيسية بين الملامسات أثناء شوط الفتح إلى آلاف النيوتن. إذا لم تتمكن قوة زنبرك آلية التشغيل من التغلب على هذا الجذب المغناطيسي بالسرعة الكافية، فإن الملامسات تلتحم معًا. يظل القاطع مغلقًا، مما يوفر تيار عطل مستمر حتى تعمل الحماية في المنبع أو يتم فصل بنك البطاريات يدويًا.

دراسة حالة: قاطع 10 كيلو أمبير مقابل عطل 30 كيلو أمبير في نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS)

ضع في اعتبارك تركيب نظام تخزين طاقة بالبطاريات (BESS) تجاري: نظام بطارية فوسفات حديد الليثيوم (LFP) بقدرة 100 كيلو وات ساعة، 400 فولت تيار مستمر اسمي، تم تكوينه على هيئة أربعة فروع متوازية من 100 خلية متسلسلة (3.2 فولت اسمي لكل خلية). يساهم كل فرع بسعة 100 أمبير في الساعة مع مقاومة داخلية 3 مللي أوم لكل خلية، مما ينتج عنه مقاومة إجمالية للفرع تبلغ 300 مللي أوم و 75 مللي أوم للتكوين المتوازي المكون من أربعة فروع. أضف 25 مللي أوم للقضبان الموصلة والوصلات والأسلاك - تساوي مقاومة مسار العطل الإجمالية 100 مللي أوم (0.1 أوم).

حساب تيار العطل المحتمل:

• تيار القصر في الحالة المستقرة (Isc) = 400 فولت ÷ 0.1 أوم = 4000 أمبير
• تيار الذروة غير المتماثل (عامل 2.2×) = 8800 أمبير ≈ 8.8 كيلو أمبير

قد يستنتج مهندس يراجع هذا الحساب أن قاطع التيار المصغر (MCB) المصنف بـ 10 كيلو أمبير يوفر حماية كافية بهامش أمان 13%. هذا خطأ فادح. يفترض الحساب أن جميع المقاومة تظل ثابتة أثناء العطل. في الواقع، تنخفض المقاومة الداخلية للبطارية مع ارتفاع درجة حرارة الخلية أثناء التفريغ. عند درجات الحرارة المرتفعة (45-60 درجة مئوية)، تنخفض مقاومة الخلية بنسبة 20-30%. تسخن القضبان الموصلة والوصلات في مسار العطل أيضًا، ولكن الزيادة في مقاومتها ضئيلة مقارنة بانخفاض مقاومة البطارية.

تيار العطل المنقح عند درجة حرارة بطارية 50 درجة مئوية:

• انخفاض مقاومة الخلية: 2.1 مللي أوم × 100 خلية = 210 مللي أوم لكل فرع
• أربعة فروع متوازية: 52.5 مللي أوم + 25 مللي أوم (وصلات) = 77.5 مللي أوم
• تيار القصر في الحالة المستقرة (Isc) = 400 فولت ÷ 0.0775 أوم = 5161 أمبير
• تيار الذروة غير المتماثل = 11.4 كيلو أمبير

​​يعمل قاطع 10 كيلو أمبير الآن بنسبة 14% تتجاوز Icu المقدرة له. والأهم من ذلك، إذا كانت Ics للقاطع 50% من Icu (5 كيلو أمبير، وهو أمر نموذجي لقواطع التيار المصغرة (MCB) من الدرجة السكنية)، فإن هذا العطل يتجاوز تصنيف الخدمة بمقدار 2.3 مرة. النتيجة المتوقعة: مقاطعة ناجحة للعطل مع تلف داخلي شديد، واستبدال إلزامي للقاطع، ووقت تعطل النظام يمتد إلى ساعات أو أيام اعتمادًا على توافر قطع الغيار.

إذا حدث عطل ثانٍ قبل استبدال القاطع - وهو سيناريو ممكن تمامًا في تركيبات نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) متعددة الحوامل مع احتمالات عطل مستقلة - فسيفشل القاطع المتدهور في المقاطعة، مما يؤدي إلى حريق كارثي.

تصنيفات القواطع المطلوبة لتكوينات نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) الشائعة

تكوين نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS)	جهد النظام	سعة	المقاومة الداخلية النموذجية	تيار القصر المحتمل (الذروة)	الحد الأدنى المطلوب لـ Icu	Icu الموصى بها	نوع القاطع الموصى به
نظام تخزين الطاقة السكني (بطارية واحدة)	48 فولت تيار مستمر	5-10 كيلو وات ساعة	80-100 مللي أوم	1200 أمبير	10 كيلو أمبير	20 كيلو أمبير	قاطع تيار مستمر (2P)
نظام تخزين الطاقة السكني (متوازي)	48 فولت تيار مستمر	10-20 كيلو وات ساعة	40-60 مللي أوم	2400 أمبير	15 كيلو أمبير	20 كيلو أمبير	قاطع تيار مستمر (2P)
نظام تخزين الطاقة التجاري (صغير)	400 فولت تيار مستمر	50-100 كيلوواط ساعة	50-80 ملي أوم	12 كيلو أمبير	20 كيلو أمبير	30 كيلو أمبير	قاطع تيار مستمر MCCB (2P)
نظام تخزين طاقة البطاريات التجاري (متوسط)	600 فولت تيار مستمر	100-500 كيلوواط ساعة	30-60 ملي أوم	24 كيلو أمبير	30 كيلو أمبير	50 كيلو أمبير	قاطع تيار مستمر MCCB (2P)
نظام تخزين طاقة البطاريات للمرافق (على مستوى الرف)	800 فولت تيار مستمر	500 كيلوواط ساعة - 1 ميغاواط ساعة	20-40 ملي أوم	35 كيلو أمبير	50 كيلو أمبير	50 كيلو أمبير + مصهر HRC	قاطع تيار مستمر MCCB (2P) مع مصهر تسلسلي
نظام تخزين طاقة البطاريات للمرافق (على مستوى الخلية)	1000 فولت تيار مستمر	1-5 ميغاواط ساعة	15-30 ملي أوم	50 كيلو أمبير +	65 كيلو أمبير	65 كيلو أمبير + مصهر 300 كيلو أمبير	تنسيق قاطع تيار مستمر MCCB + مصهر HRC

