はじめに
バッテリーエネルギー貯蔵システム（BESS）の急速な普及は、多くのエンジニアが手遅れになって初めて気づく重大な安全上の課題を生み出しています。それは、太陽光発電アプリケーション向けに設計された標準的なDCサーキットブレーカーが、バッテリー貯蔵システムの保護において壊滅的な故障を起こすということです。この故障は、製造不良や品質の問題ではなく、ブレーカーの設計仕様と、リチウムイオンバッテリーバンクに固有の極端な故障電流特性との根本的なミスマッチによるものです。.
根本的な原因は単純ですが、しばしば誤解されています。太陽光発電システムは、通常、定格動作電流の約1.25倍に制限された短絡電流を生成します（Isc ≈ 1.25 × Ioc）。定格6kAまたは10kAの標準的なDCサーキットブレーカーは、これらの故障レベルを容易に処理できます。対照的に、内部抵抗の低いバッテリーセルを搭載したBESS設備は、短絡イベントの発生からミリ秒以内に、定格電流の10〜50倍の故障電流を供給する可能性があります。10kA定格のブレーカーが30kAのバッテリー故障を遮断しようとすると、アーク消弧の失敗、ハウジングの破壊、および火災の可能性という予測可能な結果になります。.
本稿では、高い遮断容量定格、特に20kA、30kA、および50kAのIcu（究極遮断容量）が、オプションの仕様ではなく、BESS保護のための必須の安全要件である理由について検証します。PVとバッテリーの故障特性の技術的な違いを分析し、IcuとIcs定格の重要な区別を説明し、適切に定格された保護デバイスを選択するためのエンジニアリングガイダンスを提供します。.
PVとBESSの短絡における根本的な違い
太陽光発電：電流制限された故障特性
太陽光発電モジュールは、その固有の物理的特性により、故障状態において電流制限された電源として動作します。PVストリングが短絡を起こした場合、利用可能な最大故障電流は、パネルの短絡電流定格（Isc）によって制限されます。これは通常、最大電力点電流（Imp）をわずか15〜25％上回ります。この関係は、モジュールのI-V特性曲線によって定義され、適切なストリングヒューズが実装されていると仮定すると、並列ストリングの数に関係なく比較的一定です。.
たとえば、Imp = 10Aで定格された400Wの単結晶パネルは、通常、Isc = 11-12Aになります。複数のコンバイナーボックスを備えた大規模なソーラーファームでも、特定のブレーカー位置での予想される故障電流が6kAを超えることはまれであり、より一般的には3kA未満にとどまります。これが、6kAまたは10kAで定格されたIEC 60947-2準拠のMCBが、数十年にわたる太陽光発電設備で適切であることが証明されている理由です。PVシステムの故障電流は予測可能で、計算可能であり、標準的な住宅用および商業用グレードの回路保護の遮断容量内に収まります。.
BESS：無制限の故障電流能力
バッテリーエネルギー貯蔵システムは、完全に異なる電気化学的原理に基づいて動作します。リチウムイオン、リン酸鉄リチウム（LFP）、およびその他の最新のバッテリー化学物質は、ミリオーム（mΩ）単位で測定される内部抵抗を示します。これは通常、化学物質、充電状態、および温度に応じて、セルあたり2〜10mΩです。システムの電圧と容量の目標を達成するために、複数のセルが直並列構成で構成されている場合、バッテリーバンクの総内部抵抗は非常に低くなります。.
実用的な例を考えてみましょう。各セルが5mΩの内部抵抗を持つ16個のセルを直列（16S）に構成した48V 200Ahのリチウムバッテリーバンクは、約80mΩ（0.080Ω）の総バンク抵抗になります。ボルトで固定された短絡故障の場合、オームの法則は予想される故障電流を規定します：Isc = V / R = 48V ÷ 0.080Ω = 600A。ただし、この計算は、2つの重要な理由から、現実を大幅に過小評価しています。.
まず、計算ではバッテリーパックの内部抵抗のみを想定しています。実際の故障シナリオでは、故障経路内のバスバー、端子、およびワイヤ接続の抵抗は、合計でわずか5〜20mΩの追加抵抗になる可能性があります。次に、さらに重要なこととして、最新のBESS設備では、より高い容量を達成するために並列バッテリーラックが頻繁に使用されます。4つの並列48V 200Ahラックを使用すると、有効内部抵抗は20mΩに低下し、予想される故障電流は2,400Aになります。ただし、これは依然として問題を過小評価しています。.
エンジニアが見落としがちな重要な要素は、DC故障開始の最初の半サイクル中の非対称ピーク電流です。. DCシステムに自然な電流ゼロ交差がないことと、バッテリーの相互接続に存在するインダクタンスにより、瞬時ピーク故障電流は、定常状態の計算値の2.0〜2.5倍に達する可能性があります。2,400Aの定常状態の例では、ピーク故障電流が5,000〜6,000Aに急上昇する可能性があります。数百の並列バッテリーモジュールを備えたユーティリティスケールのBESS設備では、予想される故障電流は日常的に30kAを超え、一部の文書化されたケースでは50kA以上に達しています。.
BESSシステムのアーキテクチャと故障電流経路の詳細については、以下を参照してください。 バッテリーエネルギー貯蔵システムの包括的なガイド.
