Why Standard DC Breakers Fail in BESS: The Importance of High Breaking Capacity (Icu)

مقدمه

The rapid deployment of Battery Energy Storage Systems (BESS) has created a critical safety challenge that many engineers discover too late: standard DC circuit breakers designed for solar photovoltaic applications fail catastrophically when protecting battery storage systems. This failure is not a matter of poor manufacturing or quality issues—it is a fundamental mismatch between the breaker’s design specifications and the extreme fault current characteristics inherent to lithium-ion battery banks.

The root cause is straightforward yet often misunderstood. Solar PV systems produce short-circuit currents typically limited to approximately 1.25 times their rated operating current (Isc ≈ 1.25 × Ioc). Standard 6kA or 10kA rated DC circuit breakers handle these fault levels with ease. In stark contrast, BESS installations featuring low-internal-resistance battery cells can deliver fault currents 10 to 50 times their rated current within milliseconds of a short circuit event. When a 10kA-rated breaker attempts to interrupt a 30kA battery fault, the result is predictable: arc extinction failure, housing destruction, and potential fire.

This article examines why high breaking capacity ratings—specifically 20kA, 30kA, and 50kA Icu (Ultimate Breaking Capacity)—are not optional specifications but mandatory safety requirements for BESS protection. We will analyze the technical differences between PV and battery fault characteristics, explain the critical distinction between Icu and Ics ratings, and provide engineering guidance for selecting appropriately rated protection devices.

The Fundamental Difference Between PV and BESS Short Circuits

Solar PV: Current-Limited Fault Characteristics

Photovoltaic modules behave as current-limited sources during fault conditions due to their inherent physics. When a PV string experiences a short circuit, the maximum available fault current is constrained by the panel’s short-circuit current rating (Isc), which typically exceeds the maximum power point current (Imp) by only 15-25%. This relationship is defined by the module’s I-V characteristic curve and remains relatively constant regardless of the number of parallel strings, assuming proper string fusing is implemented.

For example, a 400W monocrystalline panel rated at Imp = 10A will typically have Isc = 11-12A. Even in a large-scale solar farm with multiple combiner boxes, the prospective fault current at any given breaker location rarely exceeds 6kA, and more commonly remains below 3kA. This is why IEC 60947-2 compliant MCBs rated at 6kA or 10kA have proven adequate for decades of solar installations. The PV system’s fault current is predictable, calculable, and remains within the interrupting capacity of standard residential and commercial-grade circuit protection.

BESS: Unlimited Fault Current Capability

Battery energy storage systems operate under completely different electrochemical principles. Lithium-ion, lithium iron phosphate (LFP), and other modern battery chemistries exhibit internal resistances measured in milliohms (mΩ)—typically 2-10mΩ per cell depending on chemistry, state of charge, and temperature. When multiple cells are configured in series-parallel arrangements to achieve system voltage and capacity targets, the aggregate internal resistance of the battery bank becomes extremely low.

Consider a practical example: A 48V 200Ah lithium battery bank composed of 16 cells in series (16S) with each cell having 5mΩ internal resistance yields a total bank resistance of approximately 80mΩ (0.080Ω). Under a bolted short-circuit fault, Ohm’s Law dictates the prospective fault current: Isc = V / R = 48V ÷ 0.080Ω = 600A. However, this calculation significantly underestimates reality for two critical reasons.

First, the calculation assumes only the battery pack’s internal resistance. In actual fault scenarios, the resistance of busbars, terminals, and wire connections within the fault path may total only 5-20mΩ additional resistance. Second, and more importantly, modern BESS installations frequently employ parallel battery racks to achieve higher capacity. With four parallel 48V 200Ah racks, the effective internal resistance drops to 20mΩ, yielding a prospective fault current of 2,400A—but this still understates the problem.

The critical factor engineers often overlook is the asymmetrical peak current during the first half-cycle of DC fault initiation. Due to the absence of a natural current zero-crossing in DC systems and the inductance present in battery interconnections, the instantaneous peak fault current can reach 2.0 to 2.5 times the steady-state calculated value. For our 2,400A steady-state example, the peak fault current may spike to 5,000-6,000A. In utility-scale BESS installations with hundreds of parallel battery modules, prospective fault currents routinely exceed 30kA, and in some documented cases have reached 50kA or higher.

To understand BESS system architecture and fault current paths in detail, refer to our comprehensive guide to battery energy storage systems.

Comparison Table: PV vs BESS Fault Characteristics

پارامتر	سیستم فتوولتائیک خورشیدی	Battery Energy Storage System
Source Impedance	High (current-limited by cell physics)	Extremely Low (2-10mΩ per cell)
Typical Isc/Irated Ratio	1.15 – 1.25×	10 – 50×
Fault Current Rise Time	10-50ms (capacitor discharge dominated)	<1ms (direct electrochemical discharge)
Prospective Fault Current (Residential)	0.5 – 3kA	5 – 20kA
Prospective Fault Current (Commercial)	2 – 6kA	20 – 35kA
Prospective Fault Current (Utility-Scale)	5 – 10kA	30 – 50kA+
Peak Asymmetrical Current Factor	1.3 – 1.5×	2.0 – 2.5×
Standard Breaker Rating (Adequate)	6kA – 10kA	20 کیلوآمپر – 50 کیلوآمپر
Arc Extinction Difficulty	Moderate (natural current limiting)	Extreme (sustained energy delivery)

This fundamental difference explains why a circuit breaker successfully protecting a 10kW solar array will fail violently when installed in a 10kWh battery system of similar power rating. The fault current characteristics are not comparable—they exist in entirely different orders of magnitude.

Understanding Icu and Ics: Why Both Matter in BESS

Defining Ultimate Breaking Capacity (Icu)

The rated ultimate short-circuit breaking capacity, designated Icu in IEC 60947-2 and Icn in IEC 60898-1 for miniature circuit breakers, represents the maximum prospective fault current that a circuit breaker can successfully interrupt under laboratory test conditions without catastrophic destruction of the device. The test procedure defined in IEC 60947-2 Clause 8.3.5 subjects the breaker to a specific sequence: O (open operation) – 3 minutes – CO (close-open operation). If the breaker successfully interrupts the test current without explosion, fire, or contact welding, it meets its Icu rating.

Critically, passing the Icu test does not guarantee the breaker remains functional afterward. The IEC standard explicitly permits damage to the breaker’s internal components, erosion of contacts, and degradation of arc chutes, provided the fault is cleared safely. After an Icu-level fault interruption, the breaker must be inspected and often replaced. In BESS applications, where protection devices may experience multiple fault events over a 20-year system lifetime, relying solely on Icu ratings creates a dangerous maintenance burden and potential safety gap.

Defining Service Breaking Capacity (Ics)

The rated service short-circuit breaking capacity (Ics) represents the fault current level at which the circuit breaker can perform multiple interruption operations and remain fully serviceable—capable of continued operation at its rated current without degradation. IEC 60947-2 Clause 8.3.6 specifies the Ics test sequence: O – 3 minutes – CO – 3 minutes – CO. Following three successful fault interruptions at the Ics current level, the breaker must pass thermal rise, tripping characteristic, and mechanical endurance tests to verify it remains within specification.

Ics is expressed as a percentage of Icu: 25%, 50%, 75%, or 100%. For residential and light commercial MCBs (IEC 60898-1, Class B), Ics must be at least 50%, 75%, or 100% of Icn. For industrial MCCBs and specialized BESS protection devices (IEC 60947-2), Ics ranges from 25% to 100% of Icu depending on the manufacturer’s design and intended application.

The BESS-Specific Importance of High Ics

In battery storage systems, the Ics rating matters more than Icu for two operational reasons. First, BESS installations experience repetitive stress cycles including inrush currents during charging, discharge transients during peak shaving operations, and potential fault events from thermal runaway, insulation breakdown, or maintenance errors. A breaker rated at 50kA Icu but only 25kA Ics (50% ratio) may successfully clear a 35kA fault once but require immediate replacement, resulting in system downtime and increased lifecycle costs.