ملاحظة هندسية: يمثل الحد الأدنى لقدرة القطع (Icu) المتطلبات المحسوبة مع عامل أمان 1.5× وفقًا لإرشادات IEC 60947-2. تتضمن قدرة القطع (Icu) الموصى بها هامشًا إضافيًا لخفض القدرة بسبب درجة الحرارة وتأثيرات التقادم والتوسع المستقبلي للنظام. لا تحدد أبدًا قاطعًا يتجاوز فيه تيار العطل المحتمل 80٪ من قدرة القطع (Icu) المقدرة.

اختيار قاطع التيار المستمر المناسب لنظام تخزين طاقة البطاريات: قرار 20 كيلو أمبير / 30 كيلو أمبير / 50 كيلو أمبير

حساب تيار القصر المحتمل

يعد حساب تيار العطل الدقيق أساس الاختيار المناسب للقاطع. يجب على المهندسين مراعاة خمسة معايير رئيسية:

1. جهد النظام (V): استخدم أقصى جهد شحن، وليس الجهد الاسمي. بالنسبة لنظام 48 فولت الاسمي (16 خلية ليثيوم متسلسلة)، فإن أقصى جهد شحن هو 57.6 فولت (3.6 فولت لكل خلية). هذه الزيادة بنسبة 20٪ تترجم مباشرة إلى تيار عطل أعلى بنسبة 20٪.
2. المقاومة الداخلية للبطارية (Rbatt): احصل على هذا من ورقة بيانات الشركة المصنعة للبطارية، وعادة ما يتم تحديدها عند 50٪ من حالة الشحن (SoC) و 25 درجة مئوية. بالنسبة للخلايا المنشورية كبيرة الحجم، تتراوح المقاومة من 0.5 ملي أوم (درجة سيارات ممتازة) إلى 3 ملي أوم (تخزين ثابت قياسي). تُظهر الخلايا الأسطوانية (18650، 21700) مقاومة أعلى: 15-40 ملي أوم لكل خلية.
3. عدد الخلايا المتوازية (Np): يقسم التكوين المتوازي المقاومة الكلية. تقلل أربعة خلايا متوازية المقاومة الفعالة إلى 25٪ من قيمة الخلية الواحدة: Reff = Rsingle / Np.
4. مقاومة التوصيل (Rconn): تساهم القضبان الموصلة والمحطات والكابلات بمقدار 15-40 ملي أوم اعتمادًا على تصميم النظام. تحقق توصيلات القضبان الموصلة المثبتة بمسامير عالية الجودة مع عزم دوران> 200 بوصة رطل 15-20 ملي أوم. قد تصل حلقات الكابلات المعقوصة على محطات التوزيع إلى 30-40 ملي أوم.
5. عامل خفض القدرة بسبب درجة الحرارة (k): تنخفض مقاومة البطارية مع درجة الحرارة. استخدم k = 0.7 لأسوأ حالة تشغيل في الطقس الحار (درجة حرارة البطارية 50-60 درجة مئوية).

صيغة تيار العطل الكاملة:

Isc(steady) = Vmax / [k × (Rbatt/Np + Rconn)]

Isc(peak) = 2.2 × Isc(steady)

مثال عملي:

• النظام: 400 فولت تيار مستمر، 200 كيلوواط ساعة، كيمياء LFP
• التكوين: 8 خلايا متوازية، 125 خلية متسلسلة لكل خلية
• بيانات الخلية: 3.2 فولت اسمي، 3.65 فولت كحد أقصى، 2 ملي أوم مقاومة داخلية عند 25 درجة مئوية
• أقصى جهد: 125 خلية × 3.65 فولت = 456 فولت
• مقاومة الخلية الواحدة: 125 × 2 ملي أوم = 250 ملي أوم
• المقاومة المتوازية: 250 ملي أوم / 8 = 31.25 ملي أوم
• مقاومة التوصيل: 25 ملي أوم (تم قياسها)
• إجمالي المقاومة الباردة: 56.25 ملي أوم
• المقاومة الساخنة (k=0.7): 0.7 × 31.25 ملي أوم + 25 ملي أوم = 46.9 ملي أوم
• تيار القصر المستقر: 456 فولت / 0.0469 أوم = 9,723 أمبير
• تيار القصر الذروة: 2.2 × 9,723 أمبير = 21.4 كيلو أمبير

القاطع المطلوب: الحد الأدنى لقدرة القطع (Icu) = 21.4 كيلو أمبير × 1.25 عامل أمان = 26.75 كيلو أمبير. حدد قاطع MCCB بقدرة 30 كيلو أمبير.

إرشادات الاختيار المستندة إلى التطبيق

نظام تخزين الطاقة السكني الصغير (5-20 كيلوواط ساعة): تستخدم الأنظمة في هذا النطاق عادةً حزم بطاريات 48 فولت مع تيارات عطل محتملة بين 5 كيلو أمبير و 15 كيلو أمبير ذروة. يوفر قاطع تيار مستمر MCB مصنف بشكل صحيح بقدرة 20 كيلو أمبير حماية كافية مع هامش أمان مدمج. تم تصميم قواطع MCB من سلسلة VIOX VX-DC20 (20 كيلو أمبير Icu، 20 كيلو أمبير Ics، أحجام الإطار 1-63 أمبير) خصيصًا لهذا التطبيق مع إطفاء القوس ثنائي الاتجاه وشهادة UL 1077.