比較表：PVとBESSの故障特性
| パラメータ | 太陽光発電システム | バッテリーエネルギー貯蔵システム |
|---|---|---|
| ソースインピーダンス | 高い（セル物理学によって電流制限される） | 非常に低い（セルあたり2〜10mΩ） |
| 一般的なIsc/Irated比 | 1.15 – 1.25× | 10 – 50× |
| 故障電流立ち上がり時間 | 10-50ms（コンデンサ放電が支配的） | <1ms（直接的な電気化学的放電） |
| 予想される故障電流（住宅用） | 0.5 – 3kA | 5 – 20kA |
| 予想される故障電流（商業用） | 2 – 6kA | 20 – 35kA |
| 予想される故障電流（ユーティリティスケール） | 5 – 10kA | 30 – 50kA+ |
| ピーク非対称電流係数 | 1.3 – 1.5× | 2.0 – 2.5× |
| 標準的なブレーカー定格（適切） | 6kA – 10kA | 20kA – 50kA |
| アーク消弧の難易度 | 中程度（自然な電流制限） | 極端（持続的なエネルギー供給） |
この根本的な違いは、10kWの太陽光発電アレイを正常に保護するサーキットブレーカーが、同様の電力定格の10kWhバッテリーシステムに設置すると激しく故障する理由を説明しています。故障電流特性は比較可能ではありません。それらは完全に異なる桁数で存在します。.
IcuとIcsの理解：BESSにおいて両方が重要な理由
究極遮断容量（Icu）の定義
定格究極短絡遮断容量は、IEC 60947-2ではIcu、小型サーキットブレーカーの場合はIEC 60898-1ではIcnと指定され、サーキットブレーカーがデバイスの壊滅的な破壊なしに、実験室のテスト条件下で正常に遮断できる最大予想故障電流を表します。IEC 60947-2の8.3.5項で定義されているテスト手順では、ブレーカーに特定のシーケンスが適用されます：O（開動作）– 3分 – CO（閉開動作）。ブレーカーが爆発、火災、または接点溶着なしにテスト電流を正常に遮断した場合、Icu定格を満たします。.
重要なことに、Icuテストに合格しても、ブレーカーがその後も機能することを保証するものではありません。. IEC規格では、故障が安全に解消されることを条件として、ブレーカーの内部コンポーネントの損傷、接点の腐食、およびアークシュートの劣化が明示的に許可されています。Icuレベルの故障遮断後、ブレーカーを検査し、多くの場合交換する必要があります。保護デバイスが20年のシステム寿命にわたって複数の故障イベントを経験する可能性があるBESSアプリケーションでは、Icu定格のみに依存すると、危険なメンテナンスの負担と潜在的な安全上のギャップが生じます。.
使用遮断容量（Ics）の定義
定格使用短絡遮断容量（Ics）は、サーキットブレーカーが複数の遮断動作を実行でき、完全に使用可能な状態を維持できる故障電流レベルを表します。つまり、劣化なしに定格電流で継続して動作できます。IEC 60947-2の8.3.6項では、Icsテストシーケンスを指定しています：O – 3分 – CO – 3分 – CO。Ics電流レベルで3回の故障遮断が成功した後、ブレーカーは熱上昇、トリップ特性、および機械的耐久性テストに合格して、仕様内にとどまっていることを確認する必要があります。.
Icsは、Icuのパーセンテージとして表されます：25％、50％、75％、または100％。. 住宅用および軽商業用MCB（IEC 60898-1、クラスB）の場合、IcsはIcnの少なくとも50％、75％、または100％である必要があります。産業用MCCBおよび特殊なBESS保護デバイス（IEC 60947-2）の場合、Icsはメーカーの設計と意図されたアプリケーションに応じて、Icuの25％から100％の範囲です。.
BESS固有の高いIcsの重要性
バッテリー貯蔵システムでは、Ics定格は2つの運用上の理由からIcuよりも重要です。まず、BESS設備は、充電中の突入電流、ピークシェービング動作中の放電過渡現象、および熱暴走、絶縁破壊、またはメンテナンスエラーによる潜在的な故障イベントを含む反復的なストレスサイクルを経験します。50kA Icuで定格されているが、25kA Ics（50％の比率）のみで定格されているブレーカーは、35kAの故障を1回正常に解消する可能性がありますが、すぐに交換が必要になり、システムのダウンタイムとライフサイクルコストが増加します。.
次に、BESS環境でのブレーカー故障の結果は、PVアプリケーションよりもはるかに深刻です。バッテリーシステムは、瞬時に放出できる大量のエネルギーを蓄積します。故障したブレーカーは、利用可能な故障エネルギーが100 cal/cm²を超えるアークフラッシュインシデントを引き起こし、標準的なアーク定格PPEの保護定格をはるかに超えています。アーク温度は35,000°F（19,400°C）に達する可能性があり、銅製バスバーを蒸発させ、周囲の材料に点火するのに十分です。屋外のコンテナ化されたBESS設備では、1つのブレーカーの故障が、熱放射と空気中の銅プラズマを介して隣接するラックに伝播する可能性があります。.
VIOXエンジニアリングの利点： VIOX BESS定格DCサーキットブレーカーは、20kA、30kA、および50kAの製品ライン全体でIcs = 100％ Icuを備えています。これは、VIOX 30kAブレーカーが30kAの故障を遮断した後も完全な保守性を維持することを意味します。劣化、必須の交換、その後の故障イベント中のリスクの増加はありません。この設計思想は、高いIcu定格が不十分なIcs性能を隠蔽する標準的な産業用MCBで一般的な「ワンショットヒーロー」の問題を排除します。.
回路ブレーカーの定格とその故障保護への影響に関する詳細な技術分析については、以下を参照してください。 Icu、Ics、Icw、およびIcm定格の理解に関するガイド.