Second, the consequences of breaker failure in BESS environments are significantly more severe than in PV applications. Battery systems store massive amounts of energy that can be released instantaneously. A failed breaker creates an arc flash incident with available fault energy potentially exceeding 100 cal/cm², far beyond the protective rating of standard arc-rated PPE. The arc temperature can reach 35,000°F (19,400°C), sufficient to vaporize copper busbars and ignite surrounding materials. In outdoor containerized BESS installations, a single breaker failure can propagate to adjacent racks through thermal radiation and airborne copper plasma.

VIOX Engineering Advantage: VIOX BESS-rated DC circuit breakers feature Ics = 100% Icu across our 20kA, 30kA, and 50kA product lines. This means a VIOX 30kA breaker maintains full serviceability after interrupting 30kA faults—no degradation, no mandatory replacement, no increased risk during subsequent fault events. This design philosophy eliminates the “one-shot hero” problem common in standard industrial MCBs where high Icu ratings mask inadequate Ics performance.

For detailed technical analysis of circuit breaker ratings and their implications in fault protection, see our guide to understanding Icu, Ics, Icw, and Icm ratings.

Comparison Table: Standard vs High-Performance BESS Breakers

نوع کلید	Icu Rating	Ics Rating (ظرفیت قطع اتصال کوتاه سرویس)	Ics/Icu Ratio (نسبت Ics به Icu)	Service Life After Fault (عمر مفید پس از خطا)	کاربرد توصیه شده
Standard Residential MCB (MCB استاندارد مسکونی)	۶ کیلوآمپر	۳ کیلوآمپر	50%	Replace after 3kA fault (تعویض پس از خطای 3kA)	Residential AC loads only (فقط بارهای AC مسکونی)
Standard Commercial MCB (MCB استاندارد تجاری)	۱۰ کیلوآمپر	5 کیلو آمپر	50%	Replace after 5kA fault (تعویض پس از خطای 5kA)	Light commercial AC/DC (تجاری سبک AC/DC)
Industrial MCCB (Low-tier) (MCCB صنعتی (رده پایین))	۵۰ کیلوآمپر	12.5 کیلو آمپر	25%	Replace after 12.5kA fault (تعویض پس از خطای 12.5kA)	Non-critical distribution (توزیع غیر بحرانی)
Industrial MCCB (Mid-tier) (MCCB صنعتی (رده متوسط))	۵۰ کیلوآمپر	۲۵ کیلوآمپر	50%	Replace after 25kA fault (تعویض پس از خطای 25kA)	Standard industrial feeders (فیدرهای صنعتی استاندارد)
VIOX BESS-Rated MCB (MCB دارای رتبه BESS از VIOX)	۲۰ کیلوآمپر	۲۰ کیلوآمپر	100%	No replacement needed (نیازی به تعویض نیست)	Residential ESS (5-20kWh) (ESS مسکونی (5-20 کیلووات ساعت))
VIOX BESS-Rated MCCB (MCCB دارای رتبه BESS از VIOX)	۳۰ کیلوآمپر	۳۰ کیلوآمپر	100%	No replacement needed (نیازی به تعویض نیست)	Commercial BESS (50-500kWh) (BESS تجاری (50-500 کیلووات ساعت))
VIOX BESS-Rated MCCB (MCCB دارای رتبه BESS از VIOX)	۵۰ کیلوآمپر	۵۰ کیلوآمپر	100%	No replacement needed (نیازی به تعویض نیست)	Utility-scale BESS (1MWh+) (BESS در مقیاس تاسیسات (1 مگاوات ساعت +))

Why 6kA/10kA Breakers Fail in BESS Applications (چرا بریکرهای 6kA/10kA در کاربردهای BESS خراب می‌شوند)

The Arc Extinction Failure Mechanism (مکانیسم خرابی خاموش کردن قوس)

When a circuit breaker’s contacts separate under load, an electrical arc forms in the gap between the fixed and moving contacts. In AC systems, the arc naturally extinguishes at the current zero-crossing occurring 100 or 120 times per second (50Hz or 60Hz), giving the breaker’s arc chute time to cool and deionize the arc path. DC systems lack this natural current zero-crossing, requiring the breaker to forcibly extinguish the arc through arc chute design, magnetic blowout coils, and rapid contact separation distance. (هنگامی که کنتاکت‌های یک مدارشکن زیر بار از هم جدا می‌شوند، یک قوس الکتریکی در شکاف بین کنتاکت‌های ثابت و متحرک تشکیل می‌شود. در سیستم‌های AC، قوس به طور طبیعی در محل عبور جریان از صفر که 100 یا 120 بار در ثانیه (50 هرتز یا 60 هرتز) رخ می‌دهد، خاموش می‌شود و به محفظه قوس شکن زمان می‌دهد تا خنک شود و مسیر قوس را دیونیزه کند. سیستم‌های DC فاقد این عبور جریان از صفر طبیعی هستند و نیاز دارند که مدارشکن به اجبار قوس را از طریق طراحی محفظه قوس، سیم‌پیچ‌های دمنده مغناطیسی و فاصله جداسازی سریع کنتاکت خاموش کند.).

A 6kA or 10kA rated MCB contains an arc chute dimensioned and optimized to handle fault currents up to its rated value. When exposed to a 20kA or 30kA fault from a battery bank, three failure mechanisms occur simultaneously: (یک MCB با رتبه 6kA یا 10kA دارای یک محفظه قوس است که برای تحمل جریان‌های خطا تا مقدار نامی خود، ابعادبندی و بهینه شده است. هنگامی که در معرض خطای 20kA یا 30kA از یک بانک باتری قرار می‌گیرد، سه مکانیسم خرابی به طور همزمان رخ می‌دهند:)

1. Thermal overload: (اضافه بار حرارتی:) The arc energy (E = V × I × t) exceeds the arc chute’s heat dissipation capacity. The arc plasma temperature rises above 20,000°C, melting the arc splitter plates and chamber walls within the first 10-20 milliseconds. (انرژی قوس (E = V × I × t) از ظرفیت اتلاف حرارت محفظه قوس فراتر می‌رود. دمای پلاسمای قوس به بالای 20000 درجه سانتیگراد می‌رسد و صفحات تقسیم کننده قوس و دیواره‌های محفظه را در 10-20 میلی ثانیه اول ذوب می‌کند.).
2. Magnetic saturation: (اشباع مغناطیسی:) The breaker’s magnetic blowout system, designed to push the arc upward into the splitter plates, becomes saturated when fault current exceeds design limits by 2-3×. The arc stagnates at the contact area instead of moving into the extinction chamber. (سیستم دمنده مغناطیسی مدارشکن، که برای هل دادن قوس به سمت بالا به داخل صفحات تقسیم کننده طراحی شده است، زمانی که جریان خطا از محدودیت‌های طراحی 2-3 برابر فراتر رود، اشباع می‌شود. قوس به جای حرکت به داخل محفظه خاموش کننده، در ناحیه تماس ساکن می‌شود.).
3. Contact welding: (جوش خوردن کنتاکت:) At fault currents above the breaker’s rating, the electromagnetic forces between contacts during the opening stroke can reach thousands of Newtons. If the operating mechanism’s spring force cannot overcome this magnetic attraction fast enough, the contacts weld together. The breaker remains closed, delivering continuous fault current until upstream protection operates or the battery bank is manually disconnected. (در جریان‌های خطا بالاتر از رتبه مدارشکن، نیروهای الکترومغناطیسی بین کنتاکت‌ها در طول ضربه باز شدن می‌تواند به هزاران نیوتن برسد. اگر نیروی فنر مکانیسم عامل نتواند به اندازه کافی سریع بر این جاذبه مغناطیسی غلبه کند، کنتاکت‌ها به هم جوش می‌خورند. مدارشکن بسته می‌ماند و جریان خطای مداوم را تا زمانی که حفاظت بالادستی عمل کند یا بانک باتری به صورت دستی قطع شود، تحویل می‌دهد.).