نظام تخزين طاقة البطاريات التجاري (50-500 كيلوواط ساعة): تعمل الأنظمة متوسطة الحجم بجهد 400-800 فولت تيار مستمر مع تيارات عطل تصل إلى 20-35 كيلو أمبير. تتطلب هذه الفئة حماية MCCB - تفتقر قواطع MCB القياسية إلى قوة التلامس وحجم قناة القوس المطلوبين للمقاطعة الموثوقة عند مستويات الطاقة هذه. حدد قواطع MCCB مصنفة بقدرة 30 كيلو أمبير أو 50 كيلو أمبير اعتمادًا على حساب العطل المحدد. لا تستخدم أبدًا قواطع MCB من الدرجة السكنية في تركيبات البطاريات التجارية بغض النظر عن مطابقة التيار المقدر - قدرة القطع غير كافية بشكل أساسي.

نظام تخزين طاقة البطاريات على نطاق المرافق (1 ميغاواط ساعة +): تدفع التركيبات الكبيرة التي تحتوي على مئات من وحدات البطاريات المتوازية تيارات العطل المحتملة إلى ما بعد 50 كيلو أمبير. عند مستويات الطاقة هذه، قد تكون حماية MCCB وحدها غير كافية. قم بتنفيذ إستراتيجية حماية متتالية: قواطع MCCB على مستوى الخلية (50 كيلو أمبير) مدعومة بمصهرات HRC مصنفة بقدرة 300 كيلو أمبير أو أعلى على مستوى الرف / الخزانة. يتم تفصيل هذا النهج في القسم التالي.

للحصول على مواصفات فنية شاملة وإرشادات اختيار قواطع الدائرة ذات العلب المقولبة في تطبيقات تخزين البطاريات، راجع دليل MCCB المفصل الخاص بنا.

دور المصهرات في نظام تخزين طاقة البطاريات ذي السعة الفائقة

عندما لا تكون قواطع الدائرة وحدها كافية

في تركيبات أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) على نطاق المرافق وأنظمة تجارية كبيرة حيث تتجاوز تيارات القصر المحتملة 50 كيلو أمبير، فإن الاعتماد فقط على قواطع الدائرة يقدم خطرين. أولاً، حتى قواطع الدائرة المقولبة (MCCB) الممتازة المصنفة بقدرة 50 كيلو أمبير تعمل بالقرب من أقصى قدرة تصميم لها، مما يترك حدًا أدنى من هامش الأمان لأخطاء الحساب أو درجات الحرارة القصوى أو تعديلات النظام. ثانيًا، تصبح تكلفة وحجم قواطع الدائرة المقولبة (MCCB) المصنفة بقدرة 65 كيلو أمبير أو أكثر باهظة بالنسبة للحماية على مستوى السلسلة حيث تكون هناك حاجة إلى العشرات من الأجهزة.

الحل هو حماية منسقة بين المصهر والقاطع. توفر الصمامات ذات قدرة القطع العالية (HRC) المصنفة بقدرة 300 كيلو أمبير أو 400 كيلو أمبير حماية احتياطية قصوى على مستوى الرف أو الخزانة، بينما تحمي قواطع الدائرة المقولبة (MCCB) بقدرة 30 كيلو أمبير أو 50 كيلو أمبير السلاسل أو الوحدات الفردية. هذا يخلق نظام تنسيق انتقائي حيث يقوم قاطع الدائرة المقولبة (MCCB) بإزالة الأحمال الزائدة والأعطال المعتدلة حتى تصنيفه Ics، بينما يعمل المصهر فقط أثناء ظروف الأعطال الشديدة التي تتجاوز قدرة القاطع.

استراتيجية التنسيق الانتقائي

يتطلب التنسيق السليم بين المصهر والقاطع تحليلًا دقيقًا لمنحنيات التيار الزمني لضمان الانتقائية. يجب أن يتجاوز الحد الأدنى لوقت انصهار المصهر عند أقصى تيار قصر للقاطع إجمالي وقت إزالة القاطع (وقت التفريغ القوسي + وقت فصل التلامس) بنسبة دنيا تبلغ 2:1 وفقًا لإرشادات IEEE 242. هذا يمنع “الانصهار المزعج” حيث يعمل المصهر قبل أن تتاح للقاطع فرصة لإزالة العطل.

مثال على دراسة التنسيق لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) التجاري بجهد 600 فولت تيار مستمر:

• الحماية على مستوى السلسلة: قاطع دائرة مقولبة (MCCB) VIOX بقدرة 50 كيلو أمبير، إطار 125 أمبير، وقت إزالة 10 مللي ثانية عند 50 كيلو أمبير
• الحماية على مستوى الرف: مصهر HRC بقدرة 250 أمبير، قدرة قطع 300 كيلو أمبير، وقت انصهار 30 مللي ثانية عند 50 كيلو أمبير
• نسبة التنسيق: 30 مللي ثانية / 10 مللي ثانية = 3:1 (تتجاوز الحد الأدنى من المتطلبات)
• النتيجة: تتم إزالة الأعطال التي تقل عن 50 كيلو أمبير بواسطة قاطع الدائرة المقولبة (MCCB) دون تشغيل المصهر. تتم إزالة الأعطال التي تزيد عن 50 كيلو أمبير بواسطة المصهر مع توفير قاطع الدائرة المقولبة (MCCB) لفصل التيار بمجرد مقاطعة العطل.