比較表：標準的なBESSブレーカーと高性能BESSブレーカー
| ブレーカータイプ | Icu定格 | Ics 定格遮断容量 | Ics/Icu 比 | 事故後の耐用年数 | 推奨用途 |
|---|---|---|---|---|---|
| 標準的な住宅用 MCB | 6kA | 3kA | 50% | 3kA の事故後交換 | 住宅用 AC 負荷のみ |
| 標準的な商業用 MCB | 10kA | 5kA | 50% | 5kA の事故後交換 | 軽商業用 AC/DC |
| 産業用 MCCB (ローティア) | 50kA | 12.5kA | 25% | 12.5kA の事故後交換 | 重要度の低い配電 |
| 産業用 MCCB (ミッドティア) | 50kA | 25kA | 50% | 25kA の事故後交換 | 標準的な産業用フィーダー |
| VIOX BESS 定格 MCB | 20kA | 20kA | 100% | 交換不要 | 住宅用 ESS (5-20kWh) |
| VIOX BESS 定格 MCCB | 30kA | 30kA | 100% | 交換不要 | 商業用 BESS (50-500kWh) |
| VIOX BESS 定格 MCCB | 50kA | 50kA | 100% | 交換不要 | ユーティリティスケール BESS (1MWh+) |
BESS アプリケーションで 6kA/10kA ブレーカーが故障する理由
アーク消弧の故障メカニズム
回路ブレーカーの接点が負荷状態で分離すると、固定接点と可動接点の間に電気アークが形成されます。AC システムでは、アークは 1 秒あたり 100 回または 120 回 (50Hz または 60Hz) 発生する電流ゼロクロスで自然に消弧し、ブレーカーのアークシュートにアーク経路を冷却および脱イオン化する時間を与えます。DC システムにはこの自然な電流ゼロクロスがないため、ブレーカーはアークシュートの設計、磁気ブローアウトコイル、および急速な接点分離距離を通じてアークを強制的に消弧する必要があります。.
6kA または 10kA 定格の MCB には、定格値までの故障電流を処理するように寸法決めおよび最適化されたアークシュートが含まれています。バッテリーバンクからの 20kA または 30kA の故障にさらされると、3 つの故障メカニズムが同時に発生します。
- 熱過負荷: アークエネルギー (E = V × I × t) がアークシュートの放熱能力を超えます。アークプラズマ温度は 20,000°C を超えて上昇し、最初の 10 ～ 20 ミリ秒以内にアークスプリッタープレートとチャンバー壁を溶かします。.
- 磁気飽和: アークを上向きにスプリッタープレートに押し込むように設計されたブレーカーの磁気ブローアウトシステムは、故障電流が設計制限を 2 ～ 3 倍超えると飽和します。アークは消弧室に移動する代わりに、接点領域で停滞します。.
- 接点溶着: ブレーカーの定格を超える故障電流では、開極ストローク中の接点間の電磁力が数千ニュートンに達することがあります。作動機構のばね力がこの磁気引力を十分に速く克服できない場合、接点が溶着します。ブレーカーは閉じたままになり、上流の保護が作動するか、バッテリーバンクが手動で切断されるまで、連続的な故障電流を供給します。.
ケーススタディ: 10kA ブレーカー対 30kA BESS 故障
商業用 BESS の設置を検討してください: 100kWh のリン酸鉄リチウム (LFP) バッテリーシステム、公称 400VDC、100S セル (セルあたり公称 3.2V) の 4 つの並列ストリングとして構成されています。各ストリングは 100Ah の容量を提供し、セルあたり 3mΩ の内部抵抗があり、合計ストリング抵抗は 300mΩ、4 並列構成では 75mΩ になります。バスバー、接続、および配線に 25mΩ を追加します。合計故障経路抵抗は 100mΩ (0.1Ω) になります。.
予想される故障電流の計算:
- 定常状態 Isc = 400V ÷ 0.1Ω = 4,000A
- ピーク非対称電流 (2.2 倍) = 8,800A ≈ 8.8kA
この計算を確認するエンジニアは、10kA 定格の MCB が 13% の安全マージンで適切な保護を提供すると結論付けるかもしれません。これは重大な誤りです。この計算では、すべての抵抗が故障中に一定のままであると想定しています。実際には、バッテリーの内部抵抗は、放電中にセル温度が上昇するにつれて低下します。高温 (45 ～ 60°C) では、セル抵抗は 20 ～ 30% 低下します。故障経路のバスバーと接続も加熱されますが、バッテリーインピーダンスの低下と比較して、抵抗の増加はごくわずかです。.
50°C のバッテリー温度での修正された故障電流:
- 低減されたセル抵抗: 2.1mΩ × 100S = ストリングあたり 210mΩ
- 4 並列: 52.5mΩ + 25mΩ (接続) = 77.5mΩ
- 定常状態 Isc = 400V ÷ 0.0775Ω = 5,161A
- ピーク非対称電流 = 11.4kA
10kA ブレーカーは、定格 Icu を 14% 超えて動作しています。さらに重要なことに、ブレーカーの Ics が Icu の 50% (住宅用 MCB の場合、通常は 5kA) である場合、この故障はサービス定格を 2.3 倍超えています。予想される結果: 深刻な内部損傷を伴う故障の正常な遮断、必須のブレーカー交換、およびスペアパーツの入手可能性に応じて数時間または数日に及ぶシステムのダウンタイム。.
ブレーカーの交換前に 2 回目の故障が発生した場合 (独立した故障確率を持つマルチラック BESS 設置では完全にあり得るシナリオ)、劣化したブレーカーは遮断に失敗し、壊滅的な火災が発生します。.