Case Study: 10kA Breaker vs 30kA BESS Fault (مطالعه موردی: مدارشکن 10kA در مقابل خطای 30kA BESS)

Consider a commercial BESS installation: 100kWh lithium iron phosphate (LFP) battery system, 400VDC nominal, configured as four parallel strings of 100S cells (3.2V nominal per cell). Each string contributes 100Ah capacity with 3mΩ internal resistance per cell, yielding 300mΩ total string resistance and 75mΩ for the four-parallel configuration. Add 25mΩ for busbars, connections, and wiring—total fault path resistance equals 100mΩ (0.1Ω). (یک نصب BESS تجاری را در نظر بگیرید: سیستم باتری فسفات آهن لیتیوم (LFP) 100 کیلووات ساعت، 400 ولت DC اسمی، که به صورت چهار رشته موازی از سلول‌های 100S (3.2 ولت اسمی در هر سلول) پیکربندی شده است. هر رشته ظرفیت 100 آمپر ساعت را با مقاومت داخلی 3 میلی اهم در هر سلول ارائه می‌دهد که در مجموع مقاومت رشته 300 میلی اهم و برای پیکربندی چهار موازی 75 میلی اهم به دست می‌آید. 25 میلی اهم برای شینه‌ها، اتصالات و سیم‌کشی اضافه کنید - مقاومت کل مسیر خطا برابر با 100 میلی اهم (0.1 اهم) است.).

Prospective fault current calculation: (محاسبه جریان خطای احتمالی:)

• Steady-state Isc = 400V ÷ 0.1Ω = 4,000A (جریان اتصال کوتاه حالت پایدار = 400 ولت ÷ 0.1 اهم = 4000 آمپر)
• Peak asymmetrical current (2.2× factor) = 8,800A ≈ (جریان نامتقارن پیک (ضریب 2.2×) = 8800 آمپر ≈) 8.8kA (8.8 کیلو آمپر)

An engineer reviewing this calculation might conclude a 10kA-rated MCB provides adequate protection with a 13% safety margin. This is a critical error. The calculation assumes all resistance remains constant during the fault. In reality, battery internal resistance decreases as cell temperature rises during discharge. At elevated temperatures (45-60°C), cell resistance drops by 20-30%. The fault path busbars and connections also heat, but their resistance increase is negligible compared to the battery impedance decrease. (مهندسی که این محاسبه را بررسی می‌کند ممکن است به این نتیجه برسد که یک MCB با رتبه 10kA حفاظت کافی با حاشیه ایمنی 13% ارائه می‌دهد. این یک اشتباه حیاتی است. این محاسبه فرض می‌کند که تمام مقاومت در طول خطا ثابت می‌ماند. در واقعیت، مقاومت داخلی باتری با افزایش دمای سلول در طول تخلیه کاهش می‌یابد. در دماهای بالا (45-60 درجه سانتیگراد)، مقاومت سلول 20-30% کاهش می‌یابد. شینه‌ها و اتصالات مسیر خطا نیز گرم می‌شوند، اما افزایش مقاومت آنها در مقایسه با کاهش امپدانس باتری ناچیز است.).

Revised fault current at 50°C battery temperature: (جریان خطای اصلاح شده در دمای باتری 50 درجه سانتیگراد:)

• Reduced cell resistance: 2.1mΩ × 100S = 210mΩ per string (کاهش مقاومت سلول: 2.1 میلی اهم × 100S = 210 میلی اهم در هر رشته)
• Four-parallel: 52.5mΩ + 25mΩ (connections) = 77.5mΩ (چهار موازی: 52.5 میلی اهم + 25 میلی اهم (اتصالات) = 77.5 میلی اهم)
• Steady-state Isc = 400V ÷ 0.0775Ω = 5,161A (جریان اتصال کوتاه حالت پایدار = 400 ولت ÷ 0.0775 اهم = 5161 آمپر)
• Peak asymmetrical current = (جریان نامتقارن پیک =) 11.4kA (11.4 کیلو آمپر)

The 10kA breaker is now operating 14% beyond its rated Icu. More critically, if the breaker’s Ics is 50% of Icu (5kA, typical for residential-grade MCBs), this fault exceeds the service rating by 2.3×. The expected outcome: successful fault interruption with severe internal damage, mandatory breaker replacement, and system downtime extending into hours or days depending on spare parts availability. (مدارشکن 10kA اکنون 14% فراتر از Icu نامی خود کار می‌کند. مهمتر از آن، اگر Ics مدارشکن 50% از Icu باشد (5kA، معمول برای MCBهای درجه مسکونی)، این خطا از رتبه سرویس 2.3 برابر فراتر می‌رود. نتیجه مورد انتظار: قطع موفقیت آمیز خطا با آسیب داخلی شدید، تعویض اجباری مدارشکن و خرابی سیستم که بسته به در دسترس بودن قطعات یدکی به ساعت‌ها یا روزها می‌رسد.).

If a second fault occurs before breaker replacement—a scenario entirely possible in multi-rack BESS installations with independent fault probabilities—the degraded breaker will fail to interrupt, resulting in catastrophic fire. (اگر قبل از تعویض مدارشکن، خطای دومی رخ دهد - سناریویی که در نصب‌های BESS چند رک با احتمالات خطای مستقل کاملاً امکان پذیر است - مدارشکن تخریب شده قادر به قطع نخواهد بود و منجر به آتش سوزی فاجعه بار می‌شود.).

Required Breaker Ratings for Common BESS Configurations (رتبه‌بندی‌های مورد نیاز مدارشکن برای پیکربندی‌های رایج BESS)

BESS Configuration (پیکربندی BESS)	ولتاژ سیستم	ظرفیت	Typical Internal Resistance (مقاومت داخلی معمولی)	Prospective Isc (Peak) (جریان اتصال کوتاه احتمالی (پیک))	Minimum Icu Required (حداقل Icu مورد نیاز)	Recommended Icu (Icu توصیه شده)	نوع بریکر پیشنهادی
Residential ESS (Single Battery) (ESS مسکونی (تک باتری))	48VDC (48 ولت DC)	5-10kWh (5-10 کیلووات ساعت)	80-100mΩ (80-100 میلی اهم)	1200 آمپر	۱۰ کیلوآمپر	۲۰ کیلوآمپر	DC MCB (2P) (MCB DC (2 پل))
Residential ESS (Parallel) (ESS مسکونی (موازی))	48VDC (48 ولت DC)	10-20kWh (10-20 کیلووات ساعت)	40-60mΩ (40-60 میلی اهم)	2,400A (2400 آمپر)	15 کیلوآمپر	۲۰ کیلوآمپر	DC MCB (2P) (MCB DC (2 پل))
Commercial BESS (Small) (BESS تجاری (کوچک))	400VDC (400 ولت DC)	50-100 کیلووات ساعت	50-80 میلی اهم	12 کیلو آمپر	۲۰ کیلوآمپر	۳۰ کیلوآمپر	MCCB DC (2P)
BESS تجاری (متوسط)	600 ولت DC	100-500 کیلووات ساعت	30-60 میلی اهم	24 کیلو آمپر	۳۰ کیلوآمپر	۵۰ کیلوآمپر	MCCB DC (2P)
BESS نیروگاهی (سطح رک)	800 ولت DC	500 کیلووات ساعت - 1 مگاوات ساعت	20-40 میلی اهم	35 کیلوآمپر	۵۰ کیلوآمپر	50 کیلو آمپر + فیوز HRC	MCCB DC (2P) با فیوز سری
BESS نیروگاهی (سطح استرینگ)	۱۰۰۰ ولت جریان مستقیم	1-5 مگاوات ساعت	15-30 میلی اهم	50kA+	65 کیلوآمپر	65 کیلو آمپر + فیوز 300 کیلو آمپر	هماهنگی MCCB DC + فیوز HRC

یادداشت مهندسی: حداقل Icu نشان دهنده مقدار محاسبه شده مورد نیاز با ضریب ایمنی 1.5 برابر طبق دستورالعمل IEC 60947-2 است. Icu توصیه شده شامل حاشیه اضافی برای کاهش توان ناشی از دما، اثرات پیری و توسعه سیستم در آینده است. هرگز یک بریکر را مشخص نکنید که جریان اتصال کوتاه احتمالی از 80% Icu نامی آن تجاوز کند.