تقلل هذه الاستراتيجية بشكل كبير من تكاليف الصيانة. تتم إزالة الأعطال على مستوى السلسلة بواسطة قاطع الدائرة المقولبة (MCCB)، الذي يظل قابلاً للخدمة وفقًا لتصنيفه Ics البالغ 100%، ولا يتطلب الاستبدال. فقط الأعطال الكارثية التي تتجاوز حسابات التصميم - وهي حالة نادرة في الأنظمة المصممة بشكل صحيح - تؤدي إلى تشغيل المصهر ووقت التوقف المرتبط باستبدال المصهر.

للحصول على مواصفات تفصيلية وإرشادات التطبيق حول الصمامات ذات قدرة القطع الفائقة في أنظمة تخزين البطاريات، راجع الدليل الكامل لحماية المصهر HRC بقدرة 300 كيلو أمبير.

هيكل الحماية متعدد المستويات

عادةً ما تنفذ أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) على نطاق المرافق ثلاثة مستويات من الحماية:

1. مستوى الخلية/الوحدة: نظام إدارة البطارية المتكامل (BMS) مع فصل إلكتروني. غير مصمم لمقاطعة الأعطال - يوفر إنذارًا مبكرًا وإيقاف تشغيل متحكم فيه.
2. مستوى السلسلة: قاطع دائرة مقولبة (MCCB) بقدرة 30 كيلو أمبير أو 50 كيلو أمبير يحمي كل سلسلة متوازية. تزيل هذه الأجهزة 90% من جميع أحداث الأعطال بما في ذلك أعطال العزل وأعطال الموصلات والدوائر القصيرة الجزئية.
3. مستوى الرف/الخزانة: صمامات HRC بقدرة 250-400 أمبير مصنفة بقدرة 300 كيلو أمبير+. توفر حماية احتياطية قصوى وتفصل الرف بأكمله أثناء أعطال السلاسل المتعددة أو الدوائر القصيرة الخارجية على ناقل التيار المستمر.

يضمن هذا النهج متعدد الطبقات احتواء الأعطال، ويمنع انتشار الأعطال إلى المعدات المجاورة، ويحافظ على توافر النظام أثناء حالات الفشل الفردية.

حلول قواطع التيار المستمر الخاصة بأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) من VIOX

المزايا الهندسية لمنتجات VIOX المصنفة لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS)

طورت VIOX Electric خطًا شاملاً من قواطع الدائرة المستمرة المصممة خصيصًا للمتطلبات الفريدة لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات. على عكس قواطع التيار المتردد المعاد استخدامها أو أجهزة الحماية المستمرة العامة، تشتمل منتجات VIOX المصنفة لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) على أربعة تحسينات تصميمية حاسمة:

1. تصنيف Ics بنسبة 100% (Ics = Icu): تحقق جميع قواطع الدائرة VIOX BESS قدرة قطع خدمة كاملة تساوي قدرة القطع القصوى لها. يحافظ قاطع VIOX بقدرة 30 كيلو أمبير على وظائفه الكاملة بعد مقاطعة أعطال 30 كيلو أمبير بشكل متكرر. هذا يلغي مشكلة “البطل ذو الطلقة الواحدة” حيث تتطلب القواطع الصناعية القياسية بنسب Ics تتراوح بين 25-50% الاستبدال بعد حدث عطل كبير واحد. على مدار دورة حياة نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) لمدة 20 عامًا، تقلل فلسفة التصميم هذه من تكاليف الصيانة بنسبة 40-60% مقارنة بقواطع الدائرة المقولبة (MCCB) القياسية.

2. إطفاء القوس ثنائي الاتجاه: تتضمن تطبيقات أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) تدفق التيار ثنائي الاتجاه - التفريغ أثناء تخفيف الذروة والطاقة الاحتياطية، والشحن أثناء فترات خارج الذروة وتوليد الطاقة الشمسية. قواطع التيار المستمر القياسية التي تستخدم أنظمة إطفاء القوس المغناطيسي الدائم مستقطبة: فهي تعمل بشكل صحيح في اتجاه تيار واحد فقط. إذا انعكس التيار، يعارض المجال المغناطيسي حركة القوس إلى داخل حجرة الفاصل، مما يتسبب في ركود القوس وفشل الإطفاء. تستخدم VIOX أنظمة إطفاء الملف الكهرومغناطيسي مع هندسة قناة القوس المستقلة عن القطبية، مما يضمن مقاطعة موثوقة بغض النظر عن اتجاه التيار. هذا إلزامي لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) ومطلوب صراحةً بموجب UL 1077 القسم 46 لتطبيقات التيار المستمر ثنائية الاتجاه.

3. تصميم محسن لحجرة القوس: توفر تيارات أعطال البطارية إطلاقًا مستدامًا للطاقة يتجاوز بشكل كبير أعطال التيار المتردد التي تغذيها المحولات ذات الحجم المكافئ. تشتمل قواطع VIOX BESS على حجرات قوس ذات حجم أكبر بنسبة 40% مقارنة بقواطع الدائرة المقولبة (MCCB) الصناعية القياسية، ولوحات تشغيل قوس ممتدة مصنوعة من سبيكة الفضة والتنغستن (مقابل النحاس القياسي)، ولوحات فاصلة خزفية مزدوجة الصف توفر كتلة حرارية وعزل فائقين. تضمن هذه الميزات بناء جهد القوس بسرعة ليتجاوز جهد طرف البطارية، مما يجبر تيار القوس على الاتجاه نحو الصفر ويتيح إطفاءً موثوقًا به في غضون 10-15 مللي ثانية.