一般的な BESS 構成に必要なブレーカー定格
| BESS 構成 | システム電圧 | 容量 | 標準的な内部抵抗 | 予想される Isc (ピーク) | 必要な最小 Icu | 推奨 Icu | 推奨ブレーカータイプ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 住宅用 ESS (シングルバッテリー) | 48VDC | 5-10kWh | 80-100mΩ | 1,200A | 10kA | 20kA | DC MCB (2P) |
| 住宅用 ESS (並列) | 48VDC | 10-20kWh | 40-60mΩ | 2,400A | 15kA | 20kA | DC MCB (2P) |
| 商業用 BESS (小型) | 400VDC | 50～100kWh | 50～80mΩ | 12kA | 20kA | 30kA | DC MCCB (2P) |
| 業務用BESS（中規模） | 600VDC | 100～500kWh | 30～60mΩ | 24kA | 30kA | 50kA | DC MCCB (2P) |
| 電力系統用BESS（ラックレベル） | 800VDC | 500kWh～1MWh | 20～40mΩ | 35kA | 50kA | 50kA + HRCヒューズ | 直列ヒューズ付きDC MCCB (2P) |
| 電力系統用BESS（ストリングレベル） | 1000VDC | 1～5MWh | 15～30mΩ | 50kA+ | 65kA | 65kA + 300kAヒューズ | DC MCCB + HRCヒューズ協調 |
エンジニアリングノート： 最小Icuは、IEC 60947-2ガイドラインに従い、1.5倍の安全率で計算された必要条件を表します。推奨Icuには、温度ディレーティング、経年劣化の影響、および将来のシステム拡張のための追加マージンが含まれています。予想される短絡電流が定格Icuの80%を超えるブレーカーは決して指定しないでください。.
BESSに適したDCブレーカーの選択：20kA/30kA/50kAの決定
予想短絡電流の計算
正確な短絡電流の計算は、適切なブレーカー選択の基礎です。エンジニアは、次の5つの主要なパラメータを考慮する必要があります。
- システム電圧（V）： 公称電圧ではなく、最大充電電圧を使用してください。48V公称システム（16Sリチウム）の場合、最大充電電圧は57.6V（セルあたり3.6V）です。この20%の増加は、短絡電流が20%高くなることに直接つながります。.
- バッテリー内部抵抗（Rbatt）： バッテリーメーカーのデータシートから入手してください。通常、充電状態（SoC）50%および25°Cで指定されています。大型角形セルの場合、抵抗は0.5mΩ（プレミアム自動車グレード）から3mΩ（標準定置型ストレージ）の範囲です。円筒形セル（18650、21700）は、より高い抵抗を示します：セルあたり15〜40mΩ。.
- 並列ストリング数（Np）： 並列構成は、総抵抗を分割します。4つの並列ストリングは、有効抵抗を単一ストリング値の25%に低減します：Reff = Rsingle / Np。.
- 接続抵抗（Rconn）： バスバー、端子、およびケーブルは、システム設計に応じて15〜40mΩ寄与します。>200 in-lbのトルクを持つ高品質のボルト締めバスバー接続は、15〜20mΩを実現します。配電端子の圧着ケーブルラグは、30〜40mΩに達する可能性があります。.
- 温度ディレーティング係数（k）： バッテリー抵抗は温度とともに低下します。最悪の場合の高温動作（50〜60°Cのバッテリー温度）には、k = 0.7を使用してください。.
完全な短絡電流の式：
Isc(steady) = Vmax / [k × (Rbatt/Np + Rconn)]
Isc(peak) = 2.2 × Isc(steady)
計算例：
- システム：400VDC、200kWh、LFP化学
- 構成：8並列ストリング、ストリングあたり125S
- セルデータ：3.2V公称、3.65V最大、25°Cで2mΩの内部抵抗
- 最大電圧：125S × 3.65V = 456V
- 単一ストリング抵抗：125 × 2mΩ = 250mΩ
- 並列抵抗：250mΩ / 8 = 31.25mΩ
- 接続抵抗：25mΩ（測定）
- 合計低温抵抗：56.25mΩ
- 高温抵抗（k=0.7）：0.7 × 31.25mΩ + 25mΩ = 46.9mΩ
- 定常状態Isc：456V / 0.0469Ω = 9,723A
- ピークIsc：2.2 × 9,723A = 21.4kA
必要なブレーカー：最小Icu = 21.4kA × 1.25安全率 = 26.75kA。30kA定格のMCCBを指定します。.
アプリケーションに基づく選択ガイドライン
小型住宅用ESS（5〜20kWh）： この範囲のシステムは通常、5kA〜15kAピークの予想短絡電流を持つ48Vバッテリーパックを使用します。適切に定格された20kA DC MCBは、組み込みの安全マージンを備えた適切な保護を提供します。VIOX VX-DC20シリーズMCB（20kA Icu、20kA Ics、1〜63Aフレームサイズ）は、双方向アーク消弧およびUL 1077認証を取得して、このアプリケーション向けに特別に設計されています。.
業務用BESS（50〜500kWh）： 中規模システムは、400〜800VDCで動作し、短絡電流は20〜35kAに達します。このカテゴリでは、MCCB保護が必要です。標準のMCBには、これらのエネルギーレベルで信頼性の高い遮断に必要な接点力とアークシュートボリュームがありません。特定の短絡計算に応じて、30kAまたは50kA定格のMCCBを指定します。定格電流が一致する場合でも、商用バッテリー設備で住宅グレードのMCBを絶対に使用しないでください。遮断容量が根本的に不十分です。.
ユーティリティスケールBESS（1MWh以上）： 数百の並列バッテリーモジュールを備えた大規模な設備では、予想される短絡電流が50kAを超えます。これらのエネルギーレベルでは、MCCB保護だけでは不十分な場合があります。カスケード保護戦略を実装します。ラック/キャビネットレベルで300kA以上の定格のHRCヒューズでバックアップされたストリングレベルのMCCB（50kA）。このアプローチについては、次のセクションで詳しく説明します。.