انتخاب بریکر DC مناسب برای BESS: تصمیم 20kA/30kA/50kA

محاسبه جریان اتصال کوتاه احتمالی

محاسبه دقیق جریان اتصال کوتاه، پایه و اساس انتخاب مناسب بریکر است. مهندسان باید پنج پارامتر کلیدی را در نظر بگیرند:

1. ولتاژ سیستم (V): از حداکثر ولتاژ شارژ استفاده کنید، نه ولتاژ نامی. برای یک سیستم نامی 48 ولت (لیتیوم 16S)، حداکثر ولتاژ شارژ 57.6 ولت است (3.6 ولت در هر سلول). این افزایش 20% مستقیماً به جریان اتصال کوتاه 20% بالاتر تبدیل می شود.
2. مقاومت داخلی باتری (Rbatt): این مقدار را از برگه اطلاعات سازنده باتری دریافت کنید، که معمولاً در حالت شارژ (SoC) 50% و 25 درجه سانتیگراد مشخص می شود. برای سلول های منشوری با فرمت بزرگ، مقاومت از 0.5 میلی اهم (درجه خودرو ممتاز) تا 3 میلی اهم (ذخیره سازی ثابت استاندارد) متغیر است. سلول های استوانه ای (18650، 21700) مقاومت بالاتری نشان می دهند: 15-40 میلی اهم در هر سلول.
3. تعداد استرینگ های موازی (Np): پیکربندی موازی مقاومت کل را تقسیم می کند. چهار استرینگ موازی مقاومت موثر را به 25% مقدار یک استرینگ کاهش می دهد: Reff = Rsingle / Np.
4. مقاومت اتصال (Rconn): باسبارها، ترمینال ها و کابل ها بسته به طراحی سیستم، 15-40 میلی اهم مقاومت ایجاد می کنند. اتصالات باسبار پیچ و مهره ای با کیفیت بالا با گشتاور >200 اینچ-پوند به 15-20 میلی اهم می رسند. سرکابلهای پرسی روی ترمینال های توزیع ممکن است به 30-40 میلی اهم برسند.
5. ضریب کاهش توان دما (k): مقاومت باتری با دما کاهش می یابد. از k = 0.7 برای بدترین حالت عملکرد در هوای گرم (دمای باتری 50-60 درجه سانتیگراد) استفاده کنید.

فرمول کامل جریان اتصال کوتاه:

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

Isc(peak) = 2.2 × Isc(steady)

مثال حل شده:

• سیستم: 400 ولت DC، 200 کیلووات ساعت، شیمی LFP
• پیکربندی: 8 استرینگ موازی، 125S در هر استرینگ
• داده های سلول: 3.2 ولت نامی، 3.65 ولت حداکثر، 2 میلی اهم مقاومت داخلی در 25 درجه سانتیگراد
• حداکثر ولتاژ: 125S × 3.65V = 456V
• مقاومت یک استرینگ: 125 × 2mΩ = 250mΩ
• مقاومت موازی: 250mΩ / 8 = 31.25mΩ
• مقاومت اتصال: 25mΩ (اندازه گیری شده)
• مقاومت کل سرد: 56.25mΩ
• مقاومت گرم (k=0.7): 0.7 × 31.25mΩ + 25mΩ = 46.9mΩ
• Isc حالت پایدار: 456V / 0.0469Ω = 9,723A
• Isc پیک: 2.2 × 9,723A = 21.4kA

بریکر مورد نیاز: حداقل Icu = 21.4kA × ضریب ایمنی 1.25 = 26.75kA. MCCB با درجه 30kA را مشخص کنید.

دستورالعمل های انتخاب مبتنی بر کاربرد

ESS مسکونی کوچک (5-20 کیلووات ساعت): سیستم های در این محدوده معمولاً از بسته های باتری 48 ولت با جریان اتصال کوتاه احتمالی بین 5 کیلو آمپر و 15 کیلو آمپر پیک استفاده می کنند. یک MCB DC 20kA با درجه مناسب، حفاظت کافی با حاشیه ایمنی داخلی را فراهم می کند. MCB های سری VIOX VX-DC20 (Icu 20kA، Ics 20kA، اندازه فریم 1-63A) به طور خاص برای این کاربرد با خاموش کردن قوس دو طرفه و گواهینامه UL 1077 طراحی شده اند.

BESS تجاری (50-500 کیلووات ساعت): سیستم های مقیاس متوسط در 400-800 ولت DC با جریان اتصال کوتاه تا 20-35 کیلو آمپر کار می کنند. این دسته به حفاظت MCCB نیاز دارد - MCB های استاندارد فاقد نیروی تماس و حجم محفظه قوس مورد نیاز برای قطع مطمئن در این سطوح انرژی هستند. بسته به محاسبه اتصال کوتاه خاص، MCCB های با درجه 30kA یا 50kA را مشخص کنید. هرگز از MCB های درجه مسکونی در تاسیسات باتری تجاری صرف نظر از مطابقت جریان نامی استفاده نکنید - ظرفیت قطع اساساً ناکافی است.

BESS در مقیاس نیروگاهی (1 مگاوات ساعت +): تاسیسات بزرگ با صدها ماژول باتری موازی، جریان اتصال کوتاه احتمالی را فراتر از 50 کیلو آمپر می برند. در این سطوح انرژی، حفاظت MCCB به تنهایی ممکن است کافی نباشد. یک استراتژی حفاظت آبشاری را پیاده سازی کنید: MCCB های سطح استرینگ (50 کیلو آمپر) که توسط فیوزهای HRC با درجه 300 کیلو آمپر یا بالاتر در سطح رک/کابینت پشتیبانی می شوند. این رویکرد در بخش بعدی به تفصیل شرح داده شده است.

برای مشخصات فنی جامع و راهنمایی انتخاب در مورد بریکرهای مدار محفظه قالب در کاربردهای ذخیره سازی باتری، بررسی کنید راهنمای دقیق MCCB ما.

نقش فیوزها در BESS با ظرفیت فوق العاده بالا

چه زمانی بریکرهای مدار به تنهایی کافی نیستند

در تاسیسات BESS در مقیاس خدمات شهری و سیستم‌های تجاری بزرگ که جریان‌های خطای احتمالی از 50kA فراتر می‌روند، تکیه صرف بر قطع کننده‌های مدار، دو خطر را به همراه دارد. اول اینکه، حتی MCCBهای ممتاز با درجه 50kA نیز نزدیک به حداکثر قابلیت طراحی خود کار می‌کنند و حاشیه ایمنی حداقلی برای خطاهای محاسباتی، دماهای شدید یا اصلاحات سیستم باقی می‌گذارند. دوم اینکه، هزینه و اندازه فیزیکی MCCBهای با درجه 65kA+ برای حفاظت در سطح رشته، جایی که ده‌ها دستگاه مورد نیاز است، بسیار بالا است.

راه حل، حفاظت هماهنگ شده فیوز-قطع کننده است. فیوزهای با ظرفیت شکست بالا (HRC) با درجه 300kA یا 400kA، حفاظت پشتیبان نهایی را در سطح رک یا کابینت فراهم می‌کنند، در حالی که MCCBهای 30kA یا 50kA از رشته‌ها یا ماژول‌های منفرد محافظت می‌کنند. این امر یک طرح هماهنگی انتخابی ایجاد می‌کند که در آن MCCB اضافه بارهای متوسط و خطاها را تا درجه Ics خود رفع می‌کند، در حالی که فیوز فقط در شرایط خطای شدید که از ظرفیت قطع کننده فراتر می‌رود، عمل می‌کند.