4. الاستقرار الحراري عند التيار المستمر: تختلف تطبيقات أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) عن أحمال المحركات أو المحولات الصناعية النموذجية في ملف تعريف التيار المستمر الخاص بها. يمكن لأنظمة البطاريات الحفاظ على تيار تفريغ مصنف بنسبة 100% لساعات أثناء أحداث الطاقة الاحتياطية الممتدة أو برامج الاستجابة للطلب. تخضع قواطع VIOX BESS لاختبارات الارتفاع الحراري الممتدة وفقًا للمعيار IEC 60947-2 البند 8.3.2 - 1000 ساعة عند التيار المقنن في درجة حرارة محيطة تبلغ 40 درجة مئوية - مما يضمن بقاء ارتفاع درجة حرارة الطرف أقل من 50 كلفن ولا تزيد مقاومة التلامس عن 150% من القيمة الأولية. عادةً ما يتم تصنيف قواطع الدائرة المقولبة (MCCB) الصناعية القياسية لدورات عمل متقطعة وقد تظهر تدهورًا حراريًا تحت أحمال البطارية المستدامة.

الشهادات والامتثال

تتوافق قواطع الدائرة VIOX BESS مع المعايير الدولية التي تحكم أجهزة الحماية المستمرة:

• IEC 60947-2: المفاتيح الكهربائية وأجهزة التحكم ذات الجهد المنخفض - قواطع الدائرة. يغطي متطلبات البناء وحدود ارتفاع درجة الحرارة واختبارات التحمل الميكانيكي/الكهربائي والتحقق من أداء الدائرة القصيرة بما في ذلك تصنيفات Icu و Ics.
• UL 1077: أجهزة الحماية التكميلية للاستخدام في المعدات الكهربائية. ينطبق على قواطع الدائرة المصغرة (MCB) في نطاق 1-63 أمبير. يحدد اختبار قدرة القطع المستمر عند الجهد المقنن مع اختبار ثنائي الاتجاه إلزامي لمطالبات القاطع غير المستقطب.
• UL 489: قواطع الدائرة المقولبة والمفاتيح المقولبة وحاويات قواطع الدائرة. يغطي قواطع الدائرة المقولبة (MCCB) التي تزيد عن 63 أمبير. يتضمن متطلبات تحمل المعايرة لوحدات الرحلة الحرارية المغناطيسية واختبار الدائرة القصيرة بنسب X/R تمثل مقاومة البطارية.

يضمن الاختبار والشهادة من طرف ثالث أن منتجات VIOX تلبي متطلبات السلامة والأداء الصارمة اللازمة لحماية أصول البطاريات التي تبلغ قيمتها ملايين الدولارات ومنع سيناريوهات الأعطال الكارثية.

أفضل ممارسات التركيب والسلامة

تخفيض التصنيف حسب درجة الحرارة والارتفاع

يتم تحديد تصنيفات قواطع الدائرة في ظروف الاختبار القياسية: درجة حرارة محيطة تبلغ 40 درجة مئوية وارتفاع ≤2000 متر. غالبًا ما تتجاوز تركيبات أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) هذه الظروف، لا سيما في الأنظمة المعيارية الخارجية أو التركيبات على الأسطح. تقلل درجة الحرارة المحيطة المرتفعة من قدرة حمل التيار للقاطع وأداء الدائرة القصيرة المتاح، بينما يقلل الارتفاع العالي من كثافة الهواء وقدرة إطفاء القوس.

تخفيض درجة الحرارة: لكل 10 درجات مئوية فوق درجة الحرارة المحيطة البالغة 40 درجة مئوية، قلل من تصنيف التيار المستمر للقاطع بنسبة 5-8% اعتمادًا على مواصفات الشركة المصنعة. يجب تخفيض تصنيف قاطع 125 أمبير مثبت في حاوية نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) تعمل بدرجة حرارة داخلية تبلغ 60 درجة مئوية إلى تيار مستمر أقصى يبلغ حوالي 100-110 أمبير.

تخفيض القدرة بسبب الارتفاع: فوق 2000 متر، قلل من قدرة القطع بنسبة 0.5% لكل زيادة في الارتفاع بمقدار 100 متر وفقًا للمعيار IEC 60947-2 الملحق ب. يوفر قاطع 50 كيلو أمبير مثبت على ارتفاع 3000 متر قدرة قطع فعالة تبلغ حوالي 45 كيلو أمبير.

عند تحديد قواطع لتطبيقات أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS)، ضع في اعتبارك دائمًا أسوأ الظروف البيئية. حدد أحجام إطارات القاطع بهامش تيار يبلغ 20-30% وتصنيفات قدرة القطع بهامش تيار عطل لا يقل عن 1.5 ضعف بعد تطبيق جميع عوامل التخفيض.

هيكل الحماية على مستوى السلسلة مقابل مستوى الرف مقابل مستوى النظام

تعتمد استراتيجية الحماية المثلى على طوبولوجيا نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) ومقادير تيار العطل ومتطلبات الموثوقية:

الحماية على مستوى السلسلة: تحتوي كل سلسلة متوازية على قاطع دائرة مخصص في أطرافها الموجبة والسالبة. يوفر هذا أقصى قدر من عزل الأعطال - لا يؤثر عطل سلسلة واحدة على السلاسل الأخرى أو يتطلب إيقاف تشغيل النظام بالكامل. يوصى به للأنظمة التي تزيد عن 100 كيلو وات في الساعة حيث تبرر تكلفة استبدال السلسلة الإضافية نفقات القاطع الإضافية.

الحماية على مستوى الرف: تتشارك سلاسل متعددة داخل رف أو خزانة بطارية جهاز حماية مشترك في نقطة توصيل ناقل التيار المستمر. يقلل من عدد المكونات وتكلفة التركيب ولكنه يتطلب عزل الرف بالكامل أثناء الأعطال. مناسب للأنظمة الصغيرة (50-200 كيلو وات في الساعة) مع وحدات بطارية متطابقة واحتمالية منخفضة للعطل.