バッテリーストレージアプリケーションにおけるモールドケース回路ブレーカーの包括的な技術仕様と選択ガイダンスについては、以下を参照してください。 詳細なMCCBガイド.
超高容量BESSにおけるヒューズの役割
回路ブレーカーだけでは不十分な場合
ユーティリティスケールのBESS設備や、予想される短絡電流が50kAを超える大規模商用システムでは、遮断器のみに頼ると2つのリスクが生じます。第一に、最高級の50kA定格のMCCBであっても、設計上の最大能力に近い状態で動作しており、計算ミス、極端な温度、またはシステム変更に対する安全マージンが最小限しか残りません。第二に、65kA以上の定格を持つMCCBのコストと物理的なサイズは、数十個のデバイスが必要となるストリングレベルの保護には法外なものになります。.
解決策は、協調的なヒューズ-遮断器保護です。300kAまたは400kA定格の高遮断容量（HRC）ヒューズは、ラックまたはキャビネットレベルで究極のバックアップ保護を提供し、30kAまたは50kAのMCCBは個々のストリングまたはモジュールを保護します。これにより、MCCBがそのIcs定格までの適度な過負荷および短絡を遮断し、ヒューズは遮断器の容量を超える極端な短絡状態でのみ動作する選択遮断方式が構築されます。.
選択遮断戦略
適切なヒューズ-遮断器協調には、選択性を確保するための時間-電流特性曲線の慎重な分析が必要です。遮断器の最大短絡電流におけるヒューズの最小溶断時間は、IEEE 242ガイドラインに従い、遮断器の全遮断時間（アーク時間+接点分離時間）よりも最低2:1の比率で超過する必要があります。これにより、遮断器が短絡を遮断する前にヒューズが動作する「誤動作」を防ぎます。.
600VDC商用BESSの協調検討例：
- ストリングレベル保護：VIOX 50kA MCCB、125Aフレーム、50kAで10msの遮断時間
- ラックレベル保護：250A HRCヒューズ、300kA遮断定格、50kAで30msの溶断時間
- 協調比：30ms / 10ms = 3:1（最小要件を超える）
- 結果：50kA未満の短絡は、ヒューズの動作なしにMCCBによって遮断されます。50kAを超える短絡は、ヒューズによって遮断され、MCCBは短絡が遮断された後に遮断を提供します。.
この戦略は、メンテナンスコストを大幅に削減します。ストリングレベルの短絡はMCCBによって遮断され、MCCBはその100% Ics定格に従って引き続き使用可能であり、交換は不要です。設計計算を超える壊滅的な短絡（適切に設計されたシステムではまれな発生）のみが、ヒューズの動作とヒューズ交換のための関連するダウンタイムをもたらします。.
バッテリーストレージシステムにおける超高遮断容量ヒューズの詳細な仕様とアプリケーションガイダンスについては、以下を参照してください。 300kA HRCヒューズ保護に関する完全ガイド.
多層保護アーキテクチャ
ユーティリティスケールのBESSは、通常、3つの保護レベルを実装します。
- セル/モジュールレベル： 電子遮断機能を備えた統合バッテリー管理システム（BMS）。短絡遮断用には設計されていません。早期警告と制御されたシャットダウンを提供します。.
- ストリングレベル： 各直並列ストリングを保護する30kAまたは50kAのMCCB。これらのデバイスは、絶縁不良、コネクタ短絡、および部分的な短絡を含む、すべての短絡イベントの90%を遮断します。.
- ラック/キャビネットレベル： 300kA+定格の250-400A HRCヒューズ。究極のバックアップ保護を提供し、多重ストリング短絡またはDCバス上の外部短絡時にラック全体を遮断します。.
この階層化されたアプローチにより、短絡の封じ込めが保証され、隣接する機器への短絡の伝播が防止され、単一点故障時のシステムの可用性が維持されます。.
VIOXのBESS専用DC遮断器ソリューション
VIOX BESS定格製品のエンジニアリング上の利点
VIOX Electricは、バッテリーエネルギー貯蔵システムの独自の要求に合わせて特別に設計されたDC遮断器の包括的なラインを開発しました。転用されたAC遮断器または汎用DC保護デバイスとは異なり、VIOX BESS定格製品には、4つの重要な設計上の強化が組み込まれています。
1. 100% Ics定格（Ics = Icu）： すべてのVIOX BESS遮断器は、その究極遮断容量に等しい完全なサービス遮断容量を達成しています。VIOX 30kA遮断器は、30kAの短絡を繰り返し遮断した後も、完全な機能を維持します。これにより、25-50% Ics比を持つ標準的な産業用遮断器が、1回の大きな短絡イベント後に交換を必要とする「一発屋」の問題が解消されます。20年間のBESSライフサイクル全体で、この設計思想により、標準的なMCCBと比較してメンテナンスコストが40-60%削減されます。.
2. 双方向アーク消弧： BESSアプリケーションには、双方向の電流フローが含まれます。ピークシェービングおよびバックアップ電源中の放電、オフピークおよび太陽光発電期間中の充電です。永久磁石アーク消弧システムを使用する標準的なDC遮断器は偏極しています。それらは1つの電流方向でのみ正しく機能します。電流が反転すると、磁場はアークがスプリッターチャンバーに移動するのを妨げ、アークの停滞と消弧の失敗を引き起こします。VIOXは、極性に関係なくアークシュートの形状を持つ電磁コイル消弧システムを採用しており、電流の方向に関係なく信頼性の高い遮断を保証します。これはBESSに必須であり、双方向DCアプリケーションに関するUL 1077セクション46で明示的に要求されています。.