استراتژی هماهنگی انتخابی

هماهنگی مناسب فیوز-قطع کننده، نیاز به تجزیه و تحلیل دقیق منحنی‌های زمان-جریان برای اطمینان از انتخاب‌پذیری دارد. حداقل زمان ذوب فیوز در حداکثر جریان خطای قطع کننده باید از کل زمان رفع قطع کننده (زمان قوس + زمان جداسازی کنتاکت) حداقل به نسبت 2:1 طبق دستورالعمل‌های IEEE 242 فراتر رود. این امر از “فیوزینگ مزاحم” جلوگیری می‌کند، جایی که فیوز قبل از اینکه قطع کننده فرصت رفع خطا را داشته باشد، عمل می‌کند.

مثال مطالعه هماهنگی برای BESS تجاری 600VDC:

• حفاظت در سطح رشته: MCCB مدل VIOX 50kA، فریم 125A، زمان رفع 10ms در 50kA
• حفاظت در سطح رک: فیوز HRC مدل 250A، درجه قطع 300kA، زمان ذوب 30ms در 50kA
• نسبت هماهنگی: 30ms / 10ms = 3:1 (از حداقل نیاز فراتر می‌رود)
• نتیجه: خطاهای زیر 50kA توسط MCCB بدون عملکرد فیوز رفع می‌شوند. خطاهای بالای 50kA توسط فیوز رفع می‌شوند و MCCB پس از قطع خطا، قطع اتصال را فراهم می‌کند.

این استراتژی به طور قابل توجهی هزینه‌های نگهداری را کاهش می‌دهد. خطاهای در سطح رشته توسط MCCB رفع می‌شوند، که طبق درجه Ics مدل 100% خود قابل سرویس باقی می‌ماند و نیازی به تعویض ندارد. فقط خطاهای فاجعه‌بار که از محاسبات طراحی فراتر می‌روند - یک اتفاق نادر در سیستم‌های مهندسی شده مناسب - منجر به عملکرد فیوز و زمان خرابی مرتبط با تعویض فیوز می‌شود.

برای مشخصات دقیق و راهنمایی‌های کاربردی در مورد فیوزهای با ظرفیت شکست فوق‌العاده بالا در سیستم‌های ذخیره باتری، به [لینک] مراجعه کنید. راهنمای کامل ما برای حفاظت فیوز HRC 300kA.

معماری حفاظت چند سطحی

BESS در مقیاس خدمات شهری به طور معمول سه سطح حفاظت را پیاده‌سازی می‌کند:

1. سطح سلول/ماژول: سیستم مدیریت باتری یکپارچه (BMS) با قطع اتصال الکترونیکی. برای قطع خطا طراحی نشده است - هشدار زودهنگام و خاموش شدن کنترل شده را فراهم می‌کند.
2. سطح رشته: MCCBهای 30kA یا 50kA که از هر رشته سری-موازی محافظت می‌کنند. این دستگاه‌ها 90% از تمام رویدادهای خطا از جمله خرابی‌های عایق، خطاهای اتصال دهنده و اتصال کوتاه جزئی را رفع می‌کنند.
3. سطح رک/کابینت: فیوزهای HRC مدل 250-400A با درجه 300kA+. حفاظت پشتیبان نهایی را فراهم می‌کنند و کل رک را در طول خطاهای چند رشته‌ای یا اتصال کوتاه خارجی در باس DC قطع می‌کنند.

این رویکرد لایه‌ای، مهار خطا را تضمین می‌کند، از انتشار خطا به تجهیزات مجاور جلوگیری می‌کند و در طول خرابی‌های تک نقطه‌ای، در دسترس بودن سیستم را حفظ می‌کند.

راه حل‌های قطع کننده DC مخصوص BESS شرکت VIOX

مزایای مهندسی محصولات دارای درجه BESS شرکت VIOX

شرکت VIOX Electric یک خط جامع از قطع کننده‌های مدار DC را توسعه داده است که به طور خاص برای نیازهای منحصر به فرد سیستم‌های ذخیره انرژی باتری مهندسی شده‌اند. برخلاف قطع کننده‌های AC تغییر کاربری داده شده یا دستگاه‌های حفاظت DC عمومی، محصولات دارای درجه BESS شرکت VIOX، چهار پیشرفت طراحی حیاتی را در خود جای داده‌اند:

1. درجه Ics مدل 100% (Ics = Icu): تمام قطع کننده‌های مدار BESS شرکت VIOX به ظرفیت شکست سرویس کامل برابر با ظرفیت شکست نهایی خود دست می‌یابند. یک قطع کننده 30kA شرکت VIOX پس از قطع مکرر خطاهای 30kA، عملکرد کامل خود را حفظ می‌کند. این امر مشکل “قهرمان تک شات” را از بین می‌برد، جایی که قطع کننده‌های صنعتی استاندارد با نسبت‌های Ics 25-50% پس از یک رویداد خطای بزرگ نیاز به تعویض دارند. در طول عمر 20 ساله BESS، این فلسفه طراحی هزینه‌های نگهداری را در مقایسه با MCCBهای استاندارد 40-60% کاهش می‌دهد.

2. خاموش کردن قوس دو طرفه: کاربردهای BESS شامل جریان دو طرفه است - تخلیه در طول اوج مصرف و برق پشتیبان، شارژ در طول دوره‌های غیر اوج مصرف و تولید خورشیدی. قطع کننده‌های DC استاندارد که از سیستم‌های دمیدن قوس مغناطیسی دائمی استفاده می‌کنند، قطبی هستند: آنها فقط در یک جهت جریان به درستی عمل می‌کنند. اگر جریان معکوس شود، میدان مغناطیسی با حرکت قوس به داخل محفظه تقسیم کننده مخالفت می‌کند و باعث رکود قوس و شکست خاموش شدن می‌شود. شرکت VIOX از سیستم‌های دمیدن قوس سیم پیچ الکترومغناطیسی با هندسه کانال قوس مستقل از قطبیت استفاده می‌کند و از قطع قابل اعتماد بدون توجه به جهت جریان اطمینان حاصل می‌کند. این برای BESS اجباری است و به طور صریح توسط بخش 46 استاندارد UL 1077 برای کاربردهای DC دو طرفه مورد نیاز است.

3. طراحی محفظه قوس پیشرفته: جریان‌های خطای باتری، انتشار انرژی پایداری را ارائه می‌دهند که به طور قابل توجهی از خطاهای AC تغذیه شده توسط ترانسفورماتور با بزرگی معادل فراتر می‌رود. قطع کننده‌های BESS شرکت VIOX محفظه‌های قوسی را با حجم 40% بیشتر در مقایسه با MCCBهای صنعتی استاندارد، صفحات دونده قوس گسترده ساخته شده از آلیاژ نقره-تنگستن (در مقابل مس استاندارد) و صفحات تقسیم کننده سرامیکی دو ردیفه که جرم حرارتی و عایق برتری را ارائه می‌دهند، در خود جای داده‌اند. این ویژگی‌ها تضمین می‌کنند که ولتاژ قوس به سرعت افزایش می‌یابد تا از ولتاژ ترمینال باتری فراتر رود و جریان قوس را به سمت صفر سوق دهد و خاموش شدن قابل اعتماد را در عرض 10-15 میلی ثانیه امکان پذیر کند.

4. پایداری حرارتی در جریان مداوم: کاربردهای BESS از بارهای معمولی موتور یا ترانسفورماتور صنعتی در مشخصات جریان مداوم خود متفاوت هستند. سیستم‌های باتری می‌توانند جریان تخلیه دارای درجه 100% را برای ساعت‌ها در طول رویدادهای طولانی مدت برق پشتیبان یا برنامه‌های پاسخگویی به تقاضا حفظ کنند. قطع کننده‌های BESS شرکت VIOX تحت آزمایش افزایش حرارتی طولانی مدت طبق بند 8.3.2 استاندارد IEC 60947-2 - 1000 ساعت در جریان نامی در دمای محیط 40 درجه سانتیگراد - قرار می‌گیرند و اطمینان حاصل می‌کنند که افزایش دمای ترمینال زیر 50K باقی می‌ماند و مقاومت تماس از 150% مقدار اولیه فراتر نمی‌رود. MCCBهای صنعتی استاندارد معمولاً برای چرخه‌های کاری متناوب درجه بندی می‌شوند و ممکن است تحت بارهای باتری پایدار، تخریب حرارتی را نشان دهند.