الحماية على مستوى النظام: قاطع رئيسي واحد يحمي نظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) بأكمله عند توصيل العاكس. مناسب فقط للأنظمة السكنية الصغيرة (<20 كيلو وات في الساعة) حيث يظل تيار العطل قابلاً للإدارة وتكون حساسية تكلفة النظام عالية. لا يوصى به للتركيبات التجارية أو الخاصة بالمرافق بسبب نقص عزل الأعطال ووقت التوقف الممتد أثناء خدمة جهاز الحماية.

توصي فرق VIOX الهندسية بالحماية على مستوى السلسلة مع صمامات احتياطية على مستوى الرف لجميع تركيبات أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) التجارية والخاصة بالمرافق التي تزيد سعتها عن 200 كيلو وات في الساعة.

متطلبات القاطع غير المستقطب للتطبيقات ثنائية الاتجاه

لا يمكن المبالغة في التأكيد على هذه النقطة: تتطلب أنظمة البطاريات ثنائية الاتجاه قواطع دائرة غير مستقطبة. تشتمل قواطع التيار المستمر القياسية المصممة للأحمال أحادية الاتجاه (PV، محركات التيار المستمر) على أنظمة إطفاء مغناطيسية دائمة مُحسَّنة لتدفق التيار في اتجاه واحد. عند تثبيت هذه الأجهزة في تطبيقات أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS)، فإنها تعمل بشكل صحيح أثناء تفريغ البطارية (يتدفق التيار من الطرف الموجب للبطارية نحو الحمل) ولكنها تفشل بشكل كارثي أثناء الشحن (يتدفق التيار إلى الطرف الموجب للبطارية).

آلية الفشل بسيطة: يساعد اتجاه المجال المغناطيسي الدائم حركة القوس إلى داخل حجرة الفاصل أثناء التفريغ ولكنه يعارض حركة القوس أثناء الشحن. بدلاً من أن يتم نفخ القوس لأعلى في قنوات القوس، فإنه يركد في منطقة التلامس أثناء أعطال اتجاه الشحن. تتجاوز درجة حرارة القوس السعة الحرارية لمادة التلامس في غضون أجزاء من الألف من الثانية، مما يتسبب في لحام التلامس أو اختراق الغلاف.

تستخدم قواطع VIOX BESS أنظمة إطفاء قوس الملف الكهرومغناطيسي بدون مغناطيس دائم. يولد الملف مجالًا مغناطيسيًا يتناسب مع حجم تيار العطل وموجهًا تلقائيًا لدفع القوس إلى داخل حجرة الفاصل بغض النظر عن اتجاه التيار. هذا يضيف 15-20% إلى تكلفة التصنيع ولكنه غير قابل للتفاوض لسلامة أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS).

جداول الاختبار والصيانة

قم بتنفيذ بروتوكول الفحص والاختبار التالي لأجهزة الحماية الخاصة بأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS):

فحص بصري شهري: تحقق من وجود تغير في اللون حول أطراف القاطع (يشير إلى وجود وصلات مفكوكة وإجهاد حراري)، وتحقق من عدم وجود تلف مادي في الغلاف أو أجهزة التثبيت، وتأكد من أن القاطع ليس في وضع التعثر دون علم المشغل.

مسح حراري ربع سنوي: باستخدام كاميرا تعمل بالأشعة تحت الحمراء، قم بقياس درجات حرارة الأطراف أثناء التشغيل تحت الحمل المقنن. يجب ألا يتجاوز ارتفاع درجة الحرارة عن المحيط 50 كلفن. تشير الأطراف التي تظهر ارتفاعًا يزيد عن 70 كلفن إلى وجود وصلات مفكوكة تتطلب التحقق الفوري من عزم الدوران وإصلاحها.

اختبار الفصل السنوي: باستخدام زر الاختبار الخاص بالقاطع أو جهاز اختبار ملف الفصل الخارجي، تحقق من أن وظيفة الفصل الميكانيكي تعمل بشكل صحيح. هذا لا يختبر معايرة الفصل الزائد أو قصر الدائرة، ولكنه يؤكد أن آلية الفصل ليست عالقة أو تالفة.

قياس مقاومة التلامس نصف السنوي: مع عزل القاطع وتأمينه، قم بقياس مقاومة التلامس باستخدام مقياس أوم رقمي منخفض المقاومة (DLRO) بتيار اختبار 100 أمبير تيار مستمر وفقًا للمعيار IEC 60947-2 البند 8.3.2. يجب ألا تتجاوز مقاومة التلامس 150٪ من القيمة المنشورة من قبل الشركة المصنعة لقاطع جديد. تشير المقاومة المتزايدة إلى تآكل التلامس وتدهور أداء قصر الدائرة.

اختبار المعايرة لمدة خمس سنوات: بعد خمس سنوات من التشغيل أو بعد أي انقطاع للتيار بسبب عطل يتجاوز 50٪ من Ics، يجب أن يخضع القاطع لاختبار معايرة كامل من قبل مختبر اختبار مؤهل. يتضمن ذلك التحقق من منحنى الفصل في مناطق الحمل الزائد والوقت القصير واللحظي، بالإضافة إلى مقاومة التلامس ومقاومة العزل واختبار التحمل الميكانيكي.

يجب استبدال القواطع التي قطعت تيارات أعطال تقترب من تصنيف Icu الخاص بها على الفور بغض النظر عن الحالة الخارجية. تلف قناة القوس الداخلية غير مرئي خارجيًا ولكنه قد يضر بقدرة قطع التيار في المستقبل.