3. 強化されたアークチャンバー設計： バッテリー短絡電流は、同等の大きさのトランス供給AC短絡を大幅に超える持続的なエネルギー放出を提供します。VIOX BESS遮断器は、標準的な産業用MCCBと比較して40%大きい容積のアークチャンバー、銀-タングステン合金（標準的な銅と比較して）から製造された拡張アークランナープレート、および優れた熱質量と絶縁を提供する二重列セラミックスプリッタープレートを組み込んでいます。これらの機能により、アーク電圧がバッテリー端子電圧を超えるように急速に上昇し、アーク電流をゼロに向かわせ、10〜15ms以内に信頼性の高い消弧が可能になります。.
4. 連続電流での熱安定性： BESSアプリケーションは、典型的な産業用モーターまたはトランス負荷とは、その連続電流プロファイルが異なります。バッテリーシステムは、拡張バックアップ電源イベントまたはデマンドレスポンスプログラム中に、定格放電電流の100%を数時間維持できます。VIOX BESS遮断器は、IEC 60947-2条項8.3.2に従って、拡張された熱上昇試験（40°Cの周囲温度で定格電流で1000時間）を受けており、端子温度上昇が50K未満に維持され、接触抵抗が初期値の150%を超えて増加しないことを保証します。標準的な産業用MCCBは、通常、断続的なデューティサイクル用に定格されており、持続的なバッテリー負荷の下で熱劣化を示す場合があります。.
認証とコンプライアンス
VIOX BESS遮断器は、DC保護デバイスを管理する国際規格に準拠しています。
- IEC 60947-2: 低電圧開閉装置および制御装置–遮断器。構造要件、温度上昇制限、機械的/電気的耐久性試験、およびIcuおよびIcs定格を含む短絡性能検証をカバーします。.
- UL 1077： 電気機器での使用を目的とした補助プロテクター。1〜63Aの範囲の小型遮断器（MCB）に適用されます。定格電圧でのDC遮断容量試験、および非偏極遮断器の主張に対する必須の双方向試験を指定します。.
- UL 489: モールドケース遮断器、モールドケーススイッチ、および遮断器エンクロージャー。63Aを超えるMCCBをカバーします。熱磁気トリップユニットのキャリブレーション許容差要件、およびバッテリーインピーダンスを表すX/R比での短絡試験が含まれます。.
サードパーティの試験および認証により、VIOX製品が、数百万ドルのバッテリー資産を保護し、壊滅的な短絡シナリオを防ぐために必要な厳格な安全性および性能要件を満たしていることが保証されます。.
インストールと安全に関するベストプラクティス
温度と高度のディレーティング
遮断器の定格は、標準試験条件（40°Cの周囲温度および≤2000mの高度）で指定されています。BESS設備は、特に屋外のコンテナ化されたシステムまたは屋上設備では、これらの条件を超えることがよくあります。高い周囲温度は、遮断器の通電容量と利用可能な短絡性能を低下させ、高い高度は空気密度とアーク消弧能力を低下させます。.
温度ディレーティング： 周囲温度が40°Cを超える10°Cごとに、メーカーの仕様に応じて、遮断器の連続電流定格を5〜8%削減します。60°Cの内部温度で動作するBESSコンテナに設置された125A遮断器は、最大連続電流を約100〜110Aにディレーティングする必要があります。.
高度ディレーティング： 2000mを超える場合は、IEC 60947-2 Annex Bに従って、100mの高度増加ごとに遮断容量を0.5%削減します。3000mの高度に設置された50kA遮断器は、約45kAの有効遮断容量を提供します。.
BESSアプリケーション用の遮断器を指定する場合は、常に最悪の環境条件を考慮してください。すべてのディレーティング係数を適用した後、20〜30%の電流マージンを持つ遮断器フレームサイズと、最小1.5倍の短絡電流マージンを持つ遮断容量定格を選択します。.
ストリングレベル対ラックレベル対システムレベルの保護アーキテクチャ
最適な保護戦略は、BESSトポロジー、短絡電流の大きさ、および信頼性要件によって異なります。
ストリングレベル保護： 各直並列ストリングには、その正および負の端子に専用の遮断器があります。これにより、最大の短絡分離が提供されます。単一のストリング短絡は、他のストリングに影響を与えたり、システム全体のシャットダウンを必要としたりしません。ストリングの交換コストが追加の遮断器の費用を正当化する100kWhを超えるシステムに推奨されます。.
ラックレベル保護： バッテリーラックまたはキャビネット内の複数のストリングが、DCバス接続ポイントで共通の保護デバイスを共有します。コンポーネント数と設置コストが削減されますが、短絡時にはラック全体の分離が必要です。一致するバッテリーモジュールと短絡の可能性が低い小型システム（50〜200kWh）に適しています。.
システムレベル保護： インバーター接続でBESS全体を保護する単一のメイン遮断器。短絡電流が管理可能で、システムコストの感度が高い小型住宅システム（<20kWh）にのみ適しています。短絡分離の欠如と保護デバイスのサービス中のダウンタイムの延長のため、商用またはユーティリティ設備には推奨されません。.
VIOXエンジニアリングチームは、200kWhを超える容量のすべての商用およびユーティリティBESS設備に、ラックレベルのバックアップヒューズを備えたストリングレベルの保護を推奨しています。.
双方向アプリケーションの非偏極遮断器要件
この点を強調しすぎても強調しすぎることはありません。 双方向バッテリーシステムには、非偏極遮断器が必要です。. 単方向負荷（PV、DCモータードライブ）用に設計された標準的なDC遮断器には、1つの方向への電流フローに最適化された永久磁石消弧システムが組み込まれています。これらのデバイスがBESS設備に設置されている場合、バッテリー放電中（バッテリーの正端子から負荷に向かって電流が流れる）は正しく機能しますが、充電中（バッテリーの正端子に電流が流れ込む）は壊滅的に故障します。.