گواهینامه‌ها و انطباق

قطع کننده‌های مدار BESS شرکت VIOX با استانداردهای بین المللی حاکم بر دستگاه‌های حفاظت DC مطابقت دارند:

• کمیسیون مستقل انتخابات ۶۰۹۴۷-۲: تابلوی برق و کنترل ولتاژ پایین - قطع کننده‌های مدار. الزامات ساخت، محدودیت‌های افزایش دما، آزمایش‌های استقامت مکانیکی/الکتریکی و تأیید عملکرد اتصال کوتاه از جمله درجه بندی‌های Icu و Ics را پوشش می‌دهد.
• UL 1077: محافظ‌های تکمیلی برای استفاده در تجهیزات الکتریکی. برای قطع کننده‌های مدار مینیاتوری (MCB) در محدوده 1-63A قابل استفاده است. آزمایش ظرفیت قطع DC را در ولتاژ نامی با آزمایش دو طرفه اجباری برای ادعاهای قطع کننده غیر قطبی مشخص می‌کند.
• استاندارد UL 489: قطع کننده‌های مدار قاب دار، کلیدهای قاب دار و محفظه‌های قطع کننده مدار. MCCBهای بالای 63A را پوشش می‌دهد. شامل الزامات تحمل کالیبراسیون برای واحدهای تریپ حرارتی-مغناطیسی و آزمایش اتصال کوتاه در نسبت‌های X/R نماینده امپدانس باتری است.

آزمایش و صدور گواهینامه شخص ثالث تضمین می‌کند که محصولات VIOX الزامات ایمنی و عملکرد سختگیرانه لازم برای محافظت از دارایی‌های باتری چند میلیون دلاری و جلوگیری از سناریوهای خطای فاجعه‌بار را برآورده می‌کنند.

بهترین شیوه‌های نصب و ایمنی

کاهش درجه حرارت و ارتفاع

درجه بندی‌های قطع کننده مدار در شرایط آزمایش استاندارد مشخص شده‌اند: دمای محیط 40 درجه سانتیگراد و ارتفاع ≤2000 متر. تاسیسات BESS اغلب از این شرایط فراتر می‌روند، به ویژه در سیستم‌های کانتینری در فضای باز یا تاسیسات پشت بام. دمای محیط بالا، ظرفیت حمل جریان و عملکرد اتصال کوتاه در دسترس قطع کننده را کاهش می‌دهد، در حالی که ارتفاع زیاد، چگالی هوا و قابلیت خاموش کردن قوس را کاهش می‌دهد.

کاهش توان دما: برای هر 10 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای محیط 40 درجه سانتیگراد، درجه جریان مداوم قطع کننده را بسته به مشخصات سازنده 5-8% کاهش دهید. یک قطع کننده 125A که در یک کانتینر BESS نصب شده است و در دمای داخلی 60 درجه سانتیگراد کار می‌کند، باید به حداکثر جریان مداوم تقریباً 100-110A کاهش یابد.

کاهش توان ارتفاع: بالاتر از 2000 متر، ظرفیت شکست را به ازای هر 100 متر افزایش ارتفاع، 0.5% طبق ضمیمه B استاندارد IEC 60947-2 کاهش دهید. یک قطع کننده 50kA که در ارتفاع 3000 متری نصب شده است، ظرفیت شکست موثر تقریباً 45kA را فراهم می‌کند.

هنگام تعیین قطع کننده‌ها برای کاربردهای BESS، همیشه شرایط محیطی بدترین حالت را در نظر بگیرید. اندازه‌های فریم قطع کننده را با حاشیه جریان 20-30% و درجه بندی‌های ظرفیت شکست با حداقل حاشیه جریان خطای 1.5× پس از اعمال تمام عوامل کاهش درجه انتخاب کنید.

معماری حفاظت در سطح رشته در مقابل سطح رک در مقابل سطح سیستم

استراتژی حفاظت بهینه به توپولوژی BESS، بزرگی جریان‌های خطا و الزامات قابلیت اطمینان بستگی دارد:

حفاظت در سطح رشته: هر رشته سری-موازی دارای یک قطع کننده مدار اختصاصی در پایانه‌های مثبت و منفی خود است. این امر حداکثر جداسازی خطا را فراهم می‌کند - یک خطای تک رشته‌ای بر رشته‌های دیگر تأثیر نمی‌گذارد یا نیاز به خاموش شدن کامل سیستم ندارد. برای سیستم‌های بالای 100 کیلووات ساعت که هزینه تعویض رشته، هزینه اضافی قطع کننده را توجیه می‌کند، توصیه می‌شود.

حفاظت در سطح رک: چندین رشته در یک رک یا کابینت باتری، یک دستگاه حفاظت مشترک را در نقطه اتصال باس DC به اشتراک می‌گذارند. تعداد قطعات و هزینه نصب را کاهش می‌دهد، اما در طول خطاها نیاز به جداسازی کامل رک دارد. برای سیستم‌های کوچکتر (50-200 کیلووات ساعت) با ماژول‌های باتری منطبق و احتمال خطای کم مناسب است.

حفاظت در سطح سیستم: قطع کننده اصلی تکی که از کل BESS در اتصال اینورتر محافظت می‌کند. فقط برای سیستم‌های مسکونی کوچک (<20 کیلووات ساعت) که جریان خطا قابل مدیریت باقی می‌ماند و حساسیت هزینه سیستم بالا است، مناسب است. به دلیل عدم جداسازی خطا و زمان خرابی طولانی در طول سرویس دستگاه حفاظت، برای تاسیسات تجاری یا خدمات شهری توصیه نمی‌شود.

تیم‌های مهندسی VIOX حفاظت در سطح رشته با فیوزهای پشتیبان در سطح رک را برای تمام تاسیسات BESS تجاری و خدمات شهری با ظرفیت بالای 200 کیلووات ساعت توصیه می‌کنند.

الزام قطع کننده غیر قطبی برای کاربردهای دو طرفه

این نکته را نمی‌توان بیش از حد تأکید کرد: سیستم‌های باتری دو طرفه به قطع کننده‌های مدار غیر قطبی نیاز دارند. قطع کننده‌های DC استاندارد که برای بارهای یک طرفه (PV، درایوهای موتور DC) طراحی شده‌اند، سیستم‌های دمیدن مغناطیسی دائمی را در خود جای داده‌اند که برای جریان در یک جهت بهینه شده‌اند. هنگامی که این دستگاه‌ها در کاربردهای BESS نصب می‌شوند، در طول تخلیه باتری (جریان از ترمینال مثبت باتری به سمت بار) به درستی عمل می‌کنند، اما در طول شارژ (جریان به داخل ترمینال مثبت باتری) به طور فاجعه‌باری از کار می‌افتند.

مکانیسم خرابی ساده است: جهت میدان مغناطیسی دائمی به حرکت قوس به داخل محفظه تقسیم کننده در طول تخلیه کمک می‌کند، اما در طول شارژ با حرکت قوس مخالفت می‌کند. به جای اینکه به سمت بالا به داخل کانال‌های قوس دمیده شود، قوس در ناحیه تماس در طول خطاهای جهت شارژ راکد می‌شود. دمای قوس از ظرفیت حرارتی مواد تماس در عرض میلی ثانیه فراتر می‌رود و باعث جوش خوردن تماس یا نقض محفظه می‌شود.