الأسئلة المتداولة

س: ما هو الفرق الرئيسي بين تيار قصر الدائرة الكهروضوئية وتيار قصر الدائرة لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS)؟

ج: أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية هي مصادر محدودة التيار مع تيار قصر الدائرة (Isc) عادةً ما يكون فقط 1.15-1.25 ضعف تيار التشغيل المقنن بسبب فيزياء الخلايا الكهروضوئية المتأصلة. تتمتع أنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات بمقاومة داخلية منخفضة للغاية (2-10 مللي أوم لكل خلية)، مما يتيح تيارات أعطال تتراوح من 10 إلى 50 ضعف التيار المقنن. قد ينتج عن مجموعة شمسية بقدرة 10 كيلو وات تيار عطل أقصى يبلغ 3 كيلو أمبير، بينما يمكن لنظام بطارية بقدرة 10 كيلو وات في الساعة أن يوفر 20 كيلو أمبير أو أكثر. يتطلب هذا الاختلاف الجوهري أن تكون لقواطع التيار المستمر لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات قدرات قطع (Icu) تبلغ 20 كيلو أمبير أو 30 كيلو أمبير أو 50 كيلو أمبير مقارنة بـ 6 كيلو أمبير أو 10 كيلو أمبير كافية لتطبيقات الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

س: لماذا لا يمكنني استخدام قاطع تيار مصغر (MCB) قياسي بقدرة 10 كيلو أمبير في نظام البطارية الخاص بي؟

ج: تم تصميم واختبار قاطع التيار بقدرة 10 كيلو أمبير لقطع تيارات الأعطال التي تصل إلى 10000 أمبير في ظل ظروف المختبر. تولد أنظمة البطاريات بشكل روتيني تيارات أعطال تتراوح من 20 كيلو أمبير إلى 50 كيلو أمبير بسبب مقاومتها الداخلية المنخفضة. عندما يحاول قاطع تيار بقدرة 10 كيلو أمبير إزالة عطل بطارية بقدرة 30 كيلو أمبير، تتجاوز طاقة القوس السعة الحرارية لقناة القوس الخاصة بالقاطع، مما يتسبب في ركود القوس ولحام التلامس واحتمال حدوث فشل انفجاري. لا يستطيع القاطع إخماد القوس فعليًا - يستمر العطل حتى تعمل الحماية في المنبع أو يتم فصل البطارية يدويًا. هذا يخلق خطر حريق شديد وتلف المعدات يمتد إلى ما هو أبعد من القاطع الفاشل.

س: ماذا يعني Ics = 100٪ Icu ولماذا هو مهم؟

ج: Icu (قدرة القطع القصوى) هي الحد الأقصى لتيار العطل الذي يمكن للقاطع قطعه دون أن ينفجر. Ics (قدرة القطع الخدمية) هي مستوى تيار العطل الذي يمكن للقاطع قطعه عدة مرات ويظل قابلاً للخدمة بالكامل. تحتوي العديد من القواطع القياسية على Ics = 50٪ من Icu، مما يعني أن القاطع بقدرة 30 كيلو أمبير يمكنه فقط التعامل مع أعطال 15 كيلو أمبير بشكل موثوق به بشكل متكرر. إذا قطع تيار عطل بقدرة 25 كيلو أمبير، فقد ينجح القاطع ولكنه سيتضرر داخليًا ويتطلب الاستبدال. تحقق قواطع VIOX BESS من Ics = 100٪ Icu - يحافظ القاطع بقدرة 30 كيلو أمبير على قدرة الخدمة الكاملة بعد قطع أعطال 30 كيلو أمبير عدة مرات. هذا يلغي الاستبدال الإلزامي بعد أحداث الأعطال الرئيسية ويقلل بشكل كبير من تكاليف دورة الحياة في تركيبات البطاريات حيث قد تتعرض أجهزة الحماية لضغط متكرر على مدار 20 عامًا أو أكثر.

س: كيف يمكنني حساب قدرة القطع المطلوبة لنظام تخزين الطاقة بالبطاريات (BESS) الخاص بي؟

ج: احسب تيار قصر الدائرة المحتمل باستخدام: Isc = Vmax / (k × Rbatt/Np + Rconn)، حيث Vmax هو أقصى جهد شحن، و Rbatt هي المقاومة الداخلية لسلسلة واحدة، و Np هو عدد السلاسل المتوازية، و Rconn هي مقاومة القضبان/التوصيل (عادةً 15-40 مللي أوم)، و k هو عامل تخفيض درجة الحرارة (استخدم 0.7 للتشغيل الساخن). اضرب النتيجة في 2.2 لحساب تيار الذروة غير المتماثل أثناء بدء العطل. يجب أن يتجاوز تصنيف Icu الخاص بالقاطع قيمة الذروة هذه بعامل أمان 1.25× على الأقل. بالنسبة لنظام 400 فولت و 200 كيلو وات في الساعة مع 8 سلاسل متوازية ومقاومة سلسلة 250 مللي أوم: Isc(peak) = 2.2 × [456 فولت / (0.7×31.25 مللي أوم + 25 مللي أوم)] = 21.4 كيلو أمبير. القاطع المطلوب: 21.4 كيلو أمبير × 1.25 = 26.75 كيلو أمبير كحد أدنى، حدد جهازًا مصنفًا بـ 30 كيلو أمبير.

س: متى يجب أن أستخدم قاطع تيار ذو علبة مصبوبة (MCCB) بدلاً من قاطع تيار مصغر (MCB) في تخزين البطاريات؟

ج: استخدم قواطع التيار ذات العلبة المصبوبة (MCCBs) لأي تطبيق BESS حيث يتجاوز تيار العطل المحتمل 15 كيلو أمبير أو يتجاوز جهد النظام 600 فولت تيار مستمر. تقتصر قواطع التيار المصغرة (MCBs) على أحجام إطارات تبلغ 63 أمبير تقريبًا وقدرة قطع قصوى تبلغ 20 كيلو أمبير وفقًا للمعيار IEC 60898-1. وهي مناسبة لأنظمة البطاريات السكنية التي تقل عن 20 كيلو وات في الساعة بجهد 48 فولت أو 100 فولت. تتطلب التركيبات التجارية وعلى نطاق المرافق قواطع MCCB نظرًا لارتفاع تيارات الأعطال وأحجام الإطارات الأكبر (125 أمبير - 2500 أمبير) والميزات الإضافية بما في ذلك إعدادات الفصل القابلة للتعديل والتلامسات المساعدة وقدرة الفصل التحويلي. توفر قواطع MCCB أيضًا حجم غرفة قوس فائق وقوة تلامس ضرورية لقطع إطلاق الطاقة المستمر بشكل موثوق به والذي يميز أعطال بنك البطاريات الكبير. لا تستخدم أبدًا قواطع MCB السكنية في BESS التجارية بغض النظر عن مطابقة تصنيف التيار - قدرة القطع غير كافية بشكل أساسي.