故障メカニズムは単純です。永久磁石の磁場方向は、放電中にアークがスプリッターチャンバーに移動するのを助けますが、充電中にアークの移動を妨げます。アークは、アークシュートに吹き上げられる代わりに、充電方向の短絡中に接点領域で停滞します。アーク温度は数ミリ秒以内に接点材料の熱容量を超え、接点の溶接またはハウジングの破損を引き起こします。.
VIOX BESS遮断器は、永久磁石を使用しない電磁コイルアーク消弧システムを使用しています。コイルは、短絡電流の大きさに比例する磁場を生成し、電流の方向に関係なく、アークをスプリッターチャンバーに駆動するように自動的に方向付けられます。これにより、製造コストが15〜20%増加しますが、BESSの安全性にとっては交渉の余地はありません。.
試験およびメンテナンススケジュール
BESS保護デバイスに次の検査および試験プロトコルを実装します。
月次目視検査： 遮断器端子周辺の変色（接続の緩みと熱応力を示す）、ハウジングまたは取り付け金具への物理的な損傷がないことの確認、オペレーターの知識なしに遮断器がトリップ位置にないことの確認を確認します。.
四半期ごとのサーモグラフィー調査： 定格負荷運転中に赤外線カメラを使用して、端子温度を測定します。周囲温度を超える温度上昇は50Kを超えてはなりません。70Kを超える上昇を示す端子は、接続が緩んでいることを示しており、直ちにトルクの検証と修理が必要です。.
年次トリップ試験： ブレーカーのテストボタンまたは外部トリップコイルテストデバイスを使用して、機械的なトリップ機能が正しく動作することを確認します。これは、過負荷または短絡トリップの校正をテストするものではありませんが、トリップ機構が固着または損傷していないことを確認します。.
隔年接触抵抗測定： ブレーカーを隔離してロックアウトした状態で、IEC 60947-2の8.3.2項に従い、100A DCテスト電流でデジタル低抵抗オームメーター（DLRO）を使用して接触抵抗を測定します。接触抵抗は、新品のブレーカーに対するメーカーの公表値の150％を超えてはなりません。抵抗の増加は、接点の腐食と短絡性能の低下を示します。.
5年ごとの校正試験： 5年間の運転後、またはIcsの50％を超える故障遮断後、ブレーカーは資格のある試験機関による完全な校正試験を受ける必要があります。これには、過負荷、短時間、および瞬時領域でのトリップカーブの検証、ならびに接触抵抗、絶縁抵抗、および機械的耐久性試験が含まれます。.
Icu定格に近い故障を遮断したブレーカーは、外観の状態に関係なく、直ちに交換する必要があります。内部アークシュートの損傷は外部からは見えませんが、将来の故障遮断能力を損なう可能性があります。.
よくある質問
Q: PVとBESSの短絡電流の主な違いは何ですか？
A: 太陽光発電システムは、本質的な太陽電池の物理的特性により、短絡電流（Isc）が通常、定格動作電流の1.15〜1.25倍に制限された電流制限源です。バッテリーエネルギー貯蔵システムは、内部抵抗が非常に低く（セルあたり2〜10mΩ）、定格電流の10〜50倍の故障電流を可能にします。10kWの太陽光発電アレイは最大3kAの故障電流を生成する可能性がありますが、10kWhのバッテリーシステムは20kA以上を供給できます。この根本的な違いにより、BESS用のDCサーキットブレーカーは、PVアプリケーションに十分な6kAまたは10kAと比較して、20kA、30kA、または50kAの遮断容量（Icu）を持つ必要があります。.
Q: バッテリーシステムで標準の10kA MCBを使用できないのはなぜですか？
A: 10kAサーキットブレーカーは、実験室条件下で最大10,000アンペアの故障電流を遮断するように設計およびテストされています。バッテリーシステムは、内部抵抗が低いため、通常20kA〜50kAの故障電流を生成します。10kAブレーカーが30kAのバッテリー故障を除去しようとすると、アークエネルギーがブレーカーのアークシュートの熱容量を超え、アークの停滞、接点の溶着、および潜在的な爆発的故障を引き起こします。ブレーカーは物理的にアークを消弧できません。故障は、上流の保護が作動するか、バッテリーが手動で切断されるまで継続します。これにより、深刻な火災の危険と、故障したブレーカーをはるかに超える機器の損傷が発生します。.
Q: Ics = 100％ Icuとはどういう意味ですか？また、なぜそれが重要ですか？
A: Icu（Ultimate Breaking Capacity：究極遮断容量）は、ブレーカーが爆発せずに遮断できる最大故障電流です。Ics（Service Breaking Capacity：使用遮断容量）は、ブレーカーが複数の故障を遮断し、完全に使用可能な状態を維持できる故障電流レベルです。多くの標準的なブレーカーは、Ics = Icuの50％です。つまり、30kAのブレーカーは、15kAの故障を繰り返し確実に処理できるだけです。25kAの故障を遮断した場合、ブレーカーは成功する可能性がありますが、内部が損傷し、交換が必要になります。VIOX BESSブレーカーは、Ics = 100％ Icuを達成しています。30kAのブレーカーは、30kAの故障を複数回遮断した後も、完全なサービス能力を維持します。これにより、主要な故障イベント後の必須交換が不要になり、保護デバイスが20年以上にわたって繰り返しストレスを受ける可能性のあるバッテリー設置におけるライフサイクルコストが大幅に削減されます。.