قطع کننده‌های BESS شرکت VIOX از سیستم‌های دمیدن قوس سیم پیچ الکترومغناطیسی بدون آهنربای دائمی استفاده می‌کنند. سیم پیچ یک میدان مغناطیسی متناسب با بزرگی جریان خطا تولید می‌کند و به طور خودکار برای هدایت قوس به داخل محفظه تقسیم کننده بدون توجه به جهت جریان جهت گیری می‌کند. این امر 15-20% به هزینه تولید اضافه می‌کند، اما برای ایمنی BESS غیر قابل مذاکره است.

برنامه‌های آزمایش و نگهداری

پروتکل بازرسی و آزمایش زیر را برای دستگاه‌های حفاظت BESS پیاده‌سازی کنید:

بازرسی بصری ماهانه: وجود تغییر رنگ در اطراف پایانه‌های قطع کننده (نشان دهنده اتصالات شل و تنش حرارتی)، بررسی عدم وجود آسیب فیزیکی به محفظه یا سخت افزار نصب، تأیید اینکه قطع کننده بدون اطلاع اپراتور در موقعیت تریپ شده نیست.

بررسی ترموگرافی فصلی: با استفاده از یک دوربین مادون قرمز، دمای ترمینال‌ها را در طول عملکرد بار نامی اندازه‌گیری کنید. افزایش دما نسبت به دمای محیط نباید از 50 کلوین تجاوز کند. ترمینال‌هایی که افزایش دمای بیش از 70 کلوین را نشان می‌دهند، نشان‌دهنده اتصالات شل هستند که نیاز به بررسی فوری گشتاور و تعمیر دارند.

تست سالانه تریپ: با استفاده از دکمه تست بریکر یا یک دستگاه تست سیم‌پیچ تریپ خارجی، بررسی کنید که عملکرد تریپ مکانیکی به درستی کار می‌کند. این کار کالیبراسیون تریپ اضافه بار یا اتصال کوتاه را تست نمی‌کند، اما تأیید می‌کند که مکانیزم تریپ گیر نکرده یا آسیب ندیده است.

اندازه‌گیری دوسالانه مقاومت تماس: با جدا کردن و قفل کردن بریکر، مقاومت تماس را با استفاده از یک اهم‌متر دیجیتال با مقاومت پایین (DLRO) در جریان تست 100 آمپر DC مطابق با بند 8.3.2 استاندارد IEC 60947-2 اندازه‌گیری کنید. مقاومت تماس نباید از 150% مقدار منتشر شده توسط سازنده برای یک بریکر جدید تجاوز کند. افزایش مقاومت نشان‌دهنده فرسایش تماس و کاهش عملکرد اتصال کوتاه است.

تست کالیبراسیون پنج ساله: پس از پنج سال کارکرد یا پس از هرگونه قطع جریان خطا که از 50% مقدار Ics تجاوز کند، بریکر باید تحت تست کالیبراسیون کامل توسط یک آزمایشگاه تست واجد شرایط قرار گیرد. این شامل تأیید منحنی تریپ در مناطق اضافه بار، زمان کوتاه و لحظه‌ای، و همچنین مقاومت تماس، مقاومت عایق و تست استقامت مکانیکی است.

بریکرهایی که جریان‌های خطایی را قطع کرده‌اند که به مقدار Icu آنها نزدیک می‌شوند، باید بلافاصله بدون توجه به وضعیت ظاهری تعویض شوند. آسیب داخلی محفظه قوس به صورت خارجی قابل مشاهده نیست، اما می‌تواند قابلیت قطع جریان خطا در آینده را به خطر بیندازد.

سوالات متداول

س: تفاوت اصلی بین جریان اتصال کوتاه PV و BESS چیست؟

پاسخ: سیستم‌های PV خورشیدی منابع محدود کننده جریان هستند که جریان اتصال کوتاه (Isc) آنها معمولاً فقط 1.15 تا 1.25 برابر جریان نامی است که به دلیل فیزیک ذاتی سلول‌های فتوولتائیک است. سیستم‌های ذخیره انرژی باتری دارای مقاومت داخلی بسیار پایین (2-10 میلی‌اهم در هر سلول) هستند که جریان‌های خطا را 10 تا 50 برابر جریان نامی امکان‌پذیر می‌سازد. یک آرایه خورشیدی 10 کیلوواتی ممکن است حداکثر جریان خطای 3 کیلوآمپر تولید کند، در حالی که یک سیستم باتری 10 کیلووات ساعتی می‌تواند 20 کیلوآمپر یا بیشتر تحویل دهد. این تفاوت اساسی مستلزم آن است که قطع‌کننده‌های مدار DC برای BESS دارای ظرفیت قطع (Icu) 20 کیلوآمپر، 30 کیلوآمپر یا 50 کیلوآمپر باشند، در حالی که 6 کیلوآمپر یا 10 کیلوآمپر برای کاربردهای PV کافی است.

س: چرا نمی‌توانم از یک MCB استاندارد 10 کیلوآمپری در سیستم باتری خود استفاده کنم؟

پاسخ: یک قطع‌کننده مدار 10 کیلوآمپری برای قطع جریان‌های خطا تا 10000 آمپر در شرایط آزمایشگاهی طراحی و آزمایش شده است. سیستم‌های باتری به طور معمول جریان‌های خطای 20 کیلوآمپر تا 50 کیلوآمپر را به دلیل مقاومت داخلی پایین خود تولید می‌کنند. هنگامی که یک بریکر 10 کیلوآمپری تلاش می‌کند تا یک خطای 30 کیلوآمپری باتری را رفع کند، انرژی قوس از ظرفیت حرارتی محفظه قوس بریکر فراتر می‌رود و باعث رکود قوس، جوش خوردن کنتاکت‌ها و خرابی انفجاری بالقوه می‌شود. بریکر از نظر فیزیکی نمی‌تواند قوس را خاموش کند - خطا تا زمانی که حفاظت بالادستی عمل کند یا باتری به صورت دستی قطع شود، ادامه می‌یابد. این امر خطر آتش‌سوزی شدید و آسیب به تجهیزات را ایجاد می‌کند که فراتر از بریکر خراب شده گسترش می‌یابد.

س: Ics = 100% Icu به چه معناست و چرا مهم است؟

پاسخ: Icu (ظرفیت قطع نهایی) حداکثر جریان خطایی است که یک بریکر می‌تواند بدون انفجار قطع کند. Ics (ظرفیت قطع سرویس) سطح جریان خطایی است که در آن بریکر می‌تواند چندین خطا را قطع کند و به طور کامل قابل سرویس باقی بماند. بسیاری از بریکرهای استاندارد دارای Ics = 50% Icu هستند، به این معنی که یک بریکر 30 کیلوآمپری فقط می‌تواند به طور قابل اعتماد از پس خطاهای 15 کیلوآمپری به طور مکرر برآید. اگر یک خطای 25 کیلوآمپری را قطع کند، بریکر ممکن است موفق شود اما از داخل آسیب می‌بیند و نیاز به تعویض دارد. بریکرهای VIOX BESS به Ics = 100% Icu دست می‌یابند - یک بریکر 30 کیلوآمپری پس از قطع چندین باره خطاهای 30 کیلوآمپری، قابلیت سرویس کامل خود را حفظ می‌کند. این امر نیاز به تعویض اجباری پس از رویدادهای خطای بزرگ را از بین می‌برد و به طور قابل توجهی هزینه‌های چرخه عمر را در تاسیسات باتری کاهش می‌دهد، جایی که دستگاه‌های حفاظتی ممکن است در طول 20+ سال استرس مکرر را تجربه کنند.