س: هل أحتاج إلى مصهرات بالإضافة إلى قواطع التيار لأنظمة BESS الكبيرة؟

ج: نعم، بالنسبة لتركيبات BESS التجارية الكبيرة وعلى نطاق المرافق حيث تتجاوز تيارات الأعطال المحتملة 50 كيلو أمبير. قم بتنفيذ حماية منسقة: قواطع MCCB على مستوى السلسلة مصنفة بـ 30 كيلو أمبير أو 50 كيلو أمبير مدعومة بمصهرات HRC على مستوى الرف مصنفة بـ 300 كيلو أمبير أو أعلى. يتعامل قاطع MCCB مع الأحمال الزائدة الروتينية والأعطال المعتدلة حتى تصنيف Ics الخاص به دون الحاجة إلى الاستبدال. يوفر المصهر حماية احتياطية قصوى أثناء ظروف الأعطال الشديدة التي تتجاوز قدرة القاطع. يضمن التنسيق المناسب لمنحنى الوقت والتيار أن يعمل القاطع أولاً للأعطال ضمن تصنيفه، بينما يعمل المصهر فقط للأحداث الكارثية. تقلل هذه الإستراتيجية من تكاليف الصيانة (نادراً ما تعمل المصهرات) مع ضمان حماية شاملة عبر نطاق تيار العطل الكامل. بالنسبة للأنظمة التي تقل عن 50 كيلو أمبير تيار عطل محتمل، فإن قواطع MCCB المصنفة بشكل صحيح وحدها كافية - إضافة المصهرات تزيد من التكلفة دون فائدة تتعلق بالسلامة.

الختام

لقد أدخل التبني الواسع النطاق لأنظمة تخزين الطاقة بالبطاريات تحديًا حاسمًا للحماية يجب على المهندسين معالجته بالتكنولوجيا المناسبة: تفشل قواطع التيار المستمر القياسية المصممة لتطبيقات الطاقة الشمسية الكهروضوئية بشكل كارثي عند تطبيقها على تركيبات BESS. يكمن الاختلاف الجوهري في خصائص تيار العطل - توفر الألواح الشمسية تيارات قصر الدائرة محدودة بحوالي 1.25 ضعف التيار المقنن، بينما تولد بنوك البطاريات ذات المقاومة الداخلية بمستوى مللي أوم تيارات أعطال تتراوح من 10 إلى 50 ضعف التيار المقنن.

تتطلب الحماية المناسبة لـ BESS قواطع تيار بقدرات قطع (Icu) تبلغ 20 كيلو أمبير أو 30 كيلو أمبير أو 50 كيلو أمبير اعتمادًا على حجم النظام والجهد والتكوين المتوازي. وبنفس القدر من الأهمية هو تصنيف قدرة القطع الخدمية (Ics)، الذي يحدد ما إذا كان القاطع يظل يعمل بعد قطع الأعطال الرئيسية. تحقق قواطع التيار المصنفة VIOX BESS من Ics = 100٪ Icu، مما يلغي متطلبات الاستبدال الإلزامي الشائعة مع القواطع الصناعية القياسية بعد أحداث الأعطال.

إن تقليل حجم قواطع التيار في أنظمة تخزين البطاريات ليس مسألة تتعلق بتقليل الموثوقية أو زيادة تكاليف الصيانة - بل إنه يخلق مخاطر حريق فورية وأنماط فشل كارثية. لا يمكن لقاطع تيار بقدرة 10 كيلو أمبير يحاول إزالة عطل بطارية بقدرة 30 كيلو أمبير إخماد القوس. والنتيجة هي توصيل تيار عطل مستمر وتدمير حراري للمعدات المجاورة وانتشار محتمل للهروب الحراري عبر رفوف البطاريات.

يجب على المهندسين الذين يحددون حماية BESS إجراء حسابات دقيقة لتيار العطل مع مراعاة كيمياء البطارية والمقاومة الداخلية والتكوين المتوازي ومقاومة التوصيل وتأثيرات درجة الحرارة. حدد قواطع بهامش أمان لا يقل عن 1.25× فوق تيار العطل الأقصى المحسوب بعد تطبيق جميع عوامل التخفيض. بالنسبة للتركيبات التجارية والمرافق، قم بتنفيذ حماية MCCB على مستوى السلسلة مدعومة بمصهرات HRC على مستوى الرف لضمان حماية شاملة عبر نطاق تيار العطل الكامل.

تقدم VIOX Electric حلول حماية BESS كاملة مع دعم هندسي لتحليل تيار العطل واختيار القاطع ودراسات التنسيق. تتوافق منتجاتنا المصنفة BESS مع معايير IEC 60947-2 و UL 1077 و UL 489، مما يوفر قدرة القطع العالية وإطفاء القوس ثنائي الاتجاه والاستقرار الحراري الضروري لحماية نظام البطارية الموثوق به.

اتصل بـ VIOX Engineering اليوم للحصول على استشارة مجانية لتصميم نظام حماية BESS وتأكد من أن تركيب تخزين البطارية الخاص بك يحقق السلامة والموثوقية التي يتطلبها استثمارك.