Q: BESSに必要な遮断容量を計算するにはどうすればよいですか？
A: 予想される短絡電流は、Isc = Vmax / (k × Rbatt/Np + Rconn)を使用して計算します。ここで、Vmaxは最大充電電圧、Rbattは単一ストリングの内部抵抗、Npは並列ストリングの数、Rconnはバスバー/接続抵抗（通常15〜40mΩ）、kは温度ディレーティング係数（高温動作の場合は0.7を使用）です。故障開始時の非対称ピーク電流を考慮して、結果に2.2を掛けます。ブレーカーのIcu定格は、すべてのディレーティング係数を適用した後、このピーク値を少なくとも1.25倍の安全率で超える必要があります。400V、200kWhのシステムで、8つの並列ストリングと250mΩのストリング抵抗がある場合：Isc(peak) = 2.2 × [456V / (0.7×31.25mΩ + 25mΩ)] = 21.4kA。必要なブレーカー：21.4kA × 1.25 = 26.75kA（最小）、30kA定格のデバイスを指定します。.
Q: バッテリーストレージでMCBの代わりにMCCBを使用する必要があるのはいつですか？
A: 予想される故障電流が15kAを超えるか、システム電圧が600VDCを超えるBESSアプリケーションには、MCCB（Molded Case Circuit Breakers：モールドケースサーキットブレーカー）を使用します。MCB（Miniature Circuit Breakers：ミニチュアサーキットブレーカー）は、IEC 60898-1あたり約63Aのフレームサイズと20kAの最大遮断容量に制限されています。これらは、48Vまたは100Vで20kWh未満の住宅用バッテリーシステムに適しています。商用およびユーティリティスケールの設置では、より高い故障電流、より大きなフレームサイズ（125A〜2500A）、および調整可能なトリップ設定、補助接点、シャントトリップ機能などの追加機能により、MCCBが必要です。MCCBはまた、大規模なバッテリーバンクの故障に特徴的な持続的なエネルギー放出を確実に遮断するために必要な、優れたアークチャンバーボリュームと接点力を提供します。電流定格が一致する場合でも、商用BESSで住宅用MCBを絶対に使用しないでください。遮断容量は根本的に不十分です。.
Q: 大規模なBESSには、サーキットブレーカーに加えてヒューズが必要ですか？
A: はい、予想される故障電流が50kAを超えるユーティリティスケールおよび大規模な商用BESS設置の場合。連携保護を実装します。30kAまたは50kA定格のストリングレベルMCCBを、300kA以上の定格のラックレベルHRCヒューズでバックアップします。MCCBは、交換を必要とせずに、Ics定格までのルーチンな過負荷および中程度の故障を処理します。ヒューズは、ブレーカーの容量を超える極端な故障状態での究極のバックアップ保護を提供します。適切な時間電流曲線連携により、ブレーカーが定格内の故障に対して最初に動作し、ヒューズは壊滅的なイベントでのみ動作することが保証されます。この戦略により、メンテナンスコストが削減され（ヒューズの動作はまれです）、全故障電流範囲にわたる包括的な保護が保証されます。予想される故障電流が50kA未満のシステムの場合、適切に定格されたMCCBのみで十分です。ヒューズを追加すると、安全上の利点なしにコストが増加します。.
結論
バッテリーエネルギー貯蔵システムの普及により、エンジニアが適切な技術で対処する必要がある重要な保護上の課題が導入されました。太陽光発電アプリケーション用に設計された標準のDCサーキットブレーカーは、BESS設置に適用すると壊滅的な故障が発生します。根本的な違いは故障電流特性にあります。太陽光パネルは、定格電流の約1.25倍に制限された短絡電流を供給しますが、ミリオームレベルの内部抵抗を持つバッテリーバンクは、定格電流の10〜50倍の故障電流を生成します。.
適切なBESS保護には、システムのサイズ、電圧、および並列構成に応じて、20kA、30kA、または50kAの遮断容量（Icu）を備えたサーキットブレーカーが必要です。同様に重要なのは、主要な故障を遮断した後もブレーカーが機能するかどうかを決定する使用遮断容量（Ics）定格です。VIOX BESS定格のサーキットブレーカーは、Ics = 100％ Icuを達成しており、故障イベント後に標準的な産業用ブレーカーで一般的な必須交換要件を排除しています。.
バッテリーストレージシステムのサーキットブレーカーのサイズを小さくすることは、信頼性の低下やメンテナンスコストの増加の問題ではありません。それは、即時の火災の危険と壊滅的な故障モードを引き起こします。30kAのバッテリー故障を除去しようとする10kAブレーカーは、アークを消弧できません。その結果、故障電流の持続的な供給、隣接する機器の熱破壊、およびバッテリーラック全体での潜在的な熱暴走の伝播が発生します。.
BESS保護を指定するエンジニアは、バッテリーの化学的性質、内部抵抗、並列構成、接続抵抗、および温度の影響を考慮して、正確な故障電流計算を実行する必要があります。すべてのディレーティング係数を適用した後、計算されたピーク故障電流を超える最小1.25倍の安全マージンでブレーカーを選択します。商用およびユーティリティの設置では、ストリングレベルのMCCB保護をラックレベルのHRCヒューズでバックアップして、全故障電流範囲にわたる包括的な保護を確保します。.
VIOX Electricは、故障電流分析、ブレーカーの選択、および連携調査のためのエンジニアリングサポートを備えた完全なBESS保護ソリューションを提供しています。当社のBESS定格製品は、IEC 60947-2、UL 1077、およびUL 489規格に準拠しており、信頼性の高いバッテリーシステム保護に不可欠な高い遮断容量、双方向アーク消弧、および熱安定性を提供します。.
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