س: چگونه ظرفیت قطع مورد نیاز برای BESS خود را محاسبه کنم؟

پاسخ: جریان اتصال کوتاه احتمالی را با استفاده از فرمول زیر محاسبه کنید: Isc = Vmax / (k × Rbatt/Np + Rconn)، که در آن Vmax حداکثر ولتاژ شارژ، Rbatt مقاومت داخلی تک رشته، Np تعداد رشته‌های موازی، Rconn مقاومت باس‌بار/اتصال (به طور معمول 15-40 میلی‌اهم) و k ضریب کاهش دما (از 0.7 برای عملکرد گرم استفاده کنید) است. نتیجه را در 2.2 ضرب کنید تا جریان پیک نامتقارن در طول شروع خطا در نظر گرفته شود. مقدار Icu بریکر باید حداقل 1.25 برابر ضریب ایمنی از این مقدار پیک بیشتر باشد. برای یک سیستم 400 ولت، 200 کیلووات ساعتی با 8 رشته موازی و مقاومت رشته 250 میلی‌اهم: Isc(peak) = 2.2 × [456V / (0.7×31.25mΩ + 25mΩ)] = 21.4kA. بریکر مورد نیاز: 21.4kA × 1.25 = حداقل 26.75kA، دستگاه دارای رتبه 30kA را مشخص کنید.

س: چه زمانی باید از MCCB به جای MCB در ذخیره باتری استفاده کنم؟

پاسخ: از MCCBها (قطع‌کننده‌های مدار با قاب قالب‌گیری شده) برای هر کاربرد BESS که در آن جریان خطای احتمالی از 15 کیلوآمپر فراتر رود یا ولتاژ سیستم از 600 ولت DC فراتر رود، استفاده کنید. MCBها (قطع‌کننده‌های مدار مینیاتوری) طبق استاندارد IEC 60898-1 تقریباً به اندازه‌های قاب 63 آمپر و حداکثر ظرفیت قطع 20 کیلوآمپر محدود می‌شوند. آنها برای سیستم‌های باتری مسکونی زیر 20 کیلووات ساعت در 48 ولت یا 100 ولت مناسب هستند. تاسیسات تجاری و در مقیاس خدمات شهری به دلیل جریان‌های خطای بالاتر، اندازه‌های قاب بزرگتر (125 آمپر - 2500 آمپر) و ویژگی‌های اضافی از جمله تنظیمات تریپ قابل تنظیم، کنتاکت‌های کمکی و قابلیت تریپ شنت به MCCB نیاز دارند. MCCBها همچنین حجم محفظه قوس و نیروی تماس برتر را برای قطع مطمئن انتشار انرژی پایدار مشخصه خطاهای بانک باتری بزرگ فراهم می‌کنند. هرگز از MCBهای مسکونی در BESS تجاری صرف نظر از مطابقت رتبه جریان استفاده نکنید - ظرفیت قطع اساساً ناکافی است.

س: آیا علاوه بر قطع‌کننده‌های مدار به فیوز نیز برای BESSهای بزرگ نیاز دارم؟

پاسخ: بله، برای تاسیسات BESS در مقیاس خدمات شهری و تجاری بزرگ که در آن جریان‌های خطای احتمالی از 50 کیلوآمپر فراتر می‌رود. حفاظت هماهنگ را پیاده‌سازی کنید: MCCBهای سطح رشته با رتبه 30 کیلوآمپر یا 50 کیلوآمپر که توسط فیوزهای HRC سطح رک با رتبه 300 کیلوآمپر یا بالاتر پشتیبانی می‌شوند. MCCB اضافه بارهای معمول و خطاهای متوسط ​​را تا رتبه Ics خود بدون نیاز به تعویض مدیریت می‌کند. فیوز حفاظت پشتیبان نهایی را در شرایط خطای شدید که از ظرفیت بریکر فراتر می‌رود، فراهم می‌کند. هماهنگی مناسب منحنی زمان-جریان تضمین می‌کند که بریکر ابتدا برای خطاهای در محدوده رتبه خود عمل می‌کند، در حالی که فیوز فقط برای رویدادهای فاجعه‌بار عمل می‌کند. این استراتژی هزینه‌های نگهداری را کاهش می‌دهد (فیوزها به ندرت عمل می‌کنند) در حالی که حفاظت جامع را در کل محدوده جریان خطا تضمین می‌کند. برای سیستم‌های زیر 50 کیلوآمپر جریان خطای احتمالی، MCCBهای دارای رتبه مناسب به تنهایی کافی هستند - افزودن فیوزها هزینه را بدون مزیت ایمنی افزایش می‌دهد.

نتيجه گيری

پذیرش گسترده سیستم‌های ذخیره انرژی باتری یک چالش حفاظتی حیاتی را معرفی کرده است که مهندسان باید با فناوری مناسب به آن رسیدگی کنند: قطع‌کننده‌های مدار DC استاندارد که برای کاربردهای PV خورشیدی طراحی شده‌اند، هنگام استفاده در تاسیسات BESS به طور فاجعه‌باری از کار می‌افتند. تفاوت اساسی در ویژگی‌های جریان خطا نهفته است - پنل‌های خورشیدی جریان‌های اتصال کوتاه را ارائه می‌دهند که تقریباً به 1.25 برابر جریان نامی محدود می‌شوند، در حالی که بانک‌های باتری با مقاومت داخلی در سطح میلی‌اهم جریان‌های خطا را 10 تا 50 برابر جریان نامی تولید می‌کنند.

حفاظت مناسب BESS به قطع‌کننده‌های مدار با ظرفیت قطع (Icu) 20 کیلوآمپر، 30 کیلوآمپر یا 50 کیلوآمپر بسته به اندازه سیستم، ولتاژ و پیکربندی موازی نیاز دارد. به همان اندازه مهم، رتبه ظرفیت قطع سرویس (Ics) است که تعیین می‌کند آیا بریکر پس از قطع خطاهای بزرگ عملکرد خود را حفظ می‌کند یا خیر. قطع‌کننده‌های مدار دارای رتبه VIOX BESS به Ics = 100% Icu دست می‌یابند و نیاز به تعویض اجباری را که در بریکرهای صنعتی استاندارد پس از رویدادهای خطا رایج است، از بین می‌برند.

کوچک کردن قطع‌کننده‌های مدار در سیستم‌های ذخیره باتری موضوع کاهش قابلیت اطمینان یا افزایش هزینه‌های نگهداری نیست - بلکه خطرات آتش‌سوزی فوری و حالت‌های خرابی فاجعه‌بار ایجاد می‌کند. یک بریکر 10 کیلوآمپری که تلاش می‌کند یک خطای 30 کیلوآمپری باتری را رفع کند، نمی‌تواند قوس را خاموش کند. نتیجه تحویل جریان خطای پایدار، تخریب حرارتی تجهیزات مجاور و انتشار فرار حرارتی بالقوه در سراسر رک‌های باتری است.

مهندسانی که حفاظت BESS را مشخص می‌کنند باید محاسبات دقیق جریان خطا را با در نظر گرفتن شیمی باتری، مقاومت داخلی، پیکربندی موازی، مقاومت اتصال و اثرات دما انجام دهند. بریکرها را با حداقل 1.25 برابر حاشیه ایمنی بالاتر از جریان خطای پیک محاسبه شده پس از اعمال تمام عوامل کاهش رتبه انتخاب کنید. برای تاسیسات تجاری و خدمات شهری، حفاظت MCCB سطح رشته را که توسط فیوزهای HRC سطح رک پشتیبانی می‌شود، پیاده‌سازی کنید تا حفاظت جامع در کل محدوده جریان خطا تضمین شود.

VIOX Electric راه حل‌های حفاظتی کامل BESS را با پشتیبانی مهندسی برای تجزیه و تحلیل جریان خطا، انتخاب بریکر و مطالعات هماهنگی ارائه می‌دهد. محصولات دارای رتبه BESS ما با استانداردهای IEC 60947-2، UL 1077 و UL 489 مطابقت دارند و ظرفیت قطع بالا، خاموش کردن قوس دو طرفه و پایداری حرارتی ضروری برای حفاظت قابل اعتماد سیستم باتری را فراهم می‌کنند.

برای مشاوره رایگان در مورد طراحی سیستم حفاظت BESS امروز با VIOX Engineering تماس بگیرید و اطمینان حاصل کنید که نصب ذخیره باتری شما به ایمنی و قابلیت اطمینانی که سرمایه گذاری شما نیاز دارد، دست می‌یابد.